平流层飞艇艇务管理分系统的设计与实现

席　鹏，於二军

(航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)



平流层飞艇艇务管理分系统的设计与实现

席鹏，於二军

(航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

摘要：针对平流层飞艇艇务分系统各类压力传感器、阀门分布广泛、监测数据处理要求高等特点，本文提出了分布式架构艇务管理分系统设计思路，并对该系统的组成结构、工作原理、容错方法进行了研究和设计。目前该系统已通过了试飞验证并交付使用，艇务管理分系统运行可靠。

关键词：平流层飞艇；艇务管理；分布式

平流层飞艇作为一种现代特种飞行器，具有空中滞留时间长、部署速度快、飞行高度高等突出优点，其在民用、军用领域有着广泛的应用价值，美国、俄罗斯、日本等国都将平流层飞艇平台的研制作为占领平流层空间的战略目标予以高度重视并已相继开展了相关课题的可行性研究论证以及飞行验证试验[1]。根据各国的发展现状，平流层飞艇的巨型化是目前各国实现飞艇在平流层环境长时间运行所采用的方法。这是由于飞艇工作的平流层高度大气密度远低于海平面，更低的密度意味着需要更大的体积。但更大的体积使得艇上各类传感器及阀门、灯光等将在艇上各个部位进行分布，因此要求其控制系统对飞艇的各状态参数进行就近采集、就近控制。

传统的小型飞艇由于任务简单，体积小，仅有为数不多的传感器和执行机构需要管理，通常这些功能与其它一些功能例如导航集成在一起，并不需要单独的艇务控制系统，因此艇务控制系统也是伴随着大型飞艇的出现而产生的一个新的分布式架构系统。

1系统架构

1.1艇务管理分系统的网络拓扑

针对平流层飞艇的特点，从系统可靠性、稳定性、实时性以及整体性能的优化等多方面出发，艇务管理分系统采用分布式集中网络结构。

艇务管理计算机为系统的控制核心，艇务管理计算机每周期接收艇载通信管理器发出的控制命令，解算后通过RS422总线与3个数据转换盒进行数据命令交互，将控制指令传递给数据转换盒来控制各个空气阀、氦气阀、航行灯等设备的工作状态，满足飞艇的飞行要求。

数据转换盒主要负责对各类传感器的电信号进行采集，将采集的电信号通过RS422A总线上报艇务管理计算机，同时数据转换盒接收艇务管理计算机发来的控制命令，对艇上灯光、各类阀门等执行机构进行实时控制。

2艇务计算机技术特点

艇务管理计算机是艇务管理分系统的信息处理和系统管理中心，艇务管理计算机为双机容错冗余系统，主CPU模块出现故障后可自动切换到备份CPU模块控制系统功能，CPU模块上提供数据处理、10路外部RS422接口、以太网接口、LBE底板总线接口功能。

图2　艇务管理计算机结构图

2.1艇务计算机双通道CPU主备工作模式

艇务管理计算机双通道热备方式。即双通道同时加电，且均处于工作状态；采用热备份工作形式的两通道CPU模块硬件软件配置完全一致，各通道均具有包括监控、记录、通讯、控制功能在内的完整独立功能。这两个通道的输出接口通过通道故障逻辑控制使其输出使能。

正常情况下主控CPU进行系统控制，从CPU进行监听备份；主CPU故障时将系统任务切换至从CPU运行，由从CPU进行系统控制；然后可通过强制切换功能将系统任务强行从从CPU切换至主CPU运行。整个系统工作状态切换流程见图3。

图3　艇务管理计算机工作状态切换图

2.2故障处理及切换

艇务计算机上电默认A通道控制有效，A通道CPU模块检测到以下条件：看门狗报警、电源掉电或软件配置时，将产生A_VALID信号通知B通道CPU,此时A通道CPU模块有故障。通过离散量信号输入到B通道CPU模块FPGA中采集，当逻辑电路判断到该信号处于关断状态时，将禁止本CPU模块的LBE总线输出、RS422输入输出等外部输出信号, 同时使能B通道LBE总线输出、RS422输入输出等外部输出信号，实现通道切换功能，通道故障逻辑示意图如图4所示。

图4　双CPU通道切换逻辑

由于发生一次严重故障后即便故障消失，系统的可信度也大大降低，因此艇务管理计算机的通道切换设计为单向，即切换顺序只能是由主通道A 切换到备通道B完成一次切换。

2.2.1模块功能框图

PSM模块功能框图如图5所示。

图5　PSM模块功能框图

PSM模块由两个完全相同的电源通道组成。每个通道由正常直流汇流条和应急(蓄电池)直流汇流条供电，通过二极管在每个通道内部汇流。这两种电源任一路输入到艇务管理计算机中时，艇务管理计算机均可正常工作。PSM模块根据直流28 V(18 V～32 V)输入电压变换系统所需的直流输出电压，保证电源的电压稳定度、负载稳定度、纹波电压VP-P的范围和效率，并且具有过压、过流和瞬间短路保护的功能，故障排除后输出自动恢复正常工作。

3数据转换盒技术特点

数据转换盒是飞艇上的状态、参数的采集中心，同时又是艇上的执行机构的控制中心，数据转化实时采集这些状态和参数，并将其通过RS422发送给艇务管理计算机进行计算和数据上传给其他系统。数据转换盒可直接置于各类传感器与执行机构的附近，从而减少了艇上所需的布线。

图6　数据转换盒DPM模块功能示意图

数据转换盒主要由DSP控制电路、RS422通信电路、输出驱动电路以及模拟量信号调理采集电路组成，模拟量信号调理采集电路采集各类传感器获得的参数；输出驱动电路输出驱动控制信号至各类执行机构。

4总结

艇务管理计算机采用双通道主备架构，大大提高了系统的任务可靠性。该系统已在平流层飞艇平台上进行了飞行实验，结果表明，该系统运行可靠、稳定，可很好地实现了对飞艇状态参数的采集以及控制输出，提高了飞艇飞行状态的稳定性，满足飞艇系统长期滞空工作要求。

参考文献

[1]谭惠丰，王超，王长国.实现结构轻量化的新型平流层飞艇研究进展[J].航空学报，2010(2)：257-264.

收稿日期：2015-12-16

作者简介：席鹏(1980- )，男 陕西耀州人，工程师，研究方向为计算机硬件技术。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0024- 02

中图分类号：V274

文献标识码：A

The Design of Affair Management System for Stratospheric Airship

Xi Peng, Yu Erjun

(AeronauticsComputingTechniqueResearchInstitute,Xi’an，Shaanxi710068,China)

Abstract:For the characteristics of wide distribution of various pressure sensors and valves, and the high requirement for data monitoring processing in subsystem of stratospheric airship management, a distributed airship affair management system is proposed; the system structure, working principle and reconfiguration mechanism are mainly discussed. Now this system is applied to a certain fighter and works reliably.

Key words:stratospheric airship; airship affair management; distribution structure