基于无线传输的运载火箭电气系统方案构想

徐武欣，吕殿君，詹景坤

（中国运载火箭技术研究院研究发展部，北京，100076）

0 前言

随着我国由航天大国向航天强国迈进，未来航天空间任务将日益频繁，运载火箭需要执行任务的复杂性、功能多样性要求越来越高。随着电气系统功能的不断强大，对振动、冲击、温度、噪声、热流、压力等参数的测量需求也呈现指数增加，运载火箭电气系统设备尤其是传感器越来越多。传统运载火箭电气系统供电和通信采用有线互联方式，存在线缆长度长、质量大、连接器多、布线困难、空间约束多等缺点，且嵌入布线影响结构力学性能，线缆老化等影响使用寿命，可维护性、可扩展性不好，维护、升级能力弱。另一方面庞大的电缆网质量占电气系统总质量比重已超过20%，极大地降低了运载火箭对有效载荷的搭载能力。

为满足未来运载火箭电气系统高集成化、高灵活性、易更新换代的设计需求，需要从根本上解决复杂能源供应、大规模数据交互带来的设计、研制、使用过程中的问题。无线能源传输（Wireless Power Transfer，WPT）技术与无线传感网络技术（Wireless Sensor Networks，WSN）就是将能源与信息通过无线信道传输的新技术，能够简化电气系统连接，同时也能够提高系统的维修性、可扩展能力等。

1 无线能源与信息传输技术

1.1 无线能源传输技术

从19 世纪中后期物理学家Tesla 提出了无线电能传输的设想并进行了相关实验研究开始，各国科学家对无线能量传输技术进行了大量的研究，目前的研究方向主要包含三种传输方式：电磁感应方式，电磁耦合谐振方式和电磁波辐射方式，这三种方式在国防、工业、消费等多个领域已有大量应用。三种无线能源传输方式具体比对如下表[1]-[3]。

表1 三种传输方式比对表

1.2 无线传感网络

无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量小体积、低成本的传感器节点组成。这些传感器节点体内集成了信息采集、数据处理和无线通信等多种模块，可以通过无线通信的方式，形成一个多跳自组织的网络系统，能够协作地感知、采集及处理监测区域中感知对象的信息，并发送给观察者[4]。

随着无线通信、微处理器和MEMS 等技术的发展，无线传感器网络技术取得了飞速发展，以其大规模、免布线、组网灵活等特点，在国防军事、环境监测、医疗救护、生物信息处理、交通管理及家庭环境智能化应用等领域具有广阔的应用前景和潜力。

2 设计原则

结合我国航天运载火箭未来任务及发展规划，以未来典型两级运载器为设计目标，提出了运载火箭互联网络架构的设计原则：

a)大系统容量：考虑未来运载火箭健康管理要求，支持多节点、多业务能力；

b)节点动态接入能力：可支持单个或多个节点的动态接入/退出网络；

c)高可靠性能：应采用高可靠方案，降低风险，确保总体使用性能；

d)先进性要求：应采用成熟、先进技术，提高系统性能指标和系统的模块化、标准化设计。

3 运载火箭电气系统方案设想

3.1 总体思路

按照运载火箭电气系统设备布置一体化、无缆化的设计理念，从能源、信息等传输方面合理配置、集成优化，采用一体化综合设计方法，全面提高系统灵活性，降低系统规模，突破能源及信息的无线传输技术，显著提升电气系统综合设计水平。

运载火箭采用异构的分布式网络体制，适应基于不同业务数据的网络信息接入、融合，建立网络节点的自主管理与接入机制，实现运载火箭无线节点的动态管理，提高运载火箭的灵活性、可扩展性和快速测试。

方案从系统、网络、接口三个层面，实现一体化综合电气系统的优化设计：

a)系统层面：按照“集中管理、路径优化”思想设计，能源与信息采用“集中管理、区域服务”原则，实现运载火箭全箭资源的优化配置，达到性能与功能整体最优；软件采用“信息整合”原则，实现运载火箭信息融合分析和处理，提高自主运行管理和任务完成能力；

b)网络层面：实现对无线网络内各业务设备的多业务（数据、指令、遥测等）传输，实现传统设计多网络的服务功能；

c)接口层面：接口按照“规范化、标准化、通用化”要求设计，实现快速集成单机。

3.2 系统网络架构

系统采用一体化、层次化的设计方案，以“主干有线+分支无线”为拓扑结构，构建三级树状的系统网络，如图1 所示，其中：顶层为能源、数据的中心节点，主要由数据与能源中心、数据与能源网络交换设备组成，负责交换层设备的能源配送与管理、数据融合处理分析、指令下达、整箭状态监控等功能；交换层主要由多个数据与能源交换节点组成，不同的交换节点依据处于运载火箭不同位置进行区别划分，分别负责该区域功能层无线能源与信息网络的建立、无线能源供给、功能结点接入控制、数据及信息的交换等功能；功能层由传感器、监控设备等组成，负责运载火箭上不同具体功能的实现。

图1 无线能源与信息互联系统示意图

其中：

a)顶层与交换层间采用有线传输形式，信息采用光纤通道的总线方式，提供箭上主干信息交换网络，实现高速、低延迟、高可靠的重要信息交换；能源采用传统有线供电方式；

b)交换层与子节层间采用分布式无线能源与信息互联网络的形式，交换层中数据与能源交换节点设备完成无线网络的建立，并对接入设备进行管理。

无线能源与信息互联系统顶层由数据总线、能源总线、数据与能源中心组成，数据总线拟采用光纤通道 (Fiber Channel, FC)实现，采用交换结构实现顶层数据网络建立；数据与能源中心以及工作状态、交换节点连接状态等情况实现数据的综合分发、能源的配送、信息传输网络的建立与维护以及节点接入鉴权与业务交换控制等功能。

无线能源与信息互联系统交换层由各交换节点组成，与顶层通过有线连接方式连接实现信息的交互以及能量的获取，当运载火箭部件分离、对接时，通过识别光纤通道接入情况实现接入控制、鉴权等有线网络维护功能，进而实现数据的交互与能源的获取；与功能层通过无线传输的方式实现信息的交互以及能源的传递，采用无线自组织网络的形式构建信息传输网络，采用星形网络或星形与网状网络为拓扑结构，由交换节点实现网络维护、路由控制、用户鉴权等无线网络中心管理功能，实现该区域中无线信息传输功能。

功能层由各种参数测量传感器、仪器、设备以及状态监控设备等按需配置、组成，通过不同的配置方案组合完成不同功能。当同一区域或不同区域间功能层节点需建立通信时，交换节点、数据中心逐级进行鉴权、业务类型判断，针对实时性要求高的数据以虚电路的方式交换，以满足通信延时需求；针对大量非实时数据采用报文交换的方式交换，以确保高速信息传输。

3.3 具体方案

3.3.1 方案概述

图2 二级运载火箭电气系统拓扑图

典型两级运载火箭电气系统主要设备包括功率电源、控制电源、光纤网络交换中心、计算与控制中心、仪器设备（含大功率设备）以及分布于各舱段的测量传感器等。电气系统有“两大动脉”即：能源通道和数据通道。能源通道方面，按照供电类型，运载火箭上供电主要分为功率电和控制电两类。功率电源主要用于大功率电动伺服、火工品等供电，其要求供电传输可靠、峰值功率高等，因此运载火箭上大功率设备供电采用可充电一次电源直接供电，其它设备供电采用“有线或电池+无线供电”方式。运载火箭一级、二级仪器设备共用一套安装在二级的一次控制电源，通过有线方式将电源传至一级，各级内部按照设备布局、设备类型等以无线方式进行分区域供电。仪器舱单独设置一次电源，舱内设备供电模式同其他级。

数据通道方面采用“光纤骨干网+无线子网”的方式，全箭以光纤通道为主线，贯穿仪器舱、二级、一级，采用交换结构实现顶层数据网络建立。所有设备的有线式数据交互通过位于仪器舱的光纤交换机负责，各子网内按照自组织网络进行组网。位于仪器舱的计算与控制中心通过光纤网收集整箭的所有数据，进行计算、决策、分发等。

整个运载火箭电气系统组成示意图（以二级运载火箭为例）如下图所示。

3.3.2 无线能源传输方案及工作流程

考虑到运载火箭内设备布局、空间约束及传输要求等，为了降低传感器网络的整体能耗，延长无线传感器网络生命周期，一种简单可行的方案是利用拥有较多计算和能量资源的额外节点作为中继节点，辅助传感器节点之间的数据传输。在无线能源传输网内，各用电设备及电源作为网络节点，根据任务需要，节点可具有三种功能，即主节点（数据与能源控制中心）、从节点（受电设备）、中继节点。主节点作为电能供给节点（包括电源点）对外发射电能（供电），从节点作为负载接收电能，中继节点完成能量传输的中继任务。其节点的上述三种功能可根据任务需求而发生转换。无线电能传输网利用无线电能传输技术，通过以能量传输效率最大化和传输链路最稳定为优化目标的路由算法建立能量路由机制，网内节点之间以“接力”的方式自主实现“主节点—中继节点—从节点”的电能多跳式传输模式，以保证网内节点能量的均衡持续供给[5]。

具体的能源传输流程如下：系统需要工作时，主节点（即能源交换中心）先上电启动，在系统正常运行状态下，主节点工作状态是一直通电，而后能量发射端开始向区域内辐射一定频率的电磁波，而从节点（能量接收端）则不间断地从空间中吸收由主节点发出的微弱的电磁波能量。此时从节点处于非工作状态，但是此时从节点前端的无源电路（天线、滤波整流电路等）是在工作的，并且将得到的能量储存起来。接着由电压阈值判断电路判断电能存储器的电压是否满足负载完成一个完整的工作周期，如果满足，则向负载提供电能。待负载完成工作后，电能就不满足其工作了，就要停止运转，由前端无源器件继续进行能量收集储存，等待下一个工作周期的触发。

图3 无线能源传输示意图

3.3.3 无线传感网络方案

传统的无线传感器节点的体积小，通常由纽扣电池或其他微型电池进行供电，节点的能量有限，同时由于节点数量较多、分布广，加之物理环境的限制，难以在安装之后为节点更换电池补充能量。因此电池的容量也是无线传感器网络首要考虑的问题，其直接决定了网络的工作寿命。因此本文中无线传感器网络采用“自带电池+无线充电”的方式，当传感器检测到电池能量较低时启动无线充电模式，接收子网主节点发出的能量进行充电。

4 互联网络的关键技术

为实现基于无线传输的运载火箭互联网络方案，需要对以下关键技术进行深入研究：

a)总体网络协议及动态接入技术；

通过多信道网络协议和动态接入接入技术的研究，解决网络节点接入冲突、抗干扰和提高网络吞吐量的问题，实现节点通信链路建立的高效性以及通信网络的鲁棒性。

b)多传感器系统网络化及信息融合技术；

对于一个复杂的多传感器系统，在进行网络传输之前有必要对多传感器的数据进行融合，以缓解网络系统的负荷。

c)负载识别技术

通过负载识别，识别出供电负载有无及负载性质，针对性的提供能源供应，减小供电不匹配造成的能源浪费。

d)系统电磁兼容性技术

分布式无线能源与信息网络传输系统采用高频磁场传输电能和信息，自身工作频率较高，电磁环境复杂，电磁兼容（EMC）设计是一项重要的研究内容。

e)能量与信息共链路同步传输技术

利用无线传输能量的通道传输信息，使能量和信息同步传输，减少信息传输相关线缆，提高无线传输效率。