丁棟威，林山

（1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000）

新型彈箭載配電器的研制?

丁棟威1，??，林山2

（1.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川自貢643000）

針對(duì)彈箭載外測(cè)安全系統(tǒng)中地面供配電模式存在系統(tǒng)構(gòu)建繁雜、電纜網(wǎng)龐大、維護(hù)以及故障排查難度大等缺點(diǎn)，在分析比較傳統(tǒng)地面供配電和彈載供配電方案的基礎(chǔ)上，提出了一種將地面配電系統(tǒng)平移到彈上，即研發(fā)一種新型彈箭載配電器的解決方案。由于利用了工業(yè)總線和磁保持繼電器技術(shù)，系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果表明，新型彈載配電器完全滿足彈箭載外測(cè)安全系統(tǒng)測(cè)試要求。

外測(cè)安全分系統(tǒng)；彈箭載配電器；工業(yè)總線；電磁繼電器

1 引言

外測(cè)安全分系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱外安系統(tǒng)）是彈（含運(yùn)載火箭）重要的組成系統(tǒng)之一，其與地面測(cè)控站協(xié)同工作，完成對(duì)飛行中的火箭實(shí)時(shí)軌道測(cè)量［1］以及安全控制功能。外安系統(tǒng)由彈箭載終端和地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組成。配電器為外安系統(tǒng)測(cè)發(fā)控分系統(tǒng)的核心組成部件，在整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試和任務(wù)發(fā)射過(guò)程中都發(fā)揮著重要的作用。

目前，外安系統(tǒng)測(cè)發(fā)控分系統(tǒng)主要采用地面配電插箱配合彈上控制器的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)以及各個(gè)單機(jī)的配電控制，其主要的配電控制邏輯由地面設(shè)備完成。此方案的缺點(diǎn)在于地面測(cè)試插箱與彈體之間的連接視頻電纜復(fù)雜，且各種供電電纜和控制信號(hào)混雜一起，不便于系統(tǒng)鋪設(shè)和故障的迅速定位及排除。

為了簡(jiǎn)化外安系統(tǒng)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)測(cè)試流程，本文提出將地面測(cè)發(fā)控插箱設(shè)備等平移至彈上的方案。通過(guò)成熟的嵌入式系統(tǒng)解決方案，實(shí)現(xiàn)了彈箭載配電器設(shè)計(jì)，滿足外安系統(tǒng)的各項(xiàng)測(cè)試要求。本文結(jié)合以往設(shè)計(jì)方法進(jìn)行比較，提出新的設(shè)計(jì)思路，為后續(xù)各項(xiàng)型號(hào)任務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)建以及測(cè)試方法優(yōu)化提供了參考。

2 兩種系統(tǒng)的比較

2.1地面配電方案

地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的基本任務(wù)是接收并執(zhí)行指揮系統(tǒng)下達(dá)的指令，對(duì)位于發(fā)射架上的導(dǎo)彈、地面供配電設(shè)備、測(cè)試設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，完成箭彈的性能測(cè)試和發(fā)射控制［2］。各個(gè)型號(hào)任務(wù)在測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上大同小異，基本采用的是前后端設(shè)計(jì)的方案［2］。系統(tǒng)后主要為控制端，完成包含測(cè)試流程裝訂、控制指令合成以及信息流匯總等功能。前端包含各種執(zhí)行操作結(jié)構(gòu)，例如配電插箱、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)設(shè)備以及相應(yīng)的應(yīng)急操作模塊。前段與后端控制信號(hào)等低頻鏈路之間采用以太網(wǎng)或者其他工業(yè)總線等進(jìn)行連接，可以方便地實(shí)現(xiàn)前后端之間可靠性的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，高頻鏈路方案不在本文討論中。常用的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中供配電原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)發(fā)控系統(tǒng)供配電原理框圖Fig.1 Block diagram of power switch in the range center

供電通路主要完成向箭載各種外測(cè)終端以及其他設(shè)備提供工作電源。配電控制主要包括完成模擬零時(shí)、轉(zhuǎn)電池供電以及其他相關(guān)操作。應(yīng)急控制是為了防止在測(cè)試流程中出現(xiàn)故障，可以通過(guò)按鈕等人工操作進(jìn)行應(yīng)急的地面供電、轉(zhuǎn)電以及應(yīng)急關(guān)機(jī)的操作。在圖1中，配電器為地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的重要組成部分，可以看出，地面系統(tǒng)與彈上的接口關(guān)系繁雜，還有一些接口沒(méi)有在圖中反映出來(lái)。地面供電方案主要存在以下缺陷：一是設(shè)備復(fù)雜，建設(shè)投入大，運(yùn)輸及維護(hù)困難；二是電纜網(wǎng)龐大，影響供電質(zhì)量和參數(shù)監(jiān)測(cè)精度，故障自檢難度較大；三是操作流程繁瑣，測(cè)試自動(dòng)化程度低。

2.2 彈載供電解決方案

采用新型彈箭載配電器的設(shè)計(jì)方法可以彌補(bǔ)上述地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的不足。將地面配電插箱、轉(zhuǎn)接插箱等平移至彈上，彈箭載配電器與客戶端計(jì)算機(jī)之間亦采用成熟的工業(yè)總線進(jìn)行連接，可以簡(jiǎn)化電纜網(wǎng)，方便地實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)系統(tǒng)測(cè)試要求，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈箭載配電器解決方案Fig.2 New solution to onboard power switch

從圖2可以看出，地面系統(tǒng)與彈上的接口由先前的包括單機(jī)通電通路、控制通路以及各個(gè)檢測(cè)通路在內(nèi)的近百根低頻電纜變成了一條總線電纜和電源電纜。在實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)測(cè)試要求的同時(shí)，簡(jiǎn)化了測(cè)試電纜網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。利用彈箭載配電器進(jìn)行測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組網(wǎng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能夠簡(jiǎn)化測(cè)試電纜網(wǎng)，利用工業(yè)總線電纜代替低頻測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，簡(jiǎn)化了測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，提高了測(cè)試可靠性；

（2）利用彈箭載配電器實(shí)現(xiàn)彈上單機(jī)的信息收集，通過(guò)總線下傳，簡(jiǎn)化了地面測(cè)試系統(tǒng)；

（3）設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)電池供電后電流采集方案，即在轉(zhuǎn)彈上電池供電后，可以對(duì)單機(jī)的電流信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；

（4）實(shí)現(xiàn)地面電源供電到電池供電的“無(wú)縫”銜接。

3 彈箭載配電器創(chuàng)新點(diǎn)

3.1 提供測(cè)試可靠性

現(xiàn)階段，外安系統(tǒng)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)電纜網(wǎng)一般采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，這種系統(tǒng)構(gòu)建模式必然使用數(shù)量巨大的連接器。大量連接器的使用對(duì)系統(tǒng)測(cè)試的可靠性帶來(lái)很多隱患，在靶場(chǎng)測(cè)試中，連接器松動(dòng)、管腳氧化、接觸不良的情況屢見(jiàn)不鮮，而且此類故障不易排查，在靶場(chǎng)試驗(yàn)階段會(huì)對(duì)發(fā)射進(jìn)度以及系統(tǒng)排故造成很大影響。采用總線技術(shù)構(gòu)建彈箭測(cè)發(fā)控系統(tǒng)可以減少有線連接，改善測(cè)試環(huán)境。

3.2 簡(jiǎn)化地面測(cè)發(fā)控網(wǎng)絡(luò)

我國(guó)運(yùn)載火箭以及導(dǎo)彈測(cè)試分為技術(shù)廠區(qū)測(cè)試和發(fā)射陣地測(cè)試。箭彈的相關(guān)測(cè)試工作在技術(shù)廠區(qū)完成后，轉(zhuǎn)移至發(fā)射陣地后還要進(jìn)行既定的測(cè)試操作。為了測(cè)試狀態(tài)的穩(wěn)定，避免重復(fù)鋪設(shè)帶來(lái)的人為差錯(cuò)，地面設(shè)備在技術(shù)廠區(qū)和發(fā)射陣地都會(huì)重復(fù)配備，包括地面配電器以及測(cè)試電纜網(wǎng)等都是必備的。繁多的地面設(shè)備會(huì)降低整個(gè)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的測(cè)試可靠性。采用彈箭載配電器的解決方案，可以最大限度地簡(jiǎn)化箭彈地面測(cè)發(fā)控網(wǎng)絡(luò)。

3.3 消除電纜損耗帶來(lái)的誤差

在傳統(tǒng)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)中，地面電纜網(wǎng)給系統(tǒng)單機(jī)的供電以及遙測(cè)信號(hào)的檢測(cè)帶來(lái)很大的不便，主要問(wèn)題體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

（1）電纜長(zhǎng)度增加了電源信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中的損耗，使得彈上設(shè)備的工作電源不足；

（2）地面設(shè)備各自接地點(diǎn)不一樣，造成系統(tǒng)中不能保障接地點(diǎn)的相同電勢(shì)，地電勢(shì)差造成了系統(tǒng)測(cè)試誤差。

采用新型彈箭載配電器的方案，將配電終端平移至彈體，可以方便地將地面電源放置在最靠近彈體的位置，大大減少了供電電纜的架設(shè)，使得彈上各個(gè)單機(jī)的工作電源得以最大限度的保持。

新型彈箭載配電器與地面客戶端計(jì)算機(jī)之間采用RS422總線串行數(shù)據(jù)通信接口［5］。RS422采用平衡的差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)、通信速率高、通信距離遠(yuǎn)、可以與多臺(tái)從機(jī)通信的特點(diǎn)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)10 Mb／s。待監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)參數(shù)直接通過(guò)新型配電器內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行采集，然后經(jīng)過(guò)總線將參數(shù)組幀下傳，可以避免監(jiān)測(cè)電纜的損耗，達(dá)到彈箭載設(shè)備參數(shù)的實(shí)時(shí)無(wú)差監(jiān)測(cè)。

3.4 繼電器初始態(tài)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電

由于電池能量有限，在系統(tǒng)檢查和測(cè)試階段不便于長(zhǎng)期使用彈上電池對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，因此就需要利用地面測(cè)試電源對(duì)彈上設(shè)備進(jìn)行供電，測(cè)試完畢，確保無(wú)誤后實(shí)行轉(zhuǎn)電池供電的操作［3］。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)電操作采用繼電器的自保持電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)圖3。

圖3 自保持轉(zhuǎn)電池供電方案Fig.3 Traditional self-hold alternating plan

采用自保持電路進(jìn)行轉(zhuǎn)電池供電的操作，在實(shí)際操作過(guò)程有個(gè)時(shí)間空隙，即在地面電源斷開(kāi)電池電源還沒(méi)有供給的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)電源供給的真空期。這個(gè)空隙的時(shí)間間隔為數(shù)百微秒，給其他彈箭載單機(jī)帶來(lái)許多不利的影響，尤其是對(duì)電磁環(huán)境十分敏感的外測(cè)單機(jī)，諸如脈沖體制應(yīng)答機(jī)和雙頻體制應(yīng)答機(jī)等，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致單機(jī)故障，這種情況應(yīng)該盡量避免。

新型彈箭載配電器在實(shí)現(xiàn)地面配電插箱各項(xiàng)功能的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)電池供電方案進(jìn)行了改進(jìn)。利用繼電器的初始狀態(tài)進(jìn)行可靠轉(zhuǎn)電，是本文在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)電時(shí)考慮的重點(diǎn)。

磁保持繼電器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電原理框圖如圖4所示。

圖4 磁保持繼電器轉(zhuǎn)電池供電原理框圖Fig.4 Principle diagram of magnetic latching relay

磁保持繼電器主要工作原理為，從X線圈處輸入一個(gè)28 V的激勵(lì)信號(hào)繼電器即吸合，然后通過(guò)內(nèi)部永久磁鋼的作用進(jìn)行自保持，即使輸入激勵(lì)消失，繼電器仍然處于穩(wěn)定的保持吸合狀態(tài)。通過(guò)繼電器Y線圈端口輸入激勵(lì)信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)狀態(tài)改變。磁保持繼電器的輸出自保設(shè)計(jì)可以方便地完成統(tǒng)一飛行器電池供電和關(guān)機(jī)指令的設(shè)計(jì)，在確保轉(zhuǎn)電成功之前，地面電源與彈上電池同時(shí)向彈箭載各個(gè)單機(jī)進(jìn)行供電，轉(zhuǎn)電成功后，關(guān)閉地面電源，實(shí)現(xiàn)“無(wú)縫”轉(zhuǎn)電池供電操作。

3.5 斷地供后完成單機(jī)電流監(jiān)測(cè)

在外安系統(tǒng)地面測(cè)發(fā)控網(wǎng)絡(luò)中，單機(jī)的電流是非常重要的指標(biāo)。在轉(zhuǎn)電后，單機(jī)的電流在外安系統(tǒng)中是不可監(jiān)測(cè)的，只有通過(guò)遙測(cè)等系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段來(lái)實(shí)時(shí)觀察。在新型彈箭載配電器的設(shè)計(jì)中，充分考慮到這種局限，通過(guò)設(shè)計(jì)電流監(jiān)測(cè)電路，不僅可以完成電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，還可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電后（脫落插頭脫落前）外安系統(tǒng)中各個(gè)單機(jī)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

電流檢測(cè)常用的方案主要有兩種，一種為利用霍爾電流傳感器進(jìn)行測(cè)量，一種是串聯(lián)采樣電阻的方案。由于霍爾電流傳感器容易受應(yīng)用環(huán)境的影響［3］，基于電壓范圍大和采樣精度較高的要求，本文選擇了第二種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中電流檢測(cè)芯片選用Maxim公司的MAX4080。MAX4080是一款高性能的集成電流檢測(cè)芯片，其檢測(cè)精度可達(dá)滿量程的±0.1%。其工作原理為：待測(cè)電流I經(jīng)過(guò)采樣電阻后產(chǎn)生檢測(cè)壓降，經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)部的電流鏡、比例放大器處理后，送到遙測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行下發(fā)監(jiān)測(cè)。由于MAX4080自身不需要獨(dú)立的工作電源，因此在實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電、地面工作電源斷開(kāi)的前提下，仍可實(shí)現(xiàn)通路電流檢測(cè)。感應(yīng)電阻選用德國(guó)軍品級(jí)高精度電阻SMT-R010-1.0。電阻工作電流可以達(dá)到25 A，功率達(dá)3 W，滿足功能設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

新型彈箭載配電器在完成設(shè)計(jì)和生產(chǎn)后需要完成單元測(cè)試和系統(tǒng)聯(lián)試。單元測(cè)試是利用專門研制的測(cè)試設(shè)備對(duì)配電器進(jìn)行功能指標(biāo)全面測(cè)試。在單元測(cè)試階段完成了環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、鑒定試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)以及可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)。在各個(gè)試驗(yàn)階段，新型彈箭載配電器均工作正常，各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定。系統(tǒng)測(cè)試是指配電器接入到某測(cè)量系統(tǒng)中，參與完成系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)和匹配試驗(yàn)等系統(tǒng)試驗(yàn)。新型彈箭載配電器按照實(shí)際任務(wù)測(cè)試流程完成了既定的各項(xiàng)測(cè)試操作和相關(guān)參數(shù)監(jiān)測(cè)。目前，新型彈箭載配電器已經(jīng)完成初樣產(chǎn)品研制交付和轉(zhuǎn)階段工作，產(chǎn)品工作正常，滿足系統(tǒng)測(cè)量任務(wù)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用工業(yè)總線技術(shù)，利用成熟的數(shù)字化解決方案實(shí)現(xiàn)的新型彈箭載配電器，在滿足外安系統(tǒng)各項(xiàng)測(cè)試工作的同時(shí)，可簡(jiǎn)化現(xiàn)今測(cè)試系統(tǒng)，優(yōu)化測(cè)試流程，實(shí)現(xiàn)可靠的繼電器初始狀態(tài)轉(zhuǎn)電以及全過(guò)程電流檢測(cè)。單元測(cè)試以及系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證了新型彈箭載配電器設(shè)計(jì)的有效性。新型彈箭載配電器的設(shè)計(jì)為航天發(fā)射提供了新的測(cè)發(fā)控思路。后續(xù)工作中針對(duì)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、組網(wǎng)等要求，應(yīng)對(duì)總線類型以及彈載控制器的一體化設(shè)計(jì)開(kāi)展進(jìn)一步工作。

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DING Dong-wei was born in Linfen，Shanxi Province，in 1984.He received the M.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2008.He is now an engineer.He is engaged in R＆D of onboard unit and ground test equipment for TT＆C system.

Email：153736969＠qq.com

林山（1964—），男，四川人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)樾畔踩c智能計(jì)算信息處理。

LIN Shan was born in Sichuan Province，in 1964.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2008.He is now an associate professor.His research concerns information safety and intelligent computing information processing.

Development of a Novel Onboard Power Switch

DING Dong-wei1，LIN Shan2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；2.Department of Comuputer，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

To overcome the disadvantages of complicated structure，large scale of cables and difficulties in maintenance，a new solution to onboard power switch is presented based on analysis and comparison of current ground power distribution systems.System tests show that the power switch can meet requirement of the outer trajectory measurement subsystem by industrial bus technology and magnetic latching relay technology.

outer trajectory measurement subsystem；onboard power switch；industrial bus technology；magnetic latching relay

date：2013－01－04；Revised date：2013－04－28

??通訊作者：153736969＠qq.comCorresponding author：153736969＠qq.com

TN86；TJ768.3

A

1001－893X（2013）07－0957－04

丁棟威（1984—），男，山西臨汾人，2008年于西南交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天外測(cè)彈箭載設(shè)備以及地面測(cè)試設(shè)備研發(fā)工作；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.026

2013－01－04；

2013－04－28