箭載飛行控制計算機(jī)的國產(chǎn)化設(shè)計

姚文剛，張蕾蕾，周 賓，楊宏亮

（西安微電子技術(shù)研究所，西安，710054）

0 引言

箭載飛行控制計算機(jī)是中國長征系列運載火箭的核心控制設(shè)備，實時接收來自慣性測量裝置和速率陀螺的脈沖信號以及衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過輸入錄取后由飛行軟件進(jìn)行制導(dǎo)、姿控計算和軌道誤差修正，輸出姿態(tài)控制信號、時序信號和遙測量，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同工作，從而達(dá)到使火箭按期望軌道飛行的目的。

1 長征系列運載火箭箭載計算機(jī)發(fā)展歷程

中國運載火箭是在洲際戰(zhàn)略導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1]，因此，早期箭載計算機(jī)也是在導(dǎo)彈控制系統(tǒng)計算機(jī)的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展的。早期彈箭載計算機(jī)主要解決運算速度和小型化的研制需求，受限于集成電路發(fā)展水平，多采用晶體管分立器件實現(xiàn)，整機(jī)所用元器件較多，體積重量較大，可靠性指標(biāo)不高，甚至出現(xiàn)過計算機(jī)已經(jīng)研制成功，所有指標(biāo)均滿足要求，但由于體積過大無法裝入彈倉的情況。20世紀(jì)70年代至90年代初期，隨著集成電路設(shè)計制造水平的快速發(fā)展，箭載計算機(jī)在運算速度、體積重量和可靠性指標(biāo)方面不斷提升：指令周期下降至100 ns，重量由65 kg下降至13 kg，可靠性指標(biāo)已達(dá)0.999。這一階段，箭載計算機(jī)均采用單機(jī)結(jié)構(gòu)，其整機(jī)可靠性指標(biāo)的提升依賴于所選用集成電路的可靠性指標(biāo)。

20世紀(jì)90年代初，中國載人航天工程正式啟動。載人航天工程首要任務(wù)之一就是要研制出以確保航天員絕對安全為核心的長征二號F運載火箭，可靠性和安全性指標(biāo)成為該型火箭的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)[2]。這種情況下，以往單機(jī)結(jié)構(gòu)箭載計算機(jī)已無法滿足載人航天工程對可靠性和安全性的研制需求，冗余容錯技術(shù)開始應(yīng)用于箭載計算機(jī)設(shè)計，長征二號F火箭雙機(jī)備份箭載計算機(jī)成為第1種采用冗余容錯技術(shù)的箭載計算機(jī)產(chǎn)品。隨后，三機(jī)表決箭載計算機(jī)產(chǎn)品應(yīng)用于長征三號甲運載火箭。

2006年至2016年是箭載計算機(jī)冗余容錯體系架構(gòu)的深入發(fā)展階段，逐漸開發(fā)出混合冗余、冗余重構(gòu)、故障檢測隔離、精確同步和總線監(jiān)控等技術(shù)，整機(jī)故障容限進(jìn)一步提升。2016年至今，箭機(jī)產(chǎn)品研制進(jìn)入國產(chǎn)化設(shè)計應(yīng)用階段。

2 箭載計算機(jī)三模冗余可重構(gòu)容錯架構(gòu)

為適應(yīng)新型中型運載火箭對箭載計算機(jī)短時間、強(qiáng)實時、高可靠的應(yīng)用要求，箭載計算機(jī)在繼承以往冗余容錯技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合運用表決、混合冗余以及故障檢測隔離等技術(shù)對整機(jī)容錯架構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計，整機(jī)具備系統(tǒng)重構(gòu)能力，可根據(jù)故障類型實現(xiàn)三機(jī)表決、雙機(jī)混合冗余、雙機(jī)熱備、單機(jī)主控4種冗余容錯工作模式，容忍兩度故障。

新型中型運載火箭箭載計算機(jī)由3塊CPU板、公共接口（COM）板、DSP智能接口板、電源（PSB）板以及無源底（MB）板組成，三機(jī)共存于1個機(jī)箱內(nèi)，其整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新型中型運載火箭箭機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Hierarchical Architecture of Rocket Computer

火箭起飛前，監(jiān)控軟件將飛行軟件上傳至箭機(jī)內(nèi)部3個冗余單機(jī)并啟動執(zhí)行，在飛行軟件和內(nèi)部控制信號作用下，箭機(jī)進(jìn)入三機(jī)表決工作模式。由于箭機(jī)3個冗余單機(jī)裝訂的飛行軟件相同，在每個20 ms控制周期的起點，各單機(jī)開始執(zhí)行相同的控制流程，錄取外部狀態(tài)指示信號、捷聯(lián)慣組輸入?yún)?shù)以及助推級綜合控制器輸入數(shù)據(jù)，經(jīng)信息交換通道完成三機(jī)數(shù)據(jù)交換；同時在自動錄取信號控制下，三機(jī)FPGA邏輯自動完成速率陀螺數(shù)據(jù)的接收、解幀和交換。各單機(jī)飛行軟件在進(jìn)行實時軌道運算前，可讀取三套外部輸入數(shù)據(jù)，通過三中取二表決和數(shù)據(jù)合理性判別剔除瞬態(tài)故障輸入，保證參數(shù)錄取的正確性和飛行軟件執(zhí)行分支的相同性，其運算結(jié)果和控制指令也通過信息交換通道進(jìn)行交換比對，從而保證3個單機(jī)輸出的正確性和同步性。

三中取二機(jī)制以少數(shù)服從多數(shù)的表決原則為基礎(chǔ)，若箭機(jī)發(fā)生單機(jī)故障則僅有兩機(jī)正常運行，表決基礎(chǔ)已不存在。箭機(jī)內(nèi)部采用軟硬件相結(jié)合的故障檢測技術(shù)，任一單機(jī)可實時監(jiān)測其余兩臺單機(jī)的程序執(zhí)行、供電、控制周期精度等狀態(tài)信息，實現(xiàn)故障判別。當(dāng)發(fā)生掉電等冗余單機(jī)整體故障時，通過切機(jī)指令，隔離故障單機(jī)對正常單機(jī)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)交換通道，防止故障擴(kuò)散，整機(jī)轉(zhuǎn)入雙機(jī)熱備工作模式，并依據(jù)單機(jī)標(biāo)識信息確定控制主機(jī)和跟隨備份機(jī)；若故障單機(jī)僅為CPU運行異常故障，則不執(zhí)行切機(jī)指令，故障單機(jī)的數(shù)據(jù)錄取接口仍可正常錄取輸入數(shù)據(jù)并發(fā)送至正常單機(jī)，整機(jī)轉(zhuǎn)入雙機(jī)混合冗余工作模式，雙CPU并行運算并輸出控制指令，助推通信和1553B總線數(shù)據(jù)雙冗余錄取，速率陀螺和狀態(tài)指示信號三冗余錄取。雙機(jī)運行模式下，若再次發(fā)生單機(jī)故障，則整機(jī)轉(zhuǎn)入單模主控工作模式。圖2為箭機(jī)工作模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意。

圖2 箭機(jī)工作模式狀態(tài)轉(zhuǎn)換Fig.2 Work State Transition of Rocket Computer

3 基于雙計數(shù)器切換的控制周期同步技術(shù)

箭載計算機(jī)屬于強(qiáng)實時設(shè)備，需周期性完成數(shù)據(jù)采集、運算、判斷、指令輸出等控制任務(wù)，因此三機(jī)同步十分重要。若采用5×10-5精度的晶振作為時鐘源，則各冗余單機(jī)間主頻最大差異為10×10-5，按新型中型運載火箭680 s飛行時間計算，累計時間誤差可達(dá)68 ms，超出火箭飛行控制周期3倍多，且飛行時間越長累計誤差越大。

同步的目的是為了消除因各冗余單機(jī)主頻的微小差異而產(chǎn)生的累積誤差，保證各單機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理的同時性。三機(jī)同步最簡單的方法是各冗余單機(jī)使用同一時鐘源，可保證三機(jī)完全同步，但這是冗余系統(tǒng)不能接受的單點[3]。早期三冗余箭機(jī)曾采用雙時鐘作為各冗余單機(jī)的時鐘源，但時鐘切換電路依然是三冗余箭機(jī)的單點。

新型中型運載火箭箭機(jī)各冗余單機(jī)使用各自獨立時鐘源，單機(jī)控制周期同步電路使用兩組定時器輪流對20 ms控制周期進(jìn)行計時。各單機(jī)定時器計滿20 ms，則發(fā)出本機(jī)20 ms定時信號，此時定時器并不停止計時。各單機(jī)對自己產(chǎn)生的20 ms定時信號和來自另外兩機(jī)的20 ms定時信號進(jìn)行三中取二表決，產(chǎn)生本機(jī)的20 ms定時中斷信號。20 ms定時中斷信號停止當(dāng)前定時器計時并鎖存計時狀態(tài)，控制邏輯自動切換至另一個定時器對下一個20 ms周期進(jìn)行計時，如此循環(huán)，完成20 ms控制周期的定時同步。圖3為20 ms控制周期計數(shù)同步原理示意。

使用兩組定時器進(jìn)行周期同步計時，可將上一次20 ms定時周期的計時狀態(tài)鎖存，供飛行控制軟件回讀，若在火箭飛行過程中發(fā)生晶振頻率漂移，則飛行軟件可通過調(diào)整計數(shù)個數(shù)調(diào)節(jié)自身20 ms周期精度。箭機(jī)單元測試中也通過回讀此狀態(tài)判斷晶振頻率是否正常。

圖3 20 ms控制周期計數(shù)同步原理Fig.3 Synchronization Based on 20ms Control Period

4 總線監(jiān)控技術(shù)

箭機(jī)是箭上控制系統(tǒng)的主控設(shè)備，其余設(shè)備如速率陀螺、捷聯(lián)慣組、助推級綜合控制器、橫法向表、伺服控制器等均通過各種總線（RS-485、RS-422以及1553B等）與箭機(jī)相連，飛行軟件通過箭機(jī)外設(shè)接口獲取相應(yīng)設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)和輸出控制指令。

箭機(jī)總線監(jiān)控邏輯利用箭機(jī)在控制系統(tǒng)中的核心地位，實時檢測箭機(jī)內(nèi)部處理器總線輸入輸出狀態(tài)，在飛行軟件錄取數(shù)據(jù)和輸出控制指令時，同步獲取箭上各設(shè)備數(shù)據(jù)流信息，在不需要飛行軟件參與的情況下自主采集箭上狀態(tài)信息，并通過箭地高速串行總線自動下傳至地面計算機(jī)。箭地高速串行通信協(xié)議還通過用戶郵箱為飛行軟件提供數(shù)據(jù)的主動收發(fā)功能。圖4為總線監(jiān)控及箭地高速串行通信系統(tǒng)示意。

圖4 總線監(jiān)控原理及箭地高速串行通信系統(tǒng)Fig.4 Bus Monitor Unit

圖5 為總線監(jiān)控數(shù)據(jù)單元格式和數(shù)據(jù)幀格式示意。圖5中設(shè)備號用于標(biāo)識數(shù)據(jù)所屬設(shè)備，總線狀態(tài)用于標(biāo)識輸入輸出信息；幀格式中的時標(biāo)用于標(biāo)識該幀數(shù)據(jù)的20 ms周期序號。自飛行軟件啟動執(zhí)行開始，總線監(jiān)控邏輯可詳細(xì)記錄每個20 ms控制周期，飛行軟件錄取了哪些箭上設(shè)備的哪些數(shù)據(jù)，進(jìn)行了哪些中間操作，并向哪些箭上設(shè)備輸出了哪些控制指令。地面測發(fā)控系統(tǒng)通過解析下傳的總線監(jiān)控數(shù)據(jù)，可及時準(zhǔn)確地掌握箭上各設(shè)備運行狀態(tài)，為系統(tǒng)故障診斷提供判定依據(jù)，實現(xiàn)控制系統(tǒng)閉路總檢查測試[4]。

圖5 總線監(jiān)控數(shù)據(jù)單元格式和數(shù)據(jù)幀格式示意Fig.5 Data Format of Bus Monitor Unit

5 箭載計算機(jī)國產(chǎn)化設(shè)計

為應(yīng)對進(jìn)口元器件停產(chǎn)、禁運風(fēng)險和采購價格過高問題，在國家某重大工程支持下，立足于國產(chǎn)元器件，在保持原箭機(jī)控制功能和技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，對箭機(jī)進(jìn)行全國產(chǎn)化設(shè)計，重點解決元器件自主可控問題，并應(yīng)用于新型中型運載火箭系列。

箭機(jī)微處理器系統(tǒng)是飛行軟件運行的硬件基礎(chǔ)，其國產(chǎn)化設(shè)計首要考慮的問題是如何盡可能減少軟件移植的工作量。具有自主知識產(chǎn)權(quán)的LCSOC3201芯片是一款基于SPARC V8結(jié)構(gòu)、面向航天應(yīng)用的高性能SOC芯片，用于替代進(jìn)口基于SPARC V7結(jié)構(gòu)的TSC695F處理器，可保持箭機(jī)微處理器結(jié)構(gòu)不變。混合封裝存儲體LHB567內(nèi)部集成1M×32bit FLASH和512K×32bit SRAM，使用其替代進(jìn)口的E2PROM和SRAM存儲器，可進(jìn)一步提高整機(jī)集成度。

箭機(jī)內(nèi)部核心控制邏輯包括三冗余可重構(gòu)容錯管理、三機(jī)同步、速率陀螺自主接收、助推通信、總線監(jiān)控和協(xié)議雙端口存儲部件等均由FPGA邏輯實現(xiàn)，僅需選用國產(chǎn)FPGA芯片經(jīng)過代碼適應(yīng)性修改即可實現(xiàn)國產(chǎn)化，同時也可保證飛行軟件操作方式不變，方便軟件移植。1553B總線控制器目前已有多款成熟電路可供選用且兼容DDC公司的ACE系列芯片[5]，箭機(jī)選用LHB155301替代BU-61580。

國產(chǎn)化箭機(jī)繼承了原箭機(jī)的全部控制功能和冗余容錯架構(gòu)，沒有新增控制功能，因此，其測試設(shè)備可直接沿用，不需開發(fā)新的測試設(shè)備，減少研制成本。圖6為國產(chǎn)化箭機(jī)測試環(huán)境示意。

圖6 國產(chǎn)化箭機(jī)測試環(huán)境Fig.6 Test Equipment for Rocket Computer

6 結(jié)論

近年來，隨著國產(chǎn)元器件設(shè)計工藝水平的不斷提高，箭機(jī)國產(chǎn)化的制約因素已不存在。經(jīng)統(tǒng)計，國產(chǎn)化箭機(jī)的國產(chǎn)化率為100%，是中國實現(xiàn)全國產(chǎn)化設(shè)計的箭載飛行控制核心設(shè)備，且元器件采購成本下降了約30%。原箭機(jī)研制的重點是解決新型中型運載火箭飛行控制中涉及箭機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)問題，而國產(chǎn)化箭機(jī)研制的重點是國產(chǎn)元器件應(yīng)用技術(shù)，可為運載火箭電子設(shè)備的研制提供一定的經(jīng)驗借鑒和參考。