再入飛行器低誤碼率數(shù)字化遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閆新峰，鄺浩欣，金 文，蘇 偉，王偉偉

(北京航天長(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)主要完成飛行器飛行過(guò)程中力、熱等環(huán)境參數(shù)以及飛行器工作狀態(tài)的采集、編碼和存儲(chǔ)，完成外系統(tǒng)的圖像、串口等數(shù)字量數(shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)，同時(shí)完成系統(tǒng)的在線自檢、供配電控制等功能[1-2]。

遙測(cè)方式有無(wú)線遙測(cè)和存儲(chǔ)回收遙測(cè)兩種，與無(wú)線遙測(cè)相比，存儲(chǔ)回收遙測(cè)具有可獲取更為完整的飛行全程數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)誤碼率低等優(yōu)點(diǎn)[3]，是高速再入飛行器主要遙測(cè)方式之一。傳統(tǒng)存儲(chǔ)器容量一般為4 GB，未采用糾錯(cuò)編碼，隨著再入飛行器測(cè)量信號(hào)種類不斷增多，尤其是高速大容量圖像數(shù)據(jù)測(cè)量需求的提出，傳統(tǒng)存儲(chǔ)器已無(wú)法滿足大容量、低誤碼率的需求[4-6]。同時(shí)，再入飛行器落地時(shí)會(huì)產(chǎn)品大沖擊、二次碰撞、摩擦發(fā)熱等惡劣環(huán)境，對(duì)存儲(chǔ)器的回收防護(hù)也提出了更高的要求[7]。

傳統(tǒng)供配電方式一般為地面供配電，采用PLC技術(shù)[8]和電磁繼電器[9]，由地面發(fā)送模擬控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)飛行器上的供配電、轉(zhuǎn)電等功能，該方式地面設(shè)備多、操作復(fù)雜，可靠性低[10]。

飛行器測(cè)試時(shí)或發(fā)射前一般在地面采用人工判讀的方式判斷系統(tǒng)是否工作正常，該方式效率不高，不夠智能，且容易出現(xiàn)誤判[9-10]。

本文提出的再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提高了存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量和可靠性，降低存儲(chǔ)器誤碼率，簡(jiǎn)化地面供配電測(cè)試設(shè)備及操作，節(jié)約研制成本和人力成本，提高了飛行器智能化和測(cè)試性水平。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)采用存儲(chǔ)器硬回收方式，隨再入飛行器落地，回收后將存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)讀出，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，作為評(píng)估飛行試驗(yàn)的依據(jù)。

系統(tǒng)由采編存儲(chǔ)設(shè)備、供配電設(shè)備以及傳感器變換器組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)組成框圖

其中采編存儲(chǔ)設(shè)備包括采編器、接口控制器和存儲(chǔ)器。采編器接收傳感器變換器輸出的電壓模擬量信號(hào)，進(jìn)行采集、編碼、組幀，并發(fā)送給存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)。接口控制器接收外系統(tǒng)的圖像、串口等數(shù)字量數(shù)據(jù)，重新組幀后發(fā)送給存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)；接收地面測(cè)控系統(tǒng)的控制指令并轉(zhuǎn)發(fā)給存儲(chǔ)器，接收存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給地面測(cè)控系統(tǒng)，接收存儲(chǔ)器的狀態(tài)信息并轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)字配電器。存儲(chǔ)器接收采編器輸出的采編數(shù)據(jù)和接口控制器輸出的備份數(shù)據(jù)，進(jìn)行存儲(chǔ)；接收經(jīng)接口控制器轉(zhuǎn)發(fā)的地面控制指令，進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、擦除、下載、停止下載等操作。

供配電設(shè)備包括數(shù)字配電器、二次電源和鋰電池。數(shù)字配電器通過(guò)1553B總線接口接收地面測(cè)控系統(tǒng)控制指令，包括自檢、轉(zhuǎn)電、關(guān)機(jī)等指令，完成供配電控制、自檢以及狀態(tài)測(cè)量等功能。二次電源接收數(shù)字配電器的28 V供電輸入，轉(zhuǎn)換為二次電源，為存儲(chǔ)器、傳感器變換器等設(shè)備供電。鋰電池為再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)提供一次28 V電源。

傳感器變換器測(cè)量再入飛行器上的力學(xué)、熱學(xué)等環(huán)境參數(shù)，并將參數(shù)值轉(zhuǎn)換為電壓模擬量輸出給采編器。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

2.1 大容量、低誤碼率、高可靠存儲(chǔ)回收設(shè)計(jì)

本遙測(cè)系統(tǒng)采用存儲(chǔ)硬回收方案，存儲(chǔ)器為本系統(tǒng)的核心設(shè)備，大容量低誤碼率可靠存儲(chǔ)技術(shù)以及落地后的結(jié)構(gòu)回收防護(hù)技術(shù)是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)技術(shù)。

2.1.1 大容量冗余備份存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器需要存儲(chǔ)再入飛行器環(huán)境參數(shù)及工作狀態(tài)，還要存儲(chǔ)外系統(tǒng)的圖像及串口等備份數(shù)據(jù)。

存儲(chǔ)器由3個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)模塊組成，每個(gè)存儲(chǔ)模塊有兩片容量為16 GB的NAND Flash芯片，如圖2所示。存儲(chǔ)模塊1和2用來(lái)存儲(chǔ)再入飛行器環(huán)境參數(shù)及工作狀態(tài)，為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性，存儲(chǔ)模塊1和2中的四片F(xiàn)lash芯片同步記錄，互為備份。存儲(chǔ)模塊3用于存儲(chǔ)外系統(tǒng)圖像及串口數(shù)據(jù)，兩片F(xiàn)lash芯片串行記錄，先記錄第一片，第一片記錄滿之后開始記錄第二片，存儲(chǔ)容量擴(kuò)展為32 GB。根據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)速率計(jì)算，存儲(chǔ)器可連續(xù)存儲(chǔ)9 h數(shù)據(jù)。

圖2 存儲(chǔ)器組成框圖

存儲(chǔ)模塊1、存儲(chǔ)模塊2和存儲(chǔ)模塊3組成相同，均包括兩塊NAND Flash芯片、FPGA單元、RS422接口芯片、金手指、LVDS接收器、LVDS發(fā)送器以及電源模塊。

FPGA單元接收來(lái)自LVDS接收器的數(shù)據(jù)，如果上電30 s內(nèi)未接收到地面測(cè)試系統(tǒng)的“下載”或“擦除”指令，則將接收的數(shù)據(jù)同時(shí)寫入兩塊NAND Flash芯片中，否則根據(jù)控制指令對(duì)兩塊NAND Flash芯片進(jìn)行擦除或下載操作，將下載的數(shù)據(jù)通過(guò)LVDS發(fā)送器向外輸出。

RS422接口芯片用于接收接口控制器轉(zhuǎn)發(fā)的地面測(cè)試系統(tǒng)控制指令，并發(fā)送給FPGA單元。一個(gè)字節(jié)的幀頭和一個(gè)字節(jié)的指令構(gòu)成一個(gè)指令字，指令字重復(fù)三遍組成一個(gè)控制指令幀。

電源模塊為存儲(chǔ)模塊上的各個(gè)器件供電。

金手指用于將兩塊NAND Flash芯片的管腳引出，在存儲(chǔ)模塊上電源模塊、FPGA單元或LVDS發(fā)送器或其他相關(guān)器件失效時(shí)，能夠從外部對(duì)NAND Flash芯片進(jìn)行寫入、擦除或下載操作。

2.1.2 基于ECC糾錯(cuò)編碼的低誤碼率設(shè)計(jì)

NAND Flash芯片在進(jìn)行編程時(shí)存在比特翻轉(zhuǎn)的情況，而且容量越大，比特翻轉(zhuǎn)的概率越大，為了減小數(shù)據(jù)存儲(chǔ)誤碼率，采用了ECC校驗(yàn)算法，存儲(chǔ)器誤碼率可降低至10-10。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，使用漢明編碼產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生ECC校驗(yàn)碼，每512 Byte有效數(shù)據(jù)產(chǎn)生3 Byte的校驗(yàn)碼，并存儲(chǔ)在每頁(yè)的用戶空閑區(qū)域，每頁(yè)共存儲(chǔ)8 KByte有效數(shù)據(jù)，因此共產(chǎn)生16組校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程如圖3所示。

圖3 采用ECC校驗(yàn)算法的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)示意圖

數(shù)據(jù)下載過(guò)程中，首先從Flash芯片的每頁(yè)中讀出有效數(shù)據(jù)，同時(shí)從每頁(yè)的用戶空閑區(qū)域讀出ECC校驗(yàn)碼，根據(jù)漢明碼產(chǎn)生模塊產(chǎn)生新的ECC校驗(yàn)碼，比特糾錯(cuò)定位模塊將新生成的ECC校驗(yàn)碼和讀出的校驗(yàn)碼進(jìn)行對(duì)比，如果有誤碼，確定出誤碼位置。為了加快下載速度，設(shè)計(jì)了乒乓緩存模塊，在乒乓緩存模塊中根據(jù)誤碼位置對(duì)誤碼進(jìn)行糾正。數(shù)據(jù)讀取過(guò)程如圖4所示。

圖4 采用ECC校驗(yàn)算法的數(shù)據(jù)讀取示意圖

2.1.3 可靠性設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器響應(yīng)的指令有“下載”、“停止下載”，“擦除”3個(gè)指令。為了防止再入飛行器在飛行過(guò)程中，存儲(chǔ)器由于受到干擾導(dǎo)致存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)誤擦除，以及意外斷電重啟導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，進(jìn)行了以下可靠性設(shè)計(jì)：

1)存儲(chǔ)器每次上電后等待30 s，只在30 s內(nèi)響應(yīng)“下載”、“擦除”指令，在30 s內(nèi)如果接收到擦除指令，則擦除存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，同時(shí)將當(dāng)前寫地址復(fù)位為存儲(chǔ)器首地址，如果接收到下載指令，則下載數(shù)據(jù)，擦除或下載完成后存儲(chǔ)器進(jìn)入空閑狀態(tài)；

2)在30 s之內(nèi)如果沒(méi)有接收到任何指令，30 s后自動(dòng)進(jìn)入記錄狀態(tài)，存儲(chǔ)器從當(dāng)前存儲(chǔ)的記錄地址順序記錄，能夠存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)更新當(dāng)前記錄地址，當(dāng)前記錄地址在存儲(chǔ)器斷電后不消失，斷電重啟后能夠從上次存儲(chǔ)位置自動(dòng)進(jìn)行續(xù)存，不會(huì)將上次數(shù)據(jù)覆蓋。進(jìn)入記錄狀態(tài)后，不再接收任何指令。存儲(chǔ)器記滿后，則不再記錄，防止覆蓋以往數(shù)據(jù)。

2.1.4 抗高沖擊結(jié)構(gòu)回收防護(hù)設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了復(fù)合防護(hù)結(jié)構(gòu)，鈦合金內(nèi)筒加外部高強(qiáng)度鋼殼體的防護(hù)方式，在內(nèi)桶和外殼間設(shè)置非金屬隔離層，觸地方向采用整體半球頭，殼體內(nèi)部采用灌封工藝，在保證一定強(qiáng)度的同時(shí)減輕內(nèi)部重量，實(shí)現(xiàn)了落地沖擊和二次撞擊時(shí)，導(dǎo)致的防護(hù)結(jié)構(gòu)變形、引出電纜被切斷或產(chǎn)生火焰等嚴(yán)酷條件下存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)能夠正?；刈x。

2.2 基于1553B總線的數(shù)字化供配電設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)字配電器方案設(shè)計(jì)

數(shù)字配電器是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化供配電和在線故障診斷功能的核心設(shè)備，通過(guò)1553B總線接口接收地面測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送的自檢、起飛、轉(zhuǎn)電、關(guān)機(jī)等指令，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)操作，向地面測(cè)控系統(tǒng)反饋?zhàn)詸z和轉(zhuǎn)電結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行在線測(cè)量并存儲(chǔ)。

數(shù)字配電器由電源模塊、1553B總線模塊、配電模塊和采集模塊組成，如圖5所示。

圖5 數(shù)字配電器組成框圖

電源模塊將28 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V電壓，給其他模塊供電。

1553B總線模塊與地面測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊，接收地面測(cè)控系統(tǒng)發(fā)送的自檢指令，進(jìn)行自檢并將自檢結(jié)果反饋給地面測(cè)控系統(tǒng)；接收起飛指令并發(fā)送給采集模塊；接收轉(zhuǎn)電指令發(fā)送給配電模塊；接收采集模塊發(fā)送的配電輸出電壓和電流等參數(shù)，編幀后發(fā)送給采編器進(jìn)行編幀并遙測(cè)下傳；接收緊急斷電指令并發(fā)送給配電模塊。

配電模塊在地面上電后，通過(guò)地面電源為飛行器上各用電設(shè)備供電；接收到轉(zhuǎn)電指令后，切換為電池為各用電設(shè)備供電；接收到緊急斷電指令后，同時(shí)斷開地面電源和電池供電。

采集模塊采集配電模塊的供電電壓、電流以及二次電源發(fā)送過(guò)來(lái)的電壓，發(fā)送給1553B總線模塊作為自檢結(jié)果上報(bào)；接收到起飛指令時(shí)，將起飛信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給采編器進(jìn)行遙測(cè)幀計(jì)數(shù)的清零。

2.2.2 供配電設(shè)計(jì)

供配電設(shè)計(jì)電路如圖6所示，其中K1、K2、K3為固態(tài)繼電器，V1、V2為二極管，核心處理器采用DSP芯片。二極管V1和V2的作用是防止地面供電或電池供電的電流倒灌。

地面測(cè)控系統(tǒng)首先給數(shù)字配電器供電，數(shù)字配電器加電后，其中的DSP開始工作，接通K1和K2，完成28 V配電和電池加溫配電功能，遙測(cè)系統(tǒng)其他設(shè)備開始工作，加溫電路視環(huán)境溫度確定是否進(jìn)行加溫。

當(dāng)數(shù)字配電器通過(guò)1553B接口接收到轉(zhuǎn)電指令后，接通K3，保持K1接通，同時(shí)切斷K2。

為了提高系統(tǒng)可靠性，防止DSP芯片因受到干擾導(dǎo)致死機(jī)或程序跑飛，繼電器K1和K3具有指令保持功能。采用將DSP的控制信號(hào)輸出到CPLD，由CPLD輸出高電平直接控制固態(tài)繼電器，即使DSP出現(xiàn)復(fù)位或跑飛現(xiàn)象，CPLD仍然能夠按照內(nèi)部邏輯鎖定控制信號(hào)，輸出高電平以保持K1和K3的接通。

當(dāng)數(shù)字配電器通過(guò)1553B接口接收到關(guān)機(jī)指令后，切斷K1、K2和K3，系統(tǒng)斷電。

圖6 供配電設(shè)計(jì)電路圖

2.2.3 在線故障診斷設(shè)計(jì)

數(shù)字配電器接收到地面測(cè)控系統(tǒng)發(fā)出的自檢指令后，對(duì)全系統(tǒng)的供電情況以及存儲(chǔ)器工作狀態(tài)進(jìn)行自檢，并通過(guò)1553B總線上報(bào)自檢結(jié)果，地面測(cè)控系統(tǒng)根據(jù)自檢結(jié)果，可以對(duì)故障進(jìn)行診斷和快速定位，確定飛行器是否具備發(fā)射條件。

2.2.4 狀態(tài)測(cè)量存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

在飛行器地面測(cè)試以及飛行過(guò)程中，數(shù)字配電器會(huì)對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的內(nèi)容主要包括系統(tǒng)工作的電壓電流、接收到的指令以及自檢和轉(zhuǎn)電結(jié)果，把這些數(shù)據(jù)打包為一個(gè)數(shù)據(jù)幀，通過(guò)兩路RS422接口分別發(fā)送給存儲(chǔ)器進(jìn)行存儲(chǔ)和地面測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

存儲(chǔ)器參加了炮擊試驗(yàn)，使用某型火炮，按照設(shè)定的炮擊速度將存儲(chǔ)器發(fā)射出去，撞擊到按照配比要求夯實(shí)的靶標(biāo)上，炮擊試驗(yàn)后，存儲(chǔ)器外部及內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變形，灌封材料完整，存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)順利讀出后經(jīng)判讀完整正確，驗(yàn)證了存儲(chǔ)器在高速侵徹靶板介質(zhì)產(chǎn)生的大沖擊環(huán)境和熱環(huán)境下具有良好的防護(hù)能力。

再入飛行器遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)了溫循、振動(dòng)、老煉等驗(yàn)收試驗(yàn)以及沖擊、濕熱等鑒定試驗(yàn)，參加了電氣系統(tǒng)匹配試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等多項(xiàng)大型地面試驗(yàn)，并通過(guò)了多次飛行試驗(yàn)考核，飛行試驗(yàn)取得圓滿成功，系統(tǒng)均工作正常，完整獲取到了全程飛行試驗(yàn)遙測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的大容量、低誤碼率、高可靠存儲(chǔ)回收技術(shù)解決了長(zhǎng)時(shí)間大容量存儲(chǔ)問(wèn)題，與無(wú)線遙測(cè)相比，誤碼率降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)，實(shí)現(xiàn)了高沖擊條件下遙測(cè)數(shù)據(jù)的可靠回收。提出的數(shù)字化供配電技術(shù)、在線故障診斷技術(shù)等，解決了傳統(tǒng)供配電方式中存在的測(cè)試設(shè)備復(fù)雜、崗位多、可靠性低等問(wèn)題，簡(jiǎn)化了地面測(cè)試，節(jié)約研制成本，解決了飛行器發(fā)射前故障診斷實(shí)時(shí)性要求高的問(wèn)題，提高了飛行器智能化和測(cè)試性水平。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某再入飛行器，經(jīng)過(guò)了飛行試驗(yàn)考核，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。