小型化低成本運載火箭測控設備設計研究

高 飛，王璐璐，李芳野，謝 望，韓 飛，江 坤，徐 昕

（1.上海航天電子技術研究所，上海 201109；2.中國船舶集團有限公司 第704研究所，上海 200031）

0 引言

隨著商業航天的快速發展，商業航天測控領域得到極大的促進［1］，體積較大、成本較高的傳統運載火箭測控設備已逐漸不能滿足實際的使用需求，用戶對于運載火箭測控裝備小型化、低成本、功能齊全、質量穩定的需求日益旺盛。立足于向使用方提供實用、好用的裝備，同時提高快速發射運載火箭的市場競爭力，本文以某型號運載火箭測量系統供配電測試設備為研究對象，對小型化低成本運載火箭測控設備設計開展分析與研究。主要從元器件選型、產品結構優化和軟件功能優化方面分析了運載火箭測控設備小型化設計原則，從選用成熟貨架產品、國產化產品、冗余設計方面研究了產品低成本設計原則。

1 小型化設計原則

某型號運載火箭測量系統舊版供配電設備前后面板和連接電纜如圖1所示，機柜高約2米，舊設備的面板按鈕均為機械式按鈕，需要人員在現場前端進行設備的操作和狀態的記錄、檢測等，同時電源設備的面板較大，設備體積大，重量大，不便于人員對設備的搬運和維護。用于供配電設備完成功能自檢的等效器如圖2所示，等效器的體積較大，不能安裝在機柜內，人員搬運不方便。

圖1 舊版供配電設備前后面板及連接電纜實物圖

圖2 舊版等效器實物圖

測控設備設計要求保證其可靠性、可測試要求和友好的人機操作界面要求以及環境適應性要求，同時設備要求操作簡單易行，數據顯示清晰易讀。在滿足測試、報警要求的前提下，設備的電路設計應簡單、可靠，同時采取必要的元器件降額措施。

1.1 元器件選型

航天電子的發展對元器件小型化提出了要求，受到設備體積的限制，留給元器件的安裝空間相當有限，而且在元器件小型化發展的同時，性能還不能降低，否則會影響產品功能［2］。

文獻［3］和［4］通過使用高度集成、模塊化、小型化的芯片減少額外器件的使用，對設備進行優化整合，充分合理利用板間空間，實現測控系統硬件的小型化設計。為了盡量減小供配電控制組合的體積、重量，選擇高集成化、多通道、多功能、相對體積小、高可靠性的功能板卡或元器件。新研供配電控制系統輸出采用NI數字I／O 模塊加達林頓管驅動模塊作為繼電器的控制裝置。離散量電輸入信號控制繼電器閉合，繼電器將數字I／O 模塊輸出的5V電源信號連接到相應的I／O 通道。模擬量電流和電壓的采集使用NI的高精度數據采集卡、分流器、高精度電阻和隔離模塊實現。

為保證產品可靠性以及便于后期維護，板卡、元器件盡量選擇型號上成功發射使用過的產品。供配電控制組合I／O 卡選擇NI數字I／O 板卡，模擬量采集選擇NI數據采集卡，達林頓管選擇ULN2803A，大功率繼電器選擇宏發工業級繼電器，信號繼電器選擇松下繼電器，隔離模塊選擇研華ADAM 模塊，等效器內部大功率電阻選用四川永星線繞電阻器。供配電控制組合內元器件如圖3、圖4所示。

圖3 達林頓數字I／O 驅動模塊ULN2803

圖4 隔離DC輸入／輸出模塊和分流器

AD采集卡最大支持單端32路或差分16路模擬信號輸入，電壓采集范圍±10V，分辨率達到18位，遠滿足精度0.05V 的要求。I／O 卡支持96通道輸入輸出，每通道電流驅動24mA，輸入-0.5～5.5V，輸出0～5V，I／O 邏輯電平5V。達林頓管ULN2803A 最大輸入電壓30V，連續輸出電流500mA，能可靠驅動繼電器。大功率繼電器觸點耐壓值48～125V／100A，遠滿足實際要求28VDC／32A。隔離模塊輸入包括分流器0～50 mV 輸入和分壓電阻0～10V輸入。供配電控制組合選用的器件或板卡均為商業貨架產品，經過市場競爭且大批量投產的商業貨架產品在體積、研制周期、成本方面比體制內產品占有顯著優勢。

1.2 產品結構優化

在元器件小型化基礎上，根據設備功能需求合理排布器件，提高可維護性［5］，設備優化設計后能最大化利用機箱內部空間，有效減小設備體積。新研供配電控制組合箱體設計成8U 高度可上19英寸機架的金屬箱體，箱體后面板安裝有與箭上產品連接的連接器、與4臺電源連接的連接器、數字I／O 板卡／數據采集卡信號輸入接線端子、220V電源輸入連接器等，與舊供配電控制組合相比，優化了連接器選型、控制與采集信號整合，減少了對外接口連接器數量。

供配電控制組合前面板下部的蓋板可上下翻轉打開，方便繼電器板子更換維護，有效縮短了現場維護更換時間。為滿足用戶使用需求，方便時刻觀察地面對箭上供電狀態和關鍵信號采集，組合前面板設置有配電器2 地面加電、電池2加電、T1～T6路加電、助推（Ⅰ～Ⅳ）地面加電、助推（Ⅰ～Ⅳ）電池加電、T11加電（Ⅰ～Ⅳ）、T12加電（Ⅰ～Ⅳ）、起飛信號共25個指示燈和4個電源輸出測量接口及組合電源開關。

為便于轉運和使用，箭上配電器等效器設計成小單機形狀，后面板根據真實配電器接口設計，前面板配置了數字壓力表、箭上供電狀態指示燈、箭上關鍵信號接收指示燈、箭上控制信號輸出按鈕，既滿足驗證地面產品功能正確性要求，又減小了產品體積，5個等效器可同時放置于機柜工具箱內，供配電系統設備連接框圖如圖5所示。

圖5 供配電系統設備連接框圖

對供配電控制組合機箱、電源機箱、配電器等效器機箱進行小型化結構設計，控制組合體積受后面板連接器數量影響而不能太小，最終控制組合機箱、電源機箱、等效器機箱的高度分別為8U、2U、2U，控制組合、電源整機重量小于20kg，等效器整機重量小于5kg。控制組合前面板設置合理的指示燈和輸出電壓測量接口，后面板均勻合理分布對外航插件。整套供配電設備全部集成于高度1.5m機柜內，實現了小型化結構優化。

1.3 軟件功能優化

主控軟件實現信號的可靠性采集和自動輸出控制，軟件界面采用虛擬顯示或控制的表頭、指示燈、按鈕等控件代替實體器件能有效減小設備體積。供配電控制測試設備只保留了箭上部分關鍵控制信號狀態指示燈和按鈕，確保主控軟件和硬件之間工作的協調性與正確性。

為了提高軟件的自動化程度，防止誤操作，并減少人員的工作量和操作復雜性，可將部分控制操作在軟件中做成自動邏輯去執行，如將箭上遠端電壓補償切換、轉電前地面電源斷電、轉電后地面電源斷電、緊急斷電地面電源斷電控制通過軟件自動執行。

軟件以虛擬表頭形式顯示所有電源輸出電壓、電流，地面母線電壓、對箭輸出電流，以及箭上各配電器反饋的電壓。以虛擬指示燈形式顯示電源狀態、箭上轉電好、引爆狀態。以數字表頭形式顯示起飛時間、加電時間。當電源狀態異常（過壓、過流、過溫）時，可以聲光形式予以報警。

軟件以虛擬按鈕開關形式控制地面電源通斷、各通路通斷、轉電指令、安全自毀信號、模擬零秒、模擬姿態信號等。當設備異常斷電時，會自動斷開所有通路，避免第二次加電時出現誤動作。軟件以流程屏形式記錄所有操作時間，電源的電壓、電流曲線可存盤進行回溯、分析。人機界面設計效果如圖6所示。界面上包含4臺電源狀態、芯級供電狀態、助推供電狀態、測試流程、芯級供電指令控制按鈕、助推供電指令控制按鈕、電源連接控制按鈕、緊急控制按鈕。軟件界面通過分區域和不同標題填充顏色讓操作人員能夠快速定位操作指令或狀態讀取判別。

圖6 主控軟件人機界面

供配電新、舊設備功能變化情況如表1所示。小型化設計后的供配電設備不僅功能更加豐富，體積更加輕便，解決了舊設備體積大、操作不便、功能不全等缺點。

表1 供配電新、舊設備功能變化情況

2 低成本設計原則

隨著商業航天快速發展和型號任務更加繁重，總體單位對地面測發控產品的研制費用、周期、質量控制的更加嚴格，地面測控產品正朝著小型化、低成本，短研制周期趨勢發展。文獻［6］對比了國內外貨架產品不同理念，闡述了貨架產品進軍航天裝備設計思路，為航天裝備貨架建設提供參考借鑒。文獻［7］介紹了在航天裝備上使用市售設備的標準接口，就可利用市場自身的創造活力，減少費用并縮短研制周期。模塊化現成系統既能在短期內提供現代化技術，又可在以后作為功能擴展與技術引進的基礎。在商業航天及運載型號測發控產品研制中采用商業貨架產品，如普通車用繼電器和民用元器件等，商業貨架產品替代定制軍品可有效控制產品研制成本及周期。國外在商業貨架產品進軍軍品研制領域比我們要早，西方國家率先提出采用民用產品、服務以及技術作為其防務采辦系統運行的政策，產品研制過程中優先考慮從民用產品領域獲得國內外技術、系統以及設備。隨著商業貨架產品迅猛發展，產品性能更加穩定可靠，商業貨架產品進軍商業航天及運載型號測控領域成為必然趨勢［8］。

2.1 選用商業貨架產品

貨架產品具有通用性強、成熟度高、質量穩定、產能滿足需求、市場需求強等特點［9］。根據研究總結國外的研究成果，商業航天及運載型號測控領域選用商業貨架產品應遵循性能原則、經濟性原則、環境適應性原則、可靠性原則、維修保障原則［8］。選用商業貨架產品的前提條件是滿足性能原則和經濟性原則。商業貨架產品需滿足商業航天及運載型號測控產品技術指標及接口要求等。在壽命周期費用上采用商業貨架產品必須是合算的。對于產品使用的特殊環境要求商業貨架產品必須能正常可靠工作，同時必須與現有的維修保障體系相協調，滿足快速診斷、更換和持續保障需求。

我們經過大量實踐驗證，證明商業貨架元器件可以選擇額定值大于軍品元器件額定值數倍的產品來提高元器件可靠性，比如軍品繼電器觸點額定負載28V50A，可選擇商業貨架繼電器觸點額定負載28V100A，通過增大觸點額定功率提高可靠性，元器件可靠性提高的同時成本仍得到了較好的控制。定制功能板卡研制周期和成本相對較高，在投產數量較少的情況下推薦選擇常用的成熟貨架產品，采用貨架板卡具有裝備研制進度快、研制費用低、技術成熟、批量大、兼容性好等優勢。

地面測發控產品主要功能之一是實現對箭直流供電，體制內研制的直流電源為了提高產品可靠性，元器件選用級別多為國軍標級，電源面板上實體按鈕、燈、表頭較多，軟件功能比較簡單、體積較大。隨著商業貨架電源技術更加成熟，功能更加豐富，采用商業貨架電源結合熱備冗余的設計方案可解決現有運載地面直流電源設備體積較大，成本較高、研制周期長問題。供配電設備選擇的HY-PM 40-63直流電源輸出電壓DC 0～40V 可調，輸出最大電流63A，各項指標均優于任務書要求，電源同時具有遠端補償、過壓、過流等保護機制。商業直流電源可通過主副機熱備冗余設計提高可靠性，電源接收上位機軟件UDP控制指令時，可通過上位機軟件單條指令發送接收允許重復發送來提高電源通訊可靠性。

2.2 國產化產品替代

文獻［10］介紹了電子元器件國產化替代的現實意義，指出目前元器件替代存在的主要問題。文獻［11-12］列舉了目前軍用電子元器件國產化替代應用暴露出的問題，對問題進行思考分析，提出了相應的措施和對策。隨著國內電子元器件研制單位的技術攻關和國家的大力支持，國產電子元器件性能水平取得了較快發展，部分國產電子元器件的性能已接近或達到了國際先進水平［13］。

由于運載火箭測控設備需要完成開關量控制、邏輯控制、通信、信號采集等復雜功能，設計時大多采用PLC 模塊或者PXI功能板卡實現上述功能。

PLC作為一類成熟可靠的工業級產品，且具有易上手、開發周期短等優勢，因此PLC 在運載火箭測控設備中起到了不可替代的作用。長期以來，我國運載火箭測控設備PLC的采購，從20世紀的日系（三菱、歐姆龍），到21世紀初的歐系（西門子、施耐德），都逃不開進口產品的影子。從2020年開始，測發控系統開始進入統型設計的時代，在多個新運載火箭型號測發控系統的設計中，PLC 仍然繼承了傳統運載火箭測發控系統中產品型號的選型。2022年，新研某型號運載火箭動力測發控系統的配套提上了日程，自2020年新冠疫情不斷惡化，在全球范圍內掀起了一場愈演愈烈的芯片大短缺 “戰爭”。由于芯片產品研發難度高、周期長，投入成本高，因此芯片的價格不斷上漲，間接地影響了國際PLC市場，一套模塊的價格從十幾萬，漲到幾十萬，一些特殊的型號甚至漲價10幾倍。截止目前，國際PLC市場的價格漲幅趨勢只增不減。西門子PLC 大幅提價、甚至對華禁售的消息傳來，極大的影響了運載火箭測控設備的開發成本。當進口電子元器件遭遇停產斷檔、禁運等情況，而武器裝備又急需使用時，國產化替代顯得尤為重要和緊迫，國產化替代驗證成為保證武器裝備質量與可靠性的重要一環［14-15］。

為打破PLC設備進口壁壘，經多方比較并經過嚴格的實驗驗證，將新研某型號運載火箭動力測發控系統中的西門子PLC替換為浙江中控自研的國產PLC可解決進口元器件成本高昂、技術封鎖等問題。為驗證國產PLC 性能，針對PLC的工作模塊以及冗余機制開展實驗。

4～20mA 模擬量采集模塊采集電流值接近滿量程過程中，采集數據與電流表內數據偏差逐步增大，最大偏差0.1mA，此偏差不影響在動力測發控系統中的使用，模塊進行矯正動作后，則沒有隨著電流值增大后的偏差。因此考慮此偏差可能由使用的儀表帶來，不影響動力測發控系統中的使用。電壓采集偏差小于±0.001V，晶體管輸出模塊反應時間穩定，DI到DO 響應時間為15ms左右，即使加上繼電器響應時間3～5ms之間，整體反應時間可控制在20ms以內。同時，使用晶體管輸出模塊雖可解決輸出通道時延問題，在組態軟件中將引起時延要求較高的輸入通道，如觸發連接器脫落動作的點火、起飛等信號硬件接線中設計到同一個模塊當中，并在組態軟件中將該模塊硬件變量設置為變化更新，并將連接器脫落指令相關語句在事件任務中執行，則有較好的聯鎖響應時間表現。

浙江中控國產PLC G5Pro控制系統支持CPU 機架冗余、電源冗余、網絡冗余、通訊模塊冗余、IO 模塊冗余。適用于大規模的應用場景，具備全面的冗余措施、快速的冗余切換時間、完善的診斷機制，極大地提高了系統的冗余容錯能力，保證系統整體的可靠性。在冗余機制驗證方面，借用浙江中控PLC G5Pro系列模塊進行冗余系統搭建，搭建冗余系統如圖7所示，采用雙環網架構，對運載火箭測控設備常用的CPU 冗余、輸出模塊冗余以及模擬量輸入模塊冗余進行了驗證。

圖7 國產化PLC環網冗余系統示意圖

圖8 文獻［19］和文獻［20］冗余設計方案

類似圖7冗余系統中，在遠程I／O 從站上使用輸出模塊，模擬網線斷開等故障，均可正常輸出。輸出模塊輸出通道沒有因為冗余系統中單點故障導致輸出中斷。對單個CPU 模塊進行斷電等操作也未影響模塊正常輸入輸出功能。

后又在從站中配置模擬量輸入模塊，并驗證模擬量輸入模塊的相鄰冗余模式，即從站中相鄰位置上使用同樣規格兩塊模擬量輸入模塊。通過浙江中控成品線纜連接到同一塊端子板上。當有4～20mA 電流流過時，兩個模塊中有一個輸入模塊為主用模式，當拔掉該模塊上線纜模擬輸入故障時，則備用模塊正常接入工作，反應切換時間在5ms之內。該功能在動力測發控系統內推薦使用，解決了之前測發控系統對電流采樣采用西門子模塊測試時的單點環節。相較于西門子PLC，浙江中控國產PLC 除了CPU、DI、DO、電源模塊以及通信模塊具備冗余功能以外，AI模塊新增了冗余功能。如果其中一個AI模塊失效，備份AI模塊接入采集工作，提高了模擬量采集的可靠性。

實驗結果證明國產PLC 在性能、可靠性指標上不低于同價位日、歐進口PLC，部分技術指標甚至優于進口產品。秉承“大膽論證，謹慎驗證”的原則，我們將國產PLC 首次應用于新研運載火箭測發控系統的自檢設備（等效器），并在2022年順利完成Y1首飛，最終取得圓滿成功。為國產PLC后續在型號對箭測試產品中的全面應用打下堅實基礎。

在成本方面，以動力測發控系統某設備為例，所選用的PLC模塊較少，經核算該設備的主要模塊分別選用西門子PLC 和浙江中控國產PLC，選用西門子PLC 的成本為212 704元，而選用浙江中控PLC的成本為146 000元，成本降低了66 704元，較前一代測控設備成本降低了31.4%。

PLC國產化的替代，是我所運載火箭測控設備走出進口產品“包圍圈”的重要一步。在此次運載火箭測控設備PLC國產化替代探索的過程中，一方面，在滿足性能與可靠性的前提下顯著地降低了設備采購成本，同時也大幅縮減了設備訂購周期；另一方面，打破了西方國家對我國航天領域在技術層面的 “卡脖子”的現狀，實現掌握技術自主的目標。最終形成了經濟成本控制、時間成本降低、可靠性提高和基本功能保障 “四贏”的良好局面，為運載火箭測控設備和我所其他領域產品的國產化替代起到了良好的示范作用。

2.3 合理冗余設計

在工業過程控制領域，對主控制模塊和重要的輸入輸出模塊進行冗余設計，一般配置為控制器冗余、總線冗余、通信冗余，可以降低故障風險，提高系統的可靠性和穩定性［16-18］。常用冗余設計是采用一個以上CPU、冗余IO 模塊進行控制。文獻［19］介紹了一種采用小型PLC 實現冗余配置的方案，2臺完全相同的小型PLC 控制器通過信號檢測裝置來判斷PLC控制器功能是否正常，發出主從切換信號，實現熱備冗余。文獻［20］設計了一種動態可配置的冗余I／O 模塊系統，包括控制器、I／O 底座、I／O 模塊和通信總線，I／O 模塊會周期性上送主備I／O 模塊標志，使控制器能實時監視I／O 模塊狀態，并在I／O 模塊出現雙主時提供解決方案，使I／O 模塊重新決策進入正常運行方式。文獻［21］基于可靠性基礎理論分析了單系統、2單元并聯冗余系統、3取2表決冗余及2乘2取2冗余PLC系統的可靠性、平均故障時間和可用性。

某型號測發控系統關鍵設備如發控設備、動力測控設備、配氣臺測控設備均采用西門子S7冗余PLC系統，其中S7冗余CPU 模塊為西門子去年推出的冗余系統專用CPU模塊，冗余PLC主站按照 “熱備用”模式中的活動狀態冗余性原理來運行。對于一些重要發控指令，配置3個I／O從站對應通道同時輸出，接通三選二繼電器或直接對箭上進行狀態控制，一般控制指令采用雙冗余控制方案，對于所有反饋的開關量通道均采用雙冗余通道配置。在該種配置方法下，當任意一個I／O 從站模塊發生故障時，其他兩個模塊正常輸出，都可以保證系統指令執行的安全可靠。系統如圖9所示。

圖9 系統框圖

目前大部分PLC廠家只在大型PLC系統中推出冗余型PLC，而在小型PLC系統中沒有推出冗余型PLC，且大型的冗余型PLC系統價格昂貴，CPU 熱備冗余或者多從站輸出冗余大大提高了設備成本。為降低研制成本，地面測控設備可適當縮減冗余設計。通過以往大量的工程測試經驗表明，CPU 在實際使用中出現故障的概率極低，在項目成本有限及設備性能要求不高的情況下可以不考慮CPU 的冗余設計，I／O 從站也可以從多個從站改為單個從站，對于一些重要的控制指令采用雙冗余設計。為保證冗余控制可靠性，雙冗余通路設置在從站不同的模塊，這樣可避免單個I／O 模塊故障時雙冗余控制通路同時失效。

某商業航天運載火箭地面發控PLC 設備用于實現火箭的控制指令上傳、狀態采集、配電、發動機點火、緊急斷電等功能，使用的模塊包括CPU 模塊、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量采集模塊等。

發控PLC設備控制系統采用單CPU、單從站模式，對于箭上重要指令輸出通過從站中3個不同模塊（三選二冗余）或者2個不同模塊（雙冗余）控制輸出，防止出現單路失效導致的指令誤發或指令漏發模式，其原理如圖10所示。

圖10 三選二控制指令輸出

為進一步提高產品通用性，地面發控PLC 設備在原來基礎上進行了設計改進，將所有PLC 模塊單獨設計成一臺可多型號通用的設備，將內部預留的IO 模塊輸出全部引出至輸出接口實現最大化設計，同時后續還可以通過增加模塊實現更多對箭信號的控制與采集，極大提高了測控設備的通用性，從而實現低成本設計。該控制系統已經過藍箭朱雀運載火箭系統集成綜合試驗考核和首飛驗證，系統運行可靠，未出現質量問題，得到用戶的充分認可。

3 結束語

本文提出了運載火箭測控設備小型化低成本設計思路。地面測控設備可通過選擇高集成化、多通道、相對體積小的功能板卡或元器件，合理排布器件，最大化利用機箱內部空間，采用虛擬表頭、指示燈、按鈕豐富軟件功能和顯示界面，提高軟件自動化程度達到測控設備小型化設計。商業貨架產品通過降額設計、國產化產品替代、合理冗余設計能達到低成本效益的同時不影響其可靠性。