技术领域
[0001] 本
发明涉及一种面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统及方法，具体针对未来元器件在轨批量化飞行验证的供配电需求，在控制
硬件设计成本的
基础上，提供出了一种基于集中式供电的低成本、高可靠的供配电可重构控制方法。
背景技术
[0002] 一大批宇航国产元器件和组件有待于进行在轨飞行试验以验证其空间环境适用性。未来在轨飞行验证将成为快速提升国产宇航元器件成熟度的重要方式和有效手段，我国也将于2022年左右组建第一个自主空间站，未来十年元器件在轨批量化飞行验证将成为一种常态试验任务。对于多种飞行试验单元的在轨飞行控制中最为关键的支持
接口是供配电支持单元。供配电单元支持接口需要满足所有试验单元的供电功率需求，同时还应提供必要的可靠性措施，确保故障试验单元的出现不会影响其他试验单元的正常工作。供配电单元设计一直是宇航飞行验证支持平台设计中的重要组成部分，也是关系到飞行试验任务成败的关键要素。
[0003] 通对供配电单元的设计进行调研分析，国外
航天器供配电单元设计先后经历了传统测控管理阶段、初级供配电管理阶段和智能自主管理三个阶段。
[0004] 第一个阶段传统测控管理主要通过人工地面监测和发送遥控指令的方式进行供配电管理。具体产品设计主要采用熔断器和简单的过流保护
电路进行供配电故障的隔离和保护，是最简单的一种“硬处理”方式；
[0005] 第二个阶段是初级供配电管理阶段，主要通过在航天器上采用“
软件”与“硬件”相结合的方式，解决供配电分系统故障隔离和
蓄电池充放电、再调整等自主管理，如NASA航天飞机供电故障管理技术和“哈勃”空间望远镜在轨供电调整管理技术等；
[0006] 第三个阶段是当前宇航型号中重点发展的智能自主管理阶段，主要面向长寿命、高可靠、高实时等复杂飞行任务需求。在该阶段不仅要进行航天器供配电管理、监测，还应在保证安全性和可靠性的同时，进行自主故障诊断和预测，同时对供配电单元提出了智能化和小型化要求。在轨航天器供配电管理应充分利用在轨实时处理的优势，根据供配电实时监测参数和飞行阶段任务执行情况，在无需地面干预的情况下完成自主供电故障诊断、隔离和恢复。如美国JPL喷气推进实验室针对NASA重返月球和火星计划任务需求，在系统级供电管理基础上提出了设备级和部件级的智能化供配电管理方案。
[0007] 目前国内航天
电子产品的供配电设计多采用“冷备份/热备份+自主切机”控制方式进行设计，处于上述第二阶段到第三阶段的过渡段。冷备份为针对不同的供配电目标提供输入输出接口、内部设计完全相同的两个物理模
块(
电路板单元)，在实际工作时只有一份在上电工作,另一份单元则断电处于关机状态，一旦正工作的单元发生故障，则平台通过遥控指令或自主关闭故障单元，启动备份单元。热备份设计则是针对同一供配电目标设计两份完全相同的供电电路，两份电路的输出和输入采用同源设计，在实际工作时同时加电工作，互为备份，当某分供配电异常时可通过另一份对输出
电流进行补偿，实现一个冗余容错设计。
[0008] 未来宇航型号中的供配电单元发展将朝着小型化、高可靠、自主性和长寿命方向发展，具体分析如下：
[0009] 1)小型化
[0010] 随着航天器向着小型化和集成化方向发展，对供配电单元的设计同样提出了小型化需求，传统的供配电单元往往结构、重量、尺寸均较大，已无法满足未来高集成度航天器任务需求；
[0011] 2)高可靠
[0012] 通过对国内外在轨航天器或深空探测器进行统计，发现大多数探测器是由于供配电单元故障而导致任务执行受阻，如前苏联发射的月球车2号音供电故障、车内
过热导致任务终止。未来航天器在轨飞行对供配电单元有着更高的可靠性要求；
[0013] 3)自主性
[0014] 随着在轨航天器数量的激增，地面测控负荷和压
力越来越重，对于深空探测如“伽利略”号的测控周期长达一个多小时，因此传统依赖地面测控完成在轨
飞行器供配电维护的方式已无法满足任务需求，亟需航天器自主进行供配电输出控制和实时监测，实现自主工作能力；
[0015] 4)长寿命
[0016] 宇航型号任务如二代导航、探月工程、空间站及火星计划等对航天器在轨工作寿命提出了更高的需求，未来航天产品供配电单元设计须满足型号任务在轨长时间高可靠不间断工作的任务需求。
[0017] 随着“中兴事件”暴露出元器件国产化的致命
缺陷，未来宇航元器件面临着亟需自主可控的需求，元器件在轨飞行验证成为解决该问题的重要手段。元器件及部组件经过在轨飞行验证方可利用空间综合
应力环境考核其宇航适用性，快速提高元器件的成熟度，推动在型号产品中应用。
[0018] 未来空间站平台将为宇航国产元器件和组件提供批次化、长周期和常态化的飞行验证平台，满足元器件在轨飞行试验验证需求。因此设计一个支持批量试验单元飞行验证的高可靠、低成本和可重构的供配电方案，为今后在轨飞行验证平台设计提供关键技术
支撑，是未来元器件在轨飞行验证任务的需要，也是提高自主飞行验证
水平的需要。
发明内容
[0019] 本发明的技术目的在于：克服
现有技术的不足，提出了一种面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统及方法，用于解决未来批量化飞行验证试验单元供配电的可靠性和功能扩展性需求。由于在轨飞行验证的远程控制特殊性，无法及时对故障单元进行替换和修复，同时增加备份单元设计的方式又增加了航天产品的研制硬件成本和产品重量，本发明通过基于磁保持继电器的
开关控制来满足试验单元功率调整需求，并有效应对在轨可能出现的供配电故障，通过对供配电的输出进行动态可重构控制，提高供配电单元输出的可靠性和灵活性。
[0020] 本发明采用的技术方案为：
[0021] 一种面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统，包括：供配电单元、供配电测控接口和试验单元接口；供配电测控接口用于供配电单元的一次电源输入、遥控指令通讯和供配电单元状态参数遥测下传，试验单元接口用于供配电单元和试验单元间的供电输出和指令通讯；
[0022] 供配电单元包括通讯接口电路、
存储器、DC/DC
电压转换模块、试验单元供配电交叉重组模块、电流电压采集电路、指令接口电路及FPGA模块；
[0023] 通过供配电测控接口输入的一次电源送入DC/DC电压转换模块进行电源转换，生成的二次电源为供配电单元内其他模块供电，同时，输入的一次电源通过试验单元供配电交叉重组模块处理后送入试验单元接口为试验单元供电；
[0024] 通过外部
载荷接口输入的遥控指令和遥测
请求送入通讯接口电路进行数据转换后传递到FPGA模块，FPGA模块对接收到的遥控指令进行解析，并发送指令
信号到试验单元供配电交叉重组模块实现供配电单元对试验单元的供电选择输出，同时，FPGA模块通过指令接口电路对试验单元进行加电或断电控制； FPGA模块对接收到的遥测请求进行解析，将FPGA模块自身状态参数以及电压电流采集模块采集到的试验单元供电状态参数送入通讯接口电路，通过通讯接口电路转换后发送给供配电测控接口；存储器用于存储FPGA模块的配置信息、供配电单元控制参数以及试验单元供配电状态信息，供FPGA模块进行读取
访问。
[0025] 供配电测控接口包括了航天器供配电测控需要的遥控指令接口、遥测通讯接口和一次电源输入；遥控指令接口用于实现供配电单元的指令通讯，遥测通讯接口用于对供配电单元的状态数据进行周期性下传，实现星地远程数据传输。
[0026] 试验单元接口包括了两组接口，每组试验单元接口均包括供电输出接口和指令接口；供电输出接口用于给各个试验单元供电，指令接口用于实现对各个试验单元的开关机控制。
[0027] 存储器中的供配电单元控制参数包括试验单元的过流
阈值以及试验单元的优先级，试验单元的过流阈值和优先级均采用物理隔离的三模冗余存储。
[0028] 指令接口电路接收FPGA模块发送来的试验单元开关信号，产生试验单元开机或关机指令
电信号，发送给试验单元，实现试验单元的加电或断电。
[0029] 所述电流电压采集模块包括AD芯片、电压采集电路和多个电流采集电路；每个电流采集电路对应一个试验单元；
[0030] 电流采集电路包括
电阻R1～R6、运放V1以及
二极管D5；
[0031] 供配电单元DC/DC转换后的二次电源经过电阻R5进行分压后，输出到试验单元的供配电输入端，电阻R1～R4为运放V1放大倍数调整电阻，通过电阻 R1～R4的分压将电阻R5两端的电压差△V通过运放进行放大后，从而将电流信号转换为电压信号，成倍放大后由AD采集芯片进行采集；根据AD采集值VAD和放大倍数M计算得到△V，进而通过电流计算公式：I＝VAD/(M×R5)得到试验单元的供电电流；电阻R6为保护电阻，二极管D5用于实现AD芯片
输入信号的上拉；
[0032] 电压采集模块包括了运放V2、电阻R7～R9以及电容C1；试验单元供配电输入电压经过电阻R7和R8的分压后，经过运放V2放大输出到AD采集芯片进行电压采集，根据AD采集值VAD，使用公式：V＝VAD×(R7+R8)/R8计算得到试验单元供电电压值；电阻R9为保护电阻，电容C1连接在运放V2的输出端和地之间。
[0033] 所述试验单元供配电交叉重组模块包括一对并联的熔断器、继电器K1、交叉重组控制电路、滤波模块、第一交叉重组DC/DC模块、第二交叉重组DC/DC 模块、以及二极管D1～D4；
[0034] 一次电源通过并联的熔断器进行电源防过流保护，之后经过继电器K1送入滤波模块进行一次电源滤波处理后同时输出给第一交叉重组DC/DC模块以及第二交叉重组DC/DC模块；两个DC/DC模块均输出到交叉重组控制电路中，交叉重组控制电路包括继电器K2～K5，在FPGA模块输出的控制指令信号的控制下，通过继电器K2～K5的闭合或断开进行组合，实现对试验单元不同供电模式的切换；
[0035] 第一交叉重组DC/DC模块通过并联在一起的二极管D1、D2进行防反向输入保护和均流控制，第二交叉重组DC/DC模块通过并联在一起的二极管D3、 D4进行防反向输入保护和均流控制。
[0036] FPGA模块包括遥控遥测处理模块、试验单元开关控
制模块、功耗监控与预计模块以及交叉重组
控制模块；
[0037] 遥控遥测处理模块接收通讯接口电路发送来的遥控指令和遥测请求；对遥控指令按照预设规则进行有效性检查，丢弃无效的指令序列，对有效的遥控指令序列进行解析，得到要执行的具体操作类型；对遥测通讯请求，FPGA将供配电单元自身状态参数和试验单元供电状态参数打包发送到通讯接口电路，实现与供配电测控接口的遥测通讯；
[0038] 交叉重组控制模块接收遥控遥测处理模块的有效遥控指令和功耗监控与预计模块的系统实时功耗数据，控制试验单元供配电交叉重组模块工作在不同的模式下；
[0039] 功耗监控与预计模块实时采集电压电流采集电路的输出数据，对试验单元总功耗和试验单元供配电状态进行监控；根据试验单元工作电压和电流计算两组试验单元的实时总功耗，发送给FPGA内部的交叉重组控制模块；若试验单元电流超出所设置的电流阈值，通过试验单元开关控制模块和指令接口电路发送试验单元关机指令，对故障试验单元进行断电保护；
[0040] 试验单元开关控制模块接收交叉重组控制模块和功耗监控与预计模块的输出数据，通过指令接口电路向试验单元发送加电或断电指令，以实现对试验单元的开关机控制。
[0041] 试验单元供配电交叉重组模块的工作模式包括双机正常供电模式、单机失效供电模式、双机集中供电模式、单机满载供电模式和双机失效供电模式；具体如下：
[0042] 双机正常供电模式：该模式为供配电单元上电初始化后的默认工作模式，分为两种情况：第一种模式为继电器K2、K5闭合且继电器K3、K4断开；第二种模式为继电器K3、K4闭合且继电器K2、K5断开；试验单元供配电交叉重组模块中的两个DC/DC模块分别输出给两个试验单元接口，且两个DC/DC 模块输出互相隔离，分别对两组试验单元进行供电；
[0043] 单机失效供电模式：单机失效供电模式下同一时刻继电器K2～K5仅有一个继电器处于闭合状态，故障DC/DC模块相连接的继电器均处于断开状态，
健康状态DC/DC模块仅对单个试验单元接口进行供电；系统运行固定周期后健康 DC/DC模块切换输出继电器开关，给另一试验单元接口供电，两组试验单元轮流加电进行在轨试验，开展飞行验证任务；
[0044] 单机满载供电模式：本状态下，健康状态DC/DC模块连接的继电器均切换到闭合状态，即继电器K2、K3闭合、继电器K4、K5断开或者继电器K2、K3 断开、继电器K4、K5闭合；健康DC/DC模块供电输出给两个试验单元接口，功耗监控与预计模块和试验单元开关控制模块按照试验单元优先级依次启动试验单元工作，直到健康状态DC/DC模块输出功率达到其额定输出功率上限；
[0045] 双机集中供电模式：试验单元供配电交叉重组模块内的两个DC/DC模块与同一个试验单元接口连接的继电器均处于闭合状态，与另一个试验单元接口连接的继电器均断开，即继电器K2、K4闭合、继电器K3、K5断开，或者继电器K3、K5闭合、继电器K2、K4断开；该模式下两个DC/DC模块同时向单个试验单元接口供电，满足该接口相连的试验单元供电需求；另一个试验单元接口无供电输入，对应的试验单元均处于断电状态；
[0046] 双机失效模式：试验单元供配电交叉重组模块内的两个DC/DC模块均失效，继电器K2～K5全处于断开状态，两组试验单元全部断电，供配电单元通过继电器K1对试验单元供配电交叉重组模块进行重启；若重启后交叉重组模块内部两个DC/DC
输出电压均恢复正常则转入双机正常供电模式工作，若重启后交叉重组模块内部两个DC/DC仅单个模块输出电压恢复正常，则转入单机失效供电模式；若重启三次后，交叉重组模块内部的两个DC/DC模块输出电压均保持异常，则对K1断电，系统待故障进一步修复后重新工作。
[0047] 一种根据所述的面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统实现的控制方法，步骤如下：
[0048] (1)供配电单元上电后DC/DC电压转换模块开始工作，将一次电源转换为二次电源供给供配电单元其他模块工作，FPGA完成配置文件加载和初始化工作；继电器K1～K5均处于断开状态，转步骤(2)；
[0049] (2)FPGA发送遥控指令闭合继电器K1，激活试验单元供配电交叉重组模块；
[0050] (3)FPGA向试验单元供配电交叉重组模块发送遥控指令，依次闭合继电器K2和K5，继电器K3和K4为断开状态；或依次闭合继电器K3、K4，继电器K2和K5处于断开状态；供配电单元工作在双机正常供电模式下，试验单元供配电交叉重组模块内的两个DC/DC模块产生的二次电源分别输出到两个试验单元接口，转步骤(4)；
[0051] (4)供配电单元通过指令接口电路向断电状态的试验单元发送指令，将各组试验单元按照优先级依次加电，开始在轨飞行试验，同时，供配电单元内部的电压电流采集电路实时采集试验单元供电电压和电流，送入FPGA模块的功耗监控与预计模块，实时计算试验单元的动态功耗并监测试验单元的供电电压和供电电流是否出现异常；
[0052] 若试验单元的供电电流超出FPGA内部预设置的该试验单元电流阈值，则试验单元开关控制模块通过指令接口电路发送遥控指令对该试验单元进行断电保护，等待故障修复；其他试验单元继续加电工作；
[0053] 若继电器K2～K5中的某个应闭合的继电器无法闭合或异常断开，则通过遥控指令关闭另外一个闭合状态的继电器，后闭合继电器K2～K5中此前处于断开状态的继电器，实现双机正常供电两种模式间的切换；
[0054] 若某时刻试验单元输入
电源电压异常且未发送电流过流，则相连的试验单元供配电交叉重组模块内的DC/DC模块故障，FPGA通过试验单元开关控制模块和指令接口电路向该组试验单元发送遥控断电指令，关闭该组全部试验单元；后断开与故障DC/DC模块相连的继电器，实现单机失效供电，转步骤(5)；
[0055] 若某时刻一组试验单元需要试验单元供配电交叉重组模块内的两个 DC/DC模块同时供电，以完成在轨试验任务的执行，此时地面发送遥控指令给供配电单元，FPGA通过试验单元开关控制模块和指令接口电路发送断电指令，关闭另一组试验单元和相连的继电器，将交叉重组模块的两组DC/DC模块电源输出均切换到该组试验单元连接的试验单元接口，实现双机集中供电，进入步骤(6)；
[0056] (5)供配电单元接收地面遥控指令或按照预设周期参数，切换健康DC/DC 模块的输出控制继电器，周期性对两组试验单元交替供电；两组试验单元交替进行在轨飞行试验；
[0057] 若该单机失效供电模式下故障DC/DC模块通过复位、重启操作修复完成，电压输出正常，则供配电单元闭合该修复的DC/DC模块与处于断电状态的试验单元接口间的继电器，恢复双机正常供电模式，回到步骤(4)；
[0058] 若该单机失效供电模式下供配电单元监测到健康DC/DC模块的输出电压出现异常，则供配电单元首先发送指令关闭全部试验单元，后将处于闭合状态的DC/DC输出继电器断开，进入双机失效工作模式，转步骤(8)；
[0059] 若两组试验单元须同时开展试验，地面向供配电单元发送遥控指令，首先关闭全部试验单元，后闭合健康DC/DC模块相连的两个继电器，使得该DC/DC 模块同时给两组试验单元供电，进入单机满载工作模式，进入步骤(7)；
[0060] (6)根据试验任务需求通过发送遥控指令切换继电器开关，使得两组试验单元交替加电工作，交叉重组模块内的电源输出端的二极管对两个DC/DC模块输出进行均流调整；
[0061] 当试验单元任务执行结束时，地面发送遥控指令给供配电单元，供配电单元将一组DC/DC模块输出切换到断电状态试验单元接口供电，恢复双机正常供电模式，转步骤(4)；
[0062] 若此时有单个DC/DC模块输出电压异常，供配电单元监测到该故障则断开该DC/DC模块的输出继电器，进入单机失效供电模式，转步骤(5)；
[0063] (7)在单机满载工作模式下单个DC/DC模块通过两个试验单元接口给两组试验单元供电，供配电单元按照预设的试验单元优先级，通过试验单元开关控制和指令接口电路依次发送试验单元遥控开机指令将试验单元加电，直到健康状态DC/DC模块输出功率达到其额定输出上限；
[0064] 若该模式下正常工作的DC/DC模块出现故障，则供配电单元自动关闭对应试验单元，断开该DC/DC模块的输出继电器，进入双机失效供电模式，转步骤 (8)；
[0065] 若故障DC/DC模块经过重启、复位完成了故障恢复，输出电压正常，则供配电单元发送指令脉冲断开当前工作的DC/DC模块任意个输出控制继电器，切换到单机失效供电模式，转步骤(5)；
[0066] (8)在双机失效工作模式下全部试验单元都处于断电模式，供配电单元的交叉重组模块内的两个DC/DC模块均出现故障，供配电单元发送遥控指令，关闭继电器K1，交叉重组模块内的两个DC/DC模块均断电，后FPGA向交叉重组模块发送遥控指令重新闭合继电器K1，重启交叉重组模块，监测两个DC/DC 模块是否输出正常，确认是否修复完成；
[0067] 若两个DC/DC模块同时修复完成，通过地面发送遥控指令给供配电单元，由FPGA模块向试验单元供配电交叉重组模块发送指令，关闭继电器K2、K5 或K3、K4，回到双机正常供电模式，转入步骤(4)；
[0068] 若单个DC/DC模块故障恢复完成，通过地面发送遥控指令给供配电单元，由FPGA模块向交叉重组模块发送指令，关闭修复完成的DC/DC模块相连的任一继电器，转入步骤(5)；
[0069] 若经过对交叉重组模块三次加断电尝试交叉重组模块内的两个DC/DC模块仍无法修复完成，则终止试验任务，关闭继电器K1，等待进一步修复。
[0070] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0071] (1)本发明基于磁保持继电器的交叉重组供电控制，针对未来在轨批量化飞行验证任务的供配电需求，在控制供配电系统设计成本基础上，提出了面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统设计，详细介绍了供配电单元系统组成和工作原理；
[0072] (2)本发明突破传统供配电输出控制设计思路，通过在试验单元供配电交叉重组模块内的两个DC/DC模块与试验单元组之间设置4个磁保持继电器，实现对供配电输出控制的在轨可重构。通过冗余备份和基于磁保持继电器的供配电输出重构，在控制系统成本基础上提高了供配电单元的功能扩展性和可靠性；
[0073] (3)供配电可重构控制系统供电模式定义及控制方法。本发明提出了所涉及的供配电单元五种供电模式：双机正常供电模式、单机失效供电模式、双机集中供电模式、单机满载供电模式和双机失效供电模式，对五种模式进行了定义。并结合试验单元在轨功率动态需求和供配电单元可能出现的故障，给出了供配电单元五种供电模式切换的控制方法，按步骤介绍了供配电单元在轨供配电输出重构过程。供配电单元可通过自主控制或接受外部遥控指令，自主或接受外部遥控指令完成工作模式的在轨切换，满足在轨飞行验证的高可靠和扩展性需求。
附图说明
[0075] 图2为本发明试验单元供配电交叉重组模块设计原理示意图；
[0076] 图3为本发明电压电流采集电路设计原理图；
[0077] 图4为本发明双机正常供电模式示意图；
[0078] 图5为本发明单机失效供电模式示意图；
[0079] 图6为本发明单机满载供电模式示意图；
[0080] 图7为本发明双机集中供电模式示意图；
[0081] 图8为本发明双机失效供电模式示意图；
[0082] 图9为本发明供配电单元工作模式切换控制状态机。
具体实施方式
[0083] 本发明针对批量试验单元在轨飞行试验面临的功率动态变化以及DC/DC 模块失效模式，提出了基于供配电输出交叉重组的供配电可重构控制系统和方法。下面从供配电单元系统实现、交叉重构供配电原理实现，基于交叉重组的供配电可重构控制方法实施流程三个方面进行详细说明。
[0084] 如图1所示，本发明提出一种面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统包括：供配电单元、供配电测控接口和试验单元接口；供配电测控接口用于供配电单元的一次电源输入、遥控指令通讯和供配电单元状态参数遥测下传，试验单元接口用于供配电单元和试验单元间的供电输出和指令通讯；
[0085] 供配电单元包括通讯接口电路、存储器、DC/DC电压转换模块、试验单元供配电交叉重组模块、电流电压采集电路、指令接口电路及FPGA模块；
[0086] FPGA模块为本可重构系统的核心控制模块，采用反熔丝A54SX72型 FPGA实现，以提高供配电单元的抗
辐射特性。存储器采用带EDAC校验的3D 封装的NOR FLASH和SRAM实现，DC/DC采用100V输入，输出±12V的 HDCD/100-12R-30/SP和HDCD/100-5R-30/SP电源转换模块实现供配电单元自身工作需要的+5V和±12V供电输入。通讯接口采用标准1553B总线作为遥控指令接口和遥测通讯接口，分时完成指令传输和遥测数据下传，接口电路采用 BM65170芯片作为1553B总线的接口控
制芯片，并设置两个B3226型
变压器用于1553B总线信息收发；
[0087] 通过供配电测控接口输入的一次电源送入DC/DC电压转换模块 (HDCD/100-12R-30/SP和HDCD/100-5R-30/SP)进行电源转换，生成的二次电源(+5V和±12V)为供配电单元内其他模块供电，同时，输入的一次电源通过试验单元供配电交叉重组模块处理后产生试验单元工作需要的+12V电压，分别送入两个试验单元接口为试验单元1～8供电；
[0088] 通过外部载荷接口输入的遥控指令和遥测请求送入通讯接口电路进行数据转换后传递到FPGA模块，FPGA模块对接收到的遥控指令进行解析，并发送指令信号到试验单元供配电交叉重组模块实现供配电单元对试验单元的供电选择输出，同时，FPGA模块通过指令接口电路对试验单元进行加电或断电控制； FPGA模块对接收到的遥测请求进行解析，将FPGA模块自身状态参数以及电压电流采集模块采集到的试验单元供电状态参数送入通讯接口电路，通过通讯接口电路转换后发送给供配电测控接口；存储器用于存储FPGA模块的配置信息、供配电单元控制参数以及试验单元供配电状态信息，供FPGA模块进行读取访问。
[0089] 供配电测控接口包括了航天器供配电测控需要的遥控指令接口、遥测通讯接口和一次电源输入；遥控指令接口用于实现供配电单元的指令通讯，遥测通讯接口用于对供配电单元的状态数据进行周期性下传，实现星地远程数据传输。遥控指令接口和遥测通讯接口共用双冗余的标准1553B总线接口实现，供配电单元工作在RT模式下，RT地址为0x7。
[0090] 试验单元接口包括了两组接口，每组试验单元接口均包括供电输出接口和指令接口；供电输出接口用于给各个试验单元供电，指令接口用于实现对各个试验单元的开关机控制。
[0091] 存储器中的供配电单元控制参数包括试验单元的过流阈值以及试验单元的优先级，试验单元的过流阈值和优先级均采用物理隔离的三模冗余存储。
[0092] 指令接口电路接收FPGA模块发送来的试验单元开关信号，产生试验单元开机或关机指令电信号，发送给试验单元，实现试验单元的加电或断电。
[0093] 如图3所示，电流电压采集模块包括AD芯片、电压采集电路和多个电流采集电路；每个电流采集电路对应一个试验单元；本供配电单元输出电压可同时满足多个试验单元供电需求，供配电单元对各试验单元的输出电压一致，可仅监测电源模块输出的二次电源电压。对于每一个试验单元，需要设计单独的电流采集电路监测其工作电流。由于DC/DC模块为供配电单元内部组成，尤其是宇航级模块具备较高的可靠性，因此本发明中主要考虑试验单元工作电流的监测和过流保护问题。
[0094] 供配电单元通过电流监测电路实现对试验单元供电状态的监测，其中电压监测主要实施采集供配电单元电源模块产生的供电电压，电流监测为采集每一个试验单元输入端工作电流；本系统实施中对于所有试验单元需设置一组电压采集电路和多组试验单元电流采集电路(具体数量与试验单元数量一致)；电流采集
精度误差要求为<3mA,电压采集精度误差要求为<3mV。
[0095] 电流采集电路包括电阻R1～R6、运放V1以及二极管D5。供配电单元DC/DC 转换后的二次电源经过电阻R5进行分压后，输出到试验单元的供配电输入端，电阻R1～R4为运放V1放大倍数调整电阻，电阻R1～R4的分压将电阻R5两端的电压差△V＝VCC_OUT-VCC_IN，其中VCC_IN为供配电单元中试验单元用电源模块转换输出的试验单元电源电压，VCC_OUT为经过分压电阻R5后的输出给试验单元的二次电源电压；△V通过运放进行放大后，从而将电流信号转换为电压信号，成倍放大后由AD采集芯片进行采集；根据AD采集值VAD和放大倍数M计算得到△V，进而通过电流计算公式：I＝VAD/(M×R5)得到试验单元的供电电流；二极管D5用于实现AD芯片输入信号的上拉；
[0096] AD采集芯片采用SAD0808RH芯片实现，R6为保护电阻，采用100KΩ的高等级电阻实现；运放V1选用F158A实现，F158A电源端VCC接+12V输入；二极管D5选择规格为2CK84F型宇航级二极管；由于试验单元的电流较小，为保证采集精度，需要进行放大后采集，图中R0为分压电阻，一般选择小于1Ω的精密电阻。放大倍数则由R1、R2、R3、R4四个电阻值确定，具体可根据实际电流大小进行调整。电流采集电路具体实现可根据不同试验单元工作电流的大小调整分压电阻R1～R4，以使得经过运放放大的信号满足AD的额定输入电压范围，默认情况下电阻R1和电阻R3选用阻值为10KΩ的电阻，电阻R2和电阻R4采用阻值为90KΩ的电阻，则电阻R5两端电压差的放大倍数M为9 倍。分压电阻R5的阻值选择宇航级的低阻值精密电阻，此处电阻R5阻值建议为0.1Ω。基于上述实施方案本电流采集电路的电流计算公式为：I＝(10×VAD) /9(单位为安培)；
[0097] 电压采集模块包括了运放V2、电阻R7～R9以及电容C1；试验单元供配电输入电压经过电阻R7和R8的分压后，经过运放V2放大输出到AD采集芯片进行电压采集，根据AD采集值VAD，使用公式：V＝VAD×(R7+R8)/R8计算得到试验单元供电电压值，电阻R9为保护电阻，电容C1连接在运放V2的输出端和地之间。电压采集电路AD采集芯片同样采用SAD0808RH芯片实现， R9为保护电阻，采用100KΩ的高等级电阻实现，C1选用30PF胆电容实现,V2 选用LM108A运放器件。VCC_IN为供配电单元电源模块产生的试验单元电源，此处分压电阻R7和R8的选用也需要根据实际工作电压和运放V2额定输入范围来确定，此处R7阻值为20KΩ，R8阻值30KΩ，要求采用精密电阻。本电压采集的计算公式为：V＝(3×VAD采集)/5。
[0098] 如图2所示，所述试验单元供配电交叉重组模块包括一对并联的熔断器、继电器K1、交叉重组控制电路、滤波模块、第一交叉重组DC/DC模块、第二交叉重组DC/DC模块、以及二极管D1～D4；二极管D1～D4选用规格型号为 2DK1080S型
肖特基二极管实现，用于进行DC/DC模块的输出均流控制和电流隔离保护。二极管D1和D2采用并联方式降低单点失效概率，同理二极管D3 和D4也采用并联设计；滤波电路选用规格为HFE-100-461-300的标准滤波模块实现，DC/DC模块M1和M2采用100V输入，输出±12V的 HDCD/100-12R-30/SP型DC/DC实现。继电器K1选用2JB1-910-012-2-M型高等级电磁继电器实现，确保开关控制的可靠性。
[0099] 一次电源通过并联的熔断器进行电源防过流保护，之后经过继电器K1送入滤波模块进行一次电源滤波处理后同时输出给第一交叉重组DC/DC模块以及第二交叉重组DC/DC模块；两个DC/DC模块均输出到交叉重组控制电路中，交叉重组控制电路包括继电器K2～K5，在FPGA模块输出的控制指令信号的控制下，通过继电器K2～K5的闭合或断开进行组合，实现对试验单元不同供电模式的切换；
[0100] 第一交叉重组DC/DC模块通过并联在一起的二极管D1、D2进行防反向输入保护和均流控制，第二交叉重组DC/DC模块通过并联在一起的二极管D3、 D4进行防反向输入保护和均流控制。
[0101] 继电器K2～K5选用2JB1-910-012-2-M型高等级电磁继电器实现，确保开关控制的可靠性。磁保持继电器是近年来发展起来的一种新型继电器，也是一种自动开关。和其他电磁继电器一样，对电路起着自动接通和切断作用。磁保持继电器的常闭和常开状态完全是依赖永久磁
钢的作用，其开关状态的转换是靠一定宽度的脉冲电信号触发完成。而触点处于保持状态时，线圈不需要继续通电，仅靠永久磁
铁的磁力就能维持继电器的状态不变。因此，供配电单元的输出控制状态不受加断电的影响，直到接收到新的继电器开关遥控指令，且该设计具备省电、性能稳定和承载能力大的优点，特别适用于在轨飞行试验输出控制电路设计。
[0102] 如图2所示，交叉重组模块中DC/DC模块M1、M2的额定功耗输出均为 30W，每个试验单元最大功耗为7.5W，因此每个模块可支持4个试验单元同时在轨试验。DC/DC模块对于后端两组试验单元(每组4个)均通过磁保持继电器K2～K5分别连接，通过开关指令进行供电通路控制。如图2中的交叉重组模块内的DC/DC后端共设置了4组继电器，DC/DC模块M1对试验单元1～4， DC/DC模块M2对试验单元5～8供电。
[0103] FPGA模块包括遥控遥测处理模块、试验单元开关控制模块、功耗监控与预计模块以及交叉重组控制模块；
[0104] 遥控遥测处理模块接收通讯接口电路发送来的遥控指令和遥测请求；对遥控指令按照预设规则进行有效性检查，丢弃无效的指令序列，对有效的遥控指令序列进行解析，得到要执行的具体操作类型；对遥测通讯请求，FPGA将供配电单元自身状态参数和试验单元供电状态参数打包发送到通讯接口电路，实现与供配电测控接口的遥测通讯；
[0105] 交叉重组控制模块接收遥控遥测处理模块的有效遥控指令和功耗监控与预计模块的系统实时功耗数据，控制试验单元供配电交叉重组模块工作在不同的模式下；
[0106] 功耗监控与预计模块实时采集电压电流采集电路的输出数据，对试验单元总功耗和试验单元供配电状态进行监控；根据试验单元工作电压和电流计算两组试验单元的实时总功耗，发送给FPGA内部的交叉重组控制模块；若试验单元电流超出所设置的电流阈值，通过试验单元开关控制模块和指令接口电路发送试验单元关机指令，对故障试验单元进行断电保护；
[0107] 试验单元开关控制模块接收交叉重组控制模块和功耗监控与预计模块的输出数据，通过指令接口电路向试验单元发送加电或断电指令，以实现对试验单元的开关机控制。
[0108] 试验单元供配电交叉重组模块的工作模式包括双机正常供电模式、单机失效供电模式、双机集中供电模式、单机满载供电模式和双机失效供电模式；通过控制继电器K2～K5,S实现供配电单元在五种供配电工作模式间的切换，五种供配电模式与继电器K2、K3、K4、K5的闭合关系对照表如下所示，各个模式具体定义如下：
[0109] 五种供电模式与继电器状态关系表
[0110]
[0111]
[0112] 五种供电模式具体如下：
[0113] 双机正常供电模式：如图4所示，该模式为供配电单元上电初始化后的默认工作模式，分为两种情况：第一种模式为继电器K2、K5闭合且继电器K3、 K4断开，使得DC/DC模块M1供电输出到试验单元1～4，DC/DC模块M2供电输出到试验单元5～8；第二种模式为继电器K3、K4闭合且继电器K2、K5 断开，使得DC/DC模块M2供电输出到试验单元1～4，DC/DC模块M1供电输出到试验单元5～8；试验单元供配电交叉重组模块中的两个DC/DC模块分别输出给两个试验单元接口，且两个DC/DC模块输出互相隔离，分别对两组试验单元进行供电；
[0114] 单机失效供电模式：如图5所示，单机失效供电模式下同一时刻继电器 K2～K5仅有一个继电器处于闭合状态，故障DC/DC模块相连接的继电器均处于断开状态，健康状态DC/DC模块仅对单个试验单元接口进行供电；系统运行固定周期后健康DC/DC模块切换输出继电器开关(从图5中的模式A切换到模式B，或从图5中的模式C切换到模式D)，给另一试验单元接口供电，两组试验单元轮流加电进行在轨试验，开展飞行验证任务；
[0115] 单机满载供电模式：如图6所示，本状态下，健康状态DC/DC模块连接的继电器均切换到闭合状态，即继电器K2、K3闭合、继电器K4、K5断开(图 6左侧连接模式图)或者继电器K2、K3断开、继电器K4、K5闭合(图6右侧连接模式图)；健康DC/DC模块供电输出给两个试验单元接口，功耗监控与预计模块和试验单元开关控制模块按照试验单元优先级依次启动试验单元工作，直到健康状态DC/DC模块输出功率达到其额定输出功率上限30W，参考值为 29W±5W；
[0116] 双机集中供电模式：如图7所示，试验单元供配电交叉重组模块内的两个 DC/DC模块M1和M2与同一个试验单元接口连接的继电器均处于闭合状态，与另一个试验单元接口连接的继电器均断开，即继电器K2、K4闭合、继电器 K3、K5断开(图7左侧供电示意图)，或者继电器K3、K5闭合、继电器K2、 K4断开(图7右侧供电示意图)；该模式下两个DC/DC模块同时向单个试验单元接口供电，满足该接口相连的试验单元供电需求；另一个试验单元接口无供电输入，对应的试验单元均处于断电状态；本模式下供配电单元可满足试验单元短期大功率试验任务，待大功率处理试验任务执行结束后恢复到正常供电模式。
[0117] 双机失效模式：如图8所示，试验单元供配电交叉重组模块内的两个DC/DC 模块均失效，继电器K2～K5全处于断开状态，两组试验单元全部断电，供配电单元通过继电器K1对试验单元供配电交叉重组模块进行重启；若重启后交叉重组模块内部两个DC/DC输出电压均恢复正常则转入双机正常供电模式工作，若重启后交叉重组模块内部两个DC/DC仅单个模块输出电压恢复正常，则转入单机失效供电模式；若重启三次后，交叉重组模块内部的两个DC/DC模块输出电压均保持异常，则对K1断电，系统待故障进一步修复后重新工作。
[0118] 供配电单元根据试验单元动态功率需求、自身DC/DC模块输出状态和外部遥控指令进行供电模式的切换，最大限度的满足两组试验单元的在轨供配电需求，实现供配电单元输出控制的在轨重构；其中外部遥控指令包括试验单元 DC/DC模块上电指令、试验单元DC/DC模块断电指令、双机正常供电模式切换到双机集中供电模式指令、双机集中供电模式切换到双机正常供电模式指令、单机失效供电模式切换到单机满载供电模式指令和单机满载供电模式切换到单机失效供电模式指令；其余各个模式间的切换。面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统实现的控制方法实施步骤如下：
[0119] (1)供配电单元上电后DC/DC电压转换模块开始工作，将一次电源转换为二次电源供给供配电单元其他模块工作，FPGA完成配置文件加载和初始化工作；继电器K1～K5均处于断开状态，转步骤(2)；
[0120] (2)FPGA发送遥控指令闭合继电器K1，激活试验单元供配电交叉重组模块；
[0121] (3)FPGA向试验单元供配电交叉重组模块发送遥控指令，依次闭合继电器K2和K5，继电器K3和K4为断开状态；或依次闭合继电器K3、K4，继电器K2和K5处于断开状态(如图4所示)；供配电单元工作在双机正常供电模式下，试验单元供配电交叉重组模块内的两个DC/DC模块产生的二次电源分别输出到两个试验单元接口，转步骤(4)；
[0122] (4)供配电单元通过指令接口电路向断电状态的试验单元发送指令，将各组试验单元按照优先级依次加电，开始在轨飞行试验，同时，供配电单元内部的电压电流采集电路实时采集试验单元供电电压和电流，送入FPGA模块的功耗监控与预计模块，实时计算试验单元的动态功耗并监测试验单元的供电电压和供电电流是否出现异常；
[0123] 若试验单元的供电电流超出FPGA内部预设置的该试验单元电流阈值，则试验单元开关控制模块通过指令接口电路发送遥控指令对该试验单元进行断电保护，等待故障修复；其他试验单元继续加电工作；
[0124] 若继电器K2～K5中的某个应闭合的继电器无法闭合或异常断开，则通过遥控指令关闭另外一个闭合状态的继电器，后闭合继电器K2～K5中此前处于断开状态的继电器，实现双机正常供电两种模式间的切换(图3)；磁保持继电器具有较高的可靠性，经工程实践表明发生故障概率极低，因此本发明仅考虑单个磁保持继电器的失效问题；
[0125] 由于试验单元接口为单个分组内的全部试验单元供电，供电输入电压相同，试验单元供电电
压实际为交叉重组模块内的DC/DC模块输出电压；若某时刻试验单元输入电源电压异常且未发送电流过流，则相连的试验单元供配电交叉重组模块内的DC/DC模块故障，FPGA通过试验单元开关控制模块和指令接口电路向该组试验单元发送遥控断电指令，关闭该组全部试验单元；后断开与故障DC/DC模块相连的继电器，实现单机失效供电，转步骤(5)；
[0126] 若某时刻一组试验单元需要试验单元供配电交叉重组模块内的两个 DC/DC模块同时供电，以完成在轨试验任务的执行。例如对于一些功率类、高速运算类型的试验单元，存在额定工作状态下功率较低，但在运行特定飞行试验任务应用时需要短时间大功率电源供给的情况。此时地面发送遥控指令给供配电单元，FPGA通过试验单元开关控制模块和指令接口电路发送断电指令，关闭另一组试验单元和相连的继电器，将交叉重组模块的两组DC/DC模块电源输出均切换到该组试验单元连接的试验单元接口，实现双机集中供电，进入步骤(6)；
[0127] (5)此时两组试验单元仅有一组试验单元处于加电工作状态，另一组试验单元则处于断电状态(如图5所示)。供配电单元接收地面遥控指令或按照预设周期参数，切换健康DC/DC模块的输出控制继电器，周期性对两组试验单元交替供电(从图5中的模式A切换到模式B，或从图5中的模式C切换到模式D)；两组试验单元交替进行在轨飞行试验，一定程度上保证在轨飞行试验任务的正常开展；
[0128] 若该单机失效供电模式下故障DC/DC模块通过复位、重启操作修复完成，电压输出正常，则供配电单元闭合该修复的DC/DC模块与处于断电状态的试验单元接口间的继电器，恢复双机正常供电模式，回到步骤(4)；
[0129] 若该单机失效供电模式下供配电单元监测到健康DC/DC模块的输出电压出现异常，则供配电单元首先发送指令关闭全部试验单元，后将处于闭合状态的DC/DC输出继电器断开，进入双机失效工作模式，转步骤(8)；
[0130] 若两组试验单元须同时开展试验，地面向供配电单元发送遥控指令，首先关闭全部试验单元，后闭合健康DC/DC模块相连的两个继电器，使得该DC/DC 模块同时给两组试验单元供电，进入单机满载工作模式，进入步骤(7)；
[0131] (6)两个DC/DC模块通过并联的方式对单组试验单元进行供电，满足该组试验单元的短期大功率输入需求。根据试验任务需求通过发送遥控指令切换继电器开关，使得两组试验单元交替加电工作，交叉重组模块内的电源输出端的二极管对两个DC/DC模块输出进行均流调整，保证功率合理的分配到两个 DC/DC模块，该模式主要针对短期内试验单元大功率任务处理需求，持续时间较短。
[0132] 当试验单元任务执行结束时，地面发送遥控指令给供配电单元，供配电单元将一组DC/DC模块输出切换到断电状态试验单元接口供电，恢复双机正常供电模式，转步骤(4)；
[0133] 若此时有单个DC/DC模块输出电压异常，供配电单元监测到该故障则断开该DC/DC模块的输出继电器，进入单机失效供电模式，转步骤(5)；
[0134] (7)在单机满载工作模式下单个DC/DC模块通过两个试验单元接口给两组试验单元供电，供配电单元按照预设的试验单元优先级，通过试验单元开关控制和指令接口电路依次发送试验单元遥控开机指令将试验单元加电，直到健康状态DC/DC模块输出功率达到其额定输出上限；该模式下DC/DC模块在最大限度的为多个试验单元供电，保证优先级较高的试验任务在轨工作。
[0135] 若该模式下正常工作的DC/DC模块出现故障，则供配电单元自动关闭对应试验单元，断开该DC/DC模块的输出继电器，进入双机失效供电模式，转步骤 (8)；
[0136] 若故障DC/DC模块经过重启、复位完成了故障恢复，输出电压正常，则供配电单元发送指令脉冲关闭一组试验单元，后断开当前工作DC/DC模块与该组试验单元接口连接的继电器，系统切换到单机失效供电模式(后续由单机失效供电模式恢复到双机正常供电模式)，转步骤(5)；
[0137] (8)在双机失效工作模式下全部试验单元都处于断电模式，供配电单元的交叉重组模块内的两个DC/DC模块均出现故障，供配电单元发送遥控指令，关闭继电器K1，交叉重组模块内的两个DC/DC模块均断电，后FPGA向交叉重组模块发送遥控指令重新闭合继电器K1，重启交叉重组模块，监测两个DC/DC 模块是否输出正常，确认是否修复完成；
[0138] 若两个DC/DC模块同时修复完成，通过地面发送遥控指令给供配电单元，由FPGA模块向试验单元供配电交叉重组模块发送指令，关闭继电器K2、K5 (或关闭继电器K3、K4)，回到双机正常供电模式，转入步骤(4)；
[0139] 若单个DC/DC模块故障恢复完成，通过地面发送遥控指令给供配电单元，由FPGA模块向交叉重组模块发送指令，关闭修复完成的DC/DC模块相连的任一继电器，实现单机失效供电模式，转入步骤(5)；
[0140] 若经过对交叉重组模块三次加断电尝试交叉重组模块内的两个DC/DC模块仍无法修复完成，则终止试验任务，关闭继电器K1，等待进一步修复。
[0141] 综上所述，本发明提出的一种面向批量化飞行验证的供配电可重构控制系统及方法，针对未来宇航在轨批量化飞行验证任务的供配电需求，使用基于磁保持继电器的试验单元供配电交叉重组设计实现了对试验单元供配电的动态可重构控制。本发明首先介绍了供配电单元的可重构控制系统设计和交叉重组供配电电路原理，并定义了供配电可重构控制系统的五种工作模式。按步骤详细介绍了基于交叉重组控制的供配电在轨重构控制流程。通过对多个试验单元供配电控制的在轨动态重构，可一定程度上解决供配电单元DC/DC模块输出故障、试验单元短期大功率供配电需求等问题，确保在轨飞行验证任务的正常开展，提高了供配电输出控制的可靠性、灵活性和扩展性。
