劉 博，李小磊，高 潔，劉 攀

（上海航天電子技術研究所·上?！?01109）

0 引 言

隨著航天任務復雜度的提升，特別是火星等深空探測任務的開展，對產(chǎn)品可靠性和自主性提出了更高要求。由于火星探測中存在器地通信時延和長期日凌中斷的問題，探測器需要具備很強的自主姿態(tài)控制能力才能確保整器安全。同時，涉及地火轉移段、火星捕獲段等關鍵軌道時，探測器需要精準控制，及時制動“剎車”，否則會造成探測任務失敗。因此，火星探測任務對制導導航與控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）分系統(tǒng)的要求也越來越高。閥門驅動單元及配電控制單元作為連接GNC系統(tǒng)各單機并控制推進系統(tǒng)的重要樞紐節(jié)點，根據(jù)指令控制分系統(tǒng)內(nèi)各設備的供電，及時驅動相應的電磁閥噴氣或自鎖閥開關，對探測器的姿態(tài)和軌道進行調(diào)整，以保證探測器能按照預想的軌道飛行和調(diào)整姿態(tài)。

現(xiàn)有的空間探測器GNC系統(tǒng)大多采用閥門線路盒進行驅動控制，通過姿軌控計算機直接發(fā)送各類脈沖電平指令，控制閥門線路盒中的驅動電路工作。此種方法將全部的控制工作都集中在姿軌控計算機中，后端線路盒只是簡單地執(zhí)行驅動輸出命令，單個姿軌控計算機的處理負擔過重，既要采集模擬量又要進行各類運算，還有大量的對外指令接口和驅動控制接口，無法真正滿足深空探測任務的自主管理實時性需求和高可靠性要求。鑒于此，本文設計了一種適用于深空探測的GNC系統(tǒng)自閉環(huán)驅動控制方法，通過路由選通的方式對功能模塊進行路由調(diào)度，以實現(xiàn)GNC系統(tǒng)內(nèi)單機的集中控制和管理，并應用于實際的火星探測任務中。

1 路由選通方案設計

以往的GNC分系統(tǒng)中的控制方式采用GNC計算機、綜合線路盒、推進線路盒的單機分體設計方案，其中GNC計算機完成衛(wèi)星姿態(tài)控制軟件的算法實現(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)單機的遙測采集、指令控制輸出等一系列工作；綜合線路盒實現(xiàn)對各GNC單機的供配電控制及動量輪、磁力矩器的驅動控制；推進線路盒實現(xiàn)對推進分系統(tǒng)壓力、溫度等重要參數(shù)的采集和電磁閥驅動控制。

隨著GNC控制算法功能日益復雜，尤其在長距離的深空探測任務中，自主實時控制的要求愈加迫切。為了實現(xiàn)GNC系統(tǒng)對星上各閥門的精準控制和連續(xù)噴氣控制，同時實現(xiàn)GNC系統(tǒng)各單機的配電控制與設備的遙測參數(shù)采集，使GNC計算機專注于控制算法的執(zhí)行，需要一種能夠對整個GNC系統(tǒng)的控制指令、遙測數(shù)據(jù)、閥門驅動、配電控制等進行調(diào)度的設備。

綜合以上的分析，本文設計了一種路由控制方法，以路由控制模塊作為整個驅動控制單元的中轉樞紐，接收姿軌控計算機發(fā)送的遙控指令包以及遙測請求指令包。路由控制模塊根據(jù)程控指令包，以路由選通的方式通過串口向后端功能模塊發(fā)送程控指令；同時路由控制模塊向后端功能模塊周期性地發(fā)送遙測請求指令，將各功能模塊的遙測信息生成遙測信息包發(fā)送至姿軌控計算機。

一個功能完整的路由模塊包括總線控制、緩存控制、指令發(fā)送/接收控制、異步串口發(fā)送/接收控制等功能。路由模塊的路由控制功能通過現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）實現(xiàn)，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 路由控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Routing control system block diagram

在圖1中，緩存控制功能實現(xiàn)FPGA查詢訪問SRAM請求（FPGA讀/寫），產(chǎn)生讀/寫SRAM時序，實現(xiàn)FPGA正確讀/寫SRAM數(shù)據(jù)的功能。串口收發(fā)模塊，按照RS422通信協(xié)議規(guī)定的格式，F(xiàn)PGA將并行數(shù)據(jù)進行并轉串處理并輸出，接收串行數(shù)據(jù)進行串轉并處理并緩存。指令發(fā)送控制實現(xiàn)FPGA對輸入的三類指令進行識別，并執(zhí)行不同的發(fā)送流程。指令接收控制功能，F(xiàn)PGA通過異步串口接收自GNC計算機的指令，對指令內(nèi)容進行解析和合法性判斷，并寫入緩存。指令若合法，則根據(jù)解析出的路由地址向相應通道轉發(fā)；若不合法則丟棄該指令。指令路由的流程圖如圖2所示。

圖2 指令路由流程圖Fig.2 Instruction routing flowchart

路由控制模塊中存有一張路由表，在每次收到指令包后，通過判斷指令數(shù)據(jù)包頭的應用過程識別符（Application Process Identifier，APID）值來更新路由表，并轉發(fā)數(shù)據(jù)至后端對應的功能模塊。APID共11位，掛在串行總線上的各終端均對應有唯一的APID號，用于識別指令信息的目的地和遙測信息的源地址。如圖3所示。

圖3 APID規(guī)則示意圖Fig.3 APID regulation diagram

路由控制模塊通過識別本模塊的主備標識，使用主份或備份電路轉發(fā)來自姿軌控計算機的指令包，或收集后端各功能模塊遙測數(shù)據(jù)上傳至姿軌控計算機。同時，設計中具備數(shù)據(jù)錯誤重傳機制，向功能模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)后，若在1ms內(nèi)未收到所述各功能模塊的反饋信號或收到的反饋信號為錯誤信號標識，路由控制模塊會再次向對應功能模塊發(fā)送指令數(shù)據(jù)。

路由控制模塊遙測數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示，路由模塊中的FPGA識別到遙測請求包后，先從緩存中依次讀取單機內(nèi)各功能模塊的遙測數(shù)據(jù)，并按照各模塊標識更新包頭信息后順序發(fā)送至姿軌控計算機；在完成遙測數(shù)據(jù)發(fā)送后，將遙測請求包群發(fā)至后端各功能模塊，然后接收各功能模塊的遙測返回數(shù)據(jù)，并存入緩存進行數(shù)據(jù)更新，等待下一次的遙測請求。

路由選通方式不僅簡化了對外接口，方便功能模塊的統(tǒng)一管理，更重要的是在探測器深空機動或者火星捕獲時，一旦GNC驅動單元的主機或備機故障，可以通過軟件策略發(fā)送一條路由表切換指令，即可實現(xiàn)故障模塊的主備切換而無需整機切換，有效節(jié)省了GNC系統(tǒng)的控制響應時間，提高了任務完成的可靠性。

圖4 路由模塊遙測群采處理流程框圖Fig.4 Telemetry group acquisition of routing module flowchart

2 GNC驅動控制單元設計方案

2.1 整機方案概述

為了更適配于深空探測任務，一個完整的GNC驅動控制單機包含電源模塊、路由控制模塊以及一系列可擴展的功能模塊，各模塊間使用CPCI內(nèi)總線進行信號的互聯(lián)互通。路由控制模塊作為GNC計算機與內(nèi)部功能模塊間數(shù)據(jù)的橋接模塊，主要負責接收GNC計算機發(fā)送的數(shù)據(jù)，以路由選通的方式向后端功能模塊轉發(fā)程控指令包，接收后端各功能模塊遙測數(shù)據(jù)并組包外發(fā)；各功能模塊完成指定的功能，如模擬量采集與處理、脈沖指令發(fā)送、執(zhí)行飛行器的噴氣驅動控制、自鎖閥管路的驅動控制，以及對系統(tǒng)各單機供配電控制等。整個單機有兩套完全獨立的電路，可同時雙熱機工作，或者通過外部指令切換到冷機工作模式。路由控制模塊通過路由表切換指令，對單機的主份或備份功能模塊進行數(shù)據(jù)的路由轉發(fā)控制。圖5給出了GNC驅動控制單元的構架方案。

圖5 GNC驅動控制單元組成框圖Fig.5 GNC drive control unit block diagram

2.2 功能模塊設計

1） 遙測采集模塊設計

遙測采集模塊包含電壓量遙測采集和溫度量遙測采集，在選通信號控制下，遙測通道和不同單機的地線均通過1個16選1的多路開關切換。遙測信號和對應地線經(jīng)差分運放隔離后送A/D芯片進行轉換，差分運放可實現(xiàn)地線隔離。遙測模塊中的FPGA識別到遙測請求包后，從緩存中讀取經(jīng)轉換的遙測數(shù)據(jù)，并按照模塊標識增加包頭信息后發(fā)送至路由控制模塊；FPGA在完成遙測數(shù)據(jù)發(fā)送后，開啟遙測采集操作，將采集的數(shù)據(jù)更新至緩存，等待下一次的遙測請求。

2）指令功能模塊設計

指令模塊接收路由控制模塊的串行數(shù)據(jù)，根據(jù)通信協(xié)議進行譯碼，并驅動OC門集成電路進行指令脈沖輸出，對自鎖閥模塊或配電模塊進行控制。同時在遙測請求指令的控制下，通過異步串口向內(nèi)總線發(fā)送自身遙測狀態(tài)。指令模塊中的指令脈沖寬度最大支持255ms，可通過指令包指令寬度字節(jié)位進行配置。指令模塊最多支持16條指令包數(shù)據(jù)的輸入,并將指令數(shù)據(jù)送入指令隊列進行排隊待輸出狀態(tài)，該功能支持一次接收緩存多條指令，在連續(xù)推進變軌噴氣時，減少噴氣時延，增強穩(wěn)定性。

3） 噴氣驅動功能模塊設計

噴氣驅動模塊接收路由控制模塊發(fā)來的噴氣指令包后，先對包中的數(shù)據(jù)區(qū)有效數(shù)據(jù)按字節(jié)進行和校驗，若正確，返回校驗數(shù)據(jù)0xD2D2給路由控制模塊；若錯誤，則棄包，同時返回錯誤標識數(shù)據(jù)0x2D2D給路由控制模塊。指令包由包頭和數(shù)據(jù)區(qū)構成，包頭含有該功能模塊的主備工作標識信息和數(shù)據(jù)域的字節(jié)長度信息，數(shù)據(jù)區(qū)中包含功能識別信息以及噴氣信息，通過依次識別包APID、數(shù)據(jù)區(qū)中功能識別信息后，執(zhí)行指令包按照各路噴氣時長要求發(fā)送對應路數(shù)的噴氣指令，驅動MOS管控制推進系統(tǒng)閥門噴氣工作。噴氣指令包實現(xiàn)的主要功能如下：

a）噴氣驅動模塊FPGA判斷包中的主備標識后，使用噴氣驅動模塊的主份或備份按要求執(zhí)行噴氣指令；

b）噴氣指令模式可同時執(zhí)行10路噴氣操作，噴氣時長范圍支持0～255ms可調(diào)；

c）本模塊收到新指令包時，按新指令包的噴氣指令數(shù)據(jù)更新脈沖寬度數(shù)據(jù)；

d）指令數(shù)據(jù)區(qū)最后兩字節(jié)為16比特的和校驗數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)區(qū)中的所有數(shù)據(jù)按字異或后得到，用于在接收指令包時判斷收包或棄包操作。

3 實際應用分析

在火星探測任務中，路由模塊后端實際共設置4個功能模塊，分別為遙測采集模塊、指令模塊、A組噴氣驅動模塊和B組噴氣驅動模塊，因此實際使用4路功能終端。通過路由模塊對各功能模塊進行有效調(diào)度，調(diào)度控制示意圖如圖6所示。

圖6 GNC驅動單元路由控制原理示意框圖Fig.6 Route control principle of GNC drive unit diagram

在雙熱機工作模式下，GNC計算機根據(jù)實際需要發(fā)送更改路由表指令，以選擇向不同模塊的主機或者備機轉發(fā)指令數(shù)據(jù)，路由表指令的數(shù)據(jù)區(qū)域一共2個字節(jié)，分別對應16個返回通道，火星任務中的功能模塊路由表指令配置如表1所示。

表1 功能模塊路由表指令配置說明Tab.1 Function module routing table instruction configuration description

路由模塊的路由表初始狀態(tài)工作在主份模式，通過識別指令包的APID，實時路由轉發(fā)至對應功能模塊的主份或備份，隨后執(zhí)行指令。因此,針對火星探測任務可以靈活配置路由的形式，當任一功能模塊主份或者備份發(fā)生故障時，GNC計算機通過判斷返回的故障代碼數(shù)據(jù)0x2d2d，及時切換路由表，并由各功能模塊即刻執(zhí)行操作。表2和表3列出了兩種在軌故障模式下路由切換的使用方式。當路由控制模塊自身主份故障時，可由GNC計算機判斷后自主切換至備份，由備份對后端模塊的數(shù)據(jù)進行路由轉發(fā)工作，且后端模塊始終工作于主份機；當某一功能模塊，如A組噴氣驅動模塊主份出現(xiàn)故障，由路由控制模塊主份通過切換路由表將指令數(shù)據(jù)路由轉發(fā)至A組噴氣驅動模塊備份，以執(zhí)行后續(xù)操作。這樣能夠實現(xiàn)模塊間的路由數(shù)據(jù)無縫切換與靈活調(diào)配，而無需進行整機切換（所有模塊從主機切換至備機），進一步增強了系統(tǒng)控制的實時性和可靠性。

表2 在軌故障模式下路由使用情況1（路由模塊主份故障）Tab.2 Routing usage on orbit failure mode 1（Routing master module failure）

表3 在軌故障模式下路由使用情況2（A組噴氣驅動模塊主份故障）Tab.3 Routing usage on orbit failure mode 2（Group A jet drive master module failure）

GNC驅動控制單元是根據(jù)深空探測任務需求而全新研制的，相比以往衛(wèi)星的GNC驅動控制方式，路由選通的控制方式具備更好的機動性，可靠度和集成度更高，擴展性更好，兩種控制方式主要功能指標對比情況如表4所示。從表4中可以看出，GNC驅動控制單元增加了遙測和指令的處理，并且對于閥門的驅動控制采用了尺寸更小、驅動能力更強的MOS管，通過一對串口線纜就能實現(xiàn)GNC計算機與整個GNC分系統(tǒng)的互聯(lián)互通，使用更為方便可靠。

表4 兩種控制方式對比情況Tab.4 Comparison of two control modes

火星探測任務期間，GNC分系統(tǒng)實施了一系列的閥門驅動控制：驅動25N推力電磁閥進行姿態(tài)控制，驅動120N推力電磁閥進行一般軌道控制，驅動3000N自鎖閥進行制動捕獲的關鍵軌道控制。在實施姿態(tài)調(diào)整期間，對25N和120N電磁閥進行了連續(xù)噴氣操作，最多6個電磁閥同時執(zhí)行噴氣動作，噴氣時間持續(xù)15min，每次噴氣時長0.2s，安全可靠地確保了探測器在地火軌道轉移、火星捕獲等一系列驅動控制操作的成功執(zhí)行，證明了基于路由轉發(fā)技術的GNC系統(tǒng)驅動控制方法的有效性和可靠性。

4 結 論

為滿足深空探測中對GNC系統(tǒng)高可靠和自主控制的需求，本文設計了一種路由轉發(fā)驅動控制的方案，該方案以路由轉發(fā)為主節(jié)點，執(zhí)行功能模塊為從節(jié)點，能夠對系統(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間單機進行集中控制和管理，自主控制性高、擴展性強，對外接口更清晰，降低了系統(tǒng)設備間電纜連接復雜度，減輕了姿軌控計算機端的負擔。方案中的路由配置切換模式和指令錯誤重傳機制，大大提高了驅動控制的可靠性，在火星探測任務的全過程中，有效驗證了該方案的穩(wěn)定性和功能性。