張 翔，翟 晉，潘江江，趙 巖，姜 爽

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心, 北京 100076; 2.北京宇航系統(tǒng)研究所,北京 100076)

飛行器供配電系統(tǒng)地面通用測(cè)試接口設(shè)計(jì)

張 翔1，翟 晉2，潘江江1，趙 巖1，姜 爽1

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心, 北京 100076; 2.北京宇航系統(tǒng)研究所,北京 100076)

供配電地面測(cè)試負(fù)責(zé)為飛行器提供模擬供電、控制狀態(tài)切換、采集并傳輸系統(tǒng)狀態(tài)信息，配合完成全飛行器全周期的綜合測(cè)試任務(wù);飛行器與地面測(cè)試系統(tǒng)之間接口復(fù)雜，各項(xiàng)目接口方式也不統(tǒng)一，導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)中專用設(shè)備比例仍然很高，設(shè)備繼承性和互換性不強(qiáng)，研制費(fèi)用高;首先簡(jiǎn)要介紹了供配電地面測(cè)試系統(tǒng)的基本功能和設(shè)備組成，明確各組成部分之間的能源流和信息流，然后對(duì)供電、控制、測(cè)量的典型接口電路進(jìn)行分析，從實(shí)現(xiàn)方式上進(jìn)行簡(jiǎn)化和歸類，最后提出基于先進(jìn)背板總線架構(gòu)的模塊化板卡方案實(shí)現(xiàn)測(cè)試設(shè)備的接口通用化設(shè)計(jì);經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品研制和系統(tǒng)測(cè)試，能夠滿足飛行器從綜合試驗(yàn)到靶場(chǎng)測(cè)試發(fā)射的全生命周期測(cè)試需求，已在兩個(gè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品共用，經(jīng)濟(jì)效益明顯，為電氣系統(tǒng)地面測(cè)試設(shè)備通用化研究提供了支撐。

供配電；測(cè)試；接口

0 引言

供配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)為飛行器上的儀器和機(jī)電設(shè)備等負(fù)載提供及分配穩(wěn)定可靠的電能，實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)、調(diào)節(jié)、變換、控制、分配和傳輸。從適合飛行任務(wù)和環(huán)境的多種方案中，找出能源及其轉(zhuǎn)換、貯存的最佳組合是供配電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的宗旨[1]。例如，火箭、短壽命返回式衛(wèi)星多采用化學(xué)一次電池或蓄電池組供電，而長(zhǎng)期在軌衛(wèi)星多采用太陽(yáng)電池陣和多次充放電的蓄電池組聯(lián)合供電。相應(yīng)的供配電系統(tǒng)地面測(cè)試需具備模擬飛行器上能源的發(fā)電特性，通過(guò)脫落連接器傳輸控制、采集和狀態(tài)監(jiān)視信號(hào)，配合完成全飛行器電氣匹配、總裝測(cè)試、技術(shù)陣地和發(fā)射陣地的綜合測(cè)試任務(wù)。

目前，供配電測(cè)試系統(tǒng)中專用設(shè)備的比例仍然高，設(shè)備繼承性和互換性不強(qiáng)，導(dǎo)致設(shè)備研制費(fèi)用高，使用維護(hù)不變[2-3]。究其原因?yàn)轱w行器與地面測(cè)試系統(tǒng)之間接口復(fù)雜，各項(xiàng)目之間接口類型又不統(tǒng)一，導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)通用性設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)。本文首先簡(jiǎn)要介紹了供配電地面測(cè)試系統(tǒng)的基本功能和設(shè)備組成，然后對(duì)供電、控制、測(cè)量的接口設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理和分析，最后提出測(cè)試接口通用化設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)組成和功能

典型的供配電測(cè)試系統(tǒng)由供電設(shè)備、測(cè)試設(shè)備和控制設(shè)備組成[4]。供配電地面測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。供電設(shè)備一般包括地面電源、太陽(yáng)電池陣模擬器和配電箱等。其中，地面電源負(fù)責(zé)為飛行器提供測(cè)試用內(nèi)電(模擬電池供電)、外電(地面供電)；太陽(yáng)陣模擬器模擬太陽(yáng)電池恒流源輸出；配電箱可根據(jù)供電負(fù)載需求實(shí)現(xiàn)配置輸出。測(cè)試設(shè)備中適配器實(shí)現(xiàn)飛行器上信號(hào)調(diào)理和變換，再由采集裝置完成信號(hào)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)等效(模擬配電負(fù)載)和狀態(tài)采集功能?？刂圃O(shè)備中配電控制器一般為計(jì)算機(jī)，通過(guò)總線或硬線輸出指令控制飛行器上產(chǎn)品和其他地面設(shè)備協(xié)同工作，被控設(shè)備返回的指令、時(shí)序執(zhí)行結(jié)果及狀態(tài)信息送測(cè)試設(shè)備采集后轉(zhuǎn)發(fā)至控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)閉環(huán)管理。供電設(shè)備和測(cè)試設(shè)備通過(guò)接入總控網(wǎng)的控制設(shè)備控制，或各設(shè)備均接入總控網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)地面測(cè)試設(shè)備的統(tǒng)一協(xié)同工作。

圖1 典型供配電地面測(cè)試系統(tǒng)組成圖

2 接口需求分析

供配電地面測(cè)試系統(tǒng)與飛行器接口主要為供電接口、控制接口、測(cè)量接口，除內(nèi)電和等效接口使用工藝電纜接入系統(tǒng)完成測(cè)試外，其余接口均通過(guò)脫插脫拔與飛行器相連。下面對(duì)3種接口進(jìn)行具體分析和設(shè)計(jì)。

2.1 供電接口

供電接口為供電設(shè)備輸出和配電設(shè)備輸入接口，一般供電設(shè)備使用接線柱、線排、航插等標(biāo)準(zhǔn)接插件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮電纜壓降、器件降額、防差錯(cuò)。面向多負(fù)載復(fù)雜應(yīng)用的場(chǎng)合，可通過(guò)整合測(cè)試需求簡(jiǎn)化供電設(shè)備配置，實(shí)現(xiàn)飛行器內(nèi)電和外電的集中供給和統(tǒng)一分配。而供電通路由控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)通斷控制，供電功能的正確性由供電設(shè)備自主采集回傳、飛行器上設(shè)備供電輸入和輸出端信號(hào)采集結(jié)果作為輔助判斷。

2.2 控制接口

控制接口主要為飛行器提供供電控制和時(shí)序控制指令。根據(jù)用途不同，控制接口主要形式有OC門、開(kāi)關(guān)量、不帶電觸點(diǎn)和數(shù)字量(一般為總線形式)。其中，OC門可用于直接驅(qū)動(dòng)繼電器，除地面設(shè)備使用外，飛行器上遙控、程控指令多采用該指令形式，當(dāng)多個(gè)終端控制同一個(gè)繼電器作為相互備份時(shí)，更適合采取該方式，但應(yīng)注意采用二極管或繼電器觸點(diǎn)切斷線路，防止?jié)撛谕吩斐上到y(tǒng)功能異常；開(kāi)關(guān)量和不帶電觸點(diǎn)既可直接控制繼電器動(dòng)作，也可供飛行器上識(shí)別狀態(tài)，是傳統(tǒng)且最常用的控制方式，可以做到控制源與被控制對(duì)象的完全電氣隔離，開(kāi)關(guān)量指令無(wú)需飛行器先上電，適宜作為飛行器第一步上電操作；數(shù)字量有RS422、1553B、CAN等總線形式，飛行器上譯碼后驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，簡(jiǎn)化了飛行器與地面接口，提高了電氣系統(tǒng)智能化程度，總線控制指令應(yīng)采取冗余設(shè)計(jì)，對(duì)影響發(fā)射流程的關(guān)鍵性動(dòng)作，建議設(shè)置開(kāi)關(guān)量或不帶電觸點(diǎn)指令作為備保。

2.2.1 供電控制接口

供電控制接口實(shí)現(xiàn)為飛行器各終端加斷電、母線轉(zhuǎn)電及斷電控制功能。典型供電控制接口如圖2所示。

圖2 供電控制接口示意圖

圖中繼電器K1、K2、K3分別控制供電設(shè)備到母線或母線到負(fù)載的通斷。為節(jié)省電池容量，在測(cè)試過(guò)程中先由供電設(shè)備提供外電， K1磁保持繼電器受控制設(shè)備中開(kāi)關(guān)量指令控制開(kāi)關(guān)閉合，外電與母線連通后帶電；根據(jù)飛行器流程和時(shí)序分別為各負(fù)載加斷電，如K3繼電器受控制設(shè)備OC門指令控制開(kāi)關(guān)閉合，負(fù)載與母線連通后帶電；脫離地面測(cè)試前，外電需切換到內(nèi)電供電，且切換過(guò)程中應(yīng)保證母線不掉電，即時(shí)序上應(yīng)保證內(nèi)電開(kāi)關(guān)K2先閉合，K1繼電器再斷開(kāi)，K2受控制設(shè)備OC門指令控制開(kāi)關(guān)閉合，當(dāng)檢測(cè)到K2繼電器動(dòng)作后，無(wú)源觸點(diǎn)指令控制K1繼電器斷開(kāi)，實(shí)現(xiàn)飛行器轉(zhuǎn)電。

2.2.2 時(shí)序控制接口

時(shí)序控制接口實(shí)現(xiàn)飛行器上設(shè)備狀態(tài)或工作模式切換，包括電磁閥、火工品等按時(shí)序的動(dòng)作切換。時(shí)序控制接口多使用OC門和無(wú)源觸點(diǎn)，電路與圖2基本相同，不同之處在于時(shí)序控制更關(guān)注時(shí)間統(tǒng)一和驅(qū)動(dòng)能力。時(shí)間統(tǒng)一面向總體時(shí)序，由于控制繼電器穩(wěn)定吸合和釋放有ms級(jí)的時(shí)間間隔，控制指令驅(qū)動(dòng)時(shí)間一般大于50 ms；驅(qū)動(dòng)能力應(yīng)滿足控制繼電器的過(guò)流能力，繼電器因型號(hào)不同稍有差別，設(shè)計(jì)中應(yīng)按照觸點(diǎn)容量進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，同一繼電器內(nèi)不同觸點(diǎn)存在動(dòng)作時(shí)間差，不能按照并聯(lián)模式計(jì)算。

2.3 測(cè)量接口

測(cè)量接口主要完成模擬遙測(cè)采集和等效負(fù)載采集功能，實(shí)現(xiàn)飛行器上狀態(tài)信息和測(cè)量信息的獲取，驗(yàn)證系統(tǒng)狀態(tài)是否正確。測(cè)試內(nèi)容一般包括各母線電壓、電流、各支路輸出電壓及各部分狀態(tài)等。根據(jù)參數(shù)不同，主要信號(hào)類型有模擬量、電平信號(hào)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)、數(shù)字量等。其中，模擬量一般為0～28 V或0～5 V，需在適配器中實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)整、阻抗匹配、電氣隔離后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換采集；電平信號(hào)和開(kāi)關(guān)狀態(tài)標(biāo)識(shí)狀態(tài)變化，可直接由測(cè)試設(shè)備處理器端口采集或驅(qū)動(dòng)光耦隔離采集；數(shù)字量信號(hào)與控制接口相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)飛行器上信息自主采集編碼后打包傳輸?shù)降孛?，可作為故障隔離和智能診斷等信息流基礎(chǔ)。

圖3示意了幾種典型的測(cè)量接口及原理，飛行器母線電流由霍爾電流傳感器感應(yīng)外磁場(chǎng)變換為0～5 V電壓，母線電壓(一般為28 V體制)直接引出，這類模擬量經(jīng)電阻分壓、多路選通、信號(hào)隔離和阻抗變換后送AD轉(zhuǎn)換。負(fù)載供電端引出電平信號(hào)經(jīng)運(yùn)放阻抗變換后送光耦，繼電器觸點(diǎn)K2’為開(kāi)關(guān)狀態(tài)，用于轉(zhuǎn)電過(guò)程中檢測(cè)K2繼電器是否動(dòng)作，該信號(hào)經(jīng)上拉后送光耦。各類信號(hào)均在信號(hào)適配器中完成轉(zhuǎn)換后送采集設(shè)備，處理均實(shí)現(xiàn)電氣隔離，避免地面故障影響飛行器產(chǎn)品的正常工作。

圖3 測(cè)量接口示意圖

3 通用測(cè)試接口設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化地面測(cè)試設(shè)備配置，將控制設(shè)備和采集設(shè)備功能集成，利用PXI總線、CPCI等具備硬件擴(kuò)展性和軟件靈活性的背板總線架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)。測(cè)試接口可分為總線接口和離散接口，總線接口使用標(biāo)準(zhǔn)RS422或1553B板卡，離散接口包括OC門、繼電器、AD采集等板卡，功能框圖如圖4所示。由于使用多槽位機(jī)箱，設(shè)備可按照信號(hào)實(shí)際情況和規(guī)模進(jìn)行靈活配置，便于后期擴(kuò)展測(cè)試資源和功能接口，或適應(yīng)性改造用于其它項(xiàng)目。此外，在硬件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的前提下，還可充分利用軟件設(shè)計(jì)的可配置性，方便使用人員二次開(kāi)發(fā)。信號(hào)適配器可根據(jù)項(xiàng)目具體接口需求進(jìn)行定制，電路均為成熟標(biāo)準(zhǔn)電路。

圖4 通用測(cè)試接口功能框圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

基于該通用測(cè)試接口方案實(shí)現(xiàn)了某項(xiàng)目供配電測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)要求共6路28供電，最大配電功率不超過(guò)1 500W，12路0～5V模擬信號(hào)的采集功能，且具備不帶電觸點(diǎn)的手動(dòng)控制和基于RS422總線的自動(dòng)測(cè)試功能。實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果為8路28供電，最大配電功率為3 000W，16路0～5V電壓采集，精度優(yōu)于0.2%，自動(dòng)測(cè)試功能滿足設(shè)計(jì)要求，手動(dòng)控制作為備保應(yīng)急方案，提高系統(tǒng)可靠性。

經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品研制和系統(tǒng)測(cè)試，能夠滿足飛行器從綜合試驗(yàn)到靶場(chǎng)測(cè)試發(fā)射的全生命周期測(cè)試需求，功能擴(kuò)展靈活，繼承性、可維修性有較大提高，已在兩個(gè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品共用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

5 結(jié)論

地面測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的前提下，考慮可擴(kuò)展性和兼容性。利用先進(jìn)背板總線架構(gòu)，采用控制和采集的硬件模塊集成方案，在項(xiàng)目研制的實(shí)際工作中驗(yàn)證了接口通用性設(shè)計(jì)的正確性和合理性，為電氣系統(tǒng)地面測(cè)試設(shè)備通用化研究提供了支撐。后續(xù)將利用光纖或無(wú)線通信等技術(shù)手段進(jìn)一步優(yōu)化飛行器與地面之間接口設(shè)計(jì)。

[1] 帕特爾(Patel，M.R.)著，韓波，陳琦，崔曉婷譯. 航天器電源系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)宇航出版社，2013.

[2] 張翰英,胡其正. 衛(wèi)星電測(cè)技術(shù)[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2009.

[3] 趙瑞峰,董 房,陸 洋,等. 衛(wèi)星通用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究[J].信息技術(shù),2011(4)：65-68,72.

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Power Supply and Distribution System Ground General Test Interface Design

Zhang Xiang, Zhai Jin, Pan Jiangjiang, Zhao Yan, Jiang Shuang

(China Academe of Launch Vehicle Technology R&D Center, Beijing 100076,China)

The aircraft power supply and distribution ground testing system is used to simulate the power supply, switch control status, gather and transfer the information of system in the whole life cycle. The interface between aircraft and ground test system is complex, and the interface of each project is not uniform. So the proportion of special equipment in the test system is still very high, the inheritance and the exchange of equipment is not strong, and the development cost is high. First, the basic functions and components of the testing system were introduced. Energy flow and information flow between the components are defined. Then, the typical interface circuits of power supply, control and measurement were analyzed, simplified and classified. Finally, the design of the interface of the test equipment based on the advanced back board bus architecture was proposed. The test system is developed and actual products showed that the design meet the demand in the whole life cycle test. And it had achieved product share in the two projects. This paper is a useful attempt for the investigation of the ground general test.

power supply and distribution; test; interface

2016-07-29；

2016-09-19。

張 翔(1981-)，男，天津市，高工，碩士，主要從事供配電及測(cè)試方向的研究。

1671-4598(2017)01-0032-02

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.009

TP3

A