再入飛行器低誤碼率數(shù)字化遙測系統(tǒng)設計

閆新峰，鄺浩欣，金 文，蘇 偉，王偉偉

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

再入飛行器遙測系統(tǒng)主要完成飛行器飛行過程中力、熱等環(huán)境參數(shù)以及飛行器工作狀態(tài)的采集、編碼和存儲，完成外系統(tǒng)的圖像、串口等數(shù)字量數(shù)據(jù)的接收和存儲，同時完成系統(tǒng)的在線自檢、供配電控制等功能[1-2]。

遙測方式有無線遙測和存儲回收遙測兩種，與無線遙測相比，存儲回收遙測具有可獲取更為完整的飛行全程數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)誤碼率低等優(yōu)點[3]，是高速再入飛行器主要遙測方式之一。傳統(tǒng)存儲器容量一般為4 GB，未采用糾錯編碼，隨著再入飛行器測量信號種類不斷增多，尤其是高速大容量圖像數(shù)據(jù)測量需求的提出，傳統(tǒng)存儲器已無法滿足大容量、低誤碼率的需求[4-6]。同時，再入飛行器落地時會產(chǎn)品大沖擊、二次碰撞、摩擦發(fā)熱等惡劣環(huán)境，對存儲器的回收防護也提出了更高的要求[7]。

傳統(tǒng)供配電方式一般為地面供配電，采用PLC技術[8]和電磁繼電器[9]，由地面發(fā)送模擬控制信號，實現(xiàn)飛行器上的供配電、轉(zhuǎn)電等功能，該方式地面設備多、操作復雜，可靠性低[10]。

飛行器測試時或發(fā)射前一般在地面采用人工判讀的方式判斷系統(tǒng)是否工作正常，該方式效率不高，不夠智能，且容易出現(xiàn)誤判[9-10]。

本文提出的再入飛行器遙測系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有技術的上述不足，提高了存儲器存儲容量和可靠性，降低存儲器誤碼率，簡化地面供配電測試設備及操作，節(jié)約研制成本和人力成本，提高了飛行器智能化和測試性水平。

1 系統(tǒng)總體方案設計

再入飛行器遙測系統(tǒng)采用存儲器硬回收方式，隨再入飛行器落地，回收后將存儲器中數(shù)據(jù)讀出，對數(shù)據(jù)進行處理和分析，作為評估飛行試驗的依據(jù)。

系統(tǒng)由采編存儲設備、供配電設備以及傳感器變換器組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 再入飛行器遙測系統(tǒng)組成框圖

其中采編存儲設備包括采編器、接口控制器和存儲器。采編器接收傳感器變換器輸出的電壓模擬量信號，進行采集、編碼、組幀，并發(fā)送給存儲器進行存儲。接口控制器接收外系統(tǒng)的圖像、串口等數(shù)字量數(shù)據(jù)，重新組幀后發(fā)送給存儲器進行存儲；接收地面測控系統(tǒng)的控制指令并轉(zhuǎn)發(fā)給存儲器，接收存儲器的存儲數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給地面測控系統(tǒng)，接收存儲器的狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)字配電器。存儲器接收采編器輸出的采編數(shù)據(jù)和接口控制器輸出的備份數(shù)據(jù)，進行存儲；接收經(jīng)接口控制器轉(zhuǎn)發(fā)的地面控制指令，進行相應的實時監(jiān)測、擦除、下載、停止下載等操作。

供配電設備包括數(shù)字配電器、二次電源和鋰電池。數(shù)字配電器通過1553B總線接口接收地面測控系統(tǒng)控制指令，包括自檢、轉(zhuǎn)電、關機等指令，完成供配電控制、自檢以及狀態(tài)測量等功能。二次電源接收數(shù)字配電器的28 V供電輸入，轉(zhuǎn)換為二次電源，為存儲器、傳感器變換器等設備供電。鋰電池為再入飛行器遙測系統(tǒng)提供一次28 V電源。

傳感器變換器測量再入飛行器上的力學、熱學等環(huán)境參數(shù)，并將參數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓模擬量輸出給采編器。

2 關鍵技術及解決途徑

2.1 大容量、低誤碼率、高可靠存儲回收設計

本遙測系統(tǒng)采用存儲硬回收方案，存儲器為本系統(tǒng)的核心設備，大容量低誤碼率可靠存儲技術以及落地后的結(jié)構(gòu)回收防護技術是存儲器設計的關鍵和難點技術。

2.1.1 大容量冗余備份存儲設計

存儲器需要存儲再入飛行器環(huán)境參數(shù)及工作狀態(tài)，還要存儲外系統(tǒng)的圖像及串口等備份數(shù)據(jù)。

存儲器由3個獨立的存儲模塊組成，每個存儲模塊有兩片容量為16 GB的NAND Flash芯片，如圖2所示。存儲模塊1和2用來存儲再入飛行器環(huán)境參數(shù)及工作狀態(tài)，為了提高數(shù)據(jù)存儲可靠性，存儲模塊1和2中的四片F(xiàn)lash芯片同步記錄，互為備份。存儲模塊3用于存儲外系統(tǒng)圖像及串口數(shù)據(jù)，兩片F(xiàn)lash芯片串行記錄，先記錄第一片，第一片記錄滿之后開始記錄第二片，存儲容量擴展為32 GB。根據(jù)存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)速率計算，存儲器可連續(xù)存儲9 h數(shù)據(jù)。

圖2 存儲器組成框圖

存儲模塊1、存儲模塊2和存儲模塊3組成相同，均包括兩塊NAND Flash芯片、FPGA單元、RS422接口芯片、金手指、LVDS接收器、LVDS發(fā)送器以及電源模塊。

FPGA單元接收來自LVDS接收器的數(shù)據(jù)，如果上電30 s內(nèi)未接收到地面測試系統(tǒng)的“下載”或“擦除”指令，則將接收的數(shù)據(jù)同時寫入兩塊NAND Flash芯片中，否則根據(jù)控制指令對兩塊NAND Flash芯片進行擦除或下載操作，將下載的數(shù)據(jù)通過LVDS發(fā)送器向外輸出。

RS422接口芯片用于接收接口控制器轉(zhuǎn)發(fā)的地面測試系統(tǒng)控制指令，并發(fā)送給FPGA單元。一個字節(jié)的幀頭和一個字節(jié)的指令構(gòu)成一個指令字，指令字重復三遍組成一個控制指令幀。

電源模塊為存儲模塊上的各個器件供電。

金手指用于將兩塊NAND Flash芯片的管腳引出，在存儲模塊上電源模塊、FPGA單元或LVDS發(fā)送器或其他相關器件失效時，能夠從外部對NAND Flash芯片進行寫入、擦除或下載操作。

2.1.2 基于ECC糾錯編碼的低誤碼率設計

NAND Flash芯片在進行編程時存在比特翻轉(zhuǎn)的情況，而且容量越大，比特翻轉(zhuǎn)的概率越大，為了減小數(shù)據(jù)存儲誤碼率，采用了ECC校驗算法，存儲器誤碼率可降低至10-10。

在數(shù)據(jù)存儲時，使用漢明編碼產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生ECC校驗碼，每512 Byte有效數(shù)據(jù)產(chǎn)生3 Byte的校驗碼，并存儲在每頁的用戶空閑區(qū)域，每頁共存儲8 KByte有效數(shù)據(jù)，因此共產(chǎn)生16組校驗碼，數(shù)據(jù)存儲過程如圖3所示。

圖3 采用ECC校驗算法的數(shù)據(jù)存儲示意圖

數(shù)據(jù)下載過程中，首先從Flash芯片的每頁中讀出有效數(shù)據(jù)，同時從每頁的用戶空閑區(qū)域讀出ECC校驗碼，根據(jù)漢明碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生新的ECC校驗碼，比特糾錯定位模塊將新生成的ECC校驗碼和讀出的校驗碼進行對比，如果有誤碼，確定出誤碼位置。為了加快下載速度，設計了乒乓緩存模塊，在乒乓緩存模塊中根據(jù)誤碼位置對誤碼進行糾正。數(shù)據(jù)讀取過程如圖4所示。

圖4 采用ECC校驗算法的數(shù)據(jù)讀取示意圖

2.1.3 可靠性設計

存儲器響應的指令有“下載”、“停止下載”，“擦除”3個指令。為了防止再入飛行器在飛行過程中，存儲器由于受到干擾導致存儲器數(shù)據(jù)誤擦除，以及意外斷電重啟導致數(shù)據(jù)丟失，進行了以下可靠性設計：

1)存儲器每次上電后等待30 s，只在30 s內(nèi)響應“下載”、“擦除”指令，在30 s內(nèi)如果接收到擦除指令，則擦除存儲器數(shù)據(jù)，同時將當前寫地址復位為存儲器首地址，如果接收到下載指令，則下載數(shù)據(jù)，擦除或下載完成后存儲器進入空閑狀態(tài)；

2)在30 s之內(nèi)如果沒有接收到任何指令，30 s后自動進入記錄狀態(tài)，存儲器從當前存儲的記錄地址順序記錄，能夠存儲并實時更新當前記錄地址，當前記錄地址在存儲器斷電后不消失，斷電重啟后能夠從上次存儲位置自動進行續(xù)存，不會將上次數(shù)據(jù)覆蓋。進入記錄狀態(tài)后，不再接收任何指令。存儲器記滿后，則不再記錄，防止覆蓋以往數(shù)據(jù)。

2.1.4 抗高沖擊結(jié)構(gòu)回收防護設計

存儲器結(jié)構(gòu)設計采用了復合防護結(jié)構(gòu)，鈦合金內(nèi)筒加外部高強度鋼殼體的防護方式，在內(nèi)桶和外殼間設置非金屬隔離層，觸地方向采用整體半球頭，殼體內(nèi)部采用灌封工藝，在保證一定強度的同時減輕內(nèi)部重量，實現(xiàn)了落地沖擊和二次撞擊時，導致的防護結(jié)構(gòu)變形、引出電纜被切斷或產(chǎn)生火焰等嚴酷條件下存儲器數(shù)據(jù)能夠正常回讀。

2.2 基于1553B總線的數(shù)字化供配電設計

2.2.1 數(shù)字配電器方案設計

數(shù)字配電器是實現(xiàn)數(shù)字化供配電和在線故障診斷功能的核心設備，通過1553B總線接口接收地面測控系統(tǒng)發(fā)送的自檢、起飛、轉(zhuǎn)電、關機等指令，并實現(xiàn)相應操作，向地面測控系統(tǒng)反饋自檢和轉(zhuǎn)電結(jié)果，對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行在線測量并存儲。

數(shù)字配電器由電源模塊、1553B總線模塊、配電模塊和采集模塊組成，如圖5所示。

圖5 數(shù)字配電器組成框圖

電源模塊將28 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，給其他模塊供電。

1553B總線模塊與地面測控系統(tǒng)進行通訊，接收地面測控系統(tǒng)發(fā)送的自檢指令，進行自檢并將自檢結(jié)果反饋給地面測控系統(tǒng)；接收起飛指令并發(fā)送給采集模塊；接收轉(zhuǎn)電指令發(fā)送給配電模塊；接收采集模塊發(fā)送的配電輸出電壓和電流等參數(shù)，編幀后發(fā)送給采編器進行編幀并遙測下傳；接收緊急斷電指令并發(fā)送給配電模塊。

配電模塊在地面上電后，通過地面電源為飛行器上各用電設備供電；接收到轉(zhuǎn)電指令后，切換為電池為各用電設備供電；接收到緊急斷電指令后，同時斷開地面電源和電池供電。

采集模塊采集配電模塊的供電電壓、電流以及二次電源發(fā)送過來的電壓，發(fā)送給1553B總線模塊作為自檢結(jié)果上報；接收到起飛指令時，將起飛信號轉(zhuǎn)發(fā)給采編器進行遙測幀計數(shù)的清零。

2.2.2 供配電設計

供配電設計電路如圖6所示，其中K1、K2、K3為固態(tài)繼電器，V1、V2為二極管，核心處理器采用DSP芯片。二極管V1和V2的作用是防止地面供電或電池供電的電流倒灌。

地面測控系統(tǒng)首先給數(shù)字配電器供電，數(shù)字配電器加電后，其中的DSP開始工作，接通K1和K2，完成28 V配電和電池加溫配電功能，遙測系統(tǒng)其他設備開始工作，加溫電路視環(huán)境溫度確定是否進行加溫。

當數(shù)字配電器通過1553B接口接收到轉(zhuǎn)電指令后，接通K3，保持K1接通，同時切斷K2。

為了提高系統(tǒng)可靠性，防止DSP芯片因受到干擾導致死機或程序跑飛，繼電器K1和K3具有指令保持功能。采用將DSP的控制信號輸出到CPLD，由CPLD輸出高電平直接控制固態(tài)繼電器，即使DSP出現(xiàn)復位或跑飛現(xiàn)象，CPLD仍然能夠按照內(nèi)部邏輯鎖定控制信號，輸出高電平以保持K1和K3的接通。

當數(shù)字配電器通過1553B接口接收到關機指令后，切斷K1、K2和K3，系統(tǒng)斷電。

圖6 供配電設計電路圖

2.2.3 在線故障診斷設計

數(shù)字配電器接收到地面測控系統(tǒng)發(fā)出的自檢指令后，對全系統(tǒng)的供電情況以及存儲器工作狀態(tài)進行自檢，并通過1553B總線上報自檢結(jié)果，地面測控系統(tǒng)根據(jù)自檢結(jié)果，可以對故障進行診斷和快速定位，確定飛行器是否具備發(fā)射條件。

2.2.4 狀態(tài)測量存儲設計

在飛行器地面測試以及飛行過程中，數(shù)字配電器會對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行測量，測量的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)工作的電壓電流、接收到的指令以及自檢和轉(zhuǎn)電結(jié)果，把這些數(shù)據(jù)打包為一個數(shù)據(jù)幀，通過兩路RS422接口分別發(fā)送給存儲器進行存儲和地面測控系統(tǒng)進行在線實時狀態(tài)監(jiān)測。

3 試驗驗證

存儲器參加了炮擊試驗，使用某型火炮，按照設定的炮擊速度將存儲器發(fā)射出去，撞擊到按照配比要求夯實的靶標上，炮擊試驗后，存儲器外部及內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)無明顯變形，灌封材料完整，存儲器數(shù)據(jù)順利讀出后經(jīng)判讀完整正確，驗證了存儲器在高速侵徹靶板介質(zhì)產(chǎn)生的大沖擊環(huán)境和熱環(huán)境下具有良好的防護能力。

再入飛行器遙測系統(tǒng)通過了溫循、振動、老煉等驗收試驗以及沖擊、濕熱等鑒定試驗，參加了電氣系統(tǒng)匹配試驗、電磁兼容試驗等多項大型地面試驗，并通過了多次飛行試驗考核，飛行試驗取得圓滿成功，系統(tǒng)均工作正常，完整獲取到了全程飛行試驗遙測數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文提出的大容量、低誤碼率、高可靠存儲回收技術解決了長時間大容量存儲問題，與無線遙測相比，誤碼率降低了4個數(shù)量級，實現(xiàn)了高沖擊條件下遙測數(shù)據(jù)的可靠回收。提出的數(shù)字化供配電技術、在線故障診斷技術等，解決了傳統(tǒng)供配電方式中存在的測試設備復雜、崗位多、可靠性低等問題，簡化了地面測試，節(jié)約研制成本，解決了飛行器發(fā)射前故障診斷實時性要求高的問題，提高了飛行器智能化和測試性水平。該系統(tǒng)已經(jīng)應用于某再入飛行器，經(jīng)過了飛行試驗考核，具有良好的應用前景和推廣價值。