新型弹箭载配电器的研制❋

2013-06-27丁栋威林山

电讯技术 2013年7期

关键词：控系统继电器电缆

丁栋威，林山

（1.中国西南电子技术研究所，成都610036；2.四川理工学院计算机学院，四川自贡643000）

新型弹箭载配电器的研制❋

丁栋威1，❋❋，林山2

（1.中国西南电子技术研究所，成都610036；2.四川理工学院计算机学院，四川自贡643000）

针对弹箭载外测安全系统中地面供配电模式存在系统构建繁杂、电缆网庞大、维护以及故障排查难度大等缺点，在分析比较传统地面供配电和弹载供配电方案的基础上，提出了一种将地面配电系统平移到弹上，即研发一种新型弹箭载配电器的解决方案。由于利用了工业总线和磁保持继电器技术，系统试验结果表明，新型弹载配电器完全满足弹箭载外测安全系统测试要求。

外测安全分系统；弹箭载配电器；工业总线；电磁继电器

1 引言

外测安全分系统（简称外安系统）是弹（含运载火箭）重要的组成系统之一，其与地面测控站协同工作，完成对飞行中的火箭实时轨道测量［1］以及安全控制功能。外安系统由弹箭载终端和地面测发控系统组成。配电器为外安系统测发控分系统的核心组成部件，在整个系统测试和任务发射过程中都发挥着重要的作用。

目前，外安系统测发控分系统主要采用地面配电插箱配合弹上控制器的方式实现系统以及各个单机的配电控制，其主要的配电控制逻辑由地面设备完成。此方案的缺点在于地面测试插箱与弹体之间的连接视频电缆复杂，且各种供电电缆和控制信号混杂一起，不便于系统铺设和故障的迅速定位及排除。

为了简化外安系统测发控系统，优化系统测试流程，本文提出将地面测发控插箱设备等平移至弹上的方案。通过成熟的嵌入式系统解决方案，实现了弹箭载配电器设计，满足外安系统的各项测试要求。本文结合以往设计方法进行比较，提出新的设计思路，为后续各项型号任务的系统构建以及测试方法优化提供了参考。

2 两种系统的比较

2.1地面配电方案

地面测发控系统的基本任务是接收并执行指挥系统下达的指令，对位于发射架上的导弹、地面供配电设备、测试设备进行相应的控制，完成箭弹的性能测试和发射控制［2］。各个型号任务在测发控系统的结构上大同小异，基本采用的是前后端设计的方案［2］。系统后主要为控制端，完成包含测试流程装订、控制指令合成以及信息流汇总等功能。前端包含各种执行操作结构，例如配电插箱、数据监测设备以及相应的应急操作模块。前段与后端控制信号等低频链路之间采用以太网或者其他工业总线等进行连接，可以方便地实现前后端之间可靠性的点对点连接，高频链路方案不在本文讨论中。常用的测发控系统中供配电原理框图见图1。

图1 测发控系统供配电原理框图Fig.1 Block diagram of power switch in the range center

供电通路主要完成向箭载各种外测终端以及其他设备提供工作电源。配电控制主要包括完成模拟零时、转电池供电以及其他相关操作。应急控制是为了防止在测试流程中出现故障，可以通过按钮等人工操作进行应急的地面供电、转电以及应急关机的操作。在图1中，配电器为地面测发控系统的重要组成部分，可以看出，地面系统与弹上的接口关系繁杂，还有一些接口没有在图中反映出来。地面供电方案主要存在以下缺陷：一是设备复杂，建设投入大，运输及维护困难；二是电缆网庞大，影响供电质量和参数监测精度，故障自检难度较大；三是操作流程繁琐，测试自动化程度低。

2.2 弹载供电解决方案

采用新型弹箭载配电器的设计方法可以弥补上述地面测发控系统的不足。将地面配电插箱、转接插箱等平移至弹上，弹箭载配电器与客户端计算机之间亦采用成熟的工业总线进行连接，可以简化电缆网，方便地实现各项系统测试要求，主要结构如图2所示。

图2 弹箭载配电器解决方案Fig.2 New solution to onboard power switch

从图2可以看出，地面系统与弹上的接口由先前的包括单机通电通路、控制通路以及各个检测通路在内的近百根低频电缆变成了一条总线电缆和电源电缆。在实现各项测试要求的同时，简化了测试电缆网的结构。利用弹箭载配电器进行测发控系统组网有以下优点：

（1）能够简化测试电缆网，利用工业总线电缆代替低频测试网络，简化了测试网络，提高了测试可靠性；

（2）利用弹箭载配电器实现弹上单机的信息收集，通过总线下传，简化了地面测试系统；

（3）设计转电池供电后电流采集方案，即在转弹上电池供电后，可以对单机的电流信息进行实时监测；

（4）实现地面电源供电到电池供电的“无缝”衔接。

3 弹箭载配电器创新点

3.1 提供测试可靠性

现阶段，外安系统测发控系统电缆网一般采用点对点方式进行信号传输，这种系统构建模式必然使用数量巨大的连接器。大量连接器的使用对系统测试的可靠性带来很多隐患，在靶场测试中，连接器松动、管脚氧化、接触不良的情况屡见不鲜，而且此类故障不易排查，在靶场试验阶段会对发射进度以及系统排故造成很大影响。采用总线技术构建弹箭测发控系统可以减少有线连接，改善测试环境。

3.2 简化地面测发控网络

我国运载火箭以及导弹测试分为技术厂区测试和发射阵地测试。箭弹的相关测试工作在技术厂区完成后，转移至发射阵地后还要进行既定的测试操作。为了测试状态的稳定，避免重复铺设带来的人为差错，地面设备在技术厂区和发射阵地都会重复配备，包括地面配电器以及测试电缆网等都是必备的。繁多的地面设备会降低整个测发控系统的测试可靠性。采用弹箭载配电器的解决方案，可以最大限度地简化箭弹地面测发控网络。

3.3 消除电缆损耗带来的误差

在传统测发控系统中，地面电缆网给系统单机的供电以及遥测信号的检测带来很大的不便，主要问题体现在以下两个方面：

（1）电缆长度增加了电源信号在长距离传输中的损耗，使得弹上设备的工作电源不足；

（2）地面设备各自接地点不一样，造成系统中不能保障接地点的相同电势，地电势差造成了系统测试误差。

采用新型弹箭载配电器的方案，将配电终端平移至弹体，可以方便地将地面电源放置在最靠近弹体的位置，大大减少了供电电缆的架设，使得弹上各个单机的工作电源得以最大限度的保持。

新型弹箭载配电器与地面客户端计算机之间采用RS422总线串行数据通信接口［5］。RS422采用平衡的差分数据传输方式进行数据传输，具有抗干扰能力强、通信速率高、通信距离远、可以与多台从机通信的特点，最大数据传输速率可达10 Mb／s。待监测的各项参数直接通过新型配电器内部的嵌入式系统进行采集，然后经过总线将参数组帧下传，可以避免监测电缆的损耗，达到弹箭载设备参数的实时无差监测。

3.4 继电器初始态实现转电池供电

由于电池能量有限，在系统检查和测试阶段不便于长期使用弹上电池对设备进行供电，因此就需要利用地面测试电源对弹上设备进行供电，测试完毕，确保无误后实行转电池供电的操作［3］。传统的转电操作采用继电器的自保持电路进行设计，详见图3。

图3 自保持转电池供电方案Fig.3 Traditional self-hold alternating plan

采用自保持电路进行转电池供电的操作，在实际操作过程有个时间空隙，即在地面电源断开电池电源还没有供给的时候，会出现一个电源供给的真空期。这个空隙的时间间隔为数百微秒，给其他弹箭载单机带来许多不利的影响，尤其是对电磁环境十分敏感的外测单机，诸如脉冲体制应答机和双频体制应答机等，严重时会导致单机故障，这种情况应该尽量避免。

新型弹箭载配电器在实现地面配电插箱各项功能的基础上，对传统的转电池供电方案进行了改进。利用继电器的初始状态进行可靠转电，是本文在设计转电时考虑的重点。

磁保持继电器实现转电池供电原理框图如图4所示。

图4 磁保持继电器转电池供电原理框图Fig.4 Principle diagram of magnetic latching relay

磁保持继电器主要工作原理为，从X线圈处输入一个28 V的激励信号继电器即吸合，然后通过内部永久磁钢的作用进行自保持，即使输入激励消失，继电器仍然处于稳定的保持吸合状态。通过继电器Y线圈端口输入激励信号可以实现触点状态改变。磁保持继电器的输出自保设计可以方便地完成统一飞行器电池供电和关机指令的设计，在确保转电成功之前，地面电源与弹上电池同时向弹箭载各个单机进行供电，转电成功后，关闭地面电源，实现“无缝”转电池供电操作。

3.5 断地供后完成单机电流监测

在外安系统地面测发控网络中，单机的电流是非常重要的指标。在转电后，单机的电流在外安系统中是不可监测的，只有通过遥测等系统的监测手段来实时观察。在新型弹箭载配电器的设计中，充分考虑到这种局限，通过设计电流监测电路，不仅可以完成电流的实时监测，还可以实现转电池供电后（脱落插头脱落前）外安系统中各个单机电流的实时监测。

电流检测常用的方案主要有两种，一种为利用霍尔电流传感器进行测量，一种是串联采样电阻的方案。由于霍尔电流传感器容易受应用环境的影响［3］，基于电压范围大和采样精度较高的要求，本文选择了第二种方案进行设计。本设计中电流检测芯片选用Maxim公司的MAX4080。MAX4080是一款高性能的集成电流检测芯片，其检测精度可达满量程的±0.1%。其工作原理为：待测电流I经过采样电阻后产生检测压降，经过芯片内部的电流镜、比例放大器处理后，送到遥测系统进行下发监测。由于MAX4080自身不需要独立的工作电源，因此在实现转电池供电、地面工作电源断开的前提下，仍可实现通路电流检测。感应电阻选用德国军品级高精度电阻SMT-R010-1.0。电阻工作电流可以达到25 A，功率达3 W，满足功能设计要求。

4 试验验证

新型弹箭载配电器在完成设计和生产后需要完成单元测试和系统联试。单元测试是利用专门研制的测试设备对配电器进行功能指标全面测试。在单元测试阶段完成了环境应力筛选试验、温度试验、鉴定试验、电磁兼容试验以及可靠性增长试验。在各个试验阶段，新型弹箭载配电器均工作正常，各项指标稳定。系统测试是指配电器接入到某测量系统中，参与完成系统综合实验和匹配试验等系统试验。新型弹箭载配电器按照实际任务测试流程完成了既定的各项测试操作和相关参数监测。目前，新型弹箭载配电器已经完成初样产品研制交付和转阶段工作，产品工作正常，满足系统测量任务要求。

5 结束语

本文采用工业总线技术，利用成熟的数字化解决方案实现的新型弹箭载配电器，在满足外安系统各项测试工作的同时，可简化现今测试系统，优化测试流程，实现可靠的继电器初始状态转电以及全过程电流检测。单元测试以及系统试验验证了新型弹箭载配电器设计的有效性。新型弹箭载配电器的设计为航天发射提供了新的测发控思路。后续工作中针对测试系统数据速率、组网等要求，应对总线类型以及弹载控制器的一体化设计开展进一步工作。

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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年获硕士学位，现为副教授，主要研究方向为信息安全与智能计算信息处理。

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

❋❋通讯作者：153736969＠qq.comCorresponding author：153736969＠qq.com

TN86；TJ768.3

1001－893X（2013）07－0957－04