新型彈箭載配電器的研制?

丁棟威，林山

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.四川理工學(xué)院計算機學(xué)院，四川自貢643000）

新型彈箭載配電器的研制?

丁棟威1，??，林山2

（1.中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036；2.四川理工學(xué)院計算機學(xué)院，四川自貢643000）

針對彈箭載外測安全系統(tǒng)中地面供配電模式存在系統(tǒng)構(gòu)建繁雜、電纜網(wǎng)龐大、維護以及故障排查難度大等缺點，在分析比較傳統(tǒng)地面供配電和彈載供配電方案的基礎(chǔ)上，提出了一種將地面配電系統(tǒng)平移到彈上，即研發(fā)一種新型彈箭載配電器的解決方案。由于利用了工業(yè)總線和磁保持繼電器技術(shù)，系統(tǒng)試驗結(jié)果表明，新型彈載配電器完全滿足彈箭載外測安全系統(tǒng)測試要求。

外測安全分系統(tǒng)；彈箭載配電器；工業(yè)總線；電磁繼電器

1 引言

外測安全分系統(tǒng)（簡稱外安系統(tǒng)）是彈（含運載火箭）重要的組成系統(tǒng)之一，其與地面測控站協(xié)同工作，完成對飛行中的火箭實時軌道測量［1］以及安全控制功能。外安系統(tǒng)由彈箭載終端和地面測發(fā)控系統(tǒng)組成。配電器為外安系統(tǒng)測發(fā)控分系統(tǒng)的核心組成部件，在整個系統(tǒng)測試和任務(wù)發(fā)射過程中都發(fā)揮著重要的作用。

目前，外安系統(tǒng)測發(fā)控分系統(tǒng)主要采用地面配電插箱配合彈上控制器的方式實現(xiàn)系統(tǒng)以及各個單機的配電控制，其主要的配電控制邏輯由地面設(shè)備完成。此方案的缺點在于地面測試插箱與彈體之間的連接視頻電纜復(fù)雜，且各種供電電纜和控制信號混雜一起，不便于系統(tǒng)鋪設(shè)和故障的迅速定位及排除。

為了簡化外安系統(tǒng)測發(fā)控系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)測試流程，本文提出將地面測發(fā)控插箱設(shè)備等平移至彈上的方案。通過成熟的嵌入式系統(tǒng)解決方案，實現(xiàn)了彈箭載配電器設(shè)計，滿足外安系統(tǒng)的各項測試要求。本文結(jié)合以往設(shè)計方法進行比較，提出新的設(shè)計思路，為后續(xù)各項型號任務(wù)的系統(tǒng)構(gòu)建以及測試方法優(yōu)化提供了參考。

2 兩種系統(tǒng)的比較

2.1地面配電方案

地面測發(fā)控系統(tǒng)的基本任務(wù)是接收并執(zhí)行指揮系統(tǒng)下達的指令，對位于發(fā)射架上的導(dǎo)彈、地面供配電設(shè)備、測試設(shè)備進行相應(yīng)的控制，完成箭彈的性能測試和發(fā)射控制［2］。各個型號任務(wù)在測發(fā)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上大同小異，基本采用的是前后端設(shè)計的方案［2］。系統(tǒng)后主要為控制端，完成包含測試流程裝訂、控制指令合成以及信息流匯總等功能。前端包含各種執(zhí)行操作結(jié)構(gòu)，例如配電插箱、數(shù)據(jù)監(jiān)測設(shè)備以及相應(yīng)的應(yīng)急操作模塊。前段與后端控制信號等低頻鏈路之間采用以太網(wǎng)或者其他工業(yè)總線等進行連接，可以方便地實現(xiàn)前后端之間可靠性的點對點連接，高頻鏈路方案不在本文討論中。常用的測發(fā)控系統(tǒng)中供配電原理框圖見圖1。

圖1 測發(fā)控系統(tǒng)供配電原理框圖Fig.1 Block diagram of power switch in the range center

供電通路主要完成向箭載各種外測終端以及其他設(shè)備提供工作電源。配電控制主要包括完成模擬零時、轉(zhuǎn)電池供電以及其他相關(guān)操作。應(yīng)急控制是為了防止在測試流程中出現(xiàn)故障，可以通過按鈕等人工操作進行應(yīng)急的地面供電、轉(zhuǎn)電以及應(yīng)急關(guān)機的操作。在圖1中，配電器為地面測發(fā)控系統(tǒng)的重要組成部分，可以看出，地面系統(tǒng)與彈上的接口關(guān)系繁雜，還有一些接口沒有在圖中反映出來。地面供電方案主要存在以下缺陷：一是設(shè)備復(fù)雜，建設(shè)投入大，運輸及維護困難；二是電纜網(wǎng)龐大，影響供電質(zhì)量和參數(shù)監(jiān)測精度，故障自檢難度較大；三是操作流程繁瑣，測試自動化程度低。

2.2 彈載供電解決方案

采用新型彈箭載配電器的設(shè)計方法可以彌補上述地面測發(fā)控系統(tǒng)的不足。將地面配電插箱、轉(zhuǎn)接插箱等平移至彈上，彈箭載配電器與客戶端計算機之間亦采用成熟的工業(yè)總線進行連接，可以簡化電纜網(wǎng)，方便地實現(xiàn)各項系統(tǒng)測試要求，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 彈箭載配電器解決方案Fig.2 New solution to onboard power switch

從圖2可以看出，地面系統(tǒng)與彈上的接口由先前的包括單機通電通路、控制通路以及各個檢測通路在內(nèi)的近百根低頻電纜變成了一條總線電纜和電源電纜。在實現(xiàn)各項測試要求的同時，簡化了測試電纜網(wǎng)的結(jié)構(gòu)。利用彈箭載配電器進行測發(fā)控系統(tǒng)組網(wǎng)有以下優(yōu)點：

（1）能夠簡化測試電纜網(wǎng)，利用工業(yè)總線電纜代替低頻測試網(wǎng)絡(luò)，簡化了測試網(wǎng)絡(luò)，提高了測試可靠性；

（2）利用彈箭載配電器實現(xiàn)彈上單機的信息收集，通過總線下傳，簡化了地面測試系統(tǒng)；

（3）設(shè)計轉(zhuǎn)電池供電后電流采集方案，即在轉(zhuǎn)彈上電池供電后，可以對單機的電流信息進行實時監(jiān)測；

（4）實現(xiàn)地面電源供電到電池供電的“無縫”銜接。

3 彈箭載配電器創(chuàng)新點

3.1 提供測試可靠性

現(xiàn)階段，外安系統(tǒng)測發(fā)控系統(tǒng)電纜網(wǎng)一般采用點對點方式進行信號傳輸，這種系統(tǒng)構(gòu)建模式必然使用數(shù)量巨大的連接器。大量連接器的使用對系統(tǒng)測試的可靠性帶來很多隱患，在靶場測試中，連接器松動、管腳氧化、接觸不良的情況屢見不鮮，而且此類故障不易排查，在靶場試驗階段會對發(fā)射進度以及系統(tǒng)排故造成很大影響。采用總線技術(shù)構(gòu)建彈箭測發(fā)控系統(tǒng)可以減少有線連接，改善測試環(huán)境。

3.2 簡化地面測發(fā)控網(wǎng)絡(luò)

我國運載火箭以及導(dǎo)彈測試分為技術(shù)廠區(qū)測試和發(fā)射陣地測試。箭彈的相關(guān)測試工作在技術(shù)廠區(qū)完成后，轉(zhuǎn)移至發(fā)射陣地后還要進行既定的測試操作。為了測試狀態(tài)的穩(wěn)定，避免重復(fù)鋪設(shè)帶來的人為差錯，地面設(shè)備在技術(shù)廠區(qū)和發(fā)射陣地都會重復(fù)配備，包括地面配電器以及測試電纜網(wǎng)等都是必備的。繁多的地面設(shè)備會降低整個測發(fā)控系統(tǒng)的測試可靠性。采用彈箭載配電器的解決方案，可以最大限度地簡化箭彈地面測發(fā)控網(wǎng)絡(luò)。

3.3 消除電纜損耗帶來的誤差

在傳統(tǒng)測發(fā)控系統(tǒng)中，地面電纜網(wǎng)給系統(tǒng)單機的供電以及遙測信號的檢測帶來很大的不便，主要問題體現(xiàn)在以下兩個方面：

（1）電纜長度增加了電源信號在長距離傳輸中的損耗，使得彈上設(shè)備的工作電源不足；

（2）地面設(shè)備各自接地點不一樣，造成系統(tǒng)中不能保障接地點的相同電勢，地電勢差造成了系統(tǒng)測試誤差。

采用新型彈箭載配電器的方案，將配電終端平移至彈體，可以方便地將地面電源放置在最靠近彈體的位置，大大減少了供電電纜的架設(shè)，使得彈上各個單機的工作電源得以最大限度的保持。

新型彈箭載配電器與地面客戶端計算機之間采用RS422總線串行數(shù)據(jù)通信接口［5］。RS422采用平衡的差分數(shù)據(jù)傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸，具有抗干擾能力強、通信速率高、通信距離遠、可以與多臺從機通信的特點，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達10 Mb／s。待監(jiān)測的各項參數(shù)直接通過新型配電器內(nèi)部的嵌入式系統(tǒng)進行采集，然后經(jīng)過總線將參數(shù)組幀下傳，可以避免監(jiān)測電纜的損耗，達到彈箭載設(shè)備參數(shù)的實時無差監(jiān)測。

3.4 繼電器初始態(tài)實現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電

由于電池能量有限，在系統(tǒng)檢查和測試階段不便于長期使用彈上電池對設(shè)備進行供電，因此就需要利用地面測試電源對彈上設(shè)備進行供電，測試完畢，確保無誤后實行轉(zhuǎn)電池供電的操作［3］。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)電操作采用繼電器的自保持電路進行設(shè)計，詳見圖3。

圖3 自保持轉(zhuǎn)電池供電方案Fig.3 Traditional self-hold alternating plan

采用自保持電路進行轉(zhuǎn)電池供電的操作，在實際操作過程有個時間空隙，即在地面電源斷開電池電源還沒有供給的時候，會出現(xiàn)一個電源供給的真空期。這個空隙的時間間隔為數(shù)百微秒，給其他彈箭載單機帶來許多不利的影響，尤其是對電磁環(huán)境十分敏感的外測單機，諸如脈沖體制應(yīng)答機和雙頻體制應(yīng)答機等，嚴重時會導(dǎo)致單機故障，這種情況應(yīng)該盡量避免。

新型彈箭載配電器在實現(xiàn)地面配電插箱各項功能的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)電池供電方案進行了改進。利用繼電器的初始狀態(tài)進行可靠轉(zhuǎn)電，是本文在設(shè)計轉(zhuǎn)電時考慮的重點。

磁保持繼電器實現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電原理框圖如圖4所示。

圖4 磁保持繼電器轉(zhuǎn)電池供電原理框圖Fig.4 Principle diagram of magnetic latching relay

磁保持繼電器主要工作原理為，從X線圈處輸入一個28 V的激勵信號繼電器即吸合，然后通過內(nèi)部永久磁鋼的作用進行自保持，即使輸入激勵消失，繼電器仍然處于穩(wěn)定的保持吸合狀態(tài)。通過繼電器Y線圈端口輸入激勵信號可以實現(xiàn)觸點狀態(tài)改變。磁保持繼電器的輸出自保設(shè)計可以方便地完成統(tǒng)一飛行器電池供電和關(guān)機指令的設(shè)計，在確保轉(zhuǎn)電成功之前，地面電源與彈上電池同時向彈箭載各個單機進行供電，轉(zhuǎn)電成功后，關(guān)閉地面電源，實現(xiàn)“無縫”轉(zhuǎn)電池供電操作。

3.5 斷地供后完成單機電流監(jiān)測

在外安系統(tǒng)地面測發(fā)控網(wǎng)絡(luò)中，單機的電流是非常重要的指標。在轉(zhuǎn)電后，單機的電流在外安系統(tǒng)中是不可監(jiān)測的，只有通過遙測等系統(tǒng)的監(jiān)測手段來實時觀察。在新型彈箭載配電器的設(shè)計中，充分考慮到這種局限，通過設(shè)計電流監(jiān)測電路，不僅可以完成電流的實時監(jiān)測，還可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電后（脫落插頭脫落前）外安系統(tǒng)中各個單機電流的實時監(jiān)測。

電流檢測常用的方案主要有兩種，一種為利用霍爾電流傳感器進行測量，一種是串聯(lián)采樣電阻的方案。由于霍爾電流傳感器容易受應(yīng)用環(huán)境的影響［3］，基于電壓范圍大和采樣精度較高的要求，本文選擇了第二種方案進行設(shè)計。本設(shè)計中電流檢測芯片選用Maxim公司的MAX4080。MAX4080是一款高性能的集成電流檢測芯片，其檢測精度可達滿量程的±0.1%。其工作原理為：待測電流I經(jīng)過采樣電阻后產(chǎn)生檢測壓降，經(jīng)過芯片內(nèi)部的電流鏡、比例放大器處理后，送到遙測系統(tǒng)進行下發(fā)監(jiān)測。由于MAX4080自身不需要獨立的工作電源，因此在實現(xiàn)轉(zhuǎn)電池供電、地面工作電源斷開的前提下，仍可實現(xiàn)通路電流檢測。感應(yīng)電阻選用德國軍品級高精度電阻SMT-R010-1.0。電阻工作電流可以達到25 A，功率達3 W，滿足功能設(shè)計要求。

4 試驗驗證

新型彈箭載配電器在完成設(shè)計和生產(chǎn)后需要完成單元測試和系統(tǒng)聯(lián)試。單元測試是利用專門研制的測試設(shè)備對配電器進行功能指標全面測試。在單元測試階段完成了環(huán)境應(yīng)力篩選試驗、溫度試驗、鑒定試驗、電磁兼容試驗以及可靠性增長試驗。在各個試驗階段，新型彈箭載配電器均工作正常，各項指標穩(wěn)定。系統(tǒng)測試是指配電器接入到某測量系統(tǒng)中，參與完成系統(tǒng)綜合實驗和匹配試驗等系統(tǒng)試驗。新型彈箭載配電器按照實際任務(wù)測試流程完成了既定的各項測試操作和相關(guān)參數(shù)監(jiān)測。目前，新型彈箭載配電器已經(jīng)完成初樣產(chǎn)品研制交付和轉(zhuǎn)階段工作，產(chǎn)品工作正常，滿足系統(tǒng)測量任務(wù)要求。

5 結(jié)束語

本文采用工業(yè)總線技術(shù)，利用成熟的數(shù)字化解決方案實現(xiàn)的新型彈箭載配電器，在滿足外安系統(tǒng)各項測試工作的同時，可簡化現(xiàn)今測試系統(tǒng)，優(yōu)化測試流程，實現(xiàn)可靠的繼電器初始狀態(tài)轉(zhuǎn)電以及全過程電流檢測。單元測試以及系統(tǒng)試驗驗證了新型彈箭載配電器設(shè)計的有效性。新型彈箭載配電器的設(shè)計為航天發(fā)射提供了新的測發(fā)控思路。后續(xù)工作中針對測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率、組網(wǎng)等要求，應(yīng)對總線類型以及彈載控制器的一體化設(shè)計開展進一步工作。

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DING Dong-wei was born in Linfen，Shanxi Province，in 1984.He received the M.S.degree from Southwest Jiaotong University in 2008.He is now an engineer.He is engaged in R＆D of onboard unit and ground test equipment for TT＆C system.

Email：153736969＠qq.com

林山（1964—），男，四川人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為信息安全與智能計算信息處理。

LIN Shan was born in Sichuan Province，in 1964.He received the M.S.degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2008.He is now an associate professor.His research concerns information safety and intelligent computing information processing.

Development of a Novel Onboard Power Switch

DING Dong-wei1，LIN Shan2
（1.Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China；2.Department of Comuputer，Sichuan University of Science and Engineering，Zigong 643000，China）

To overcome the disadvantages of complicated structure，large scale of cables and difficulties in maintenance，a new solution to onboard power switch is presented based on analysis and comparison of current ground power distribution systems.System tests show that the power switch can meet requirement of the outer trajectory measurement subsystem by industrial bus technology and magnetic latching relay technology.

outer trajectory measurement subsystem；onboard power switch；industrial bus technology；magnetic latching relay

date：2013－01－04；Revised date：2013－04－28

??通訊作者：153736969＠qq.comCorresponding author：153736969＠qq.com

TN86；TJ768.3

A

1001－893X（2013）07－0957－04

丁棟威（1984—），男，山西臨汾人，2008年于西南交通大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要從事航天外測彈箭載設(shè)備以及地面測試設(shè)備研發(fā)工作；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.026

2013－01－04；

2013－04－28