卫星星座地面供配电测试系统研制

王建军，马 楠，李 立

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

0 引言

随着航天技术的发展，卫星星座日益增多，应用范围日益广泛，如环境遥感、空间探测等，在国防和国民经济发展建设中起着重要的作用。卫星星座模式的发展通常要求在其研发和设计过程中多星并行进行。在卫星星座综合测试过程中，同样需要解决多星并行测试的问题。

卫星测试是卫星研发过程中必不可缺的步骤[1]，提高测试水平是优化总体设计的重要组成部分，也是目前卫星工作者共同关心的问题之一[2]。卫星地面供配电测试系统是卫星综合测试系统中的重要组成设备，它通过脱落电连接器以有线方式对卫星进行供配电控制，对卫星的重要参数进行状态监测和测量，对脱落电连接器电脱离进行控制，满足在各阶段以及各种试验场合的整星测试任务的要求。卫星供配电测试系统的功能和性能直接影响着卫星测试质量，对于保证卫星整星测试的安全可靠具有重要的意义[3]。

如何实现地面供配电测试系统的通用化、模块化、系列化，并提高其可扩展性，从而满足星座模式下多星测试的需要，成为亟需解决的问题。多星星座模式下的地面供配电测试系统的设计研制需要较高的专业知识技能和系统工程思想，其设计研制既要尽可能多地继承原有的设计思维和成熟技术，又要考虑通用化、模块化、系列化和可扩展性的需求，加入新的技术手段。为此，我们开发研制了基于PLC的通用小卫星星座地面供配电测试系统。

1 系统总体方案

选择PROFIBUS总线构建星座模式下的地面供配电测试系统网络，其传输速度快、数据量大、可扩展性良好，是一种功能强大、开放、坚固耐用的总线系统，能满足工业现场要求高可靠性的通信[4]。

多星星座模式的卫星地面供配电测试系统总体结构如图1所示。系统主要由太阳电池阵模拟器、稳压电源、PLC通用供配电测试设备、工业控制计算机、PROFIBUS总线、卫星等效器、DC/DC主备份切换测试设备和火工品电路检测设备等构成。

图1 地面供配电测试系统总体结构Fig. 1 Structure of ground power supply test system

1）地面电源系统主要包含太阳电池阵模拟器和稳压电源，如图2所示。太阳电池阵模拟器用于模拟卫星在轨时太阳电池阵的电输出特性，在卫星测试过程中提供电源，满足日常测试需求。稳压电源具有稳定的输出特性，可以直接将输出电压加载到卫星母线上，用于满足特定测试需求。该系统主要功能是在卫星发射前的各项试验中模拟太阳电池阵为卫星供电，以及为星上蓄电池组充电。地面电源测试系统由 N套配置相同的设备组成，每套设备包含12个太阳电池阵模拟器模块（1个模块模拟1个供电分阵）、配电箱、控制用笔记本电脑以及直流稳压电源和电子负载；系统采用GPIB总线；系统软件可设置充/供电阵工作状态，实时监控充/供电阵工作状态，修改状态设置，模拟进出阴影功能，实时生成各种工作状态下的监测报告，还具有采集数据存档和历史数据分析等功能。

图2 地面电源系统总体结构Fig. 2 Structure of ground power system

2）通用供配电测试设备实现了由1台工业控制计算机集中监控管理、N套PLC通用供配电测试设备分布控制的集散控制系统。1台控制计算机作为主工作站，通过CP5611（Siemens公司）通信卡接入PROFIBUS总线，位于卫星测试现场的N套PLC通用供配电测试设备通过各自的通信端口接入PROFIBUS总线。通用供配电测试设备的数量与卫星星座中包含的卫星数量相同，每个通用供配电测试设备对应一颗待测试卫星，并分配不同的可修改的站地址，完成与其对应卫星的监控，包括对卫星进行供配电控制，对卫星的重要参数进行状态监测，对脱落电连接器电脱离进行控制，具有实时显示、数据归档、报警记录等功能。另外，控制计算机可以通过TCP/IP协议经由以太网直接连入卫星电测间综合测试网络，向实时数据库广播供配电测试设备参数信息，接收并执行主测试计算机（MTP）发来的测试控制命令。每套通用供配电测试设备具有各自的站地址，能够独立工作，设备间可以互换，实现了设备级的通用性。

3）卫星等效器模拟卫星通过脱落电连接器的部分测量和控制信号，目的是检验地面供配电专用测试设备同卫星的电气接口的正确性，同时检验地面供配电专用测试设备功能的正确性。通过卫星等效器验证无误，地面供配电测试设备才能投入到卫星测试中。

4）DC/DC主备份切换测试设备通过星表接口与卫星连接，再通过星上电缆网与各分系统DC/DC模块相连。通过该专用设备模拟主DC/DC模块故障的方式进行DC/DC模块主备份切换功能的检查和备份DC/DC模块功能的检查。

5）火工品电路检测设备通过星表接口与卫星上的火工品线路连接，用于检测星上火工品电路功能的正确性。

其中，卫星等效器、DC/DC主备份切换测试设备和火工品电路检测设备在测试需要的时候接入脱落电连接器或者卫星星表插座。

2 系统硬件设计

2.1 通用供配电测试设备硬件设计

可编程控制器（Programmable Logical Controller，PLC）是一种工业控制器件，可靠性高，硬件组态方便灵活，开发过程迅速，模块的选用余地大，通用程度高，判断故障范围方便，维修更换模块快捷。基于 PLC模块研制开发了卫星星座模式下的地面供配电测试设备，配备工业控制计算机来进行良好的人机交互，实现更加完善的自动控制功能。基于PLC的通用供配电测试设备硬件接口如图3所示。

图3 通用供配电测试设备硬件接口图Fig. 3 Hardware interface of test equipment

供配电测试设备通过脱落电连接器与卫星连接（设备自检时接卫星等效器），通过 DP接口接入PROFIBUS网络，利用工业控制计算机对其进行监视控制和操作。日常测试时，根据需要接入太阳电池阵模拟器或者稳压电源（不可同时接入），完成卫星的供配电功能。

基于PLC的通用供配电测试设备底层硬件核心为PLC模块部分，主要有中央控制单元CPU、PLC用电源模块PS、信号模块SM（数字量输入和数字量输出模块DI/DO及模拟量输入模块AI）等。另外还包含设备用电源模块、具有隔离放大功能的输入、输出模块以及各种接插件等。各模块选择如下：

1）中央控制单元CPU选用CPU 313C-2 DP，该型号的CPU是Siemens公司S7-300系列PLC系统中带有集成DI/DO和PROFIBUS-DP接口的紧凑型CPU模块。该模块集成DI/DO通道各16路，集成32 kB RAM，装载存储器最大可达8 MB，电源电压额定值为24 V。

2）根据需要，另外扩展了SM 323：DI 16/DO 16×24 VDC/0.5 A的DI/DO模块，该模块包含16路DI/DO通道，均为隔离输入输出，额定电压24 V。

3）根据负载功率需要，选用PS307（5 A）电源模块为PLC各模块供电，PS307电源模块输入电压为120/230 V的交流电，输出电压为24 V直流电，具有防短路和开路保护功能。

4）模拟量输入模块AI选择2块SM 331：AI 8×12位模块。每个该类型模块具有4组共8个通道，每个通道组测量范围可选，精度可选（这里设定12位精度），差分最大输入电压范围-10 +10 V，电源额定电压24 V。

5）设备用电源模块产生设备工作所需要的电源电压为继电器、隔离放大器、脱落电连接器等供电。其输入为220 V交流电，输出电压为24 V、28 V、28 36 V 3路可调电压。

从电气连接形式来看，星地接口分为3个类型，即模拟量输入、数字量输出和数字量输入。供配电测试设备不但要实现测量和控制的准确性及有效性，还要实现高可靠性要求，即保证卫星安全和供配电测试设备安全，增强设备输入/输出驱动能力，减少测试人员误操作，提高产品的可靠性，实现星地电气接口的完全隔离。系统充分利用PLC的可靠性和准确性，配备外围电路进行信号采集、处理和控制输出；采用电磁继电器、固态继电器和隔离放大器进行完善的隔离放大；利用应急开关实现应急断电处理功能；具有硬件输出使能、输出信号回读、冗余备份等措施。其中，对于模拟量的采集需要谨慎处理：对于电压量参数，如电池电压，PLC系统中模拟量输入模块自身集成了总线隔离、滤波功能，因此增加了分压和隔离放大部分的外围电路，使信号转换为能与AI模块输入端匹配的电压信号；对于电流量参数，如负载电流，则采用霍尔器件转换为电压量进行采集和隔离。电池电压、负载电流接口如图4所示，其余模拟量接口与此相同。

2.2 PLC模块接点分配

采用PLC模块构建供配电测试设备硬件体系，需要对各个模块的接点进行分配。结合实际情况，PLC模块接点分配如表1所示（表中列出了主接点分配情况；另外DO和DI有相同数量的冗余备份接点，与此相同，未列出）。

图4 模拟量采集接口电路Fig. 4 Interface of analog signal

表1 PLC模块接点分配表Table 1 Pin configuration of PLC module

3 系统软件设计

通用供配电测试设备利用工业组态技术进行开发。组态软件产生与工业控制领域是工业应用软件的一个重要组成部分，是数据采集监控系统SCADA的软件平台工具。采用类似资源管理器的窗口，对自动控制系统中的各种硬件资源进行配置管理；提供多种数据驱动程序；支持多种脚本语言；具有数据处理、报警记录、数据归档、报表生成等功能。该软件功能强大，组态使用灵活方便，具备良好的封装性、通用性、开放性和可扩展性，在工业自动化领域发挥着重要作用[5]。

3.1 SIEMENS工业组态软件

WinCC与STEP 7借助于组态技术，通用化、模块化和系列化程度高；二者紧密结合，共同开发，可缩短项目开发周期，并且具备良好的可扩展性[6]。通过STEP 7对PLC设备进行硬件组态并编写硬件程序，将其下载到PLC内部，完成单个PLC通用供配电测试设备的底层硬件组态和程序编写下载。用于多星星座模式的多个PLC通用供配电测试设备以及工业控制计算机统一连接于PROFIBUS总线，利用WinCC对其进行整体硬件组态和上层软件组态，提供图形化操作和显示的人机交互界面。

3.2 基于WinCC的供配电测试监控软件平台

基于 WinCC开发了供配电测试监控软件平台，其软件功能如图5所示。组态软件WinCC采用触发机制，组态了完善的功能，具备了多星界面选择、控制输出、实时显示、数据归档、报警记录、冗余备份等功能；通过PROFIBUS-DP接口实现与底层PLC的通信；通过OPC进行网络链接，接入综合测试网，接收外部命令和对外广播数据信息。

为了提高星座模式下的地面供配电测试系统的可靠性，除在硬件上采取了完善的可靠性措施外，软件上也采取了多种措施来提高设备的可靠性，主要包括冗余备份、动作使能、动作输出、条件判断提醒对话框、输出确认、输出信号状态回读等措施。

图5 测试软件功能框图Fig. 5 Block diagram of test software function

4 系统特点

在继承原有的设计思维和成熟技术基础上，考虑通用化、模块化、系列化和可扩展性的需求，开发了基于PLC的通用小卫星星座地面供配电测试系统。该系统采用由1台工业控制计算机集中监控管理、多套通用供配电测试设备分布控制的集散控制系统。通过不同的站地址，工业控制计算机通过总线将不同PLC通用供配电测试设备的控制命令输出，控制多套PLC通用供配电测试设备，对卫星进行供配电控制，对卫星的重要参数进行状态监测，并能够及时广播数据，接收并执行远程遥控命令。该系统具有以下特点：

1）由工业控制计算机和多套PLC通用供配电测试设备通过PROFIBUS总线构成分布控制的集散控制系统，性能可靠，操作方便，便于迅速构建卫星综合测试系统，实现了多星并行测试，并具备远程监控功能。

2）每套 PLC通用供配电测试设备基于 PLC技术构建，体积小巧，操作方便，接口统一，可扩展性强，通用化和模块化程度高。

3）采用PROFIBUS总线进行通信连接，坚固耐用、接口统一，现场组态快速方便。

4）采用STEP 7进行每套PLC通用供配电测试设备的硬件组态配置和程序开发，利用 WinCC软件进行系统整体硬件组态和顶层控制软件组态，开发迅速，功能完善，便于实时监控，实现了多星数据存储和分析。

5）采取了电气隔离、冗余备份、操作提示等多重手段提高系统的可靠性以及操作的安全性。

5 结束语

多星星座研制的日益增多对综合测试系统提出了更高的要求。本文研制开发了卫星星座地面供配电测试系统，该系统采用了组态技术，基于PROFIBUS总线和PLC搭建底层硬件平台，基于STEP 7和WinCC进行软件开发，通过OPC接入综合测试网络。经实际使用证明该系统功能完善，使用方便，控制灵活，稳定可靠，具备良好的可靠性和可扩展性，模块化、通用化和系列化程度高，满足了星座模式下多星综合测试中的地面供配电系统需要。

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[1] 张黎明, 孙宁, 于慧亮, 等. 基于PXI的卫星综合测试系统的设计与实现[J].计算机测量与控制, 2008, 16(1): 27-29

[2] 李长俊, 刘锐梅. 一种基于局域网的小卫星远程智能测试系统[J]. 航天器工程, 2002, 11(4): 60-64

[3] 李立. 卫星供配电测试设备接口设计技术[J]. 航天器工程, 2002, 11(1): 66-72

[4] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子S7-300 PLC[M]. 北京航空航天大学出版社, 2004-08: 199-200

[5] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团. 深入浅出西门子WinCC V6[M].北京航空航天大学出版社, 2004-05: 3-4

[6] 西门子（中国）有限公司自动化与驱动集团. SIMATIC HMI WinCC手册（第一册）[G], 1999-08