基于路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的GNC系統(tǒng)驅(qū)動控制方法*

劉 博，李小磊，高 潔，劉 攀

（上海航天電子技術(shù)研究所·上?！?01109）

0 引 言

隨著航天任務(wù)復(fù)雜度的提升，特別是火星等深空探測任務(wù)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(qiáng)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(zhuǎn)移段、火星捕獲段等關(guān)鍵軌道時，探測器需要精準(zhǔn)控制，及時制動“剎車”，否則會造成探測任務(wù)失敗。因此，火星探測任務(wù)對制導(dǎo)導(dǎo)航與控制（Guidance，Navigation and Control，GNC）分系統(tǒng)的要求也越來越高。閥門驅(qū)動單元及配電控制單元作為連接GNC系統(tǒng)各單機(jī)并控制推進(jìn)系統(tǒng)的重要樞紐節(jié)點(diǎn)，根據(jù)指令控制分系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備的供電，及時驅(qū)動相應(yīng)的電磁閥噴氣或自鎖閥開關(guān)，對探測器的姿態(tài)和軌道進(jìn)行調(diào)整，以保證探測器能按照預(yù)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(jìn)行驅(qū)動控制，通過姿軌控計(jì)算機(jī)直接發(fā)送各類脈沖電平指令，控制閥門線路盒中的驅(qū)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(jì)算機(jī)中，后端線路盒只是簡單地執(zhí)行驅(qū)動輸出命令，單個姿軌控計(jì)算機(jī)的處理負(fù)擔(dān)過重，既要采集模擬量又要進(jìn)行各類運(yùn)算，還有大量的對外指令接口和驅(qū)動控制接口，無法真正滿足深空探測任務(wù)的自主管理實(shí)時性需求和高可靠性要求。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種適用于深空探測的GNC系統(tǒng)自閉環(huán)驅(qū)動控制方法，通過路由選通的方式對功能模塊進(jìn)行路由調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)GNC系統(tǒng)內(nèi)單機(jī)的集中控制和管理，并應(yīng)用于實(shí)際的火星探測任務(wù)中。

1 路由選通方案設(shè)計(jì)

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

隨著GNC控制算法功能日益復(fù)雜，尤其在長距離的深空探測任務(wù)中，自主實(shí)時控制的要求愈加迫切。為了實(shí)現(xiàn)GNC系統(tǒng)對星上各閥門的精準(zhǔn)控制和連續(xù)噴氣控制，同時實(shí)現(xiàn)GNC系統(tǒng)各單機(jī)的配電控制與設(shè)備的遙測參數(shù)采集，使GNC計(jì)算機(jī)專注于控制算法的執(zhí)行，需要一種能夠?qū)φ麄€GNC系統(tǒng)的控制指令、遙測數(shù)據(jù)、閥門驅(qū)動、配電控制等進(jìn)行調(diào)度的設(shè)備。

綜合以上的分析，本文設(shè)計(jì)了一種路由控制方法，以路由控制模塊作為整個驅(qū)動控制單元的中轉(zhuǎn)樞紐，接收姿軌控計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。

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(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)FPGA查詢訪問SRAM請求（FPGA讀/寫），產(chǎn)生讀/寫SRAM時序，實(shí)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(jìn)行并轉(zhuǎn)串處理并輸出，接收串行數(shù)據(jù)進(jìn)行串轉(zhuǎn)并處理并緩存。指令發(fā)送控制實(shí)現(xiàn)FPGA對輸入的三類指令進(jìn)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(jì)算機(jī)的指令，對指令內(nèi)容進(jìn)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(yīng)通道轉(zhuǎn)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(yīng)用過程識別符（Application Process Identifier，APID）值來更新路由表，并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至后端對應(yīng)的功能模塊。APID共11位，掛在串行總線上的各終端均對應(yīng)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(biāo)識，使用主份或備份電路轉(zhuǎn)發(fā)來自姿軌控計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)。同時，設(shè)計(jì)中具備數(shù)據(jù)錯誤重傳機(jī)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(biāo)識，路由控制模塊會再次向?qū)?yīng)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(jī)內(nèi)各功能模塊的遙測數(shù)據(jù)，并按照各模塊標(biāo)識更新包頭信息后順序發(fā)送至姿軌控計(jì)算機(jī)；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(jìn)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(jī)動或者火星捕獲時，一旦GNC驅(qū)動單元的主機(jī)或備機(jī)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(shí)現(xiàn)故障模塊的主備切換而無需整機(jī)切換，有效節(jié)省了GNC系統(tǒng)的控制響應(yīng)時間，提高了任務(wù)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(qū)動控制單元設(shè)計(jì)方案

2.1 整機(jī)方案概述

為了更適配于深空探測任務(wù)，一個完整的GNC驅(qū)動控制單機(jī)包含電源模塊、路由控制模塊以及一系列可擴(kuò)展的功能模塊，各模塊間使用CPCI內(nèi)總線進(jìn)行信號的互聯(lián)互通。路由控制模塊作為GNC計(jì)算機(jī)與內(nèi)部功能模塊間數(shù)據(jù)的橋接模塊，主要負(fù)責(zé)接收GNC計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，以路由選通的方式向后端功能模塊轉(zhuǎn)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(qū)動控制、自鎖閥管路的驅(qū)動控制，以及對系統(tǒng)各單機(jī)供配電控制等。整個單機(jī)有兩套完全獨(dú)立的電路，可同時雙熱機(jī)工作，或者通過外部指令切換到冷機(jī)工作模式。路由控制模塊通過路由表切換指令，對單機(jī)的主份或備份功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)控制。圖5給出了GNC驅(qū)動控制單元的構(gòu)架方案。

圖5 GNC驅(qū)動控制單元組成框圖Fig.5 GNC drive control unit block diagram

2.2 功能模塊設(shè)計(jì)

1） 遙測采集模塊設(shè)計(jì)

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(jī)的地線均通過1個16選1的多路開關(guān)切換。遙測信號和對應(yīng)地線經(jīng)差分運(yùn)放隔離后送A/D芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，差分運(yùn)放可實(shí)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(zhuǎn)換的遙測數(shù)據(jù)，并按照模塊標(biāo)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(shè)計(jì)

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(jìn)行譯碼，并驅(qū)動OC門集成電路進(jìn)行指令脈沖輸出，對自鎖閥模塊或配電模塊進(jìn)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(jìn)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(duì)列進(jìn)行排隊(duì)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(jìn)變軌噴氣時，減少噴氣時延，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

3） 噴氣驅(qū)動功能模塊設(shè)計(jì)

噴氣驅(qū)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(jìn)行和校驗(yàn)，若正確，返回校驗(yàn)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(biāo)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(gòu)成，包頭含有該功能模塊的主備工作標(biāo)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(yīng)路數(shù)的噴氣指令，驅(qū)動MOS管控制推進(jìn)系統(tǒng)閥門噴氣工作。噴氣指令包實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

a）噴氣驅(qū)動模塊FPGA判斷包中的主備標(biāo)識后，使用噴氣驅(qū)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(yàn)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(shí)際應(yīng)用分析

在火星探測任務(wù)中，路由模塊后端實(shí)際共設(shè)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(qū)動模塊和B組噴氣驅(qū)動模塊，因此實(shí)際使用4路功能終端。通過路由模塊對各功能模塊進(jìn)行有效調(diào)度，調(diào)度控制示意圖如圖6所示。

圖6 GNC驅(qū)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(jī)工作模式下，GNC計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際需要發(fā)送更改路由表指令，以選擇向不同模塊的主機(jī)或者備機(jī)轉(zhuǎn)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(yīng)16個返回通道，火星任務(wù)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(shí)時路由轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)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(wù)可以靈活配置路由的形式，當(dāng)任一功能模塊主份或者備份發(fā)生故障時，GNC計(jì)算機(jī)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(dāng)路由控制模塊自身主份故障時，可由GNC計(jì)算機(jī)判斷后自主切換至備份，由備份對后端模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)工作，且后端模塊始終工作于主份機(jī)；當(dāng)某一功能模塊，如A組噴氣驅(qū)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(zhuǎn)發(fā)至A組噴氣驅(qū)動模塊備份，以執(zhí)行后續(xù)操作。這樣能夠?qū)崿F(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(jìn)行整機(jī)切換（所有模塊從主機(jī)切換至備機(jī)），進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)控制的實(shí)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(qū)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(qū)動控制單元是根據(jù)深空探測任務(wù)需求而全新研制的，相比以往衛(wèi)星的GNC驅(qū)動控制方式，路由選通的控制方式具備更好的機(jī)動性，可靠度和集成度更高，擴(kuò)展性更好，兩種控制方式主要功能指標(biāo)對比情況如表4所示。從表4中可以看出，GNC驅(qū)動控制單元增加了遙測和指令的處理，并且對于閥門的驅(qū)動控制采用了尺寸更小、驅(qū)動能力更強(qiáng)的MOS管，通過一對串口線纜就能實(shí)現(xiàn)GNC計(jì)算機(jī)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(wù)期間，GNC分系統(tǒng)實(shí)施了一系列的閥門驅(qū)動控制：驅(qū)動25N推力電磁閥進(jìn)行姿態(tài)控制，驅(qū)動120N推力電磁閥進(jìn)行一般軌道控制，驅(qū)動3000N自鎖閥進(jìn)行制動捕獲的關(guān)鍵軌道控制。在實(shí)施姿態(tài)調(diào)整期間，對25N和120N電磁閥進(jìn)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(zhuǎn)移、火星捕獲等一系列驅(qū)動控制操作的成功執(zhí)行，證明了基于路由轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的GNC系統(tǒng)驅(qū)動控制方法的有效性和可靠性。

4 結(jié) 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(shè)計(jì)了一種路由轉(zhuǎn)發(fā)驅(qū)動控制的方案，該方案以路由轉(zhuǎn)發(fā)為主節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行功能模塊為從節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)及系統(tǒng)間單機(jī)進(jìn)行集中控制和管理，自主控制性高、擴(kuò)展性強(qiáng)，對外接口更清晰，降低了系統(tǒng)設(shè)備間電纜連接復(fù)雜度，減輕了姿軌控計(jì)算機(jī)端的負(fù)擔(dān)。方案中的路由配置切換模式和指令錯誤重傳機(jī)制，大大提高了驅(qū)動控制的可靠性，在火星探測任務(wù)的全過程中，有效驗(yàn)證了該方案的穩(wěn)定性和功能性。