箭載飛行控制計算機的國產化設計

姚文剛，張蕾蕾，周 賓，楊宏亮

（西安微電子技術研究所，西安，710054）

0 引言

箭載飛行控制計算機是中國長征系列運載火箭的核心控制設備，實時接收來自慣性測量裝置和速率陀螺的脈沖信號以及衛星導航接收機發送的定位數據，經過輸入錄取后由飛行軟件進行制導、姿控計算和軌道誤差修正，輸出姿態控制信號、時序信號和遙測量，控制各執行機構協同工作，從而達到使火箭按期望軌道飛行的目的。

1 長征系列運載火箭箭載計算機發展歷程

中國運載火箭是在洲際戰略導彈的基礎上發展起來的[1]，因此，早期箭載計算機也是在導彈控制系統計算機的基礎上逐漸發展的。早期彈箭載計算機主要解決運算速度和小型化的研制需求，受限于集成電路發展水平，多采用晶體管分立器件實現，整機所用元器件較多，體積重量較大，可靠性指標不高，甚至出現過計算機已經研制成功，所有指標均滿足要求，但由于體積過大無法裝入彈倉的情況。20世紀70年代至90年代初期，隨著集成電路設計制造水平的快速發展，箭載計算機在運算速度、體積重量和可靠性指標方面不斷提升：指令周期下降至100 ns，重量由65 kg下降至13 kg，可靠性指標已達0.999。這一階段，箭載計算機均采用單機結構，其整機可靠性指標的提升依賴于所選用集成電路的可靠性指標。

20世紀90年代初，中國載人航天工程正式啟動。載人航天工程首要任務之一就是要研制出以確保航天員絕對安全為核心的長征二號F運載火箭，可靠性和安全性指標成為該型火箭的關鍵技術參數[2]。這種情況下，以往單機結構箭載計算機已無法滿足載人航天工程對可靠性和安全性的研制需求，冗余容錯技術開始應用于箭載計算機設計，長征二號F火箭雙機備份箭載計算機成為第1種采用冗余容錯技術的箭載計算機產品。隨后，三機表決箭載計算機產品應用于長征三號甲運載火箭。

2006年至2016年是箭載計算機冗余容錯體系架構的深入發展階段，逐漸開發出混合冗余、冗余重構、故障檢測隔離、精確同步和總線監控等技術，整機故障容限進一步提升。2016年至今，箭機產品研制進入國產化設計應用階段。

2 箭載計算機三模冗余可重構容錯架構

為適應新型中型運載火箭對箭載計算機短時間、強實時、高可靠的應用要求，箭載計算機在繼承以往冗余容錯技術的基礎上，綜合運用表決、混合冗余以及故障檢測隔離等技術對整機容錯架構進行了重新設計，整機具備系統重構能力，可根據故障類型實現三機表決、雙機混合冗余、雙機熱備、單機主控4種冗余容錯工作模式，容忍兩度故障。

新型中型運載火箭箭載計算機由3塊CPU板、公共接口（COM）板、DSP智能接口板、電源（PSB）板以及無源底（MB）板組成，三機共存于1個機箱內，其整機結構如圖1所示。

圖1 新型中型運載火箭箭機整機結構Fig.1 Hierarchical Architecture of Rocket Computer

火箭起飛前，監控軟件將飛行軟件上傳至箭機內部3個冗余單機并啟動執行，在飛行軟件和內部控制信號作用下，箭機進入三機表決工作模式。由于箭機3個冗余單機裝訂的飛行軟件相同，在每個20 ms控制周期的起點，各單機開始執行相同的控制流程，錄取外部狀態指示信號、捷聯慣組輸入參數以及助推級綜合控制器輸入數據，經信息交換通道完成三機數據交換；同時在自動錄取信號控制下，三機FPGA邏輯自動完成速率陀螺數據的接收、解幀和交換。各單機飛行軟件在進行實時軌道運算前，可讀取三套外部輸入數據，通過三中取二表決和數據合理性判別剔除瞬態故障輸入，保證參數錄取的正確性和飛行軟件執行分支的相同性，其運算結果和控制指令也通過信息交換通道進行交換比對，從而保證3個單機輸出的正確性和同步性。

三中取二機制以少數服從多數的表決原則為基礎，若箭機發生單機故障則僅有兩機正常運行，表決基礎已不存在。箭機內部采用軟硬件相結合的故障檢測技術，任一單機可實時監測其余兩臺單機的程序執行、供電、控制周期精度等狀態信息，實現故障判別。當發生掉電等冗余單機整體故障時，通過切機指令，隔離故障單機對正常單機的狀態、數據交換通道，防止故障擴散，整機轉入雙機熱備工作模式，并依據單機標識信息確定控制主機和跟隨備份機；若故障單機僅為CPU運行異常故障，則不執行切機指令，故障單機的數據錄取接口仍可正常錄取輸入數據并發送至正常單機，整機轉入雙機混合冗余工作模式，雙CPU并行運算并輸出控制指令，助推通信和1553B總線數據雙冗余錄取，速率陀螺和狀態指示信號三冗余錄取。雙機運行模式下，若再次發生單機故障，則整機轉入單模主控工作模式。圖2為箭機工作模式狀態轉換示意。

圖2 箭機工作模式狀態轉換Fig.2 Work State Transition of Rocket Computer

3 基于雙計數器切換的控制周期同步技術

箭載計算機屬于強實時設備，需周期性完成數據采集、運算、判斷、指令輸出等控制任務，因此三機同步十分重要。若采用5×10-5精度的晶振作為時鐘源，則各冗余單機間主頻最大差異為10×10-5，按新型中型運載火箭680 s飛行時間計算，累計時間誤差可達68 ms，超出火箭飛行控制周期3倍多，且飛行時間越長累計誤差越大。

同步的目的是為了消除因各冗余單機主頻的微小差異而產生的累積誤差，保證各單機數據采集和處理的同時性。三機同步最簡單的方法是各冗余單機使用同一時鐘源，可保證三機完全同步，但這是冗余系統不能接受的單點[3]。早期三冗余箭機曾采用雙時鐘作為各冗余單機的時鐘源，但時鐘切換電路依然是三冗余箭機的單點。

新型中型運載火箭箭機各冗余單機使用各自獨立時鐘源，單機控制周期同步電路使用兩組定時器輪流對20 ms控制周期進行計時。各單機定時器計滿20 ms，則發出本機20 ms定時信號，此時定時器并不停止計時。各單機對自己產生的20 ms定時信號和來自另外兩機的20 ms定時信號進行三中取二表決，產生本機的20 ms定時中斷信號。20 ms定時中斷信號停止當前定時器計時并鎖存計時狀態，控制邏輯自動切換至另一個定時器對下一個20 ms周期進行計時，如此循環，完成20 ms控制周期的定時同步。圖3為20 ms控制周期計數同步原理示意。

使用兩組定時器進行周期同步計時，可將上一次20 ms定時周期的計時狀態鎖存，供飛行控制軟件回讀，若在火箭飛行過程中發生晶振頻率漂移，則飛行軟件可通過調整計數個數調節自身20 ms周期精度。箭機單元測試中也通過回讀此狀態判斷晶振頻率是否正常。

圖3 20 ms控制周期計數同步原理Fig.3 Synchronization Based on 20ms Control Period

4 總線監控技術

箭機是箭上控制系統的主控設備，其余設備如速率陀螺、捷聯慣組、助推級綜合控制器、橫法向表、伺服控制器等均通過各種總線（RS-485、RS-422以及1553B等）與箭機相連，飛行軟件通過箭機外設接口獲取相應設備的輸入數據和輸出控制指令。

箭機總線監控邏輯利用箭機在控制系統中的核心地位，實時檢測箭機內部處理器總線輸入輸出狀態，在飛行軟件錄取數據和輸出控制指令時，同步獲取箭上各設備數據流信息，在不需要飛行軟件參與的情況下自主采集箭上狀態信息，并通過箭地高速串行總線自動下傳至地面計算機。箭地高速串行通信協議還通過用戶郵箱為飛行軟件提供數據的主動收發功能。圖4為總線監控及箭地高速串行通信系統示意。

圖4 總線監控原理及箭地高速串行通信系統Fig.4 Bus Monitor Unit

圖5 為總線監控數據單元格式和數據幀格式示意。圖5中設備號用于標識數據所屬設備，總線狀態用于標識輸入輸出信息；幀格式中的時標用于標識該幀數據的20 ms周期序號。自飛行軟件啟動執行開始，總線監控邏輯可詳細記錄每個20 ms控制周期，飛行軟件錄取了哪些箭上設備的哪些數據，進行了哪些中間操作，并向哪些箭上設備輸出了哪些控制指令。地面測發控系統通過解析下傳的總線監控數據，可及時準確地掌握箭上各設備運行狀態，為系統故障診斷提供判定依據，實現控制系統閉路總檢查測試[4]。

圖5 總線監控數據單元格式和數據幀格式示意Fig.5 Data Format of Bus Monitor Unit

5 箭載計算機國產化設計

為應對進口元器件停產、禁運風險和采購價格過高問題，在國家某重大工程支持下，立足于國產元器件，在保持原箭機控制功能和技術成果的基礎上，對箭機進行全國產化設計，重點解決元器件自主可控問題，并應用于新型中型運載火箭系列。

箭機微處理器系統是飛行軟件運行的硬件基礎，其國產化設計首要考慮的問題是如何盡可能減少軟件移植的工作量。具有自主知識產權的LCSOC3201芯片是一款基于SPARC V8結構、面向航天應用的高性能SOC芯片，用于替代進口基于SPARC V7結構的TSC695F處理器，可保持箭機微處理器結構不變。混合封裝存儲體LHB567內部集成1M×32bit FLASH和512K×32bit SRAM，使用其替代進口的E2PROM和SRAM存儲器，可進一步提高整機集成度。

箭機內部核心控制邏輯包括三冗余可重構容錯管理、三機同步、速率陀螺自主接收、助推通信、總線監控和協議雙端口存儲部件等均由FPGA邏輯實現，僅需選用國產FPGA芯片經過代碼適應性修改即可實現國產化，同時也可保證飛行軟件操作方式不變，方便軟件移植。1553B總線控制器目前已有多款成熟電路可供選用且兼容DDC公司的ACE系列芯片[5]，箭機選用LHB155301替代BU-61580。

國產化箭機繼承了原箭機的全部控制功能和冗余容錯架構，沒有新增控制功能，因此，其測試設備可直接沿用，不需開發新的測試設備，減少研制成本。圖6為國產化箭機測試環境示意。

圖6 國產化箭機測試環境Fig.6 Test Equipment for Rocket Computer

6 結論

近年來，隨著國產元器件設計工藝水平的不斷提高，箭機國產化的制約因素已不存在。經統計，國產化箭機的國產化率為100%，是中國實現全國產化設計的箭載飛行控制核心設備，且元器件采購成本下降了約30%。原箭機研制的重點是解決新型中型運載火箭飛行控制中涉及箭機的關鍵技術問題，而國產化箭機研制的重點是國產元器件應用技術，可為運載火箭電子設備的研制提供一定的經驗借鑒和參考。