基于通用模塊化的大型空間飛行器地面供配電系統設計

李鴻飛,謝志勇

(中國空間技術研究院,北京 100094 )

基于通用模塊化的大型空間飛行器地面供配電系統設計

李鴻飛,謝志勇

(中國空間技術研究院,北京 100094 )

地面供配電系統一直存在體積過于龐大、系統通用性穩定性差問題；基于通用模塊化的設計方案，從基本功能實現模塊的角度，將系統劃分為功率繼電器模塊、信號繼電器模塊、PXI控制模塊、地面電纜模塊、軟件實現模塊等，通過對這些模塊的通用性設計及部分軟硬件功能的整合，實現了減少系統體積規模、加大系統集成化及小型化程度、提高系統間通用性及魯棒性的目的。

地面供配電系統；模塊化；小型化；魯棒性

0 引言

地面供配電系統在綜合測試中起到為航天器提供穩壓供電通路、上行有線指令發送、下行狀態量及模擬量采集處理的作用，是航天器測試階段對航天器進行控制和監視的第一道和最后一道屏障，其重要性不言而喻[1-2]。而各型號之間的供配電設備由于設備專用化的設計，相同的功能模塊不能通用。設備的改造又需要大量人力物力，造成了資源的浪費[3]。

目前關于地面供配電系統的研究主要集中在系統級通用測試方案[4]及測試設備接口技術上[5]，鮮有對供配電系統模塊化設計的討論。張洪光對供配電設備硬件模塊化及軟件配置化的思路進行了討論，但對軟硬件功能的融合及減少系統體積等方面鮮有涉及[6]。

在大型空間飛行器綜合測試地面供配電系統研制過程中，采用了基于通用模塊化的設計方案，將專用化設備采用通用模塊化的設計，以實現設備層面的專用化轉換為模塊層面的通用化，同時盡可能多的由軟件來替代以往硬件實現的功能。在縮減系統體積的同時提高系統集成化程度，增強系統的魯棒性及不同型號間的通用性。

1 現狀分析

1.1 供配電系統組成

當前航天器使用的地面供配電系統一般由有線前端、集中供電及等效器三大部分組成，設備包括SGI電源、供配電上位機、PXI控制單元[7]、集中供電接口機箱、信號調理箱、前端跳線箱、前端電源箱、火工品電源箱、等效器調理箱、等效器跳線箱、低頻地面電纜網、太陽方陣模擬器(SAS)等，可完成航天器供電通路控制、模擬量及狀態量處理、指令發送、航天器信號模擬等功能，見圖1。

圖1 供配電系統架構圖

在供配電系統中，集中供電接口機箱負責控制供電通路；信號調理箱主要完成下行模擬量及狀態量信號的隔離、調理、不同信號的組合，同時通過硬件邏輯電路的方式完成下行火工品信號的邏輯運算、鎖存、信號轉換及不同指令發送繼電器的串聯；前端跳線箱則實現了信號的輸入輸出接口連接。上位機軟件通過PXI控制單元完成對所有調理過的信號進行采集、對指令發送繼電器進行控制的功能；等效器信號則由調理箱進行模擬后，通過跳線箱進行輸出。而SAS用于太陽方陣模擬，專用性較強，不在本文討論范圍。

1.2 存在的問題

現有供配電系統存在設備眾多、體積龐大、連接復雜易出錯的問題，如上節所述的前端跳線箱占據12U的機柜高度，但只是完成了輸入輸出信號的分類、合并及接口的引出；等效器跳線箱前面板有66個按鈕及63個指示燈進行控制和顯示，占據24U機柜高度；供配電系統10種設備累計需占用3個2米高的標準機柜，每次轉運時需拆接近60根左右的電纜及120個左右的不同插頭。

同時，現有系統存在通用化集成化程度低、可拓展性差、維護不便的問題。系統中除SGI電源外所有設備均為專用設備，設備之間不能相互通用。如前端電源箱及火工品電源箱均為專用設計，每臺設備均需占用3U的高度，集成化程度低；前端跳線箱使用硬件邏輯鎖存電路只能完成近幾十路火工品信號的合并、邏輯鎖存運算且不可擴展。若同樣的設備完成大型空間飛行器幾百路火工品信號的處理，則體積會更加龐大。

2 通用模塊化設計方案

2.1 設計思路

在大型空間飛行器綜合測試地面供配電系統設計之初，即引入模塊化的思路，按照功能需求劃分為功率繼電器模塊、信號繼電器模塊、PXI控制模塊、電纜及軟件實現模塊等。同時考慮通用化設計，如有線前端設備與等效器設備之間繼電器模塊、PXI控制模塊及軟件實現模塊的通用化，即時插拔使用等特點。

在系統整體設計中遵循集成化、小型化的設計原則，通過優化調理電路，優化跳線設計，提高集成度縮減接插件規模，來簡化系統設計，縮減設備體積與規模。

2.2 功率繼電器模塊

考慮大型空間飛行器實際使用需求，設計繼電器最大工作電壓140 V(不考慮降額，下同)，額定電流不小于40 A，在兼顧電壓、電流、觸點等指標的同時，選用某型號大功率繼電器實現。由于其只有一對觸點，同時為兼顧采樣線通斷控制和繼電器狀態采集的需求，在大功率繼電器端并聯1個繼電器2JB2-2實現采樣線通斷和繼電器狀態采集，與大功率繼電器共用1路控制指令。2JB2-2包括2路主觸點和1路輔觸點。選用1路主觸點用于采樣通路控制，選用1路輔觸點用于繼電器通斷狀態采集。

圖2 功率繼電器硬件模塊原理圖

圖2給出了功率繼電器硬件模塊的組成，模塊中包括1個大功率繼電器、1個2JB2-2繼電器，1個防倒灌二極管，1個電壓采集電路及若干電阻電容等。同時此模塊的將繼電器所有接口引出，設計為標準接插件的形式，可通過模塊間的組合使用。比如大型空間飛行器各個艙段均可使用若干個功率繼電器模塊并聯的形式。各模塊完全通用，相互之間可互換，可互為備份。同時，在滿足電壓電流降額要求的前提下，功率繼電器模塊也可使用在緊急關機通路及脫插落通路，用于通路通斷的控制。

2.3 信號繼電器模塊

大型空間飛行器部分有線前端指令發送及等效器的狀態量、模擬量信號控制均需使用磁保持繼電器對PXI的控制指令進行擴展。選用松下公司DS2E-SL2-DC12V小型磁保持繼電器，觸點電壓：30VDC，最大電流：2A，最大動作次數：500000次，線圈電壓規格：12 V，外形尺寸：20 mm*9.9 mm*9.9 mm；此種型號繼電器已經使用于載人飛船及貨運船的地面測試設備，穩定可靠。信號繼電器模塊原理如圖3所示。

圖3 信號繼電器模塊原理圖

信號繼電器模塊中包括1個DS2E-SL2-DC12V 繼電器、4個續流二極管及若干導線。同時此模塊的將繼電器所有接口引出，設計為標準接插件的形式，可通過模塊間的組合使用。如若干個此種模塊的組合用于等效器調理箱中狀態量的模擬及模擬量的控制，若干個此種模塊的組合用于前端指令箱中地面擴展指令的發送。模塊間完全通用，相互之間可互換，可互為備份。

2.4 PXI控制模塊

PXI控制模塊用于供配電系統的有線前端及等效器的控制，選用基于PXIe總線的NI公司通用貨架產品實現，一般由PXIe機箱、功能板塊及零槽嵌入式控制器三部分組成。為兼顧通用化需求，有線前端與等效器選用相同型號的18槽3U PXI標準機箱PXIe-1075機箱、用于模擬量采集的PXIe-4300板卡、用于狀態量采集的PXI-6529板卡、用于通斷控制的PXI-2520板卡。各板卡功能如下：

1)選用PXIe-4300模擬量采集板卡完成模擬量采集功能，對大型空間飛行器下行的若干路模擬量進行采集，同時用于等效器對輸出電壓電流進行采集。板卡輸入電壓范圍±10 V，同時各通路具備光隔模塊、低通濾波模塊，能夠滿足信號隔離、信號調理要求，見圖4。

圖4 模擬量測量示意圖

2)選用PXI-6529板卡對大型空間飛行器下行若干路火工品信號及其它狀態量信號進行采集，并同時可用于等效器接收地面指令高電平信號的采集。大型空間飛行器有線前端采用基于PXI-6529板卡數字濾波及上位機軟件鎖存的方式實現載人二期火工信號調理的功能。同時PXI-6529板卡通路具備光耦隔離功能，可滿足船地信號電氣隔離需求，見圖5。

圖5 狀態量測量示意圖

3)選用PXI-2520繼電器板卡實現指令發送的通路通斷控制，同時可用于等效器模擬量及狀態量的通路控制。最大切換電流2A，可滿足需求，如圖6所示。

圖6 指令發送示意圖

2.5 地面電纜模塊

地面電纜模塊是指供配電系統設備到機房支架箱之間的低頻電纜網。大型空間飛行器地面供配電系統在設計中，為減少地面供配電系統的體積，將系統輸入輸出信號的分類、合并及接口的引出等功能融入進地面低頻電纜模塊之中，取消了占高12 U的前端跳線箱的設計，同時采用芯數更多的J51-134電連接器來整合更多的輸入輸出通路。

低頻電纜模塊的設計同時大大減少了地面測試設備間電纜的連接復雜度，將每次聯調時需拆接的近60根電纜減少到35根，降低了連接時人員操作出錯的概率。地面電纜模塊單通路設計如圖7所示。

圖7 地面電纜模塊單通路示意圖

2.6 軟件實現模塊

為進一步減少地面供配電系統的體積，將有線前端及等效器的部分硬件實現功能統一由軟件實現。如結合PXI-6529板卡具備的可過濾200 ns至100 ms噪聲的底層硬件數字濾波能力，使用上位機LabVIEW軟件[8]來實現近幾百路火工品下行信號的數字濾波與軟件邏輯運算，以此來替代硬件鎖存及邏輯運算，從而減少設備體積。

同時，在供配電系統等效器的設計中，則是用LabVIEW軟件完全替代了占高24 U機柜高度的等效器跳線箱前面板的按鈕控制與指示燈顯示，只保留了等效器調理機箱，使等效器整體體積縮減了約50%。

在軟件編寫過程中，考慮到通用化設計，供配電系統有線前端上位機軟件及等效器軟件采用相同的“生產者-消費者”軟件邏輯架構，數據采集與繼電器控制方面采用相同的子VI模塊，只是配置文件略有不同。通過更改配置文件即可實現軟件的通用，簡化了系統的實現。

2.7 系統集成

系統集成設計過程中，除了通過地面電纜模塊及軟件實現模塊減少設備體積外，還采用了Agilent公司1 U的通用電源產品代替專用電源箱，進一步縮減系統體積。如圖8所示，有線前端設備最終集成在一個1.6 M高的標準機柜中，體積由原先的42 U減小為14 U，而等效器部分因取消了等效器跳線箱的設計，體積由原先的32 U同樣減小為14 U。

圖8 有線前端機柜集成示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 集成化小型化程度高

采用基于通用模塊化方案的大型空間飛行器地面供配電系統設計在實現功能需求翻倍的同時較大的縮減了系統體積，減少了接插件及設備間電纜的規模，簡化了系統設計，且通過軟件可實現所有硬件操控及測量功能，集成化程度高，易于運輸。其與現有供配電系統的比對情況見表1。

表1 應用效果比對

3.2 魯棒性替代性效果高

基于通用模塊化方案，供配電系統設備間的連接關系更加簡單，容易維護，穩定性提高、魯棒性增強，且可替代性及可擴展性比原有系統有較大提升。如現有通用化設備的比例由27.3%提高到了57.1%，且專用設備之間采用的模塊化設計思路，保證了專用設備間的可替代性及模塊級相互備份，從而進一步提高了系統的魯棒性。

4 結束語

采用通用模塊化的設計方案可以減少系統重復性開發工作、提高型號間不同設備相同功能的模塊級互換和重用，同時可以減少設備備份數量，提高系統的魯棒性。本文所闡述的通用模塊化設計思路已經在大型空間飛行器供配電系統中得到了應用，在實現功能的同時系統體積大幅減少、穩定性增強、效果顯著。

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[8] 陳錫輝，張銀鴻．LabVIEW8.2程序設計從入門到精通[M]．北京．清華大學出版社，2007.

Design of Power Supply System for Huge Spacecraft Based on Universally Modularized Method

Li Hongfei，Xie Zhiyong

(China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China)

Huge volume and terrible stability are the characteristic features of power supply system (PSS). An universally modularized method has been put forward to work out the trouble based on foundationally Modularization. PSS has been divided to several modules such as power relay module, signal relay module, PXI control module, ground cable module, software module etc. By universally modularized design and combination of software and hardware, miniaturization size, integration degree, robustness and universality between different aircrafts PSS are all enhanced and reinforced.

power supply system；modularized；miniaturization；robustness

2017-05-21；

2017-06-07。

李鴻飛(1980-)，男，北京市人，高級工程師，主要從事載人航天器綜合測試系統設計工作方向的研究。

1671-4598(2017)12-0243-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.063

V19

A