漆光平 孫 鵬 李光杰

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

基于橋接模式的雙網(wǎng)絡(luò)重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)冗余技術(shù)

漆光平 孫 鵬 李光杰

北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100854

根據(jù)重復(fù)使用運(yùn)載器因面臨惡劣電磁環(huán)境而對(duì)控制系統(tǒng)提出的可重用、高可靠性要求，提出了一種基于橋接控制器的四余度1773A光纖總線雙網(wǎng)絡(luò)冗余控制系統(tǒng)方案。該方案在實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)處理、緩解信息擁塞、電磁兼容性等方面具有較好的優(yōu)勢(shì)，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了集控制、傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)、故障診斷與容錯(cuò)處理于一體的功能。通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)、綜合控制器、伺服機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部組件及系統(tǒng)級(jí)總線進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

重復(fù)使用運(yùn)載器;控制系統(tǒng);冗余技術(shù);1773A總線;網(wǎng)絡(luò)

可重復(fù)使用的概念由馮·布勞恩和錢(qián)學(xué)森于20世紀(jì)中期提出?？芍貜?fù)使用運(yùn)載器(Reusable Launch Vehicle，RLV)是指可重復(fù)使用、能夠快速穿越大氣層、自由往返于地球表面與太空之間的多用途飛行器。它既可以快速、便利地向空間運(yùn)送有效載荷，也可以較長(zhǎng)時(shí)間在軌停留和機(jī)動(dòng)飛行，在完成任務(wù)后，又可安全、準(zhǔn)確地降落在地面，是航空、航天技術(shù)高度結(jié)合的產(chǎn)物［1］?？芍貜?fù)使用運(yùn)載器(RLV)通過(guò)提高運(yùn)載器本身的可靠性，采用多次重復(fù)使用，費(fèi)用均攤的原則，大大降低發(fā)射費(fèi)用［2］。

從上世紀(jì)50年代至今，可重復(fù)使用運(yùn)載器經(jīng)過(guò)六十多年的技術(shù)探索和發(fā)展，取得了不少顯著的研究成果［1-3］。美國(guó)在可重復(fù)使用運(yùn)載器研究領(lǐng)域一直處于世界前列，代表著世界發(fā)展的最高水平。從上個(gè)世紀(jì)60年代開(kāi)始，美國(guó)先后開(kāi)展了航天飛機(jī)、X-34，X-37，X-43A 等十余項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，其中，只有航天飛機(jī)投入了實(shí)際使用。1981年哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)首飛成功標(biāo)志著天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了部分可重復(fù)使用。2010年4月以來(lái)，美國(guó)軌道試驗(yàn)飛行器X-37B先后進(jìn)行了2次成功飛行試驗(yàn)，極大地轟動(dòng)了國(guó)際航空航天界。X-37B由空軍快速能力辦公室負(fù)責(zé)研制，由運(yùn)載火箭發(fā)射入軌，執(zhí)行在軌任務(wù)后可按需自主返回，水平降落在跑道上。X-37B可以在軌道停留270d，可自動(dòng)離軌，再入大氣層后以自動(dòng)駕駛模式返回地球，將為美國(guó)提供一種可重復(fù)使用的空間機(jī)動(dòng)飛行器。

此外，俄羅斯能源火箭航天公司正在研發(fā)“快船號(hào)”新一代可重復(fù)使用載人航天飛行器，也倍受關(guān)注。歐洲、日本、印度等國(guó)家和地區(qū)也紛紛提出了可重復(fù)使用運(yùn)載器的計(jì)劃和方案。

總的看來(lái)，當(dāng)前世界各國(guó)的航天器基本上都是由一次性使用的運(yùn)載火箭或航天飛機(jī)來(lái)發(fā)射，其發(fā)射費(fèi)用過(guò)高，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，安全性也有待提高［4］。與運(yùn)載火箭等一次性運(yùn)載器相比，可重復(fù)使用運(yùn)載器可再入大氣層、降落在指定地點(diǎn)，進(jìn)行簡(jiǎn)單維修或更換少量部件后又可再次執(zhí)行飛行任務(wù)，其成本相對(duì)較低。新一代可重復(fù)使用運(yùn)載器在成本、發(fā)射周期、智能自主性、重用性、安全性和可靠性方面均具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

由此可見(jiàn)，運(yùn)載器的重復(fù)使用是降低航天運(yùn)輸成本和提高運(yùn)載能力的重要措施。隨著美國(guó)X-37B兩次成功試飛，可以預(yù)見(jiàn)，不久的將來(lái)更多的新型重復(fù)使用運(yùn)載器將出現(xiàn)［5］，重復(fù)使用運(yùn)載器將成為航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的重要方向。因此，開(kāi)展可重用、高可靠性控制系統(tǒng)研究對(duì)于重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展具有重要意義。

1 重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)構(gòu)成

重復(fù)使用運(yùn)載器的控制系統(tǒng)主要由導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)、姿控系統(tǒng)、地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)等組成?？刂葡到y(tǒng)的功能是控制運(yùn)載器沿預(yù)定飛行程序角穩(wěn)定飛行，實(shí)施導(dǎo)航和制導(dǎo)控制，將衛(wèi)星等有效載荷按要求的參數(shù)準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，并成功自主返回。在飛行過(guò)程中，按預(yù)定時(shí)間引爆相應(yīng)的火工品，為運(yùn)載器其它系統(tǒng)提供時(shí)間信號(hào)和狀態(tài)控制信號(hào)。

重復(fù)使用運(yùn)載器的控制系統(tǒng)設(shè)備主要包括捷聯(lián)慣性測(cè)量組合、飛行控制計(jì)算機(jī)、配電器、綜合控制器、電源系統(tǒng)以及伺服子系統(tǒng)(包括舵機(jī)控制器及若干舵機(jī))等。

各組成部分的功能如下:

1)飛行控制計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，實(shí)時(shí)進(jìn)行導(dǎo)航信息提取、制導(dǎo)律和姿態(tài)控制律運(yùn)算與指令輸出、時(shí)序控制、總線管理、信號(hào)采集及測(cè)試、任務(wù)規(guī)劃與管理等;

2)慣性測(cè)量組合用于測(cè)量運(yùn)載器的線運(yùn)動(dòng)和角運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提供制導(dǎo)、姿控系統(tǒng)用于解算位置、速度、姿態(tài)角等信息;

3)大視場(chǎng)星敏感器通過(guò)不同區(qū)域多次測(cè)星，利用多星矢量定姿技術(shù)，在線分離星敏感器安裝誤差及姿態(tài)偏差，為慣性導(dǎo)航提供修正;

4)太陽(yáng)/地球敏感器用于在軌飛行時(shí)測(cè)量運(yùn)載器軸線與太陽(yáng)矢量、地球矢量之間的角度，以確定運(yùn)載器在空間的姿態(tài);

5)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)采樣運(yùn)載器不同位置上的壓力傳感器輸出，根據(jù)壓力分布的數(shù)值，推算大氣數(shù)據(jù);

6)雷達(dá)高度表用于測(cè)量相對(duì)地理高度作為輔助導(dǎo)航信息，為著陸階段提供精確的高度信息;

7)儀表或微波著陸系統(tǒng)接收裝置，作為輔助導(dǎo)航設(shè)備，向著陸過(guò)程中的運(yùn)載器提供著陸引導(dǎo)信息，獲取航向道、下滑道和距離等著陸信息;

8)綜合控制器接收飛行控制計(jì)算機(jī)的控制指令，對(duì)RCS噴管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，還可根據(jù)飛行時(shí)序?qū)ο嚓P(guān)火工品進(jìn)行引爆控制，并將相關(guān)狀態(tài)信息至其他分系統(tǒng)(如遙測(cè)等);

9)配電器對(duì)電源系統(tǒng)的供電進(jìn)行合理分配，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)儀器配電、轉(zhuǎn)電、斷電;

10)伺服子系統(tǒng)包括舵機(jī)控制器、舵機(jī)，飛行控制計(jì)算機(jī)輸出控制指令給伺服子系統(tǒng)，舵機(jī)控制器完成相關(guān)伺服小回路的校正網(wǎng)絡(luò)和信號(hào)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)的控制。

2 控制系統(tǒng)冗余技術(shù)

2.1 冗余技術(shù)現(xiàn)狀

冗余技術(shù)的內(nèi)涵就是通過(guò)投入超過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)所需的外加資源，抵消故障產(chǎn)生的后果，達(dá)到提高可靠性的目的［6］。冗余技術(shù)是大幅度提高系統(tǒng)可靠性、安全性的有效手段，可提高系統(tǒng)抑制和校正整體性故障的能力［7］。對(duì)于重要的控制系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，包括工業(yè)領(lǐng)域［8-9］和航空航天領(lǐng)域的控制系統(tǒng)［10］，均大量采用冗余技術(shù)以提高系統(tǒng)的可靠性。例如，美國(guó)大力神II導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)增加冗余備份系統(tǒng)后，其可靠性從0.887提高至0.9995。

冗余按其實(shí)現(xiàn)原理可分為硬件冗余技術(shù)和解析冗余技術(shù)。早期的冗余技術(shù)為硬件冗余技術(shù)，是基于多個(gè)功能相同的硬件并聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。硬件冗余技術(shù)雖然提高了系統(tǒng)的可靠性，但也有增加系統(tǒng)的成本、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增加等不足;較為復(fù)雜的冗余技術(shù)是解析冗余技術(shù)。該技術(shù)通過(guò)利用系統(tǒng)不同部件之間的內(nèi)在聯(lián)系和功能上的冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要增加硬件設(shè)備，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。常用的典型的硬件冗余結(jié)構(gòu)有:串聯(lián)式結(jié)構(gòu)、并聯(lián)式結(jié)構(gòu)、串并或并串式結(jié)構(gòu)、表決式冗余結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)備式結(jié)構(gòu)等。冗余設(shè)計(jì)需要更多的資源，增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，宜在采用其他可靠性設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足可靠性要求時(shí)采用［6］。

對(duì)于可靠性要求高的復(fù)雜控制系統(tǒng)，如航天飛機(jī)、運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈等飛行控制系統(tǒng)，需考慮成本、復(fù)雜程度、工程實(shí)現(xiàn)性的問(wèn)題，通常將上述冗余技術(shù)綜合應(yīng)用，達(dá)到提高系統(tǒng)可靠性的目的。

2.2 冗余的必要性

控制系統(tǒng)作為重復(fù)使用運(yùn)載器的核心系統(tǒng)，直接決定著飛行的成敗。重復(fù)使用運(yùn)載器需多次重復(fù)使用，每次飛行過(guò)程中面臨溫差范圍大、發(fā)射及返航過(guò)載大、空間輻射干擾等惡劣工作環(huán)境，飛行時(shí)間長(zhǎng)，飛行過(guò)程復(fù)雜，控制系統(tǒng)的電子設(shè)備容易受到單粒子效應(yīng)的影響(主要包括:單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子擊穿等)。作為重復(fù)使用運(yùn)載器神經(jīng)中樞的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，在整個(gè)飛行過(guò)程中必須滿(mǎn)足組合體上升飛行、再入返回的要求。尤其是再入返回段，涉及多種工作方式和模式，對(duì)導(dǎo)航、制導(dǎo)和姿態(tài)控制技術(shù)的要求不僅是高精度，而且還要求運(yùn)載器冗余度要高、可靠性要高?？刂葡到y(tǒng)的可靠性是決定重復(fù)使用運(yùn)載器正常飛行和多次重復(fù)使用最為重要的關(guān)鍵因素之一。

控制系統(tǒng)可靠性可從三個(gè)方面采取措施［6］:1)采用高可靠性元器件或部件構(gòu)建控制系統(tǒng)?？煽啃愿叩南到y(tǒng)要求使用高可靠性的元器件，采用降額設(shè)計(jì)，采取隔離或防護(hù)設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性;

2)簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)過(guò)充分考核成熟的設(shè)計(jì)。采用經(jīng)過(guò)充分考核成熟的設(shè)計(jì)，可以降低風(fēng)險(xiǎn)，可靠性得以保證;

3)采用冗余技術(shù)，冗余技術(shù)是提高可靠性設(shè)計(jì)的重要途徑之一。

對(duì)于重復(fù)使用運(yùn)載器飛行控制系統(tǒng)，涉及到十幾種重要部組件，系統(tǒng)的組成復(fù)雜，需完成的自主控制功能多，對(duì)控制系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求。通常情況下，僅通過(guò)提高元器件的可靠性來(lái)保證系統(tǒng)的高可靠性，將給元器件制造帶來(lái)難以克服的困難，代價(jià)高昂。在一定的可靠性水平的元器件基礎(chǔ)上，采用冗余技術(shù)是提高控制系統(tǒng)可靠性，得到高可靠性系統(tǒng)的最有效的設(shè)計(jì)措施。特別是重復(fù)使用運(yùn)載器飛行控制系統(tǒng)，面臨重復(fù)使用的需求，可靠性要求極高，為保證運(yùn)載器的安全性，采用冗余技術(shù)是非常必要的。

2.3 控制系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)總體方案采用冗余技術(shù)設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上保證全系統(tǒng)至少可在一度故障下完成飛行任務(wù)，核心控制單機(jī)及總線至少按三余度設(shè)計(jì)，保證控制系統(tǒng)在多模故障模式下飛行成功。

為具備自主再入返航的能力，重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)的信息量相對(duì)于運(yùn)載火箭而言，已大大增加，飛行時(shí)間也相對(duì)長(zhǎng)，面臨的環(huán)境也相對(duì)復(fù)雜;與戰(zhàn)斗機(jī)控制系統(tǒng)相比，重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)無(wú)視頻信息傳輸，其信息量相對(duì)少，但面臨惡劣的空間電磁環(huán)境，且以自主控制方式為主。綜合考慮到信息量大小及其處理與傳輸要求、可靠性要求、實(shí)時(shí)性要求、系統(tǒng)的復(fù)雜程度等因素，重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)總體架構(gòu)采用基于四余度的1773A總線進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)冗余設(shè)計(jì)，主要包括導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)、姿控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)和時(shí)序控制系統(tǒng)，形成了集控制、傳感、通信、網(wǎng)絡(luò)、故障診斷與容錯(cuò)處理于一體的高度綜合化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，由2個(gè)局域網(wǎng)構(gòu)成，局域網(wǎng)之間通過(guò)橋接計(jì)算機(jī)交換信息，如圖1所示。系統(tǒng)除了采用分系統(tǒng)級(jí)冗余技術(shù)外，對(duì)重要的部組件和電路級(jí)、元器件級(jí)也采用冗余設(shè)計(jì)，以提高系統(tǒng)整體的容錯(cuò)能力和可靠度。

圖1 重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.3.1 總線冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)于長(zhǎng)導(dǎo)線、遠(yuǎn)距離控制，從成本、可靠性和電磁兼容性角度來(lái)看，并行總線已不再適合應(yīng)用，而常采用串行總線，既簡(jiǎn)單又可靠。目前，常用的總線有汽車(chē)電子中常用的 CAN串行總線［11-12］、軍用1553B總線［13-14］、高檔轎車(chē)使用的MOST高速多媒體傳輸總線［15］、1773 光纖總線［16-18］、低速 LIN 串行總線、工業(yè)控制RS232/RS485串行總線和航空ARINC629總線［10］等。隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展以及第四代航空電子系統(tǒng)傳輸視頻信息的應(yīng)用需求，性能更高的SCI總線傳輸速率可達(dá)8～16Gb/s，而FC總線最高傳輸速率可達(dá)到1 ～4Gb/s［19］。

對(duì)于重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)無(wú)視頻信息的傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求高。因此，選用傳輸速率適中的1553B總線或其光纖版1773A總線即可?？紤]到飛行過(guò)程中，面臨空間粒子輻射效應(yīng)、雷擊、運(yùn)載器內(nèi)電子系統(tǒng)間電磁干擾、長(zhǎng)導(dǎo)線效應(yīng)、靜電釋放等影響系統(tǒng)正常運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)因素，如果系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)不夠合理，可能造成系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤、甚至致命性的問(wèn)題，采用屏蔽雙絞線的1553B總線已不能滿(mǎn)足運(yùn)載器在惡劣電磁環(huán)境下高性能和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸要求，而1773A總線傳輸速率可達(dá)20Mb/s，具有重量輕、所占空間小、抗電磁干擾、不產(chǎn)生電磁干擾、電氣隔離性能好、無(wú)長(zhǎng)導(dǎo)線效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，從性能和可靠性方面來(lái)看，重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)采用1773A總線更為合理。

在本系統(tǒng)中采用了2個(gè)四余度1773A總線網(wǎng)絡(luò)，滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)控制、故障判別與處理和地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)對(duì)運(yùn)載器進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試的需求。其中，導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)由于需實(shí)時(shí)地長(zhǎng)期與飛行控制計(jì)算機(jī)傳遞信息，信息量大，而獨(dú)占一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。其余控制系統(tǒng)部分則構(gòu)成另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)用于傳遞控制信號(hào)，完成驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、引爆火工品等控制，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)不能過(guò)重，避免系統(tǒng)對(duì)控制指令響應(yīng)不及時(shí)的情況出現(xiàn)。2個(gè)網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)一個(gè)三余度橋接計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)控制系統(tǒng)的信息傳遞與處理，橋接計(jì)算機(jī)將導(dǎo)航制導(dǎo)信息進(jìn)行解析處理后再傳輸，可大大減小網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量和飛行控制計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的三條總線用于數(shù)據(jù)傳輸，一條總線專(zhuān)用于故障診斷與處理。此種基于橋接模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不存在網(wǎng)絡(luò)傳輸性能的瓶頸問(wèn)題。

三余度橋接計(jì)算機(jī)可采用FPGA可編程控制器實(shí)現(xiàn)，相比通用CPU，DSP控制器而言，具有處理速度快、編程靈活、接口配置按需分配、硬件多線程運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)。

2.3.2 四余度飛行控制計(jì)算機(jī)

由于重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)在飛行過(guò)程中容易受到空間粒子輻射，為滿(mǎn)足控制系統(tǒng)對(duì)飛行控制計(jì)算機(jī)高性能、高可靠的要求，飛行控制計(jì)算機(jī)方案設(shè)計(jì)時(shí)，重點(diǎn)考慮了計(jì)算機(jī)冗余體系架構(gòu)、故障自檢和互檢、多模故障隔離、瞬態(tài)故障恢復(fù)、飛行控制計(jì)算機(jī)降模重構(gòu)等技術(shù)難題。

重復(fù)使用運(yùn)載器的飛行控制計(jì)算機(jī)采用4個(gè)CPU主板的冗余體系架構(gòu)，其中，3個(gè)CPU用于冗余控制，1個(gè)CPU用于故障診斷與處理。每個(gè)控制CPU具有一定的自檢功能，每個(gè)CPU之間相互通信并具備一定的糾檢錯(cuò)功能。在正常情況下，3個(gè)控制CPU通過(guò)2:1同步表決自檢和通信互檢發(fā)現(xiàn)故障或錯(cuò)誤，對(duì)于瞬態(tài)故障，單個(gè)主機(jī)能夠復(fù)位恢復(fù)，對(duì)于永久性故障采用屏蔽法將故障隔離。故障診斷與處理故障CPU用于識(shí)別控制CPU故障，并將故障CPU盡可能地恢復(fù)，以保證飛行控制計(jì)算機(jī)可以恢復(fù)正常工作。當(dāng)發(fā)生多模故障時(shí)，在故障診斷計(jì)算機(jī)的配合下，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從三模到單模的降模重構(gòu)，達(dá)到保證運(yùn)載器在多度故障情況下，仍能安全再入返航。

飛行控制計(jì)算機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，4塊CPU的PCB主板按不同的方向安裝，避免被空間粒子同時(shí)擊穿多個(gè)CPU出現(xiàn)故障。

對(duì)于CPU器件的選用，可選用F-22戰(zhàn)機(jī)使用的Power PC系列處理器，主頻可達(dá)450MHz，處理器內(nèi)部采用雙核結(jié)構(gòu)，在實(shí)時(shí)性、運(yùn)算能力等方面具有獨(dú)特的優(yōu)異性能;若選用國(guó)產(chǎn) CPU，可考慮基于SPARC V8的處理器S698，主頻可達(dá)133MHz，接口豐富。

由于重復(fù)使用運(yùn)載器飛行過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備多，基于非操作系統(tǒng)的飛行軟件不能再勝任硬件管理的繁重工作，應(yīng)采用操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件設(shè)備的集中管理。操作系統(tǒng)可選用VxWorks實(shí)時(shí)、多任務(wù)操作系統(tǒng)，適宜于航空、航天等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性要求較高的高精尖應(yīng)用場(chǎng)合［20］。如果出于安全考慮，則可采用嵌入式Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

2.3.3 綜合控制器

系統(tǒng)配兩臺(tái)綜合控制器。由于綜合控制器輸出的信號(hào)將用于控制運(yùn)載器的伺服機(jī)構(gòu)及火工品等重要作動(dòng)部分，其功能正常與否關(guān)系到飛行任務(wù)的成敗。因此，綜合控制器均采用冗余設(shè)計(jì)。其中對(duì)于火工品綜合控制器II采用元器件級(jí)三取二冗余設(shè)計(jì)，綜合控制器I則采用板級(jí)三冗余設(shè)計(jì)，綜合控制器的輸出全采用雙點(diǎn)雙線設(shè)計(jì)。綜合控制器接收飛行控制計(jì)算機(jī)通過(guò)1773A總線發(fā)出的控制指令，對(duì)RCS噴管進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制。還可通過(guò)1773A總線接收并轉(zhuǎn)發(fā)飛行控制計(jì)算機(jī)指令和相關(guān)狀態(tài)信息至其他分系統(tǒng)。

2.3.4 飛行控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

重復(fù)使用運(yùn)載器的飛行動(dòng)作控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括3個(gè)部分:機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)伺服、RCS電磁閥和氣動(dòng)舵機(jī)。為滿(mǎn)足運(yùn)載器再入返回、重復(fù)使用的需求，必須提高伺服、舵機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性，采用冗余技術(shù)可以較圓滿(mǎn)地解決這一難題。

飛行控制計(jì)算機(jī)在不同的飛行階段通過(guò)1773A總線輸出控制指令給綜合控制器I控制機(jī)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、RCS和氣動(dòng)舵。伺服子系統(tǒng)包括伺服機(jī)構(gòu)4臺(tái)(每個(gè)搖擺發(fā)動(dòng)機(jī)采用2臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)，當(dāng)一臺(tái)伺服機(jī)構(gòu)發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)故障吸收仍能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的搖擺)、舵機(jī)共需16臺(tái)，采用多冗余液壓伺服系統(tǒng)方案。對(duì)于RCS噴管開(kāi)關(guān)式姿態(tài)控制系統(tǒng)，由電動(dòng)閥門(mén)控制，一般不單獨(dú)對(duì)開(kāi)關(guān)電路進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，采用與噴管一起增加數(shù)量形成整體冗余方案［21］。

2.3.5 傳感信息系統(tǒng)

傳感信息系統(tǒng)是導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)和姿控系統(tǒng)必不可少的組成部分，其可靠性和精度將直接關(guān)系到重復(fù)使用運(yùn)載器的入軌精度、返航能否準(zhǔn)確入場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)成功著陸。在不同的飛行段，運(yùn)載器使用的傳感信息不同。傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要依據(jù)導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)以及姿控系統(tǒng)所需的輸入信息。導(dǎo)航與制導(dǎo)信息的冗余通過(guò)衛(wèi)星導(dǎo)航、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、冗余光學(xué)慣組、雷達(dá)高度表及微波著陸裝置在不同的飛行段組合實(shí)現(xiàn);姿控信息則通過(guò)星敏感器、太陽(yáng)地球敏感器、冗余光學(xué)慣組實(shí)現(xiàn)姿控信息獲取的冗余。

其中，慣組采用兩套七表光學(xué)捷聯(lián)慣組冗余、共基準(zhǔn)安裝并行工作，通過(guò)故障吸收進(jìn)行冗余管理，可增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。每一套捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)分別由3個(gè)單自由度的陀螺和4個(gè)單自由度的加速度計(jì)構(gòu)成余度慣性組件。兩套慣組的3個(gè)陀螺分別沿3個(gè)正交軸安裝，構(gòu)成冗余系統(tǒng)。4個(gè)加速度表也以相似方式實(shí)現(xiàn)加速度表的冗余。慣組信息為導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)和姿控系統(tǒng)共用。

雷達(dá)高度表用于測(cè)量相對(duì)地理高度作為輔助導(dǎo)航信息，3臺(tái)高度表互為冗余備份，為著陸階段提供精確的高度信息，通過(guò)總線完成與飛行控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

2.3.6 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)至關(guān)重要，如果出現(xiàn)掉電或供電不足的問(wèn)題，將直接導(dǎo)致飛行的失敗。借鑒當(dāng)前飛機(jī)電氣系統(tǒng)的供電思想，重復(fù)使用運(yùn)載器的電源系統(tǒng)采用了多種電源，以集中分散方式供電，可保證在任何情況下都能保證系統(tǒng)的供電正常，從系統(tǒng)的角度實(shí)現(xiàn)了電源的冗余設(shè)計(jì)。

電源系統(tǒng)通過(guò)冗余配電器進(jìn)行供配電，可根據(jù)飛行階段和飛行任務(wù)的要求，對(duì)控制系統(tǒng)部分單機(jī)進(jìn)行分時(shí)供電和斷電控制，從而降低功耗，提高電池續(xù)航能力。

主電源采用太陽(yáng)電池陣和鋰離子蓄電池組聯(lián)合供電。太陽(yáng)電池陣展開(kāi)之前，主電源中的鋰離子蓄電池供電;在軌運(yùn)行期間，主電源太陽(yáng)電池陣和鋰離子蓄電池聯(lián)合供電，并為鋰離子蓄電池充電;返回段，控制系統(tǒng)由主電源中的鋰離子蓄電池供電;電動(dòng)舵機(jī)功率用電由專(zhuān)用鋅銀蓄電池供電。

2.3.7 地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)

地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)主要考慮了有線測(cè)發(fā)控和無(wú)線測(cè)發(fā)控兩種運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)冗余。尤其是著陸階段，如果運(yùn)載器自主著陸出現(xiàn)故障，則可通過(guò)控制系統(tǒng)的無(wú)線通訊接口從自主控制切換為人工導(dǎo)引著陸模式，保證運(yùn)載器成功返航著陸。地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)由于對(duì)飛行成敗影響不大，因此，其冗余設(shè)計(jì)僅設(shè)計(jì)為雙機(jī)主從熱備份即可。

3 冗余效能分析

采用冗余技術(shù)可較大幅度的提高飛行可靠性。冗余度是冗余與非冗余所用資源的比值，冗余度越高，飛行可靠性提高的幅度就越大，在仍能完成飛行任務(wù)所容許的故障數(shù)就越多，但需要的資源(軟、硬件)代價(jià)也越大。理論上講是冗余度越高可靠性越高，但隨冗余度的增加提高的幅度越來(lái)越小，投入效益比越小。因此，冗余度要適度，不宜過(guò)高。

控制系統(tǒng)冗余可分成分系統(tǒng)、儀器整機(jī)、電路及元器件等不同級(jí)別。在代價(jià)相同或相近的情況下，應(yīng)盡可能地實(shí)現(xiàn)低級(jí)別的冗余設(shè)計(jì)，這樣可獲得更高的可靠性［6］。采用分系統(tǒng)級(jí)并聯(lián)冗余，其可靠度相對(duì)較低，代價(jià)較大，因此，基本不采用如圖2(a)所示的冗余結(jié)構(gòu)。在本方案中，主要采用了電路級(jí)和儀器整機(jī)級(jí)冗余技術(shù)。重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)冗余的方式主要以雙點(diǎn)雙線并聯(lián)、三取二表決及整機(jī)儀器交聯(lián)解析結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)。在相同硬件配置情況下，圖2(b)冗余結(jié)構(gòu)的可靠性高于圖2(a)冗余結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖2 系統(tǒng)級(jí)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)(a)與解析冗余結(jié)構(gòu)(b)

4 結(jié)論

由于重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)內(nèi)部子系統(tǒng)間通信數(shù)據(jù)量較大且控制系統(tǒng)對(duì)可重用、可靠性的要求高，在當(dāng)前先進(jìn)軍用飛機(jī)及運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)的冗余技術(shù)基礎(chǔ)上，提出了一種基于橋接模式的四余度1773A光纖總線雙網(wǎng)絡(luò)冗余控制系統(tǒng)方案。對(duì)控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)、綜合控制器、伺服機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部組件單機(jī)，系統(tǒng)級(jí)總線拓?fù)浼軜?gòu)等解析冗余技術(shù)進(jìn)行了分析，以較為合理的代價(jià)，提高了系統(tǒng)的可靠性，解決了重復(fù)使用運(yùn)載器控制系統(tǒng)可重用問(wèn)題。

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The Redundant Technology Based on Bridge-Control-Double-Networks for Reusable Launch Vehicle Control System

QI Guangping SUN Peng LI Guangjie
Beijing Aerospace Automatic Control Institue，Beijing 100854，China

According to the reusable and reliable requirements for the reusable launch vehicle flying in the wicked electromagnetism condition，a scheme，based on the redundant technology of current plane and launch vehicle，is proposed in this paper．The two local networks are included in the scheme，which can communicate each other by one bridgeCPU．The communication media is four-backup1773Afiber-optic bus，which has many virtues such as excellent ant-jamming，high communication throughput and simple structure．The bridge-connection based on networks enables the control system has the abilities such as control，sense，communication，networks，fault detection and management．Furthermore，the redundant technologies are adopted in the key modules of the control system．The core-computer，colligation controller，servo mechanism and data bus makes up of the control system with adequate fault tolerance．The control system is realized with reasonable cost and high reliability．

Reusable launch vehicle;Control system;Redundant technology;1773Afiber-optic bus;Networks

TP273;TP336

A

1006-3242(2012)02-0089-07

2011-12-21

漆光平(1977-)，男，四川人，博士，工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì);孫 鵬(1979-)，男，哈爾濱人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì);李光杰(1972-)，男，北京人，研究員，主要研究方向?yàn)榭刂葡到y(tǒng)綜合設(shè)計(jì)。