統一化、多適應性的測控通信系統供配電子系統設計

梁宇坤，王曉君，張佳寧

統一化、多適應性的測控通信系統供配電子系統設計

梁宇坤，王曉君，張佳寧

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

供配電子系統作為測控通信系統的能源部分，為測控通信系統其他子系統提供能源支撐。隨著運載火箭測控通信系統技術的發展，傳統供配電子系統已逐漸無法滿足需求。對長征八號運載火箭測控通信系統的供配電子系統進行了論述，在1553B總線制供配電子系統的基礎上，按照統一供配電設計思路對供電和配電設備進行了優化設計，根據負載特性、功能需求、空間分布、重要程度等按需進行統一規劃，提高了供配電子系統的適應性和可靠性。

測控通信系統；統一化；多適應性；供配電子系統

0 引 言

測控通信系統供配電子系統作為測控通信系統的能源部分，為長征八號運載火箭地面測試階段和飛行階段提供能源支撐，確保了長征八號運載火箭在地面推進劑加注階段、射前準備階段及飛行階段的遙測數據和天基數據的傳輸。因此，供配電子系統設計對于測控通信系統十分重要，直接影響了測控通信系統的可靠性[1]。

1 供配電子系統設計概述

長征八號運載火箭測控通信系統供配電子系統采用基于1553B總線的分級、一體化設計思想，對全箭測控系統供配電進行統一管理和綜合設計，系統間接口簡化為光纖和網絡兩種接口；箭地通訊和供電測控通過1553B總線實現，大幅優化了傳統運載火箭箭地單獨支路的硬指令控制信號，在優化箭上電纜網和地面電纜網的同時，提高了設計的可靠性[2]。

供配電子系統由箭上供配電設備和地面供配電設備兩部分組成。地面測試階段由地面電源供電、配電控制組合配電，并經箭上配電器實現為箭上負載供電。

在飛行階段由箭上電池供電、箭上配電器配電，直接為箭上負載供電。為了簡化箭地接口，供配電子系統采用1553B總線制測控，地面面向儀器系統的局部總線擴展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）自動測控組合的總線控制器（Bus Controller，BC），通過1553B總線控制箭上配電器和地面配電控制組合各RT站點，實現地面測控功能，并將箭上和地面采集的電壓、電流和狀態參數通過1553B總線傳輸到PXI自動測控組合。PXI自動測控組合通過網絡與后端綜合測控設備進行數據和指令的交互，從而實現前端無人值守的功能。長征八號運載火箭測控通信系統供配電子系統供電測控信號流向如圖1所示。

圖1 供配電子系統供電測控信號流向

2 供配電子系統方案設計

2.1 總線測控設計

根據前文介紹，PXI自動測控組合（主、從）、一級配電器、二級配電器和配電控制組合通過1553B總線連接。PXI自動測控組合接收綜合測控的網絡指 令[3]，通過前后端交換機將網絡指令發送給PXI自動測控組合，PXI自動測控組合將網絡指令轉換為對應的1553B總線指令，控制箭上配電器和地面配電控制組合執行對應的繼電器動作，實現測控功能[4-5]。

由于1553B總線測控可實現各支路的獨立分步供電，因此每一條獨立通路均可配置獨立配置加電和斷電，大大縮減了測控需求的箭上和地面電纜網。圖2為測控通信系統供配電總線拓撲結構。

圖2 測控通信系統供配電總線拓撲結構

2.2 供電系統設計

供電設備包括地面供電設備和箭上供電設備。地面供電設備包括地面電源和地面控制電源，箭上供電設備包括遙測電池和安控電池。

地面電源用于為一級（含助推）箭上設備供電、二級箭上設備供電和箭上所有電池加溫，3條供電母線為獨立供電，相互隔離，確保了單路母線故障不會影響其他供電母線，并可持續檢測3條母線的漏電情況。為了確保箭上供電母線不受地面設備干擾，地面設備都是通過地面控制電源進行供電和測控的，從而提高了供電系統的可靠性。

箭上電池用于飛行階段為測控系統供電，在火箭起飛前將地面電源供電切換到箭上電池供電，為箭上的一級遙測、二級遙測和安控設備供電，確保飛行過程中持續為箭上測控系統設備供電。

2.3 配電系統設計

配電設備包括地面配電設備和箭上配電設備。地面配電設備包括配電控制組合，箭上配電設備包括一級配電器和二級配電器。

配電控制組合作為重要的地面配電設備，可實現地面設備和箭上設備的加、斷電控制功能。為了縮小箭上設備的體積和質量，將地面供電的繼電器安裝在配電控制組合中。每個配電獨立通路均采用雙繼電器雙觸點的設計，提高了配電設計的可靠性。

一級配電器和二級配電器內部包括箭供繼電器。當地供狀態時，地面配電控制組合地供繼電器接通到箭上配電器，箭上配電器提供通路為箭上負載供電。當轉電后到箭供狀態轉電時，配電器內部的箭供繼電器接通，箭上電池通過箭供繼電器為箭上負載供電。當箭供接通后，并在確保不掉電的情況下切斷地供通路，確保火箭起飛后不會出現帶電分離的情況，尤其是為了避免誤觸發斷箭供導致箭上斷電現象的發生。

2.4 信號采集設計

箭地采集的信號包括模擬量、數字量和狀態量。其中PXI自動測控組合作為BC，通過1553B總線按照總線通信協議采集箭上配電器的電壓信號、電流信號和電池加溫狀態信息等數字量參數。

測控信號轉換裝置作為地面前端測控設備，采集配電控制組合、地面電源和地面控制電源的模擬量和狀態量信息。電壓模擬量信息將0～50 V電壓線性轉換為0～10 V電壓，電流模擬量信息根據實際量程轉換為0～10 V或0～5 V電壓。狀態量調理是將地面電源、地面控制電源和配電控制組合反饋的狀態指示參數 （28 V或10 V電壓）轉換為PXI的數字量I/O適用的TTL電平，狀態量輸出為TTL電平。測控信號轉換裝置將采集的參數經調理和隔離后，再經過放大輸出完全相同的兩路信號，分別供兩臺PXI采集使用，PXI自動測控組合再將采集到的1553B總線信號和測控信號裝置采集到的信號進行整合，按照測控通信協議發送給綜合測控設備，供后端操作人員進行判讀。

2.5 關鍵技術

2.5.1 供配電拓撲結構設計

測量系統拓撲結構取消了傳統的遙測供配電和外安供配電，在每個部分箭上設備采用統一電池提供供電和采用統一的配電器完成配電控制和測試功能。

2.5.2 狀態同步及無縫切換設計

PXI自動測控組合中互為熱備的主從雙機具有相同的硬件和軟件配置，均可單獨完成前端測控任務。主從雙機之間通過冗余的以太網鏈路進行數據交互，并通過熱備層軟件完成過程同步、故障監測和數據備份，進而完成雙機的熱冗余功能，使得雙機始終同步工作，并在必要時通過切換完成應用移交，保證測控任務的不間斷運行。

PXI自動測控組合通過應用層和熱備層共同建立應用。熱備層實現狀態同步和切換功能，應用層實現人機交互和產品的實現功能。其中，從機通過同步層獲取主機的實時狀態信息，通過實時計算和一致性處理，實現主機和備機處理結果的一致性，傳輸層通過TCP/IP實現以太網通信。

此外，主機和從機還可以實現故障檢測和應用切換功能。故障檢測通過“檢查點檢測+心跳檢測”方式實現，主從PXI以10 Hz頻率檢測對方的狀態信息，同時，每10 Hz互相發送心跳信息包。如果發生異常或“心跳”監聽異常，可實現應用切換功能。

命令執行實行雙隊列請求機制如下：

a）主機正常運行時，使用工作隊列接收命令請求和實現命令處理，預備隊列為空閑狀態；

b）從機輸入指針指向預備隊列，不進行命令相關業務處理。

在收到應用切換指令后：

a）主機將輸入指針指向預備隊，后續接收到的命令請求將緩存到預備隊列，工作隊列執行命令請求直至隊列為空；

b）從機將輸入指針由預備隊列指向工作隊列，處理指針指向工作緩沖，開始處理命令請求。

2.5.3 箭上一、二次供配電和接口統一化設計

由于不同部段距離電池和配電器位置遠近不一，配電器直接連接各負載的架構十分復雜。為適應系列化架構需要，各部段內供電及數據傳輸的拓撲結構采用換流轉接器形成局部供電變換轉接和數據轉接中心，換流轉接器提供部段內的一次用電匯流轉接和二次電源變換，二級電源提供給傳感器和變換器使用；同時，換流轉接器將兩器輸出的信號轉接給部段內的采編單元，實現了非電量數據和供電接口的統一，大大簡化了箭上電纜網的復雜度。

2.5.4 1553B總線通信設計

在總線控制指令傳送過程中，供配電控制指令上行信號通過綜合測控軟件由后端的綜合控制臺發出，通過網絡由總控網前、后端交換機傳輸到前端PXI自動測控組合。PXI自動測控組合將接收到的網絡指令信息轉換為相應的總線供配電指令，作為BC通過1553B總線傳送給配電控制組合和箭上配電器，配電控制組合和箭上配電器作為RT接收BC指令，將總線信號轉換為電信號，驅動其內部相應繼電器完成配電任務，從而實現供配電指令控制功能。

箭上供配電數據通過配電器1553B總線接口發送給PXI自動測控組合，完成箭上配電器參數的傳遞，地面各測試設備狀態信息通過測試電纜發送給測控信號轉換裝置，由其進行信號的隔離、調理后發送給PXI自動測控組合，PXI自動測控組合將采集到的箭地參數回送給綜合控制臺，完成箭地信息采集功能。

PXI自動測控組合測試軟件將其測試數據和軟硬件狀態通過網絡向綜合測控軟件發送，測試數據的上傳通過組播方式發送，保證了數據發送的可靠性。

2.6 供配電子系統統一化、多適應性設計

為了適應長征八號系列運載火箭后續的測試需求，滿足長征八號系列飛行時間延長及鈍化段測控的需求，在長征八號運載火箭完成首飛任務后，測控通信系統對箭上二級配電器和二級測量電池進行了優化設計。

2.6.1 箭上二級配電器優化設計

經過長征八號運載火箭首飛任務，測控通信系統識別到目前使用的二級配電器的相控陣天線供電通路容量較小的風險。目前采用3 Mb/s的Ka頻段相控陣天線可滿足要求，若后續增加Ka頻段相控陣天線碼率，則會進一步增加負載電流，甚至導致二級配電器霍爾電流傳感器損壞。由于霍爾傳感器是串聯在供電通路中的，如霍爾傳感器損壞則會導致相控陣天線供電支路無法正常工作。相控陣天線地供原理見圖3。

圖3 相控陣天線地供原理

為了解決上述問題，對二級配電器進行了適應性修改。原相控陣天線霍爾傳感器最大承受電流為5 A，而3 Mb/s的Ka頻段相控陣天線最大工作電流已達到5 A，因此必須更換或取消該霍爾傳感器。考慮到二級配電器內部電路設計已無法安裝更大的霍爾傳感器，因此取消該霍爾傳感器的測量。為滿足系統的測試覆蓋性，在相控陣天線電流加電時可通過地面電源對該支路電流進行監測，并對相控陣天線組件電流等遙測參數對相控陣天線工作狀態進行監測。此外，將二級配電器多余的電池加溫轉接輸入點用于相控陣天線的28 V供電，解決了相控陣天線電流增加的風險問題。

2.6.2 箭上二級測量電池優化設計

長征八號運載火箭首飛任務的實際電流情況可以滿足30 min以上的飛行任務。但是考慮到后續任務飛行時間延長的需求，并考慮盡力實現鈍化段遙測和天基數據的獲取能力，目前的電池容量難以滿足要求。

為了解決這一問題，對二級測量電池進行了完善性設計，將單體容量增加了1倍，并通過電池整體優化設計將電池容量增加了16.7%。此外由于轉電后系統電流屬于低倍率放電模式，放電效率更高。與長征八號運載火箭測控通信系統工作電流13.4 A相比，實測在長征七號甲運載火箭22 A工作電流的情況下，工作到電池電壓下限26 V時，在滿足濕荷電壽命且循環5周后，優化后的電池工作時間可保證飛行含鈍化時間的測控需求。若不考慮低倍率放電效率提高的影響，如按照目前負載電流曲線進行放電，優化后的電池工作時間可達到工作時間的1.64倍，可滿足后續任務對飛行時間的要求，同時也為目前火箭推遲發射預留余量，提高了火箭推遲發射的測控系統適應性。

2.6.3 統一化、多適應性設計

優化后的二級測量電池和二級配電器除了在長征八號后續運載火箭上使用，并已在長征七號系列運載火箭上使用，這就對測控通信系統供配電子系統的統一化設計提出了更高的要求。

供配電子系統設計需要兼顧箭上和地面設計，為了減少箭上和地面供配電子系統的種類，實現產品化設計，提高產品的可靠性，目前在長征七號系列運載火箭和長征八號運載火箭測控系統采用同樣設計的供配電子系統，可滿足長征七號、長征七號甲和長征八號3型運載火箭的測試和發射需求，體現了統一化和多適應性的設計[6]。

在后續的設計中，應進一步實現模塊化設計。通過技術牽引和型譜規劃帶動單機的產品化，并通過歸一化的單元測試和環境試驗條件等，通過組批生產替換現有小規劃、多狀態的供配電設備設計和生產，降低系統和設備的平均成本，實現運載火箭測控系統的降本增效。

3 供電測控系統后續設計展望

1553B總線供配電測控技術作為新一代運載火箭測控系統供配電子系統的代表，已經廣泛應用于運載火箭和導彈武器系統，大大簡化了測控和通信箭上和地面電纜網，并通過總線冗余提高了系統的可靠性。在此基礎上，供配電測控技術可進一步提升，實現模塊化和型譜設計[7-8]。

3.1 供電類設備

目前地面電源和地面控制電源采用的標準機箱高度為13.335 cm的單臺設備，設備體積質量難以滿足小型化的需求。通過模塊化電源替換現有傳統臺式電源，并可進一步規劃電源模塊型譜，縮減電源類產品的種類，實現產品的組批生產。

箭上電池目前采用銀鋅蓄電池，銀鋅蓄電池具有放電電壓穩定的優點，但是隨著運載火箭測試需求、電池進行不下箭測試的需求日益增加，鋰電池在運載火箭使用需求迫在眉睫。通過鋰電池的使用，可以取消地面模擬箭供電纜，優化地面測試準備時間，并可在測試過程中實時檢測鋰電池單體電壓，在一次測試結束后可對鋰電池進行在線充電，并對充電電壓進行實時檢測。

3.2 配電類設備

盡管長征八號運載火箭測控系統已對二級配電器進行了優化改進設計，但是各運載火箭型號箭上配電器功能差異仍然較大，難以實現批量生產。后續應考慮通用化配電器設計，通過配電通路、指令接收和發送功能、總線測控和通信功能等進行規劃，通過各功能的模塊化進行設計，從而適應多個運載火箭測控系統對于箭上配電器的需求。

此外，通用化配電器每條配電支路均可采集電壓和電流，其中電流采集最大可達到15 A，從而解決配電支路電流大無法采集的問題。

3.3 測控類設備

目前地面傳輸的信號包括模擬量和狀態量，這就需要配置單獨設備將模擬量和狀態量轉換為低電壓信號。將配電設備的輸出在設備內部進行變換，采用統一的數字量或者網絡信號進行傳輸，可以減少信號調理設備，進一步縮小地面設備的規模和種類。

4 結束語

通過統一化、多適應性的設計，測控通信系統供配電子系統可適應以長征八號為代表的多型運載型號。通過箭地總線制供配電測控，大大簡化了箭地接口設計，優化了箭上電纜網和地面電纜網，對供電支路的負載特性和功能需求進行統一規劃，可滿足多型運載型號的使用需求。此外也對供電測控系統的后續模塊化和型譜設計進行了展望。

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Design of Communication Power Supply Subsystem on Unification and Multi-adaptive

LIANG Yukun, WANG Xiaojun, ZHANG Jianing

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

As the energy part of communication system, the power supply subsystem provides energy support for other subsystem of communication system. With the development of communication system technology of launch vehicle, traditional power supply subsystem has been unable to meet requirements. The communication power supply subsystem of Long March 8 Series is discussed, which is based on 1553B bus power supply subsystem. The system optimizes the design of power supply and distribution equipment with the unified power supply and distribution ideas. It realizes unified planning according to load characteristic, functional requirement, spatial distribution and degree of importance, which improves adaptive and reliability of power supply subsystem.

communication system; unification; multi-adaptive; power supply subsystem

2097-1974(2023)02-0126-05

10.7654/j.issn.2097-1974.20230225

V475.1

A

2022-11-29；

2023-04-01

梁宇坤（1989-），男，工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。

王曉君（1986-），女，工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。

張佳寧（1988-），男，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統設計。