一种卫星电推进系统测控单元的制作方法

1.本发明涉及航天器电推进技术领域，特别是涉及一种卫星电推进系统测控单元设计，尤其可应用于射频离子电推进系统。


背景技术：

2.随着射频离子和霍尔电推进技术的不断发展，电推进系统以其具备的高功率、高比冲、长寿命等优点，是未来航天器推进领域最重要的技术方向。对于未来许多深空探测任务以及各类微小卫星，高性能、高可靠的电推进技术能够有效提高航天器的机动能力、控制精度及在轨时间，是完成各项任务所必需的支撑技术。与国外先进水平相比，我国工程应用还处于初步阶段，非常有必要进一步加强和加快技术发展，进而带来显著的经济效益和技术效益。
3.电推进系统主要由推力器、ppu、推进剂贮供系统和数字控制接口单元组成，保证电推进系统高可靠工作仍然是当前面临的巨大技术挑战。尤其是以射频离子电推进技术为代表的结构最为复杂的航天器推进系统，对系统各组件提出了高可靠性、低成本、高度集成化以及高精度的要求。测控单元作为电推进系统的关键控制设备之一，能够集中控制电推进系统内部各个单元组件，并获取系统遥测数据，管理并保障整个系统正常运作，同时能够进行故障诊断与功能重构，对电推进系统的高效能工作起到了至关重要的作用。目前国内多数单位注重于推力器的性能提升与攻关，尚未有研究机构专门开展电推进测控单元的研制工作。随着电子信息技术以及航天微电子技术的快随成熟发展，越来越多的高性能、高可靠及抗高剂量辐照的宇航级集成电路及设计方法应用于各类航天器，也为未来电推进系统的成熟发展提供有力帮助。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有技术中存在的可靠性不高，功能单一、出现故障即失能的问题，提供一种抗辐射、小型化、高度集成、智能可重构的卫星电推进系统测控单元，基于高性能智能可重构计算控制平台实现对电推进系统的功能控制与数据遥测。
5.本发明的技术解决方案为：一种卫星电推进系统测控单元，用于控制卫星电推进系统中的射频功率处理单元、直流电源处理单元及贮供单元，从而实现卫星的变轨与姿控，包括主控和射频功率处理单元控制模块、直流电源处理单元控制模块、贮供单元控制模块以及电源模块；
6.所述主控和射频功率处理单元控制模块，用于接收星务计算机指令，反馈电推进系统状态遥测数据，用于卫星工作流程判断，并根据星务指令存储状态数据，同时设置射频功率处理单元的入射功率、反射功率，同时采集其频率参数；
7.所述直流电源处理单元控制模块，用于控制直流电源处理单元，实现正负高压输出的使能与调节，实现加热的使能与调节，实现点火的使能与调节，并通过adc采集直流电源处理单元输出的电压电流值；
8.所述贮供单元控制模块，通过adc采集贮供单元压力传感器反馈值，闭环反馈输出流量调节控制信号，实现推进剂气体流量自主控制；
9.所述电源模块，用于提供测控单元各模块的电源输入，并为贮供单元内各阀门负载提供电压电流，根据外部输入指令为贮供单元内的自锁阀提供使能信号。
10.优选的，主控和射频功率处理单元控制模块、直流电源处理单元控制模块、贮供单元控制模块、电源模块依次自上而下以堆叠的方式进行连接。
11.优选的，所述各控制模块均基于宇航级抗辐射器件设计，辐射总剂量可达100krad(si)。
12.优选的，所述主控和射频功率处理单元控制模块采用可重构处理器为控制核心，内嵌软核及双冗余星务can总线，用于接收星务计算机的控制指令并向各单元发出控制信号，处理并上传卫星电推进系统各项遥测数据；通过抗辐照prom存储器及刷新电路实现软核程序存储与刷新；采用spi flash存储器，满足遥测数据的存储与读取，通过一路双冗余射频can总线发送报文设置射频功率处理单元的频点及功率基准电压，接收报文读取射频功率处理单元的输出功率和反射功率。
13.优选的，所述直流电源处理单元控制模块由双冗余的光耦开关电路及adc采集电路组成，由主控和射频功率处理单元控制模块输出指令控制，光耦开关电路用于控制直流电源处理单元中的正/负高压模块、加热模块、点火模块的通断，并进行不同电压及电流的调节控制；adc采集电路实时采集电压电流值，经主控和射频功率处理单元控制模块反馈至星务计算机。
14.优选的，对于电压电流的调节控制，由设定的oc指令实现，通过设定不同二进制数组成控制指令，分别与直流电源处理单元中需求的不同电压和电流输出相对应。
15.优选的，所述adc采集电路实时采集电压电流反馈值，经中值滤波及拟合后，将得到的电压电流遥测数据发送至星务计算机。
16.优选的，贮供单元控制模块包括dc/dc转换电路、两个开关电路、温度采集a/d芯片、压力采集a/d芯片；
17.dc/dc转换电路对电源模块输入的电压进行二次电源转换，提供贮供单元中阀门通断所需的电压及电流；
18.所述两个开关电路中的一个开关电路由光耦和mos管构成，用于实现对bang-bang电磁阀控制；另一个开关电路通过三极管构成，由主控和射频功率处理单元控制模块输出的可调pwm信号控制，实现推进剂流量的开度调节；所述可调pwm信号由主控和射频功率处理单元控制模块根据压力采集a/d芯片实时采集的压力传感器数值，经线性换算与判断后输出，pwm信号占空比与流量呈线性关系，同时设置压力控制阈值，形成闭环反馈，保持贮供单元输出的推进器气体流量稳定；
19.温度采集a/d芯片实时采集贮供单元内部的热敏电阻两端电压值，经中值滤波拟合转换为贮供单元温度值，并发送至主控和射频功率处理单元控制模块。
20.优选的，由光耦和mos管构成的开关电路输出预设时长高电平控制信号用于控制bang-bang电磁阀开启，开启后输出维持电压保持电磁阀的开启状态，输出低电平即可关闭bang-bang电磁阀。
21.优选的，电源模块提供测控单元各模块的电源输入；通过光耦和mos管构成的开关
电路控制贮供单元内高压自锁阀及低压自锁阀的开启和关断，所述开关电路输出预设时长的高电平信号开启高/低压自锁阀，再输出同样时长的高电平信号即可关闭高/低压自锁阀。
22.本发明与现有技术相比的优点在于：本发明基于智能可重构计算平台设计，同时均选用高可靠宇航级元器件，与一般星载电气组件相比，性能及可靠性得到极大提升。本发明选用的抗辐照可重构处理器，具有足够的接口及逻辑单元可用于功能的集中控制，能够通过软件编程重新构建功能，排除处理器芯片内部因单粒子辐射而损坏的部分，进而避免出现arm、dsp等处理器常见的资源不足及出现故障无法工作等问题。本发明均采用宇航级二三极管、vdoms管设计开关控制电路，响应速度快可靠性高，能够为电推进系统准确工作实现精准变轨提供支持。得益于高性能的宇航级集成电路，本发明不仅重量轻，并且具有很低的功耗，集合不同功能，为卫星载荷释放出有限的空间。
附图说明
23.图1为本发明的总体结构示意图；
24.图2为本发明的主控和射频功率处理单元控制模块示意图；
25.图3为本发明的直流电源处理单元控制模块示意图；
26.图4为本发明的贮供单元控制模块示意图；
27.图5为本发明的电源模块示意图；
28.图6为本发明总体框图。
具体实施方式
29.一种卫星电推进系统测控单元，是卫星射频离子电推进系统的核心控制组件，卫星射频离子电推进系统中还包含射频功率处理单元、直流电源处理单元及贮供单元。测控单元用于控制其它单元，从而实现卫星的变轨与姿控。本发明测控单元如图6所示由主控和射频功率处理单元控制模块1、直流电源处理单元控制模块2、贮供单元控制模块3、电源模块4组成，主控和射频功率处理单元控制模块起核心控制作用，为解决向上通信及向下控制的需求，将各模块的控制功能集中于所述模块，减轻卫星电推进系统各单元负载，并能够在宇宙粒子辐射环境下稳定运行。所述各模块之间按控制次序以堆叠的方式进行连接。如图1所示，主控和射频功率处理单元控制模块1、直流电源处理单元控制模块2、贮供单元控制模块3、电源模块4依次自上而下堆叠的方式连接，并安装在壳体12内，模块所在的电路板之间通过散热凸台14散热，侧面通过散热栅格13散热，在壳体结构背板四角位置安装减振器5，各电路板固定至壳体结构内部的加强筋7；星务can总线与射频can总线接口6、直流电源处理单元控制接口8、直流电源处理单元采集接口9、贮供单元控制接口10、电源接口11设置在壳体的同一侧。上述各模块均基于宇航级抗辐射器件设计，辐射总剂量可达100krad(si)。
30.一、主控和射频功率处理单元控制模块
31.主要用于接收星务计算机指令，反馈推进系统状态遥测数据，用于卫星工作流程判断，并根据星务指令存储状态数据，同时设置射频功率处理单元的入射功率、反射功率，同时采集其频率参数；
32.所述主控和射频功率处理单元控制模块基于智能可重构计算平台设计，以抗辐射
可重构处理器为控制核心，具有丰富的控制接口及逻辑单元，可内嵌软核，实现数据收发、分析和运算；又可以通过编程实现灵活的智能重构，实现程序刷新、故障排除等功能，满足复杂宇航环境下的系统使用需求。内置双冗余星务can总线(双冗余备份设计极大地提升测控单元可靠性)，用于接收星务计算机的控制指令并向各单元发出控制信号，处理并上传卫星电推进系统各项遥测数据，通过一路双冗余射频can总线发送报文设置射频功率处理单元的频点及功率基准电压，接收报文读取射频功率处理单元的输出功率和反射功率。基于64mbit的抗辐照prom存储器及刷新电路实现程序存储与刷新，保障测控单元不受单粒子辐射影响；采用256kbit spi flash存储器，满足遥测数据的存储与读取。
33.本发明给出一优选实施例，如图2所示，主控和射频功率处理单元控制模块1的基本组成，抗辐射可重构处理器选用bqr5vsx95t芯片，通过verilog语言实现通信与控制。刷新电路选用bm501-003cbrh，能够定时刷新程序。can总线控制器选用bsj1000rh，can总线收发器选用b1050rh，同时选用b54acs164245srh电平转换电路实现5v到3.3v的信号转换，双冗余的星务can总线通过星务can总线与射频can总线接口6与星务计算机连接通信，能够接收控制指令并上传遥测数据，双冗余的射频can总线通过星务can总线与射频can总线接口6与射频功率处理单元连接通信，用于发送射频频点及输出功率设置值，同时接收解析反射功率。数据存储器选用b28c256lvrh，用于遥测数据的存储与读取。
34.二、直流电源处理单元控制模块
35.用于控制电推进系统电源处理单元中的正负高压模块、加热模块及点火模块，实现正负高压输出的使能与调节，实现加热的使能与调节，实现点火的使能与调节，并通过adc采集直流电源处理单元输出的电压电流值。
36.直流电源处理单元控制模块由双冗余的光耦开关电路(亦称oc开关电路)及adc采集电路组成，由主控和射频功率处理单元控制模块输出指令控制，用于控制正/负高压模块、加热模块、点火模块的通断，并进行不同电压及电流的调节控制。对于电压电流的调节控制，是由设定的oc指令实现，通过光耦开关电路集中输出oc指令，开启信号置“1”，关闭信号置“0”，组成二进制数100、010、001，分别实现对直流电源处理单元中1050v、1150v、1250v以及2.5a、3.5a、4.5a的输出调节；同样采用双冗余备份设计，保障控制的可靠性。a/d芯片每进行10次采样取中值，在测量范围内取n个点进行采样并拟合线性计算公式，将计算得到的电压电流遥测数据发送至星务计算机。本例中基于8通道的12位抗辐照a/d芯片实时采集电压电流反馈值，经中值滤波及拟合后采样精度可达0.2％。
37.本发明给出一优选实施例，如图3所示，直流电源处理单元控制模块2的基本组成，通过直流电源处理单元控制接口8以及直流电源处理单元采集接口9与直流电源处理单元连接。光电耦合器选用gh302-4r，1路开关控制信号由抗辐射可重构处理器的2路控制信号控制2路光电耦合器的通断，实现双冗余备份以提升电路可靠性。adc采集电路选用抗辐射12位8通道adc b128s102rh为电压电流采样芯片，选用sw136amtrh为电压基准芯片，同时根据隔离要求，在adc与抗辐射可重构处理器之间需增加信号隔离电路，选用bum1401 rh。综上，所述模块能够输出多路oc指令，实现对直流电源处理单元内部各功能模块的控制，并能够实时采集电压电流遥测值并上传至星务计算机。
38.三、贮供单元控制模块
39.贮供单元控制模块主要用于实现气体流量的精准控制与调节，为推力器和中和器
适时提供气体。负责贮供单元中温度和压力的数据遥测，并通过反馈值闭环控制三极管开关电路的通断，进而实现推进剂气体流量的调节。
40.贮供单元控制模块通过光耦和mos管构成的开关电路，实现对bang-bang电磁阀控制，进而控制一种推进剂气体的注入；由主控和射频功率处理单元控制模块输出10ms高电平的开启信号，控制bang-bang电磁阀开启；再持续输出3.2v的维持信号保持bang-bang电磁阀的开启状态，输出低电平即可关闭bang-bang电磁阀。所述开关电路均采用双冗余备份设计，保障控制的可靠性。
41.该模块包含dc/dc转换电路，将电源模块输入电压进行二次电源转换，提供阀门通断所需的电压及电流；该模块还包含两路温度采集a/d芯片(本例中2路单通道的14位抗辐照a/d芯片，采样范围为0.5v-4.5v)，每进行10次采样取中值，在测量范围内取n个点进行采样并拟合线性计算公式(经中值滤波等算法处理后采样精度可达0.2％)，通过相应的计算公式将采集到的贮供单元内部热敏电阻两端电压值转换为贮供单元温度值，由主控和射频功率处理单元控制模块上传至星务计算机。
42.所述模块基于8通道12位抗辐照a/d芯片实时采集贮供单元内部四路推进剂气体管路的压力传感器数值(压力范围0-206kpa所对应的采样电压值为0.5v-4.5v，且呈线性关系)；通过三极管构成的开关电路，用于实现气体流量调节，该开关电路由主控和射频功率处理单元控制模块输出的可调pwm信号控制，pwm信号的不同占空比决定推进剂调节的开度(呈线性关系)；同时设置压力控制阈值，与压力实时采集值形成闭环反馈，能够动态调节推进剂管路压力值，进而保持供气稳定。
43.本发明给出一优选实例中，如图4所示，贮供单元控制模块3的基本组成，通过贮供单元控制接口10与贮供单元连接。所述模块能够对贮供单元流量调节器提供15v直流电源，并提供4-20ma的电流输出控制电路，采集流量调节压力传感器0.5v-4.5v的模拟反馈信号，选用抗辐射npn三极管3dk3501 ub，由抗辐射可重构处理器输出pwm信号，通过rc滤波电路产生一个0.7v-2v可调的电压信号，用于实现流量调节。所述模块采用光电耦合器加vdmos的设计，在电磁阀接口两端增加一个开关二极管，提供电磁阀中电感的蓄流回路，光耦选用抗辐射gh302-4r，开关二极管选用快恢复二极管2cz5806us，vdmos管选用抗辐射场效应管bcs7587u3rh，同样采用双冗余备份设计，抗辐射可重构处理器输出两路10ms的高电平开启信号，再切换输出两路持续的3.2v低电平信号。所述模块选用12位8通道抗辐射adc b128s102rh和14位单通道抗辐射adc b9243amg，实时采集温度传感器和压力传感器的电压值，转换后经抗辐射可重构处理器上传至星务计算机。
44.四、电源模块
45.用于提供测控单元各模块的电源输入，并为各阀门负载提供电压电流，同时还内置高压自锁阀及低压自锁阀的使能电路。
46.电源模块将卫星母线电源经emi滤波器输入至抗辐射dc/dc电路，提供测控单元所需的28v直流电源。所述模块还包含高/低压自锁阀的双冗余开关控制电路，抗辐射可重构处理器输出100ms高电平(例如24v)的开启信号和100ms高电平(例如24v)的关断信号，用于为贮供单元高/低压自锁阀通断提供所需要的电压和电流，通过高/低压自锁阀的通断控制另一种推进剂的注入。
47.本发明给出一优选实施例，如图5所示，为电源模块4的基本组成，通过电源接口11
与卫星母线电源连接，通过测控单元内部堆叠连接器为其他模块供电。所述模块选用抗辐射lfh/(20-50)-461-75型emi滤波器以及抗辐射电源ldcd/(20-50)-28-65/sp，将卫星母线42vdc转至28vdc，为测控单元及负载提供电压电流。高压自锁阀和低压自锁阀的控制电路原理相同，采用双冗余的光耦配合vdmos管实现，满足快速开关功能，开启和关断信号均由抗辐射可重构处理器产生100ms高电平信号控制。
48.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

技术特征：
1.一种卫星电推进系统测控单元，用于控制卫星电推进系统中的射频功率处理单元、直流电源处理单元及贮供单元，从而实现卫星的变轨与姿控，其特征在于：包括主控和射频功率处理单元控制模块、直流电源处理单元控制模块、贮供单元控制模块以及电源模块；所述主控和射频功率处理单元控制模块，用于接收星务计算机指令，反馈电推进系统状态遥测数据，用于卫星工作流程判断，并根据星务指令存储状态数据，同时设置射频功率处理单元的入射功率、反射功率，同时采集其频率参数；所述直流电源处理单元控制模块，用于控制直流电源处理单元，实现正负高压输出的使能与调节，实现加热的使能与调节，实现点火的使能与调节，并通过adc采集直流电源处理单元输出的电压电流值；所述贮供单元控制模块，通过adc采集贮供单元压力传感器反馈值，闭环反馈输出流量调节控制信号，实现推进剂气体流量自主控制；所述电源模块，用于提供测控单元各模块的电源输入，并为贮供单元内各阀门负载提供电压电流，根据外部输入指令为贮供单元内的自锁阀提供使能信号。2.根据权利要求1所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于，主控和射频功率处理单元控制模块、直流电源处理单元控制模块、贮供单元控制模块、电源模块依次自上而下以堆叠的方式进行连接。3.根据权利要求1所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于，所述各控制模块均基于宇航级抗辐射器件设计，辐射总剂量可达100krad(si)。4.根据权利要求1所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于，所述主控和射频功率处理单元控制模块采用可重构处理器为控制核心，内嵌软核及双冗余星务can总线，用于接收星务计算机的控制指令并向各单元发出控制信号，处理并上传卫星电推进系统各项遥测数据；通过抗辐照prom存储器及刷新电路实现软核程序存储与刷新；采用spi flash存储器，满足遥测数据的存储与读取，通过一路双冗余射频can总线发送报文设置射频功率处理单元的频点及功率基准电压，接收报文读取射频功率处理单元的输出功率和反射功率。5.根据权利要求1所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于，所述直流电源处理单元控制模块由双冗余的光耦开关电路及adc采集电路组成，由主控和射频功率处理单元控制模块输出指令控制，光耦开关电路用于控制直流电源处理单元中的正/负高压模块、加热模块、点火模块的通断，并进行不同电压及电流的调节控制；adc采集电路实时采集电压电流值，经主控和射频功率处理单元控制模块反馈至星务计算机。6.根据权利要求5所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于：对于电压电流的调节控制，由设定的oc指令实现，通过设定不同二进制数组成控制指令，分别与直流电源处理单元中需求的不同电压和电流输出相对应。7.根据权利要求5所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于：所述adc采集电路实时采集电压电流反馈值，经中值滤波及拟合后，将得到的电压电流遥测数据发送至星务计算机。8.根据权利要求1所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于，贮供单元控制模块包括dc/dc转换电路、两个开关电路、温度采集a/d芯片、压力采集a/d芯片；dc/dc转换电路对电源模块输入的电压进行二次电源转换，提供贮供单元中阀门通断所需的电压及电流；
所述两个开关电路中的一个开关电路由光耦和mos管构成，用于实现对bang-bang电磁阀控制；另一个开关电路通过三极管构成，由主控和射频功率处理单元控制模块输出的可调pwm信号控制，实现推进剂流量的开度调节；所述可调pwm信号由主控和射频功率处理单元控制模块根据压力采集a/d芯片实时采集的压力传感器数值，经线性换算与判断后输出，pwm信号占空比与流量呈线性关系，同时设置压力控制阈值，形成闭环反馈，保持贮供单元输出的推进器气体流量稳定；温度采集a/d芯片实时采集贮供单元内部的热敏电阻两端电压值，经中值滤波拟合转换为贮供单元温度值，并发送至主控和射频功率处理单元控制模块。9.根据权利要求8所述的卫星电推进系统测控单元，其特征在于由光耦和mos管构成的开关电路输出预设时长高电平控制信号用于控制bang-bang电磁阀开启，开启后输出维持电压保持电磁阀的开启状态，输出低电平即可关闭bang-bang电磁阀。10.根据权利要求1卫星电推进系统测控单元，其特征在于，电源模块提供测控单元各模块的电源输入；通过光耦和mos管构成的开关电路控制贮供单元内高压自锁阀及低压自锁阀的开启和关断，所述开关电路输出预设时长的高电平信号开启高/低压自锁阀，再输出同样时长的高电平信号即可关闭高/低压自锁阀。

技术总结
一种卫星电推进系统测控单元，主要由主控和射频功率处理单元控制模块、直流电源处理单元控制模块、贮供单元控制模块以及电源模块组成。主控和射频功率处理单元控制模块基于抗辐照可重构计算平台设计，实现多通道遥测信号采集与处理、数据存储等功能，基于双冗余CAN总线实现与星务计算机及射频功率处理单元的通信与控制。直流电源处理单元控制模块主要输出双冗余OC指令，用于实现对直流电源处理单元中正负高压模块、加热点火模块的使能控制以及电流电压调节，同时采集实时电流和电压值用于卫星工作流程判断。贮供单元控制模块主要实现对电磁阀、高/低压自锁阀的控制，对气体流量进行调节控制。电源模块提供测控单元所需电源，并为负载提供电流。负载提供电流。负载提供电流。


技术研发人员：陆振林 赵轩 张钧轶 张雪 刘轶凡 李集照 袁帅帅 崔靳 任永正 荣金叶
受保护的技术使用者：北京微电子技术研究所
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/16