徐武欣，呂殿君，詹景坤

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京，100076）

0 前言

隨著我國由航天大國向航天強(qiáng)國邁進(jìn)，未來航天空間任務(wù)將日益頻繁，運(yùn)載火箭需要執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜性、功能多樣性要求越來越高。隨著電氣系統(tǒng)功能的不斷強(qiáng)大，對(duì)振動(dòng)、沖擊、溫度、噪聲、熱流、壓力等參數(shù)的測(cè)量需求也呈現(xiàn)指數(shù)增加，運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)備尤其是傳感器越來越多。傳統(tǒng)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)供電和通信采用有線互聯(lián)方式，存在線纜長(zhǎng)度長(zhǎng)、質(zhì)量大、連接器多、布線困難、空間約束多等缺點(diǎn)，且嵌入布線影響結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，線纜老化等影響使用壽命，可維護(hù)性、可擴(kuò)展性不好，維護(hù)、升級(jí)能力弱。另一方面龐大的電纜網(wǎng)質(zhì)量占電氣系統(tǒng)總質(zhì)量比重已超過20%，極大地降低了運(yùn)載火箭對(duì)有效載荷的搭載能力。

為滿足未來運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)高集成化、高靈活性、易更新?lián)Q代的設(shè)計(jì)需求，需要從根本上解決復(fù)雜能源供應(yīng)、大規(guī)模數(shù)據(jù)交互帶來的設(shè)計(jì)、研制、使用過程中的問題。無線能源傳輸（Wireless Power Transfer，WPT）技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（Wireless Sensor Networks，WSN）就是將能源與信息通過無線信道傳輸?shù)男录夹g(shù)，能夠簡(jiǎn)化電氣系統(tǒng)連接，同時(shí)也能夠提高系統(tǒng)的維修性、可擴(kuò)展能力等。

1 無線能源與信息傳輸技術(shù)

1.1 無線能源傳輸技術(shù)

從19 世紀(jì)中后期物理學(xué)家Tesla 提出了無線電能傳輸?shù)脑O(shè)想并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究開始，各國科學(xué)家對(duì)無線能量傳輸技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，目前的研究方向主要包含三種傳輸方式：電磁感應(yīng)方式，電磁耦合諧振方式和電磁波輻射方式，這三種方式在國防、工業(yè)、消費(fèi)等多個(gè)領(lǐng)域已有大量應(yīng)用。三種無線能源傳輸方式具體比對(duì)如下表[1]-[3]。

表1 三種傳輸方式比對(duì)表

1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量小體積、低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。這些傳感器節(jié)點(diǎn)體內(nèi)集成了信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信等多種模塊，可以通過無線通信的方式，形成一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠協(xié)作地感知、采集及處理監(jiān)測(cè)區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者[4]。

隨著無線通信、微處理器和MEMS 等技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了飛速發(fā)展，以其大規(guī)模、免布線、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)，在國防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療救護(hù)、生物信息處理、交通管理及家庭環(huán)境智能化應(yīng)用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力。

2 設(shè)計(jì)原則

結(jié)合我國航天運(yùn)載火箭未來任務(wù)及發(fā)展規(guī)劃，以未來典型兩級(jí)運(yùn)載器為設(shè)計(jì)目標(biāo)，提出了運(yùn)載火箭互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)原則：

a)大系統(tǒng)容量：考慮未來運(yùn)載火箭健康管理要求，支持多節(jié)點(diǎn)、多業(yè)務(wù)能力；

b)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)接入能力：可支持單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)接入/退出網(wǎng)絡(luò)；

c)高可靠性能：應(yīng)采用高可靠方案，降低風(fēng)險(xiǎn)，確?？傮w使用性能；

d)先進(jìn)性要求：應(yīng)采用成熟、先進(jìn)技術(shù)，提高系統(tǒng)性能指標(biāo)和系統(tǒng)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

3 運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)方案設(shè)想

3.1 總體思路

按照運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)備布置一體化、無纜化的設(shè)計(jì)理念，從能源、信息等傳輸方面合理配置、集成優(yōu)化，采用一體化綜合設(shè)計(jì)方法，全面提高系統(tǒng)靈活性，降低系統(tǒng)規(guī)模，突破能源及信息的無線傳輸技術(shù)，顯著提升電氣系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)水平。

運(yùn)載火箭采用異構(gòu)的分布式網(wǎng)絡(luò)體制，適應(yīng)基于不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)信息接入、融合，建立網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自主管理與接入機(jī)制，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭無線節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)管理，提高運(yùn)載火箭的靈活性、可擴(kuò)展性和快速測(cè)試。

方案從系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、接口三個(gè)層面，實(shí)現(xiàn)一體化綜合電氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)：

a)系統(tǒng)層面：按照“集中管理、路徑優(yōu)化”思想設(shè)計(jì)，能源與信息采用“集中管理、區(qū)域服務(wù)”原則，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭全箭資源的優(yōu)化配置，達(dá)到性能與功能整體最優(yōu)；軟件采用“信息整合”原則，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭信息融合分析和處理，提高自主運(yùn)行管理和任務(wù)完成能力；

b)網(wǎng)絡(luò)層面：實(shí)現(xiàn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各業(yè)務(wù)設(shè)備的多業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)、指令、遙測(cè)等）傳輸，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)功能；

c)接口層面：接口按照“規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化”要求設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速集成單機(jī)。

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

系統(tǒng)采用一體化、層次化的設(shè)計(jì)方案，以“主干有線+分支無線”為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，構(gòu)建三級(jí)樹狀的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，如圖1 所示，其中：頂層為能源、數(shù)據(jù)的中心節(jié)點(diǎn)，主要由數(shù)據(jù)與能源中心、數(shù)據(jù)與能源網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備組成，負(fù)責(zé)交換層設(shè)備的能源配送與管理、數(shù)據(jù)融合處理分析、指令下達(dá)、整箭狀態(tài)監(jiān)控等功能；交換層主要由多個(gè)數(shù)據(jù)與能源交換節(jié)點(diǎn)組成，不同的交換節(jié)點(diǎn)依據(jù)處于運(yùn)載火箭不同位置進(jìn)行區(qū)別劃分，分別負(fù)責(zé)該區(qū)域功能層無線能源與信息網(wǎng)絡(luò)的建立、無線能源供給、功能結(jié)點(diǎn)接入控制、數(shù)據(jù)及信息的交換等功能；功能層由傳感器、監(jiān)控設(shè)備等組成，負(fù)責(zé)運(yùn)載火箭上不同具體功能的實(shí)現(xiàn)。

圖1 無線能源與信息互聯(lián)系統(tǒng)示意圖

其中：

a)頂層與交換層間采用有線傳輸形式，信息采用光纖通道的總線方式，提供箭上主干信息交換網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速、低延遲、高可靠的重要信息交換；能源采用傳統(tǒng)有線供電方式；

b)交換層與子節(jié)層間采用分布式無線能源與信息互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形式，交換層中數(shù)據(jù)與能源交換節(jié)點(diǎn)設(shè)備完成無線網(wǎng)絡(luò)的建立，并對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行管理。

無線能源與信息互聯(lián)系統(tǒng)頂層由數(shù)據(jù)總線、能源總線、數(shù)據(jù)與能源中心組成，數(shù)據(jù)總線擬采用光纖通道 (Fiber Channel, FC)實(shí)現(xiàn)，采用交換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頂層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建立；數(shù)據(jù)與能源中心以及工作狀態(tài)、交換節(jié)點(diǎn)連接狀態(tài)等情況實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合分發(fā)、能源的配送、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)以及節(jié)點(diǎn)接入鑒權(quán)與業(yè)務(wù)交換控制等功能。

無線能源與信息互聯(lián)系統(tǒng)交換層由各交換節(jié)點(diǎn)組成，與頂層通過有線連接方式連接實(shí)現(xiàn)信息的交互以及能量的獲取，當(dāng)運(yùn)載火箭部件分離、對(duì)接時(shí)，通過識(shí)別光纖通道接入情況實(shí)現(xiàn)接入控制、鑒權(quán)等有線網(wǎng)絡(luò)維護(hù)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互與能源的獲取；與功能層通過無線傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)信息的交互以及能源的傳遞，采用無線自組織網(wǎng)絡(luò)的形式構(gòu)建信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用星形網(wǎng)絡(luò)或星形與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由交換節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、路由控制、用戶鑒權(quán)等無線網(wǎng)絡(luò)中心管理功能，實(shí)現(xiàn)該區(qū)域中無線信息傳輸功能。

功能層由各種參數(shù)測(cè)量傳感器、儀器、設(shè)備以及狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備等按需配置、組成，通過不同的配置方案組合完成不同功能。當(dāng)同一區(qū)域或不同區(qū)域間功能層節(jié)點(diǎn)需建立通信時(shí)，交換節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)中心逐級(jí)進(jìn)行鑒權(quán)、業(yè)務(wù)類型判斷，針對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)以虛電路的方式交換，以滿足通信延時(shí)需求；針對(duì)大量非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用報(bào)文交換的方式交換，以確保高速信息傳輸。

3.3 具體方案

3.3.1 方案概述

圖2 二級(jí)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)拓?fù)鋱D

典型兩級(jí)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)主要設(shè)備包括功率電源、控制電源、光纖網(wǎng)絡(luò)交換中心、計(jì)算與控制中心、儀器設(shè)備（含大功率設(shè)備）以及分布于各艙段的測(cè)量傳感器等。電氣系統(tǒng)有“兩大動(dòng)脈”即：能源通道和數(shù)據(jù)通道。能源通道方面，按照供電類型，運(yùn)載火箭上供電主要分為功率電和控制電兩類。功率電源主要用于大功率電動(dòng)伺服、火工品等供電，其要求供電傳輸可靠、峰值功率高等，因此運(yùn)載火箭上大功率設(shè)備供電采用可充電一次電源直接供電，其它設(shè)備供電采用“有線或電池+無線供電”方式。運(yùn)載火箭一級(jí)、二級(jí)儀器設(shè)備共用一套安裝在二級(jí)的一次控制電源，通過有線方式將電源傳至一級(jí)，各級(jí)內(nèi)部按照設(shè)備布局、設(shè)備類型等以無線方式進(jìn)行分區(qū)域供電。儀器艙單獨(dú)設(shè)置一次電源，艙內(nèi)設(shè)備供電模式同其他級(jí)。

數(shù)據(jù)通道方面采用“光纖骨干網(wǎng)+無線子網(wǎng)”的方式，全箭以光纖通道為主線，貫穿儀器艙、二級(jí)、一級(jí)，采用交換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)頂層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建立。所有設(shè)備的有線式數(shù)據(jù)交互通過位于儀器艙的光纖交換機(jī)負(fù)責(zé)，各子網(wǎng)內(nèi)按照自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)。位于儀器艙的計(jì)算與控制中心通過光纖網(wǎng)收集整箭的所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算、決策、分發(fā)等。

整個(gè)運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)組成示意圖（以二級(jí)運(yùn)載火箭為例）如下圖所示。

3.3.2 無線能源傳輸方案及工作流程

考慮到運(yùn)載火箭內(nèi)設(shè)備布局、空間約束及傳輸要求等，為了降低傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體能耗，延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期，一種簡(jiǎn)單可行的方案是利用擁有較多計(jì)算和能量資源的額外節(jié)點(diǎn)作為中繼節(jié)點(diǎn)，輔助傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在無線能源傳輸網(wǎng)內(nèi)，各用電設(shè)備及電源作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)任務(wù)需要，節(jié)點(diǎn)可具有三種功能，即主節(jié)點(diǎn)（數(shù)據(jù)與能源控制中心）、從節(jié)點(diǎn)（受電設(shè)備）、中繼節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)作為電能供給節(jié)點(diǎn)（包括電源點(diǎn)）對(duì)外發(fā)射電能（供電），從節(jié)點(diǎn)作為負(fù)載接收電能，中繼節(jié)點(diǎn)完成能量傳輸?shù)闹欣^任務(wù)。其節(jié)點(diǎn)的上述三種功能可根據(jù)任務(wù)需求而發(fā)生轉(zhuǎn)換。無線電能傳輸網(wǎng)利用無線電能傳輸技術(shù)，通過以能量傳輸效率最大化和傳輸鏈路最穩(wěn)定為優(yōu)化目標(biāo)的路由算法建立能量路由機(jī)制，網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)之間以“接力”的方式自主實(shí)現(xiàn)“主節(jié)點(diǎn)—中繼節(jié)點(diǎn)—從節(jié)點(diǎn)”的電能多跳式傳輸模式，以保證網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能量的均衡持續(xù)供給[5]。

具體的能源傳輸流程如下：系統(tǒng)需要工作時(shí)，主節(jié)點(diǎn)（即能源交換中心）先上電啟動(dòng)，在系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，主節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)是一直通電，而后能量發(fā)射端開始向區(qū)域內(nèi)輻射一定頻率的電磁波，而從節(jié)點(diǎn)（能量接收端）則不間斷地從空間中吸收由主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的微弱的電磁波能量。此時(shí)從節(jié)點(diǎn)處于非工作狀態(tài)，但是此時(shí)從節(jié)點(diǎn)前端的無源電路（天線、濾波整流電路等）是在工作的，并且將得到的能量?jī)?chǔ)存起來。接著由電壓閾值判斷電路判斷電能存儲(chǔ)器的電壓是否滿足負(fù)載完成一個(gè)完整的工作周期，如果滿足，則向負(fù)載提供電能。待負(fù)載完成工作后，電能就不滿足其工作了，就要停止運(yùn)轉(zhuǎn)，由前端無源器件繼續(xù)進(jìn)行能量收集儲(chǔ)存，等待下一個(gè)工作周期的觸發(fā)。

圖3 無線能源傳輸示意圖

3.3.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案

傳統(tǒng)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的體積小，通常由紐扣電池或其他微型電池進(jìn)行供電，節(jié)點(diǎn)的能量有限，同時(shí)由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多、分布廣，加之物理環(huán)境的限制，難以在安裝之后為節(jié)點(diǎn)更換電池補(bǔ)充能量。因此電池的容量也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)首要考慮的問題，其直接決定了網(wǎng)絡(luò)的工作壽命。因此本文中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用“自帶電池+無線充電”的方式，當(dāng)傳感器檢測(cè)到電池能量較低時(shí)啟動(dòng)無線充電模式，接收子網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)出的能量進(jìn)行充電。

4 互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)基于無線傳輸?shù)倪\(yùn)載火箭互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)方案，需要對(duì)以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究：

a)總體網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及動(dòng)態(tài)接入技術(shù)；

通過多信道網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和動(dòng)態(tài)接入接入技術(shù)的研究，解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接入沖突、抗干擾和提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的問題，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)通信鏈路建立的高效性以及通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

b)多傳感器系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及信息融合技術(shù)；

對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的多傳感器系統(tǒng)，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸之前有必要對(duì)多傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以緩解網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的負(fù)荷。

c)負(fù)載識(shí)別技術(shù)

通過負(fù)載識(shí)別，識(shí)別出供電負(fù)載有無及負(fù)載性質(zhì)，針對(duì)性的提供能源供應(yīng)，減小供電不匹配造成的能源浪費(fèi)。

d)系統(tǒng)電磁兼容性技術(shù)

分布式無線能源與信息網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)采用高頻磁場(chǎng)傳輸電能和信息，自身工作頻率較高，電磁環(huán)境復(fù)雜，電磁兼容（EMC）設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容。

e)能量與信息共鏈路同步傳輸技術(shù)

利用無線傳輸能量的通道傳輸信息，使能量和信息同步傳輸，減少信息傳輸相關(guān)線纜，提高無線傳輸效率。