天宫一号目标飞行器控制计算机的设计与验证

对 控 制 计 算 机 的 功 能 与 可 靠 度 需 求 ， 绍 天 宫 一 号 目标 飞 行 器 控 制 计 算 机 的 容 介
错 方案 、 硬件 设 计 、 系统软 件设 计 、 靠性 分析和 试 验验 证 情 况 ， 面验 证 结 果表 可 地
明 ： 宫 一 号 目标 飞 行 器 控 制 计 算 机 设 计 满 足 Ｇ Ｃ 分 系统 的 需 求 ． 天 Ｎ
作者简介 ： 刘
波 （９ ７ ）男 ， 南 人 ， 级 工 程 师 ， 究 方 向 为 容 错 计 算 技 术 （ — ａ ：ｉｂ ｉ ．ｒ．ｎ １７ 一 ， 湖 高 研 ｅｍ ｉ Ｌｕ ＠ｂｃ ｏｇｅ ） ｌ ｅ
第 ６期
刘 波 等 ： 宫 一 号 目标 飞 行 器 控 制 计 算 机 的设 计 与 验 证 天
道 运行 情况 实现 控制 模式 转换 ；
最后 ， 在整 个设 计 寿命期 间 ， 宫一 号 目标 飞行 天 器 控制 计算 机 的可靠 度需 满足 Ｇ Ｃ分 系统 的要 求 ． Ｎ
２ 从 地 面遥控 指 令 或 注数 中获 得 轨 道要 求 、 ） 工
收 稿 日期 ： ０ １０ —６ ２ １ —９ １
Ａｂｓｒ ｃ Ｃｏ ａ ｅ ｔ ｈ ｈ ｎ ｈ ｕ ｓ ａ ｅ ｈｐ’ ｒ ｉ ａ ｕｌ ｔ ａ ｔ： ｍｐ ｒ ｄ ｗｉｈ ｔ ｅ Ｓ ｅ ｚ ｏ ｐ ｃ ｓ ｉ Ｓｏ ｂ ｔｃ ｐｓ ｅ，ｔ ａ ｇ ｎ 一 ｐ ｃ ｃ ａ ｕｔ ｏ ｗａ ｄ ｈｅＴｉｎ ｏ ｇ １ ｓ ａ ｅ ｒｆ ｐ ｓｆ ｒ ｒ ｔ ｈ ｇ ｒｒ ｑ ｒ ｍ ｅ ｔ ｏ ｏ ｔｏ ｏ ｐ ｔｒ ｉ ｕ ｃ ｉｎ，ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ｎｄ ｅ ｖｒ ｎ ｅ ｔ ｌｓ ｉａ ｌｔ ． Ａｃ ｏ ｄ ｉｈｅ ｅ ｕｉｅ ｎ ｓ ｆｒｃ ｎ ｒ ｌｃ ｍ ｕ ｅ ｎ ｆ ｎ ｔ ｏ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ａ ｎ ｉｏ ｍ ｎ ａ ｕ ｔｂｉ ｙ ｉ ｃｒ —
实 时完 成 的功 能包括 ：
２ 耐火 箭 发射 时苛刻 的冲击 、 ） 振动 力学 环境 ；
３ 耐 高温 、 ） 低温 和辐 照环境 ； ４ 耐交 会对 接 时 的力 学 与 电气 扰动 环境 ． ）
１ 采集 敏感 器姿 态 与 轨 道状 态 ， 成 控 制 规 律 ） 完 的计算 ， 出控 制指令 控 制执行 机 构工作 ， 根据 轨 发 并
ｉ ｇ ｔ ｈ ｓ ｅ ｒ ｑ ｉｅ ｎ ｓ ａ ｔｔ ｌｒ ｎ ｃ ｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｅ ｎ ｗ ｅ ｕ ｒ ｍｅ ｔ ，ｆｕｌ—ｏｅ ａ ｔｓ ｈ ｍｅ，ｈ ｒ ｗａ ｅ ｄ ｓｇ ａ ｄ ｒ ｅ ｉｎ，ｓ ｓｅ ｓ ｆ ｒ ｅ ｉ ｎ，ｒ ｌａ ｌ ｙ ｔ ｍ ｏｔ ｗａ ｅ ｄ ｓｇ ｅｉｂｉ － ｉ ｔ ｎａｙ ｉ ｎ ｅ ｔｖ ｒｆｃ ｔｏ ｆｃ ｎ ｒ ｌｃ ｍ ｐ ｔｒａ ｅ ｄｅ ｃ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｇ ｏ ｎ ｅ ｏ ｔａｉｎ ｒ － ｙ ａ ｌ ｓｓ ａ ｄ ｔｓ ｅ ｉ ａｉ ｎ ｏ ｏ ｔｏ ｏ ｕ ｅ ｒ ｓ ｒｂ ｄ ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｒ ｕ ｄ ｄ ｍ ｎｓｒ ｔｏ ｅ ｉ ｓ ｓ ｖ ｌｄ ｔ ｈａ ｈｅ ｄ ｓｇ ｆｃ ｎ ｒｌｃ ｍ ｐ ｔｒｆ ｒＴ ａ ｇ ｎ － ｐ ｃ ｃ ａ ｕｌ ｌｓｔ ｅ ｒ ｑｕｒ ｍ ｅ ｔ ｏ ｔ ｕｈ ａｉ ａ ｅｔ ｔｔ ｅ ｉ ｎ ｏ ｏ ｔｏ ｏ ｕ ｅ ｉ ｎ ｏ ｇ １ ｓ ａ ｅ ｒ ｆ ｆ ｆ ｌ ｈ ｅ ｉｅ ｎ ｓｆｒｉｓ ｏ ｔ ｉ
采用 了电路级 的冗余 设计 ， 保证 单机 内部与接 口的任
意单故 障不会造 成其他两个冗余 单机 的故 障．
２ 冗 余 方 式 ： 照任 务 的 寿 命 与 可 靠 度 要 求 ， ） 按
ＧＮＣ ｓ ｓ ｓｅ ． ｕｂ ｙ ｔ ｍ Ｋｅ ｙｗｏ ｄ ｒ ｓ： Ｔｉｎｇ ｎ 一 ｓ ａ ｅ ｒ ｆ； ｃ ｎ ｒ ｌｃ ｍ ｐ ｔ ｒ ｒ ｄ ｎ ｎ ｙ；ｆ ｕｔｔ ｌｒ ｎ ａ ｏ ｇ１ ｐ ｃ ｃａ ｔ ｏ ｔｏ ｏ ｕ ｅ ； ｅ ｕ ｄａ ｃ ａ ｌ—ｏ ｅａ ｔ
与 中 国载人 航 天一 期 “ 道 舱 ” 比 ， 轨 相 载人 航 天 二期 天宫一号 目标 飞行 器制 导 导航 控 制 （ Ｎ ｇ ｉ Ｇ Ｃ，ｕｄ —
计为“ 错” 容 系统 结 构 ， 免 偶 发 “ 误 ” “ 障 ” 避 错 或 故 影 响控 制 计 算 机 总体 功 能 ．
在天 宫一 号 目标 飞 行 器 控 制 计 算 机 “ 错 ” 容 方
案 上 重 点 进 行 了如 下 设 计 ：
１ 冗 余 级 别 ： 用 单 机 级 的冗 余 策 略 为 核 心 ， ） 采
工 艺 、 发 、 造 和 验 证 环 节 ， 宫 一 号 目 标 飞 行 开 制 天
器 控制 计 算 机 都遵 循 航 天 产 品质 量 管 理 体 系 相 关
要 求进 行 严 格 控 制 ， 免 发生 “ 误 ”； 在 总 体 方 避 错 但
一
蕊
云 一
案上 ， 通过“ 错 ” 计 ， 过配 置冗余 资源 ， 则 容 设 通 没
ａ ｃ ， ａｉａ ｏ ｎ ｏｔ １ 分 系统 对控 制 计 算机 的 ｎｅ ｎ ｖ ｔ ｎａ ｄｃｎ ｏ） ｇｉ ｒ
功能 、 能和环境 适应性都 提出 了新 的更 高需求 ． 性
天 宫 一 号 目标 飞 行 器 自入 轨 分 离 后 的 运 行 过 程
中， 有单 独 飞行 和组合 体 飞行 两种 工作状 态 ． 控制 计 算 机作 为这 两种 工作 状态 下 控 制 系统 的 “ 大脑 ”， 需
图 １ 天 宫 一 号 目标 飞行 器 控 制 计 算 机 硬 件 冗 余 结 构 图
图 ２是 Ａ Ｃ Ｏ Ｃ与 Ｂ Ｄ的可靠 度 比较 示 意 图 ， Ｃ 可
以看 出 ， 工作储 备 冗 余 方式 可 以大 大 提 高 天宫 一 非
号 目标 飞 行 器 Ａ Ｃ Ｏ Ｃ和 整 个 天 宫 一 号 目标 飞 行 器 控
１ 容 错 方 案 设 计
控 制计 算机 是 Ｇ Ｃ分 系统信 息交 互 、 Ｎ 通信 连 接
和 制导 导航 控制 信 息 流处 理 的核 心 ， 极 高 的 可靠 需 度， 保证 并提 高 可靠 度 是 控制 计 算 机 容 错 方 案设 计
的核心 ．
冗余 模数 和冗余 管 理 策 略 的设 计 ． 据 天 宫 一 号 目 依 标飞行 器 控制计 算机 的容 错方 案 ， Ｏ Ｃ加 上 Ｂ Ｄ。 ＡＣ Ｃ 整个 控 制 计 算 机 的冗 余 模 数 为 ３ 天 宫 一 号 目标 飞 ，
行器 控制 计算 机采 用 了如 图 １所示 的非 工作 储备冗 余策 略 ， 这是 由于 天宫 一 号 目标 飞行 器 控 制 计算 机 设计 在轨 工作 时间要 求为 ２～３年 ， 目前研 制 的天 在 宫一 号 目标飞行 器 控 制计 算 机 单 机失 效 率 ２ ０ ＦＴ ０ ０ Ｉ 水平 上 ， 工 作 储 备 冗 余 策 略 更 适 合 天 宫 一 号 非 目标 飞行器 这种 长期 可靠 性要求 ．
时 ， 面通 过“ 接遥 控 ” 可 以直 接进 行 Ａ Ｃ 地 直 也 Ｏ Ｃ和
Ｂ Ｄ的切换 ． 备 份 双 模 硬 件 容 错 线 路 和 “ 面 遥 Ｃ 热 地
控 ” 同 完 成 天 宫 一 号 目标 飞 行 器 控 制 计 算 机 的 共
“ 故障监 测 与切换 ” 能． 功 此外 ， 宫一 号 目标 飞 行 器 控 制计 算 机 还 采 用 天 了软件 、 信息 、 间冗余 等多 种冗余 方式 ， 软件 、 时 但 信 息 、 间冗余 是在 单机 内部 实施 ， 建立 在核 心 的单 时 都 机 硬件冗 余基 础上 ． 对 于控制 计算 机 ， 件 冗 余 容错 的方 案 核 心 是 硬
空 间控制 技术 与应 用
・
第 ３ ７卷
Ｃｏ ｔｏ ｎ ｐ ｉａｉ ｎ ｒ ｓ ｃ ｎ ｒ ｌａ ｄ Ａｐ ｌｃ ｔｏ
２１ ０ １年 １ ２月
天 宫 一 号 目标 飞 行 器 控 制 计 算 机 的 设 计 与 验 证
刘 波 ， 林 宇 ， 彭 飞 ， 谢 琼 ， 国 良 王
・ ９・ ２
依 据 天宫 一号 目标 飞 行 器 Ｇ Ｃ分 系 统 对 计 算 Ｎ 机 的功 能 与 可 靠 度 需 求 ， 人 航 天 二 期 新 开 发 了 载 “ 姿态 轨道 控 制 器 （ Ｏ Ｃ，ａｔｕ ｅ ａｄ ｏｂｔ ｏｔ ｌ Ａ Ｃ ｔｔｄ ｎ ｒｉ ｃｎｒ ｉ ｏ ｃｍｐ ｔｒ ” “ ｏ ｕｅ） 和 备份 控制 器 （ Ｃ ｂ ｃｕ ｏ ｔ ｌ ｅ Ｂ Ｄ，ａｋ ｐ ｃｎｒ — ｏｄ ｖ ｅ ” 台控 制 计算 机产 品． ｉ ）两 ｃ
控 制 计 算 机 保 证 并 提 高 可 靠 度 有 “ 错 ”和 避
“ 错 ” 种 途 径 ． 方 案 上 天 宫 一 号 目标 飞 行 器 容 两 在
控 制计 算 机 采 用 “ 错 ” “ 错 ” 避 与 容 结合 的方 法来 保 证 和 提高 可 靠 度 ． 设 计 、 取 元 器 件 与 原 材 料 、 在 选
Ｄ ｅ ｉ ｎ ａ ｒ ｆｃ ｔｏ ｆ Ｃｏ ｔ ｏ ｍ ｐ ｅ ｏ ａ ｏ － ａ ｅ ｒ ｆ ｓｇ ｎｄ Ｖｅ ｉ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｒ ｌＣｏ ｉ ｕｔ ｒ ｆ ｒ Ｔｉ ｎｇ ｎｇ １ Ｓｐ ｃ ｃ ａ ｔ
ＬＵ Ｂ ，ＬＮ Ｙ ， Ｅ Ｇ Ｆ ｉ Ｘ Ｅ Ｑ ｏｇ ＷＡ Ｇ Ｇ ｏｉ ｇ Ｉ ｏ Ｉ ｕ Ｐ Ｎ ｅ， Ｉ ｉ ， ｎ Ｎ ｕ ｌ ｎ ａ （ ｅｉ ｓｔｔ ｏ ｏ ｔ ｌ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｂ ｉｎ ０ １ ０ ｈｎ ） Ｂ ｉ ｇＩ ｔｕｅ ｆＣ ｎｒ ｇｎｅｉ ， ｅｉ １ ０ ９ ，Ｃ ｉａ ｊ ｎ ｎｉ ｏＥ ｎ ｊｇ
作 状态 、 统参 数修 正等 ； 系 采集 部件 和控 制器 自身信
息 ， 储并 通过 遥测 通道 下发 到地 面 ； 存 ３ 支持 应用软件 进行控制 系统级 的 自检 和诊 断 ， ） 控 制各部件进行 主备份切 换 ， 或是进行 系统重构 ． 同时 ， 天宫 一号 目标 飞 行 器控 制 计 算 机 需 满 足 如 下使 用环 境要 求 ： １ 体积 、 量 和功耗 的约束 ； ） 重
（ 京 控制 工程 研究 所 ， 京 １ ０ ９ ） 北 北 ０ １０
摘 要 ：与 载 人 航 天 一 期 “ 道 舱 ”相 比 ， 人 航 天 二 期 天 宫 一 号 目标 飞 行 器 对 轨 载
控 制 计 算 机 的 功 能 、 能 和 环 境 适 应 性 都 提 出 了更 高 的 要 求 ． 据 Ｇ 性 依 ＮＣ 分 系 统
依据 Ｇ Ｃ分 系统 的可靠度 要求 ， 控制计 算 机 划分 Ｎ 将
为 ３个冗 余单 机 ： Ｏ Ｃ的 Ａ单 机 、 Ｏ Ｃ的 Ｂ单机 ＡＣ Ａ Ｃ 与 Ｂ Ｄ 由于控 制计算 机 的 ３个冗 余 单机 与敏 感器 、 Ｃ ．
执行机 构的接 口是公 共 的 ， 因此 ， 在设计 公共 接 口时 ，
关 键词 ：天 宫一号 目标 飞行 器 ；控制 计 算机 ；冗余 ；容 错
中图分 类号 ： Ｐ ９ Ｔ ３ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ４１ ７ （ ０ １ ０ －０ ８０ １ ７ ．５ ９ ２ １ ） ６０ ２ ．６
ＤｏＩ ０ ３ ６ ／ ．ｓｎ １ ７ １ ７ ． ０１ ． ６ ０ ５ ：１ ． ９ ９ ｊｉｓ ． ６ ４－５ ９ ２ ０ ． ０ １