双曲线一号运载火箭综合电子系统的设计与实现

　　摘要：针对民营商业运载火箭“双曲线一号”高可靠、低成本、快响应的要求，设计了一种自定义高速串行总线架构的高集成度箭载综合电子系统.描述了综合电子系统的任务需求、各功能模块原理组成、叠板结构设计、实时操作系统以及飞控软件等关键技术.重点阐述了基于Zynq处理器的主控模块最小系统及通讯接口设计、自定义高速串行总线架构设计.随着双曲线一号首飞试验的成功，作为控制中枢的综合电子系统工作正常，满足民营商业运载火箭强实时性、高可靠性以及高精度控制等要求.

　　关键词：双曲线一号;综合电子系统;主控模块;Zynq;高速串行总线

　　1引言

　　针对新一代运载火箭控制系统架构[1~3]及民营商业运载火箭高可靠、低成本、快响应的要求，对小型化、集成化、模块化航天器综合电子系统(IntegratedModularAvionics，IMA)的需求越来越紧迫.综合电子系统的概念来自航空领域复杂的电子系统，后在航天领域逐渐被采用，首先在卫星上被成熟应用，使卫星的可靠性、集成性进一步提高.综合电子系统本质上是一个高度开放的分布式实时计算系统。

　　它以通用综合处理器为核心，通过高速数据总线实现传感器、子系统等信息互联，形成具备“系统结构综合化”和“使用功能综合化”特征的统一控制、调度能力.目前国内外最新卫星平台大多采用了星载综合电子系统[4]，在运载火箭领域也逐渐推广使用.双曲线一号运载火箭作为民营商业运载火箭的代表，其电气系统面向下一代运载火箭中以综合电子系统为控制核心的架构[5].

　　借鉴国内外最新综合电子设计思路，采用高集成度的Zynq处理器及高速串行总线技术，构建资源与信息共享的统一开放式运载火箭电气系统体系架构.配合标准化、模块化的货架产品实现系统基本功能，便于电气系统升级改造和适应运载火箭多任务特性[6].综合电子系统是双曲线一号运载火箭电气系统的核心装置，能够实现运载火箭的制导、姿态控制、组合导航、供配电控制、时序控制、安全控制等功能，还可以在地面测发控系统的配合下，实现对箭测试和发射流程控制.因此，研究运载火箭综合电子系统具有非常现实的意义.

　　2系统架构设计

　　2.1任务需求

　　双曲线一号运载火箭按照一体化设计思想，采用综合电子系统进行设计.要求综合电子系统需要实现的功能主要有：(1)对飞行控制、时序输出、供配电进行一体化集成设计，实现飞行控制解算、姿态控制、分离点火、配电、电源等功能一体化;(2)接收光纤惯组的加速度、角度等信息，接收内部卫导接收机发送的导航定位信息，实现组合导航解算;(3)采用统一供配电设计，接收配电指令，实现火箭电气系统配电控制功能、断电控制功能、紧急断电控制功能;(4)负责实时制导、姿态控制运算，将姿控及时序指令输出至电磁阀、火工品、伺服系统等执行机构。

　　(5)在火箭飞行过程中出现姿态失控时，给出箭上安全自毁信息，实现自主安全控制.配合外测安全控制系统接收地面指令，实现外部被动安全控制;(6)具有较好的系统故障检测能力.在火箭地面测试加电期间，对各设备的电源电压、火工品及电磁阀控制绕组的通路，高低压时序、伺服机构及各种状态信号进行检测;(7)负责将自检信息、光纤惯组信息、卫星导航信息、飞控解算信息等遥测数据经过组帧、编码后发送给遥测外测安全系统;(8)在火箭测试时，参与火箭的各项测试工作.

　　2.2系统架构

　　文献[7]提出了一种基于VNX总线的综合控制系统，本文方案以低速总线和高速总线技术融合为基础，采用自定义高速串行总线的模块叠板结构.综合电子系统主要组成模块有主控模块、电源模块、配电模块、时序模块、卫导模块等。

　　电源模块完成对一次电源的隔离变换，输出系统内其他模块运行以及测试所需的电源.主控模块采用Zynq处理器，可以运行实时嵌入式操作系统，完成制导、姿态控制、组合导航等计算功能，具有丰富的对外总线接口.主控模块通过机内自定义高速串行总线完成系统内各模块之间的信号传输.

　　配电模块实现上电后对电源模块供电，并作为机内串行总线的接收站点接收主控模块的指令，完成对运载火箭上其他设备的统一供配电控制.时序模块作为机内串行总线的接收站点接收主控模块的指令，完成对应时序输出的控制、驱动及信号采集.卫导模块采用双天线分别接收GPS-L1和BDS-B1的导航卫星信号，完成导航卫星信号的捕获、跟踪，输出载体的位置、速度、时间等信息，送至主控模块完成组合导航功能.

　　3硬件系统设计

　　3.1主控模块

　　主控模块与传统箭载计算机功能类似，作为综合电子系统的控制核心.随着控制算法的日益复杂和制导精度的日益提高，要求箭载计算机具有较高的实时性和强大的运算能力.

　　3.1.1最小系统

　　主控模块硬件方案的控制核心处理器采用Xilinx公司的Zynq系列SOC实现，型号为XC7Z045.Zynq集成了ARM处理器的软件可编程性与FPGA的硬件可编程性，ARM处理器主频为800MHz.文献[8]也提出了一种基于Zynq平台的弹载计算机，本文方案选用更加高端的Zynq型号，对外接口更加丰富，还部署了实时操作系统.

　　DDR3存储器是ZynqPS端的主RAM存储器，容量和运行的稳定性对系统运行、数据处理及流程处理有重要影响.DDR3存储器选用Micron公司的MT41K256M16HA动态DDR3DRAM芯片，2片并联，总位宽32bit，容量1GB.大容量EMMCFLASH数据存储器设计，通过1片Micron公司的MTFC16GAKAENA大容量EMMC闪存存储器实现，容量16GB能满足主控模块对存储容量的需求，用于存储火箭测试时箭上的实时测试数据.主控模块上需要1.0V、1.2V、1.5V、1.8V、3.3V、5V等多个电源，其中5V作为输入，其他采用凌特的LTM4627、LTM4644电源uModule模块生成，电源上电顺序如下：1.0V→1.8V→1.5V→3.3V.通过TPS51200生成DDR3专用的电源.

　　3.1.2接口电路

　　对外接口包括PS端和PL端接口，PS端接口由外部接口电路及PS中的控制器组成，包括高速双以太网口、双CAN总线接口;PL端接口由外部接口电路及PL中的驱动组成，包括自定义高速串行总线接口、RS422串口、1553B接口、光电隔离IO接口.

　　自定义高速串行总线接口用于实现综合电子系统内部各个模块之间的通讯;高速双以太网口用于实现箭地通信以及无线通信;1553B接口作为箭上的主干系统总线;CAN总线及RS422串口用于箭上设备的通信;光电隔离IO接口有5V和28V两种类型，用于采集箭上或地面的开关量信号.

　　3.2业务模块

　　综合电子系统的业务模块包括电源模块、配电模块、时序模块、卫导模块等.

　　3.2.1电源模块电源模块将一次直流电压经过DC/DC变换，分成多路不同电压和功率的直流输出，并满足隔离要求.为保证电源模块的质量，在设计时充分考虑了产品的可靠性、安全性和电磁兼容性，使其在所要求的各种环境下均能稳定地工作.

　　3.2.2配电模块

　　配电模块主要是实现箭上配电的功能，包括输入配电控制、多路输出配电控制.在此基础上，完成母线电压、母线电流及温度等检测.文献[9]提出了一种分级智能供配电，本文基于数字控制，采用大功率MOS管配合驱动电路实现大电流配电控制.配电模块包括配电测控部分和配电执行部分.配电测控主要是基于FPGA的数字测控系统，配电模块通过机内总线接收主控模块的时序指令，根据指令输出配电控制信号.配电执行主要是基于MOS管的功率输出电路.配电执行的同时，在地面电源母线和电池电源母线加入了防电流反灌电路，防止母线开关在采用固态输出形式下引起的电流反灌问题.为了提高配电输出可靠性，MOS管配电开关采用串并联冗余方式.

　　4机内总线设计

　　机内总线即自定义高速串行总线，文献[11，12]介绍了一种新型M-LVDS多点互联高速冗余总线及三模混合冗余总线.本方案总线实现综合电子系统内部各个功能模块之间的通讯，由总线收发器和FPGA中的总线协议组成.

　　总线收发器选用TI公司的DS91C176接口芯片，总线的协议在FPGA中封装成IP的形式，IP可实现与总线收发器DS91C176接口数字信号的直接连接.自定义高速串行总线采用M-LVDS多点低电压差分信号形式，总线可以支持高达500Mbps数据速率和较宽的共模电压范围.

　　物理层主要由4+1对双工工作方式总线差分信号组成，其中4对处于工作状态，另1对处于备份状态，低电压是2V.主控模块FPGA实现串行总线主控制器功能，其负责传输任务的发起和故障管理任务.业务模块实现串行总线从控制器响应传输任务.每块业务模块分配唯一的长度为n比特的身份标识(ID)信息.

　　5软件设计

　　软件是综合电子系统的灵魂，箭载综合电子系统的软件包括底层驱动设计和基于嵌入式实时操作系统的软件设计，后者包括操作系统层、协议层及应用层软件.

　　6结构设计

　　结构上采用模块化标准结构，结构外壳内安装印制板，形成具有独立功能的模块，按照既定的功能模块顺序，且考虑每个模块使用过程中拆装更换的频率和要求.电源模块安装于基座上，其余模块均安装在结构形式同一的模块上。

　　7试验验证

　　综合电子系统从研制到最后参加运载火箭飞行试验，试验要求严格按照试验大纲进行.主要试验包括单机环境试验、系统综合匹配试验以及运载火箭飞行试验.

　　7.1单机环境试验

　　综合电子系统产品经过单机测试，完成了规定的高低温、温度循环、振动、老炼，鉴定级振动、冲击、加速度、真空等环境试验项目，参加了运载火箭电气系统综合匹配试验.经试验验证，产品功能性能指标满足运载火箭飞行大纲规定的试验要求.

　　8结论

　　双曲线一号运载火箭综合电子系统是我国首次在民营商业运载火箭中的成功应用，将传统箭载计算机、配电器、综合控制器、开关放大器、时序控制装置及卫星导航接收机等单机产品进行硬件的集成综合、软件的统一设计.综合电子系统完成了箭载电子设备一体化的系统设计，集中实现了运载火箭计算机控制、大容量存储、总线通讯、供配电、火工品控制、电磁阀控制、温度测量、导航卫星信号接收及处理等功能。

　　完成了操作系统和飞行控制软件的统一设计和开发，设计了高效、层次清晰的软件体系结构，使软件能在一个高性能的SOC上运行，实现了运载火箭的精确入轨.未来中大型运载火箭、可回收运载器、深空探测器、卫星平台等，不管是从节约成本与减轻发射重量的角度，还是从增强航天器自主能力的角度，使用集成化、模块化的综合电子系统是后续发展的趋势[15].

　　双曲线一号运载火箭首飞的圆满成功，验证了箭载综合电子技术的有效性，为未来航天器综合电子系统的发展提供了技术储备;其采用的全可编程SOC核心处理器及实时操作系统，为后续运载火箭采用人工智能控制算法提供了软硬件环境.综合电子系统的后续发展将更加多元化，文献[16]提出了一种基于边缘计算的航天器电气系统设计，SpaceX的猎鹰9火箭和龙飞船采用了基于Intel双核处理器的三模冗余计算机系统.综合电子系统也将基于此对硬件体系结构与软件开发模式进行更进一步的优化，为未来适应智慧火箭功能要求的综合电子系统提供了研究方向.

　　参考文献

　　[1]宋征宇.新一代运载火箭电气系统体系架构的研究[J].载人航天,2016,22(3):317-322.SongZY.Researchonavionicssystemconfigurationofnextgenerationlaunchvehicle[J].MannedSpaceflight,2016,22(3):317-322.(inChinese)

　　[2]胡海峰,宋征宇,孙海峰.新型中型运载火箭控制系统架构及发展[J].导弹与航天运载技术,2019,(2):49-53.HuHF,SongZY,SunHF.Reviewofavionicsarchitectureofnewmediumlaunchvehicleanddevelopment[J].MissilesandSpaceVehicles,2019,(2):49-53.(inChinese)

　　[3]彭越,牟宇,宋敬群.中国下一代运载火箭电气系统技术发展研究[J].宇航总体技术,2020,4(2):13-24.PengY,MouY,SongJQ.ResearchonthedevelopmentofavionicsandelectricalsysteminChinesenextgenerationlaunchvehicle[J].AstronauticalSystemsEngineeringTechnology,2020,4(2):13-24.(inChinese)

　　[4]李孝同,施思寒,李冠群.微小卫星综合电子系统设计[J].航天器工程,2008,17(1):30-35.LiXT,ShiSH,LiGQ.Integratedelectronicssystemofmicro-satellite[J].SpacecraftEngineering,2008,17(1):30-35.(inChinese)

　　作者：江良伟，彭小波