统一化、多适应性的测控通信系统供配电子系统设计

梁宇坤，王晓君，张佳宁

统一化、多适应性的测控通信系统供配电子系统设计

梁宇坤，王晓君，张佳宁

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

供配电子系统作为测控通信系统的能源部分，为测控通信系统其他子系统提供能源支撑。随着运载火箭测控通信系统技术的发展，传统供配电子系统已逐渐无法满足需求。对长征八号运载火箭测控通信系统的供配电子系统进行了论述，在1553B总线制供配电子系统的基础上，按照统一供配电设计思路对供电和配电设备进行了优化设计，根据负载特性、功能需求、空间分布、重要程度等按需进行统一规划，提高了供配电子系统的适应性和可靠性。

测控通信系统；统一化；多适应性；供配电子系统

0 引 言

测控通信系统供配电子系统作为测控通信系统的能源部分，为长征八号运载火箭地面测试阶段和飞行阶段提供能源支撑，确保了长征八号运载火箭在地面推进剂加注阶段、射前准备阶段及飞行阶段的遥测数据和天基数据的传输。因此，供配电子系统设计对于测控通信系统十分重要，直接影响了测控通信系统的可靠性[1]。

1 供配电子系统设计概述

长征八号运载火箭测控通信系统供配电子系统采用基于1553B总线的分级、一体化设计思想，对全箭测控系统供配电进行统一管理和综合设计，系统间接口简化为光纤和网络两种接口；箭地通讯和供电测控通过1553B总线实现，大幅优化了传统运载火箭箭地单独支路的硬指令控制信号，在优化箭上电缆网和地面电缆网的同时，提高了设计的可靠性[2]。

供配电子系统由箭上供配电设备和地面供配电设备两部分组成。地面测试阶段由地面电源供电、配电控制组合配电，并经箭上配电器实现为箭上负载供电。

在飞行阶段由箭上电池供电、箭上配电器配电，直接为箭上负载供电。为了简化箭地接口，供配电子系统采用1553B总线制测控，地面面向仪器系统的局部总线扩展（PCI extensions for Instrumentation，PXI）自动测控组合的总线控制器（Bus Controller，BC），通过1553B总线控制箭上配电器和地面配电控制组合各RT站点，实现地面测控功能，并将箭上和地面采集的电压、电流和状态参数通过1553B总线传输到PXI自动测控组合。PXI自动测控组合通过网络与后端综合测控设备进行数据和指令的交互，从而实现前端无人值守的功能。长征八号运载火箭测控通信系统供配电子系统供电测控信号流向如图1所示。

图1 供配电子系统供电测控信号流向

2 供配电子系统方案设计

2.1 总线测控设计

根据前文介绍，PXI自动测控组合（主、从）、一级配电器、二级配电器和配电控制组合通过1553B总线连接。PXI自动测控组合接收综合测控的网络指 令[3]，通过前后端交换机将网络指令发送给PXI自动测控组合，PXI自动测控组合将网络指令转换为对应的1553B总线指令，控制箭上配电器和地面配电控制组合执行对应的继电器动作，实现测控功能[4-5]。

由于1553B总线测控可实现各支路的独立分步供电，因此每一条独立通路均可配置独立配置加电和断电，大大缩减了测控需求的箭上和地面电缆网。图2为测控通信系统供配电总线拓扑结构。

图2 测控通信系统供配电总线拓扑结构

2.2 供电系统设计

供电设备包括地面供电设备和箭上供电设备。地面供电设备包括地面电源和地面控制电源，箭上供电设备包括遥测电池和安控电池。

地面电源用于为一级（含助推）箭上设备供电、二级箭上设备供电和箭上所有电池加温，3条供电母线为独立供电，相互隔离，确保了单路母线故障不会影响其他供电母线，并可持续检测3条母线的漏电情况。为了确保箭上供电母线不受地面设备干扰，地面设备都是通过地面控制电源进行供电和测控的，从而提高了供电系统的可靠性。

箭上电池用于飞行阶段为测控系统供电，在火箭起飞前将地面电源供电切换到箭上电池供电，为箭上的一级遥测、二级遥测和安控设备供电，确保飞行过程中持续为箭上测控系统设备供电。

2.3 配电系统设计

配电设备包括地面配电设备和箭上配电设备。地面配电设备包括配电控制组合，箭上配电设备包括一级配电器和二级配电器。

配电控制组合作为重要的地面配电设备，可实现地面设备和箭上设备的加、断电控制功能。为了缩小箭上设备的体积和质量，将地面供电的继电器安装在配电控制组合中。每个配电独立通路均采用双继电器双触点的设计，提高了配电设计的可靠性。

一级配电器和二级配电器内部包括箭供继电器。当地供状态时，地面配电控制组合地供继电器接通到箭上配电器，箭上配电器提供通路为箭上负载供电。当转电后到箭供状态转电时，配电器内部的箭供继电器接通，箭上电池通过箭供继电器为箭上负载供电。当箭供接通后，并在确保不掉电的情况下切断地供通路，确保火箭起飞后不会出现带电分离的情况，尤其是为了避免误触发断箭供导致箭上断电现象的发生。

2.4 信号采集设计

箭地采集的信号包括模拟量、数字量和状态量。其中PXI自动测控组合作为BC，通过1553B总线按照总线通信协议采集箭上配电器的电压信号、电流信号和电池加温状态信息等数字量参数。

测控信号转换装置作为地面前端测控设备，采集配电控制组合、地面电源和地面控制电源的模拟量和状态量信息。电压模拟量信息将0～50 V电压线性转换为0～10 V电压，电流模拟量信息根据实际量程转换为0～10 V或0～5 V电压。状态量调理是将地面电源、地面控制电源和配电控制组合反馈的状态指示参数 （28 V或10 V电压）转换为PXI的数字量I/O适用的TTL电平，状态量输出为TTL电平。测控信号转换装置将采集的参数经调理和隔离后，再经过放大输出完全相同的两路信号，分别供两台PXI采集使用，PXI自动测控组合再将采集到的1553B总线信号和测控信号装置采集到的信号进行整合，按照测控通信协议发送给综合测控设备，供后端操作人员进行判读。

2.5 关键技术

2.5.1 供配电拓扑结构设计

测量系统拓扑结构取消了传统的遥测供配电和外安供配电，在每个部分箭上设备采用统一电池提供供电和采用统一的配电器完成配电控制和测试功能。

2.5.2 状态同步及无缝切换设计

PXI自动测控组合中互为热备的主从双机具有相同的硬件和软件配置，均可单独完成前端测控任务。主从双机之间通过冗余的以太网链路进行数据交互，并通过热备层软件完成过程同步、故障监测和数据备份，进而完成双机的热冗余功能，使得双机始终同步工作，并在必要时通过切换完成应用移交，保证测控任务的不间断运行。

PXI自动测控组合通过应用层和热备层共同建立应用。热备层实现状态同步和切换功能，应用层实现人机交互和产品的实现功能。其中，从机通过同步层获取主机的实时状态信息，通过实时计算和一致性处理，实现主机和备机处理结果的一致性，传输层通过TCP/IP实现以太网通信。

此外，主机和从机还可以实现故障检测和应用切换功能。故障检测通过“检查点检测+心跳检测”方式实现，主从PXI以10 Hz频率检测对方的状态信息，同时，每10 Hz互相发送心跳信息包。如果发生异常或“心跳”监听异常，可实现应用切换功能。

命令执行实行双队列请求机制如下：

a）主机正常运行时，使用工作队列接收命令请求和实现命令处理，预备队列为空闲状态；

b）从机输入指针指向预备队列，不进行命令相关业务处理。

在收到应用切换指令后：

a）主机将输入指针指向预备队，后续接收到的命令请求将缓存到预备队列，工作队列执行命令请求直至队列为空；

b）从机将输入指针由预备队列指向工作队列，处理指针指向工作缓冲，开始处理命令请求。

2.5.3 箭上一、二次供配电和接口统一化设计

由于不同部段距离电池和配电器位置远近不一，配电器直接连接各负载的架构十分复杂。为适应系列化架构需要，各部段内供电及数据传输的拓扑结构采用换流转接器形成局部供电变换转接和数据转接中心，换流转接器提供部段内的一次用电汇流转接和二次电源变换，二级电源提供给传感器和变换器使用；同时，换流转接器将两器输出的信号转接给部段内的采编单元，实现了非电量数据和供电接口的统一，大大简化了箭上电缆网的复杂度。

2.5.4 1553B总线通信设计

在总线控制指令传送过程中，供配电控制指令上行信号通过综合测控软件由后端的综合控制台发出，通过网络由总控网前、后端交换机传输到前端PXI自动测控组合。PXI自动测控组合将接收到的网络指令信息转换为相应的总线供配电指令，作为BC通过1553B总线传送给配电控制组合和箭上配电器，配电控制组合和箭上配电器作为RT接收BC指令，将总线信号转换为电信号，驱动其内部相应继电器完成配电任务，从而实现供配电指令控制功能。

箭上供配电数据通过配电器1553B总线接口发送给PXI自动测控组合，完成箭上配电器参数的传递，地面各测试设备状态信息通过测试电缆发送给测控信号转换装置，由其进行信号的隔离、调理后发送给PXI自动测控组合，PXI自动测控组合将采集到的箭地参数回送给综合控制台，完成箭地信息采集功能。

PXI自动测控组合测试软件将其测试数据和软硬件状态通过网络向综合测控软件发送，测试数据的上传通过组播方式发送，保证了数据发送的可靠性。

2.6 供配电子系统统一化、多适应性设计

为了适应长征八号系列运载火箭后续的测试需求，满足长征八号系列飞行时间延长及钝化段测控的需求，在长征八号运载火箭完成首飞任务后，测控通信系统对箭上二级配电器和二级测量电池进行了优化设计。

2.6.1 箭上二级配电器优化设计

经过长征八号运载火箭首飞任务，测控通信系统识别到目前使用的二级配电器的相控阵天线供电通路容量较小的风险。目前采用3 Mb/s的Ka频段相控阵天线可满足要求，若后续增加Ka频段相控阵天线码率，则会进一步增加负载电流，甚至导致二级配电器霍尔电流传感器损坏。由于霍尔传感器是串联在供电通路中的，如霍尔传感器损坏则会导致相控阵天线供电支路无法正常工作。相控阵天线地供原理见图3。

图3 相控阵天线地供原理

为了解决上述问题，对二级配电器进行了适应性修改。原相控阵天线霍尔传感器最大承受电流为5 A，而3 Mb/s的Ka频段相控阵天线最大工作电流已达到5 A，因此必须更换或取消该霍尔传感器。考虑到二级配电器内部电路设计已无法安装更大的霍尔传感器，因此取消该霍尔传感器的测量。为满足系统的测试覆盖性，在相控阵天线电流加电时可通过地面电源对该支路电流进行监测，并对相控阵天线组件电流等遥测参数对相控阵天线工作状态进行监测。此外，将二级配电器多余的电池加温转接输入点用于相控阵天线的28 V供电，解决了相控阵天线电流增加的风险问题。

2.6.2 箭上二级测量电池优化设计

长征八号运载火箭首飞任务的实际电流情况可以满足30 min以上的飞行任务。但是考虑到后续任务飞行时间延长的需求，并考虑尽力实现钝化段遥测和天基数据的获取能力，目前的电池容量难以满足要求。

为了解决这一问题，对二级测量电池进行了完善性设计，将单体容量增加了1倍，并通过电池整体优化设计将电池容量增加了16.7%。此外由于转电后系统电流属于低倍率放电模式，放电效率更高。与长征八号运载火箭测控通信系统工作电流13.4 A相比，实测在长征七号甲运载火箭22 A工作电流的情况下，工作到电池电压下限26 V时，在满足湿荷电寿命且循环5周后，优化后的电池工作时间可保证飞行含钝化时间的测控需求。若不考虑低倍率放电效率提高的影响，如按照目前负载电流曲线进行放电，优化后的电池工作时间可达到工作时间的1.64倍，可满足后续任务对飞行时间的要求，同时也为目前火箭推迟发射预留余量，提高了火箭推迟发射的测控系统适应性。

2.6.3 统一化、多适应性设计

优化后的二级测量电池和二级配电器除了在长征八号后续运载火箭上使用，并已在长征七号系列运载火箭上使用，这就对测控通信系统供配电子系统的统一化设计提出了更高的要求。

供配电子系统设计需要兼顾箭上和地面设计，为了减少箭上和地面供配电子系统的种类，实现产品化设计，提高产品的可靠性，目前在长征七号系列运载火箭和长征八号运载火箭测控系统采用同样设计的供配电子系统，可满足长征七号、长征七号甲和长征八号3型运载火箭的测试和发射需求，体现了统一化和多适应性的设计[6]。

在后续的设计中，应进一步实现模块化设计。通过技术牵引和型谱规划带动单机的产品化，并通过归一化的单元测试和环境试验条件等，通过组批生产替换现有小规划、多状态的供配电设备设计和生产，降低系统和设备的平均成本，实现运载火箭测控系统的降本增效。

3 供电测控系统后续设计展望

1553B总线供配电测控技术作为新一代运载火箭测控系统供配电子系统的代表，已经广泛应用于运载火箭和导弹武器系统，大大简化了测控和通信箭上和地面电缆网，并通过总线冗余提高了系统的可靠性。在此基础上，供配电测控技术可进一步提升，实现模块化和型谱设计[7-8]。

3.1 供电类设备

目前地面电源和地面控制电源采用的标准机箱高度为13.335 cm的单台设备，设备体积质量难以满足小型化的需求。通过模块化电源替换现有传统台式电源，并可进一步规划电源模块型谱，缩减电源类产品的种类，实现产品的组批生产。

箭上电池目前采用银锌蓄电池，银锌蓄电池具有放电电压稳定的优点，但是随着运载火箭测试需求、电池进行不下箭测试的需求日益增加，锂电池在运载火箭使用需求迫在眉睫。通过锂电池的使用，可以取消地面模拟箭供电缆，优化地面测试准备时间，并可在测试过程中实时检测锂电池单体电压，在一次测试结束后可对锂电池进行在线充电，并对充电电压进行实时检测。

3.2 配电类设备

尽管长征八号运载火箭测控系统已对二级配电器进行了优化改进设计，但是各运载火箭型号箭上配电器功能差异仍然较大，难以实现批量生产。后续应考虑通用化配电器设计，通过配电通路、指令接收和发送功能、总线测控和通信功能等进行规划，通过各功能的模块化进行设计，从而适应多个运载火箭测控系统对于箭上配电器的需求。

此外，通用化配电器每条配电支路均可采集电压和电流，其中电流采集最大可达到15 A，从而解决配电支路电流大无法采集的问题。

3.3 测控类设备

目前地面传输的信号包括模拟量和状态量，这就需要配置单独设备将模拟量和状态量转换为低电压信号。将配电设备的输出在设备内部进行变换，采用统一的数字量或者网络信号进行传输，可以减少信号调理设备，进一步缩小地面设备的规模和种类。

4 结束语

通过统一化、多适应性的设计，测控通信系统供配电子系统可适应以长征八号为代表的多型运载型号。通过箭地总线制供配电测控，大大简化了箭地接口设计，优化了箭上电缆网和地面电缆网，对供电支路的负载特性和功能需求进行统一规划，可满足多型运载型号的使用需求。此外也对供电测控系统的后续模块化和型谱设计进行了展望。

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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，工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

王晓君（1986-），女，工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

张佳宁（1988-），男，高级工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。