一種衛(wèi)星溫度自主管理的優(yōu)化設(shè)計

劉 博，喬 梁，毛 亮，姜 博

（1.北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2.錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室，北京 100094）

0 引言

航天器是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)，由數(shù)百臺設(shè)備和部件組成。過高或過低的溫度都會影響各個設(shè)備部件的正常工作。目前，航天任務(wù)更加多樣化，航天器的軌道熱環(huán)境以及星上電子設(shè)備工作模式也愈加復(fù)雜。衛(wèi)星在進入預(yù)定軌道后，惡劣的空間環(huán)境、高熱流密度部件散熱等均是影響星上熱控系統(tǒng)的不確定因素［1-5］。航天器在軌工作期間內(nèi)部溫度變化、內(nèi)外熱交換過程是熱控關(guān)注的重點，為確保航天器中各項儀器設(shè)備正常工作，需要在這些方面進行嚴格控制［6］。近年來，我國在載人航天、深空探測等領(lǐng)域相繼取得了舉世矚目的成就，我國的航天器熱控制技術(shù)在這些重大專項的牽引下也得到了長足的發(fā)展［7］。

空間任務(wù)需求的多樣化使得航天器的軌道機動范圍趨向復(fù)雜，為了更好地適應(yīng)多變的空間熱環(huán)境，航天器自身必須具備良好的自主熱控能力［8-9］。當前航天器上廣泛采用的熱控措施大致分為被動式和主動式兩大類。將隔熱與散熱兩種方式結(jié)合起來，通過合理組織航天器內(nèi)外熱交換，將航天器內(nèi)部維持在一個相對穩(wěn)定的適宜溫度范圍［10］。被動式熱控制是一種開環(huán)式控制，在設(shè)計中要確保布局合理、材料適合，以此來完成航天器內(nèi)外的熱交換過程。被動式熱控實施起來簡便易行，但很難做到自動調(diào)節(jié)儀器設(shè)備的溫度［11-12］。傳統(tǒng)的熱控設(shè)計已經(jīng)不能適應(yīng)越來越復(fù)雜的空間熱環(huán)境，在被動控溫基礎(chǔ)上發(fā)展出來的智能化熱控系統(tǒng)，能夠滿足各領(lǐng)域復(fù)雜任務(wù)的熱控需求。其采用主動式熱控制，使得航天器具備極高的熱環(huán)境變化適應(yīng)能力［13-16］。主動式熱控制是一種閉環(huán)控制，溫度敏感器、控制器和執(zhí)行裝置這三部分組成了主動熱控系統(tǒng)［17］?？刂破鞑杉綔囟让舾衅鞯臏囟刃畔⒑?，與預(yù)設(shè)的溫度范圍進行比較，然后根據(jù)比較后的結(jié)果發(fā)送命令，控制執(zhí)行裝置完成動作，從而實現(xiàn)自主控溫［18］。主動式熱控最初完全依賴于地面遙控，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，到今天自主熱控管理已成為航天器主動式熱控的主要方式［19］。

溫度自主管理是主動式熱控制的主要表現(xiàn)形式，也是熱管理技術(shù)的重要發(fā)展方向。作為衛(wèi)星主動式熱控的控制中樞，溫度自主管理系統(tǒng)要確保星上設(shè)備或部件的溫度始終保持在適合的范圍內(nèi)，從而保證衛(wèi)星系統(tǒng)在軌運行的高可靠性和安全性。

1 溫度自主管理原理

溫度自主管理系統(tǒng)在盡量不依賴于外界干預(yù)的前提下，能夠自主地完成各項儀器設(shè)備的溫度管理工作，確保航天器在生命周期內(nèi)穩(wěn)定運行［20］。在航天器中，傳統(tǒng)的溫度自主管理系統(tǒng)通常是由上位機和下位機1組成，它的基本原理是：在被控設(shè)備上安裝加熱器和熱敏電阻。下位機1負責采集熱敏電阻阻值和加熱器開關(guān)狀態(tài)，熱敏電阻阻值的變化在下位機1中變成數(shù)字信號后和加熱器開關(guān)狀態(tài)一起通過1553B總線向上位機提供。上位機的溫度自主管理軟件根據(jù)接收到的溫度數(shù)據(jù)和固化在軟件中的控制溫度閾值比較，發(fā)出相應(yīng)的加熱器通斷指令，經(jīng)下位機1轉(zhuǎn)發(fā)給被控設(shè)備的加熱器回路，完成加熱器回路的接通或斷開，從而實現(xiàn)對儀器或部件的自動控溫。傳統(tǒng)的溫度自主管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的溫度自主管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在溫度自主管理系統(tǒng)中，每條指令控制一路加熱器的開關(guān)，加熱器開關(guān)狀態(tài)通常由一個bit的遙測表示（0表示斷，1表示開），熱敏電阻的實測溫度經(jīng)過A／D 轉(zhuǎn)換后，用一個byte的遙測表示。

加熱器回路的控制周期以及溫度閾值在上位機的溫度自主管理軟件中固化。在每個控制周期里，下位機1分別獲取一個回路的實測溫度和加熱器開關(guān)狀態(tài)參數(shù)，并通過1553B總線轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。在上位機的溫度自主管理軟件中，將采集到的回路溫度和軟件中固化的溫度閾值進行比較，如果回路的溫度數(shù)字采樣值連續(xù)3 次大于高溫閾值，并且回路開關(guān)狀態(tài)為接通，則上位機發(fā)送該回路加熱器斷開指令；如果回路的溫度數(shù)字采樣值連續(xù)3次小于低溫閾值，并且回路狀態(tài)為斷開，則上位機發(fā)送該回路加熱器接通指令。上位機溫度自主管理軟件的工作流程如圖2所示。

圖2 溫度自主管理軟件的工作流程

圖1所示的溫度自主管理系統(tǒng)，已經(jīng)經(jīng)過了多顆衛(wèi)星的地面和在軌驗證，系統(tǒng)工作良好，在溫度管理過程中未發(fā)生過回路報警情況。

2 溫度自主管理系統(tǒng)的變化

在一些衛(wèi)星中，由于系統(tǒng)需求變化以及衛(wèi)星布局調(diào)整，下位機1和部分被控設(shè)備之間增加了兩級設(shè)備：下位機2和3。其中，下位機2和下位機1之間采用422總線連接，下位機3和下位機2之間采用串口連接。使得溫度自主管理系統(tǒng)發(fā)生了一定變化。新的溫度自主管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 新的溫度自主管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖3中可以看出，下位機1和下位機2通過422總線連接。422總線采用點對多的拓撲結(jié)構(gòu)，下位機1作為422總線的主機，對外連接8個從機，下位機2為其中一個從機。下位機1采用輪詢方式，每0.5秒向一個從機發(fā)送一次“要數(shù)信息”，4秒鐘輪詢一遍。下位機2每接收到一次 “要數(shù)信息”后，將“要數(shù)信息”轉(zhuǎn)發(fā)給下位機3，下位機3接收到“要數(shù)信息”后，將采集到的回路溫度和加熱器開關(guān)狀態(tài)等遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機2，并由下位機2轉(zhuǎn)發(fā)給下位機1。在422通信協(xié)議中，指令發(fā)送優(yōu)先于遙測回傳，即當該0.5秒周期內(nèi)有主機發(fā)送給任一從機的422指令時，則不會回傳從機的遙測數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更改后，由原有的一條指令控制一個加熱器回路變?yōu)橐粭l指令控制8個回路。下位機2在收到下位機1發(fā)送的加熱器開關(guān)指令后，需要將這條指令譯碼成兩條指令（一條加熱器負端通斷，一條加熱器正端通斷）后再通過串口將兩條指令順序發(fā)送給被控設(shè)備，一條通斷指令8個bit，能同時控制4路加熱器正端的通斷以及另外4路加熱器負端的通斷，即發(fā)送一條加熱器開關(guān)指令可以同時控制8路加熱器的通斷。指令發(fā)送順序要求必須為先接通或斷開加熱器負端后接通或斷開加熱器正端，連續(xù)發(fā)令。下位機2每次發(fā)令前，要根據(jù)最近一次采集到的8個回路通斷狀態(tài)作參考，確保指令發(fā)送后不會更改其他回路的通斷狀態(tài)。

3 系統(tǒng)變化后帶來的問題

采用圖3所示的溫度自主管理系統(tǒng)后，多個回路在地面測試中發(fā)生了報警。

3.1 回路報警機制

上位機自主發(fā)送加熱器回路通斷指令后，如果回路開關(guān)狀態(tài)與指令預(yù)期不一致，則上位機軟件會啟動回路報警機制。

回路報警的機理為：上位機軟件發(fā)送加熱器回路通斷指令后，會對相應(yīng)加熱器回路的開關(guān)狀態(tài)進行3 次判斷，若3次判斷的開關(guān)狀態(tài)與期望得到的結(jié)果一致，則不再繼續(xù)發(fā)通斷指令。若3次判斷全錯或不一致，則最多再發(fā)送兩次指令，在每次指令后均做3次判斷。發(fā)指令后，3次判斷全部正確，則不再繼續(xù)發(fā)指令。發(fā)第三次指令后狀態(tài)仍全錯或不一致，則置該回路的報警狀態(tài)并通過遙測下傳到地面。發(fā)出報警信號后不再繼續(xù)自主發(fā)送該回路的指令，并將該回路自控狀態(tài)設(shè)置為禁止。加熱器回路報警的工作流程如圖4所示。

圖4 加熱器回路報警的工作流程

3.2 系統(tǒng)變化后回路報警的原因

上位機每0.5秒控制一路加熱器。根據(jù)下位機2和3之間的串口協(xié)議，下位機3最快8秒才能將采集的被控設(shè)備的溫度參數(shù)和開關(guān)狀態(tài)參數(shù)發(fā)送給下位機2。由于下位機2發(fā)送的一條加熱器開關(guān)指令可同時控制8路加熱器的通斷，并且下位機1和2之間的接口是指令優(yōu)先，因此如果8秒內(nèi)有同一指令中的多路加熱器都需要發(fā)指令進行通斷控制，則下位機1和2之間的422通信鏈路會一直被加熱器指令所占據(jù)，導(dǎo)致下位機3 收不到下位機2 轉(zhuǎn)發(fā)的“要數(shù)信息”，無法采集被控設(shè)備加熱器最新的通斷狀態(tài)，將導(dǎo)致發(fā)送某一路通斷指令前參考的其他路的通斷狀態(tài)遙測未更新，從而使得這一路加熱器指令將會改變其他路的開關(guān)狀態(tài)，最終導(dǎo)致其他路加熱器的開關(guān)狀態(tài)遙測與指令的預(yù)期不符。

下面舉例進行說明：根據(jù)下位機2和下位機3之間的接口協(xié)議，下位機2發(fā)送給下位機3的指令格式如表1所示。

表1 下位機2和3之間的指令格式

如表1所示，一條指令可以同時控制加熱器1-4的正端和5-8的負端。假設(shè)加熱器1-4對應(yīng)的被控設(shè)備的溫度均低于低溫閾值，且加熱器1正端、加熱器2正端、加熱器3正端、加熱器4正端都是“0”（斷狀態(tài)），4個加熱器都需要接通。按照溫度自主管理的原理，上位機將順序發(fā)送4個回路的接通指令。上位機首先發(fā)送加熱器1 接通指令，經(jīng)過下位機1轉(zhuǎn)發(fā)到下位機2，下位機2發(fā)送指令前先對接收到的加熱器2-4的開關(guān)遙測進行判斷，加熱器2、3、4的開關(guān)狀態(tài)都是0，因此依次發(fā)送負端接通指令＊＊＊＊0001和正端接通指令＊＊＊＊0001，將加熱器1接通；上位機接著發(fā)送加熱器2接通指令，由于發(fā)送指令優(yōu)先于遙測回傳，且下位機3遙測回傳的周期最短是8秒，因此在下位機2發(fā)送指令前收到的遙測未更新，加熱器1、3、4的開關(guān)狀態(tài)都是0，因此依次發(fā)送負端和正端接通指令均為＊＊＊＊0010，接通加熱器2，關(guān)斷加熱器1；上位機發(fā)送加熱器3接通指令時，下位機2判斷加熱器1、2、4都是0，依次發(fā)送負端和正端接通指令＊＊＊＊0100，接通加熱器3，關(guān)斷加熱器1和2；上位機發(fā)送加熱器4接通指令時，判斷1、2、3都是0，依次發(fā)送負端和正端接通指令＊＊＊＊1000，接通加熱器4，關(guān)斷加熱器1、2和3；因此發(fā)送4條通指令后的實際結(jié)果是只有4接通，其他均關(guān)斷，1，2，3開關(guān)狀態(tài)與預(yù)期不符。

上位機對加熱器1-4的開關(guān)狀態(tài)進行3次判斷，其中只有加熱器4的開關(guān)狀態(tài)與期望的結(jié)果一致，其他3路開關(guān)狀態(tài)均與預(yù)期不一致。因此上位機再發(fā)送兩次指令。發(fā)送第二次指令后，對加熱器1-3的開關(guān)狀態(tài)進行3次判斷，加熱器3開關(guān)狀態(tài)與指令預(yù)期相符，1和2的開關(guān)狀態(tài)與指令不符。發(fā)送第三次指令后，對加熱器1-2的開關(guān)狀態(tài)進行3次判斷，加熱器2開關(guān)狀態(tài)與指令預(yù)期相符，1的開關(guān)狀態(tài)與指令不符。按照回路報警機理，加熱器1回路自控禁止并向地面報警。加熱器1-4指令發(fā)送與開關(guān)狀態(tài)判斷時序表如表2所示。

表2 加熱器1-4指令發(fā)送與開關(guān)狀態(tài)判斷時序表

經(jīng)過分析，產(chǎn)生加熱器回路報警有兩個條件：

1）每8秒內(nèi)有4個及以上加熱器回路通斷指令要發(fā)送（由于溫度自主管理指令發(fā)送3次，則3個回路及以下可成功執(zhí)行）；

2）這4個及以上回路通斷定義在同一條指令里。

4 溫度自主管理的優(yōu)化設(shè)計方案

針對系統(tǒng)變化帶來的加熱器回路報警問題，提出了兩種優(yōu)化設(shè)計方案：

1）下位機2在每次發(fā)送加熱器通斷指令前，增加一次從下位機3取遙測的操作，確保取到最新的加熱器開關(guān)狀態(tài)。這樣可以保證當同一指令里多個加熱器同時需要通斷操作時，不會出現(xiàn)由于遙測更新不及時而將其他加熱器回路誤開或誤關(guān)的問題。

2）將回路報警機制中發(fā)送同一加熱器通斷指令的重試次數(shù)增加。由于下位機2發(fā)送一條指令最多可以控制8個加熱器回路，因此最多重復(fù)發(fā)送8次指令即可確保8個回路開關(guān)狀態(tài)與指令預(yù)期一致?？紤]一定的余量，將指令重試次數(shù)由2次增加到9次，即指令發(fā)送10次以后，加熱器狀態(tài)仍全錯或不一致，則置回路的報警狀態(tài)并將回路自控禁止。

方案1）需要下位機2在發(fā)送指令前，增加從下位機3取遙測的操作，下位機2 運行的嵌入式軟件要進行更改。方案2）只將上位機軟件中兩處指令發(fā)送次數(shù)判斷的語句進行更改，把3次改為10次，不增加額外的語句，不影響原邏輯，下位機1-3的嵌入式軟件不需要進行更動。通過比較兩個方案的更動量和更改難度，選擇方案2）作為優(yōu)化設(shè)計方案。

方案2）的更改內(nèi)容如下：

將函數(shù)void Check＿Chan＿Onoff＿Status（chan＿ctrl＊chan）兩處語句進行修改。

5 實驗結(jié)果與分析

采用桌面聯(lián)試的方法對優(yōu)化設(shè)計后的溫度自主管理功能進行驗證。按照圖3完成溫度自主管理系統(tǒng)的搭建，其中采用負載箱代替被控設(shè)備。

聯(lián)試過程如下：

1）回路1-8均設(shè)為低于低溫閾值：

（1）通過上位機→下位機1→下位機2對下位機3發(fā)送配置指令，工作狀態(tài)查詢指令，通過遙測確認溫度自主管理系統(tǒng)的遙測遙控通路正常，并對下位機3完成配置；

（2）通過上位機發(fā)送加熱器1-8回路斷指令（加熱器1-8回路在同一個字節(jié)中），對應(yīng)的負載箱回路顯示燈滅；

（3）設(shè)置加熱器1-8回路對應(yīng)的溫度量0x66（對應(yīng)溫度0度），使得這8路溫度均低于低溫閾值0x4B（對應(yīng)溫度20度）；

（4）通過上位機依次發(fā)送溫度自主管理系統(tǒng)所有回路自控禁止指令、加熱器1-8回路自控使能指令、熱控軟件使能指令并開始計時；

（5）觀察負載箱，加熱器1-8回路從第8路到第1路每隔75秒依次接通，對應(yīng)負載箱的回路燈亮；

（6）800秒后，依次單回路下傳加熱器1-8回路的回路狀態(tài)，8個回路均無報警。

2）回路1-8均設(shè)為高于高溫閾值：

（1）通過上位機發(fā)送溫度自主管理系統(tǒng)所有回路自控禁止指令；

（2）通過上位機發(fā)送加熱器1-8回路通指令，對應(yīng)的負載箱回路顯示燈亮；

（3）設(shè)置加熱器1-8回路對應(yīng)的溫度量0x30（對應(yīng)溫度45度），使得這8路溫度均高于高溫閾值0x35（對應(yīng)溫度40度）；

（4）通過上位機依次發(fā)送加熱器1-8回路自控使能指令并開始計時；

（5）觀察負載箱，加熱器1-8回路從第8路到第1路每隔75秒依次斷開，對應(yīng)負載箱的回路燈滅；

（6）800秒后，依次單回路下傳加熱器1-8回路的回路狀態(tài)，8個回路均無報警。

3）回路1-8溫度任意設(shè)置：

（1）通過上位機發(fā)送溫度自主管理系統(tǒng)所有回路自控禁止指令；

（2）發(fā)送加熱器2、4通指令，負載箱回路2、4燈亮；發(fā)送加熱器1、3、5-8 斷指令，負載箱回路1、3、5-8燈滅；

（3）設(shè)置加熱器2、4回路對應(yīng)的溫度量0x30為高于高溫閾值0x35，加熱器1、3、5-8回路對應(yīng)的溫度量0x66為低于低溫閾值0x4B；

（4）發(fā)送加熱器1-8回路自控使能指令并開始計時；

（5）觀察負載箱，加熱器1-8回路從第8路到第1路每隔75秒依次動作，其中1、3、5-8回路對應(yīng)的負載箱燈亮，2、4回路燈滅；

800秒后，依次單回路下傳加熱器1-8回路的回路狀態(tài)，8個回路均無報警。

（6）通過對測試結(jié)果的分析，優(yōu)化設(shè)計后的溫度自主管理功能正確。相比優(yōu)化設(shè)計前的系統(tǒng)，增加同一加熱器通斷指令的重試次數(shù)，可以避免由于系統(tǒng)鏈路長、級與級接口之間時序不同步導(dǎo)致的熱控回路報警問題。優(yōu)化后報警周期由225秒延長至750秒，但由于溫度是緩慢變化的，因此報警周期的延長對溫度自主管理的正確性沒有影響。在后續(xù)研究中，應(yīng)進一步簡化溫度管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，避免由于鏈路過長、接口過多帶來的接口匹配性問題，提升衛(wèi)星整體自主管理能力。

6 結(jié)束語

電加熱器熱控是目前衛(wèi)星最常用的熱控自主管理實現(xiàn)方式，經(jīng)過多年的發(fā)展，熱控管理的自主性逐步加強，在大部分衛(wèi)星上都已采用。

本文從提高溫度自主管理系統(tǒng)接口兼容性的角度出發(fā)，提出了增加同一加熱器回路通斷指令的自主重試次數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法。該方法在不改變傳統(tǒng)自主控溫邏輯的前提下，能夠很好地兼容新的溫度管理系統(tǒng)，并已在多個衛(wèi)星中在軌應(yīng)用，取得了良好的效果。