基于IRIG-B碼的運(yùn)載火箭測發(fā)流程同步的軟件設(shè)計方法*

于丹丹，高小安，吳 康，皮 操，王建清

(上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109)

0 引 言

現(xiàn)代科技的進(jìn)步促進(jìn)了運(yùn)載火箭的快速發(fā)展。隨著火箭運(yùn)載能力的不斷增強(qiáng)，其組成系統(tǒng)也隨之變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)間的密切配合顯得尤為重要。特別地，在運(yùn)載火箭點(diǎn)火前的10min，測試步驟密集，測試時間緊張，各系統(tǒng)對時間同步的精度要求非常高。而目前，各系統(tǒng)間的時間同步多采用口令控制等方法實(shí)現(xiàn)，難以保證精度。

IRIG(Inter Range Instrumentation Group，靶場儀器組)是負(fù)責(zé)指定美國靶場定時系統(tǒng)的時間碼標(biāo)準(zhǔn)[1]。B碼是IRIG所屬的TCG(Telecommunication Group，電信組織)制定的一種串行時間碼[2]。B碼的時幀速率為1幀/ s[3],可傳遞100位信息[4]。作為廣泛的時間碼，B碼具有攜帶信息量大、適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[5]。

目前，針對IRIG-B碼在碼生成及解碼方面的研究較多，IRIG-B碼在靶場流程控制領(lǐng)域中的應(yīng)用較少。本文根據(jù)運(yùn)載火箭發(fā)射流程的特點(diǎn)，提出了一種基于B碼的運(yùn)載火箭測試發(fā)射流程的自動執(zhí)行的測試技術(shù)。在點(diǎn)火前10min至點(diǎn)火這段時間內(nèi)，通過B碼控制測試發(fā)射流程自動執(zhí)行，完成測試發(fā)射流程，用于保證測試及發(fā)射過程中的時間統(tǒng)一。

1 方案設(shè)計

目前運(yùn)載火箭測試發(fā)射流程的執(zhí)行方式為：關(guān)鍵步驟(如流程時間進(jìn)度xxx分鐘準(zhǔn)備、點(diǎn)火等)通過指揮口令執(zhí)行；關(guān)鍵步驟之間的流程自動執(zhí)行，若執(zhí)行出錯則停止。由于關(guān)鍵步驟采用口令執(zhí)行方式，操作人員只有獲取指揮口令才會執(zhí)行測試流程。這種執(zhí)行方式因等待口令而產(chǎn)生了系統(tǒng)延時，不利于各系統(tǒng)時間的統(tǒng)一及精準(zhǔn)發(fā)射。

考慮現(xiàn)有流程的執(zhí)行特點(diǎn)，如果采用B碼時間控制測試流程自動執(zhí)行，則應(yīng)改變現(xiàn)行的關(guān)鍵步驟執(zhí)行方式。從點(diǎn)火前10min到點(diǎn)火之間的測試過程尤為關(guān)鍵。在這個階段，測試流程密集，對時間進(jìn)度要求較高，宜在這些關(guān)鍵點(diǎn)采用B碼時間以倒計時方式執(zhí)行流程控制。

B碼流程控制的執(zhí)行原理如圖1所示。系統(tǒng)接收B碼源碼，由網(wǎng)絡(luò)通信模塊解析獲取原始的B碼時間，并根據(jù)系統(tǒng)B碼源碼在同一時間連續(xù)發(fā)送5次的特點(diǎn)采取冗余處理，以冗余后的B碼時間作為系統(tǒng)的當(dāng)前時間，并將其輸入到流程控制模塊。

圖1 B碼控制流程的執(zhí)行方案Fig.1 The solution of B code control process

系統(tǒng)通過用戶界面模塊獲取用戶輸入的點(diǎn)火時間，并在處理模塊完成處理后剔除不合理的時間；通過用戶界面模塊獲取用于用戶設(shè)置的B碼控制標(biāo)識(該標(biāo)識提示用戶是否采用B碼控制測試流程的自動執(zhí)行方案)，完成界面處理并將點(diǎn)火時間輸入至流程控制模塊。

流程控制模塊根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)時間(冗余后的B碼時間)及用戶設(shè)置的點(diǎn)火時間計算倒計時，并根據(jù)B碼控制標(biāo)識控制關(guān)鍵步驟的執(zhí)行方式：若用戶采用B碼控制，則根據(jù)倒計時自動執(zhí)行關(guān)鍵步驟，否則則等待指揮口令。

2 詳細(xì)設(shè)計方法

2.1 通信方案設(shè)計

在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)通信方式中，有TCP及UDP 2種方式可供選擇。

TCP(Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議)是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。在對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送前，TCP通過握手機(jī)制建立連接。只有當(dāng)連接建立成功后，才會進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

UDP(User Data Protocol，用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議)是一種簡單的、面向數(shù)據(jù)報的傳輸層協(xié)議。UDP在發(fā)送數(shù)據(jù)前，不在客戶與服務(wù)器之間建立連接，且沒有超時重發(fā)機(jī)制，因而傳輸速度很快。

TCP與UDP傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

表1 TCP協(xié)議與UDP協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)對比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages between TCP and UDP

考慮到點(diǎn)火前測試流程的高度密集，以及B碼源碼在1s內(nèi)的前500ms時間段內(nèi)、以100ms為周期發(fā)送源碼的特點(diǎn)，采用傳輸速度較快的UDP協(xié)議接收B碼源碼，以保證B碼的校時及零窗口發(fā)射要求。B碼源碼在1s內(nèi)采用了多次重發(fā)的機(jī)制，彌補(bǔ)了UDP協(xié)議可靠性相對較低的不足。

2.2 冗余算法設(shè)計

考慮B碼源碼在1s內(nèi)發(fā)送5次的特點(diǎn)，設(shè)計了五取三冗余方案，以獲取B碼時間。該方案的特點(diǎn)為：若收到3次相同的B碼時間，則更新當(dāng)前的B碼時間，同時不要求必須是連續(xù)的3次時間。

根據(jù)五取三冗余方案，軟件可通過循環(huán)數(shù)組的形式存儲收到的B碼時間。循環(huán)數(shù)組大小為5；創(chuàng)建B碼時間字典，存儲B碼時間及其數(shù)量標(biāo)記；每收到1次B碼時間，則將其存儲到循環(huán)數(shù)組，并通過五取三算法在循環(huán)數(shù)組中獲取B碼時間。

具體實(shí)現(xiàn)方式為：依次獲取存儲在循環(huán)數(shù)組中的B碼時間；在字典中查找是否有相同的B碼時間。如有，則數(shù)量標(biāo)記增1，如果沒有，則存儲該B碼時間，并設(shè)置其數(shù)量標(biāo)記為1；當(dāng)某B碼時間的數(shù)量標(biāo)記為3時，則以該時間作為當(dāng)前的B碼時間。

循環(huán)數(shù)組作為五取三算法的B碼依據(jù)，其初值可以設(shè)定為當(dāng)前的本地系統(tǒng)時間，或其他值。但無論初值是何值，在開始接收B碼時間并執(zhí)行五取三算法時，均會出現(xiàn)所獲取的B碼時間為非期望值的情形。如循環(huán)數(shù)組初始為0，在接收到第1個B碼消息時，使用冗余算法計算的B碼時間的年、月、日、時、分、秒均為0。

為防止出現(xiàn)B碼時間全部為0的情況，需增加算法處理?xiàng)l件：即只有收到3條以上正確的B碼時間消息時，才執(zhí)行算法處理。軟件處理的流程如圖2所示。

圖2 五取三冗余算法Fig.2 The redundancy algorithm to get B code time

2.3 點(diǎn)火時間設(shè)置

點(diǎn)火時間可重新設(shè)置，以應(yīng)對發(fā)射場的突發(fā)情況。用戶可以隨時設(shè)置或更改點(diǎn)火時間，設(shè)置點(diǎn)火時間的時機(jī)可以在發(fā)射前，也可以在發(fā)射流程中。

由于點(diǎn)火時間對火箭發(fā)射影響重大，因此在點(diǎn)火時間的更改過程中需加入校對及確認(rèn)環(huán)節(jié)，以防止點(diǎn)火時間設(shè)置錯誤，或誤觸發(fā)點(diǎn)火時間的設(shè)置流程。

2.4 流程同步設(shè)計

在目前的運(yùn)載火箭測試發(fā)射流程中，在點(diǎn)火前10min至點(diǎn)火之間的關(guān)鍵測試步驟包括：10min準(zhǔn)備、5min準(zhǔn)備、3min準(zhǔn)備、2min準(zhǔn)備、1min準(zhǔn)備及點(diǎn)火等。流程控制模塊通過B碼控制上述關(guān)鍵測試步驟自動執(zhí)行。在B碼的控制下，當(dāng)點(diǎn)火時間與冗余后的B碼時間之差小于或等于關(guān)鍵步驟的時間點(diǎn)(點(diǎn)火時間點(diǎn)為0)時，該步驟自動執(zhí)行，否則則進(jìn)行等待。

B碼控制流程的執(zhí)行原理為：當(dāng)流程執(zhí)行到口令處時，界面彈出提示對話框，同時啟動計時器。當(dāng)?shù)竭_(dá)口令對應(yīng)的時間信息時，關(guān)閉提示對話框，流程繼續(xù)。其中一次時鐘間隔的執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 B碼控制流程的執(zhí)行過程Fig.3 The execution of the process by B code control

為提高系統(tǒng)的可靠性，防止在測試發(fā)射過程中出現(xiàn)異常、影響測試發(fā)射任務(wù)，系統(tǒng)設(shè)計了可靠性方案，即可隨時啟動和停止B碼控制，使得用戶在測試流程執(zhí)行過程中仍能改變B碼控制標(biāo)識。關(guān)鍵步驟的執(zhí)行過程可由人工隨時介入，即在B碼控制的過程中，操作人員仍能在倒計時時刻未到來的情況下控制關(guān)鍵測試步驟是否執(zhí)行。上述可靠性方案，提高了系統(tǒng)的可靠性，可防止因B碼設(shè)備失效、傳送B碼時間的網(wǎng)絡(luò)失效、獲取B碼時間有誤及其他失效模式等導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

3 結(jié) 論

本文以IRIG-B碼時間為基準(zhǔn)，通過對通信案、冗余算法、點(diǎn)火時間設(shè)置及流程同步方法進(jìn)行設(shè)計，控制運(yùn)載火箭的測試發(fā)射在點(diǎn)火前10min至點(diǎn)火之間的流程按照B碼時間自動執(zhí)行，保證了運(yùn)載火箭各系統(tǒng)的時間同步、流程同步，進(jìn)而滿足了運(yùn)載火箭的零窗口發(fā)射要求。同時，通過采取防差錯機(jī)制，使得人工可以隨時介入，提高了運(yùn)載火箭測試發(fā)射的可靠性。

本方法已在某型號運(yùn)載火箭大型試驗(yàn)及靶場測試中獲得了成功應(yīng)用。