長三甲系列運載火箭測試發射控制技術

李 剛，金志超，韓 峰

（北京航天自動控制研究所，北京，100076）

0 引 言

長三甲系列運載火箭自1994年2月8日成功發射夸父一號/實踐四號衛星以來，已累計完成100次發射，并以約98%（部分成功按0.5計算）的成功率給人類宇航發射歷史留下了濃墨重彩的一筆，是中國當之無愧的金牌主力火箭。本文將對長三甲系列運載火箭測試發射控制技術發展歷程進行總結，分析不同階段的技術特點，并結合未來測試發射控制技術的發展需求提出幾個迫切需求的發展方向，為將來系統設計提供借鑒。

1 測試發射控制系統發展

長三甲系列運載火箭服役25年以來，地面測試發射控制系統共經歷了3個發展階段：近距離測試發射控制系統；第1代遠控“三化”測試發射控制系統；第2代遠控更新改造測試發射控制系統。

1.1 近距離測試發射控制系統

長三甲系列運載火箭測試發射控制系統可以追溯到20世紀八、九十年代，它是在長征二號系列和長征三號測試發射控制系統的基礎上，采用當時較為先進的技術和設計思想，進行了重新研發和設計生產，最終在90年代初形成了長三甲系列運載火箭近距離測試發射控制系統（簡稱近控系統，相對于后續遠控系統命名）。

近距離測試發射控制系統原理如圖 1所示。前端設備安裝在發射塔架附近，后端設備安裝在發射區的控制大廳內，實現了百米級別的近距離測試、發射、控制功能。

受通信技術和操作系統技術水平的限制，近距離測試發射控制系統的計算機操作系統采用DOS系統，且不支持多線程工作模式。為解決測試發射流程控制線程與顯示線程沖突的問題，采用控、顯分開的獨立控制方式，主控微機僅執行測試發射流程控制，實現控制指令和采集指令的發出，顯示微機通過RS422總線接收測試數據信息并實現與主控計算機流程同步顯示。

圖1 長三甲系列運載火箭近距離測試發射控制系統原理Fig.1 Block Diagram of the Short-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

近控系統中的發控臺功能和邏輯極為復雜，它具有部分自動發控與完全手動發控功能、點火控制功能、遙測量接收功能、狀態顯示功能、電源遙控功能和平臺瞄準功能；通過轉接組合實現控制指令的傳遞實施；模擬測試裝置根據測試信號的變化在坐標紙上畫出模擬量的變化情況。隨著計算機操作系統和網絡通信技術的不斷發展，近控系統在2001年增加了顯示微機，采用更加友好的操作系統和以太網通信技術接收總體網發送的遙測數據并進行實時顯示，進一步擴大了系統可監測范圍。

近控測試發射控制系統的缺點主要為：體積龐大、集成化程度低、自動化程度低、操作邏輯復雜，但該系統對當時來說具備一定的先進性，其中的一些先進設計思想和工程經驗延用至今：

a）發控臺內部各單機首次采用插箱式設計，提高系統的配置靈活性，方便組裝、具備射前組合插箱應急更換維修的條件；

b）采用通用化、模塊化的設計思想，對繼電器板和點火控制組合首次進行了通用化設計，極大方便快速排故和維修，提高了繼電器的快速測試性，該設計思想延用至今；

c）進一步提升主控測試流程的自動化程度，一定程度上減少了人為操作過程，并有效提高了測試效率。

1.2 第1代遠程測試發射控制系統

2006年，為進一步降低發射風險、提高發射安全性，提出了遠程測試與發控的構想和要求。在充分繼承原有長三甲系列運載火箭近距離測試發射控制系統的基礎上，借鑒長征二號F遠控模式的設計思路，合理采用計算機技術、信息處理與通信等先進技術，開展系統級冗余設計，提高測試發射控制系統的測試性能、執行效率和可靠性、安全性，以適應更高的系統需求。

長三甲系列運載火箭第 1代遠程測試發射控制系統原理如圖2所示。與近控相比最大的變化是，采用輕質高可靠單模光纖物理介質進行遠距離通信。

所有計算機采用更加友好的操作系統，支持多線程工作模式，主控實現測控流程指令的控制和流程顯示；第1代遠控系統改造中對發控臺進行了“瘦身”，將近控系統發控臺中的點火控制功能、電源控制功能、狀態顯示功能、自動發控功能分別在圖2中的前端進行實現。為了更好適應箭上的“平臺-慣組”、“慣組-平臺”、“雙激光慣組”的系統級冗余控制體制。系統測試功能采用觸發時間更加嚴格的測試系統和數字筆錄儀，通過以太網將測試結果送到后端，大大提高了系統的監測范圍，為操作手決策提供了更多信息，大幅降低了操作風險。

圖2 長三甲系列運載火箭第1代遠程測試發射控制系統原理Fig.2 Block Diagram of the First Generation Long-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

現在來看，第 1代遠控測試發射控制系統仍然存在系統體積大、冗余度不高，應急通道數余量不足的缺點，但實現了從近控到遠控的模式突破。通過采用新技術和新思路，提高了系統的自動化程度，使得系統組成與布局更加合理：

a）首次將新的通訊控制模式應用在正式型號上，采用“一控二同步”模式，實現前端自動發控組合的熱備冗余，提高系統可靠性；

b）首次采用重要信號集中發控方式，發控臺為動力、利用系統提供多路控制開關，減少其他系統的后端控制設備，提高地面設備集成度；

c）采用集中應急控制方式，為控制、動力、遙測等系統提供應急控制通道；

d）地面電源由線性電源更改為輕便的開關電源，減小電源體積和質量，方便安裝。

1.3 第2代遠控更新改造測試發射控制系統

在第1代遠程測試發射控制系統退役之際，為確保后續高密度發射任務完滿完成，2013年在充分繼承第1代遠程測試發射控制系統技術的基礎上，著重開展單點排查、冗余設計，對部分設備進行功能整合，提高設備數字化和產品化程度；在滿足“零窗口”的要求下，進一步優化系統拓撲結構，開展了面向無人介入式的全自動測試、發射、控制流程研制工作，形成了簡潔、可靠的第2代遠控更新改造測試發射控制系統。

在設計原理上，第2代遠控更新改造測試發射控制系統可以實現全部發射場測試、發射、控制流程的“無人化”自動發控，通過規劃好的測試路徑開展自動測試、自動判讀、自動狀態監測、自動發出系統關鍵控制指令。使控制系統在進入發射流程后，可實現“一鍵啟動”并自動完成全部的系統測試、狀態確認、轉電控制等操作，全套應急預案也轉為自動流程，僅保留人工的點火和應急通道控制功能。但同時，為了保持與第1代遠控測試發射控制系統的使用延續性、便于發射場指揮員和指揮系統的口令接口協調，控制系統封閉了主控微機測試發射控制程序的部分功能、設置了相應的人工介入斷點環節。正是由于具備這樣較為強大的功能實現和適應能力，在后來提出的發射場流程優化、射前無人值守等要求時，測試發射控制系統未進行研制更改，僅通過一些測試準備階段的工作調整和已有測試流程的常規組合，便具備了射前-2 h無人值守的能力。

長三甲系列運載火箭第2代遠程測試發射控制系統原理如圖3所示。由圖3可以看出，整體拓撲結構上與第1代相差不大，但部分功能關聯或相近的單機進行了整合與功能調整優化。

圖3 長三甲系列運載火箭第2代遠程測試發射控制系統原理Fig.3 Block Diagram of the Second Generation Long-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

第2代遠控測試發射控制系統除了設備簡化合并之外，還進行了性能提升設計：

a）為實現精準點火，考慮環境影響，優化了點火時序，大幅提高了自動點火控制的精度；

b）發射使用的全套測試發射控制系統硬件電路均為全冗余狀態，無單點；

c）箭機通訊通道由手動切換改為自動切換，提高系統箭地通信自動化程度；

d）優化系統測試流程，進一步提高自動化程度，測試過程幾乎無手動操作；

d）增加應急通道數，提高整機集成度，使得整機通道增加后體積減少1/3；

e）測試覆蓋性提高，對部分難監測、難自動測試的電路進行了改進，并在測試流程中增加針對性的測試項目，使覆蓋性得以提升，元器件實現國產化；

f）主控軟件基于通用框架，采用數據庫技術對測試流程進行配置，提高了可靠性；

g）電源模擬量的采集，實現了全數字化接口，與系統間的信號數量大幅降低。

h）采用產品化時序測試儀系統，對飛行時序進行準確測試和自動判讀，產品化程度高，判讀時間更精準。

與以前相比，目前的系統體積更小，電路更簡潔，信號流更清晰，可靠性得到了大幅提高，但仍有可以提高的空間，如可以通過軟件智能平臺替代發控臺功能，增加自學習的判讀軟件等。

2 運載火箭測試發射控制系統發展展望

隨著BIT技術[1]、綜合電子技術[2]、互聯網技術、故障診斷技術[3]等的不斷發展，未來箭上設備智能化程度也將逐步提升，對地面測試發射控制系統的測試能力需求將逐步減弱，靶場保障與發射支持人員也將逐步減少。地面測試發射控制系統將借助強大的數據處理能力對海量測試數據和狀態信息進行綜合處理，診斷系統健康狀態，并根據給定原則或預案自動執行處理措施，大幅提高系統智能化程度，實現智慧管控、敏捷測發，下面將對未來運載火箭測試發射控制技術發展中可能應用到的部分關鍵技術進行介紹。

2.1 遠程發射支持系統

目前，中國現役運載火箭在發射場執行測試及發射任務時，為提高發射任務保障能力、及時分析處理并形成技術決策，需要大量設計人員赴現場進行技術支持與保駕。以長三甲系列運載火箭為例，每發任務期間發射場技術保障隊伍龐大；火箭發射場測試發射流程復雜，造成測試與發射準備時間較長，部分設計人員主要工作內容是判讀，因此在靶場的有效工作時間較短。總的來看，測試發射控制系統智能化程度不高、靈活性不強，需要較多的人為保障和支撐。

隨著計算機網絡技術、視頻會議技術發展，運載火箭靶場測試和發射過程不再局限于本地實施。通過高速遠程異地協同網絡[4]，建立數字化的測試監測及信息應用系統，在遠程實現對現場測試數據、圖像信息的完整映射，遠程再現發射場實況，使設計人員（發射保駕人員）能夠實時遠程監測運載火箭狀態，完成運載火箭的測試發射及技術決策工作。圖4為高速遠程發射支持系統原理示意。

圖4 高速遠程發射支持系統原理示意Fig.4 Schematic Diagram of High-speed Remote Launch Support System

該技術可以有效減少發射場人員，充分利用遠程軟硬件資源與專家智力資源，提高測試發射效率，在遠程實現運載火箭的快速響應[5]。同時，也可以使有限的測試人員兼顧多發次火箭的測試發射任務。

遠程異地協同網絡將運載火箭與現場安裝操作、技術狀態等相關的各種圖像、音/視頻信息和測試狀態及結果信息通過網絡傳遞到遠程支持系統，實現狀態確認、遠程判讀、故障診斷和快速決策等工作；另一方面，現場和遠程通過視頻會議協商工作，討論決定靶場測試工作規劃、加注前評審等工作，實現前后方協作的遠程智能測試發射支持工作模式。

2.2 敏捷測試與發射技術

現役運載火箭的測試模式已無法滿足未來運載火箭的超高密度、敏捷測發的需求，商業發射市場競爭愈來愈激烈，為縮短發射周期、提高發射效率、降低發射成本，基于云服務的一體化通用測試發射控制系統將是運載火箭測試和發控系統發展方向。

圖5為基于云服務的一體化通用測試發射控制系統架構。

為實現快速測試與發射必須突破以下關鍵技術。

2.2.1 基于云服務的一體化通用測試發射控制技術

長三甲系列運載火箭目前仍然保持控制、測量、利用系統獨立運行狀態，設備與接口差距較大，技術狀態復雜、風險大，容易發生多種質量問題，影響型號發射計劃進度。靶場在引入新型火箭發射任務時，需要提前派遣指揮員學習，在初次測試發射過程中容易引發操作帶來的系統問題，影響發射進度。未來將集成控制、測量和利用系統，形成基于云服務的一體化通用測試發射控制系統，解決測試發射控制系統分散、型號間不通用影響發射進度的問題。

a）云服務技術。

隨著BIT測試技術的發展，箭測成為運載火箭測試發展的趨勢，基于硬件IO的控制和測試方式將迅速減少，測試發射控制系統規模將進一步減小，智能化程度將進一步提升，這為測試發射控制系統網絡云化[6]提供了條件。電氣系統的設計資料、測試信息和測試結果等資源全部集中在云服務器中，各系統通過網絡終端與云服務器交互，根據功能需求在云服務器上開辟硬件資源、獲取系統信息，完成既定功能。訪問權限只跟賬戶有關，與物理終端無關，物理終端可以開放也可以在各系統內部管理，實現靈活配置。

圖5 基于云服務的一體化通用測試發射控制系統示意Fig.5 Schematic Diagram of Integrated Universal Test Launch Control System Based on Cloud Service

b）一體化技術。

轉變設計思路，由“分系統組建系統”方式轉變為“功能模塊組建系統”方式，提出以云服務為核心的一體化測試發射控制系統架構[7]，梳理全箭各系統電氣功能需求，形成一體化設計方案，弱化甚至取消原有的分系統概念，最終形成電氣和動力測試發射控制系統。

c）通用化技術。

在以云服務為核心的一體化測試發射控制系統架構下，設計具有標準統一接口的電源配電、狀態控制、數據采集、數據通信、應急控制、信息處理、點火控制、無線測量、時序測量等通用功能模塊，建立通用化硬件基礎，軟件采用通用系統架構，時序更改算法應用程序即可滿足多型號需求，降低系統操作難度。

2.2.2 電氣系統并行測試發射控制技術

傳統的串行測試模式使得工作協調與測試配合等消耗了大量的時間和精力，為縮短測試流程、提高測試效率，需要轉變測試觀念，各系統僅在互斥性測試流程步進行串行測試，在互不影響的情況下采用并行測試方案[7,8]。

在具體實施過程中要對電氣系統測試信息流進行集中規劃，設置測試任務調度管理器，防止測試沖突的發生。圖6為并行測試示意。

如圖 6所示，利用多線程編程技術對主控測試流程進行設計，在同一時間段開啟多個線程實現多系統并行測試。不同線程的測試任務在接口轉換開關處形成任務隊列，按照非互斥原則和優先級原則通過自動測試對目標對象進行測試，并將測試結果原路徑反饋。

圖6 并行測試示意Fig.6 Parallel Test Schematic

出于方便實現、容易擴展和通用化考慮，將并行測試軟件進行模塊化設計。圖 7為并行測試軟件結構示意。如圖 7所示，軟件按照功能模塊進行劃分，各功能模塊通過接口適配器與軟件總線相連，根據測試任務需求配置測試線程；每條線程從測試項目數據庫中提取測試內容，構建測試流程；對外通信接口與測試驅動程序配合，實施測試；測試結果存儲在數據庫中，供查詢和分析使用。

圖7 并行測試軟件結構示意Fig.7 Parallel Test Software Structure Diagram

2.3 基于數據驅動的故障診斷技術

目前，長三甲系列運載火箭采用的基于閾值判別機制的故障診斷方法更多地依賴信號處理，不需要被診斷對象的數學模型，能夠直接提取信息中的特征信息，快速判別，該方法簡單、方便、存儲空間小，但存在以下問題：

a）當信號處于連續變化時，很難有效地表示一個時變的閾值，如慣組輸出脈沖量，很難實現有效的故障檢測。若采用一致性判別方法，又難以區分共因失效問題。對閉環反饋控制系統還存在故障傳播問題，即系統輸入條件的變化導致輸出的改變，從而改變了系統的狀態，進而又影響了輸入信號的變化，使得整個閉環環節中各類信號均與預先設計值不符，這會對故障診斷產生干擾。

b）該方法僅僅利用了顯性化信息，對于系統結構、系統內部的變化沒有進行深度挖掘。出現故障后，仍需要專家對問題進行定位，因而故障診斷的范圍和模式還有待提高。

目前來看，將來能夠應用于快速智能判斷的故障診斷技術有基于數據驅動的故障診斷技術和基于模型的故障診斷技術：

a）基于數據驅動的故障診斷技術[9]基于智能異常檢測算法和深度學習算法，對已知樣本數據集的深度學習，自動建立從系統狀態特征向量到內部故障源的映射關系，通過將大量的系統正常運行數據集與異常數據集作為訓練樣本進行自學習，如神經網絡方法、決策樹方法等。基于數據驅動的故障診斷方法優點是不需要詳細了解系統內部的邏輯關系，利用機器學習原理能夠自適應地對某些未知故障做出正確預判，實現較為簡單；具有高度非線性、高度容錯和聯想記憶等優勢，能接受、處理不精確的和隨機的信息。

b）基于模型的故障診斷方法既可解決知識獲取的瓶頸問題和知識庫維護困難的問題，又能提高診斷的精確性。基于模型的知識表示方法有利于緩解航天器系統在故障診斷方面歷史經驗不足的困難。它的優點是可以診斷未預知的故障，不需要歷史的經驗知識；缺點是由于使用系統仿真模型，模型較為復雜龐大，對模型精度的依賴性較強，只要實際系統和所建立的數學模型稍有不同，在檢測條件下的任何模型的不確定性因素都可能導致錯誤的診斷報警。由于運載火箭電氣系統設備種類眾多、物理和邏輯結構關系復雜，大部分部組件還未實現國產化，缺乏準確的原理模型，而且各模型類型不統一、不匹配，因此很難全面獲得統一完整的故障模型，因此基于模型的故障診斷系統在短期內較難在運載火箭控制系統中展現出良好的應用效果。

相比而言，長三甲系列運載火箭經歷了100發飛行試驗、綜合試驗和出廠測試，積累了大量的測試數據，為基于數據驅動的故障診斷系統提供了豐富而真實的學習資料，而且隨著任務的增加和測試結果的增加，系統的故障診斷能力將進一步增強，因此基于數據驅動的故障診斷系統最方便應用于該型號的測試發射控制系統中。圖8為數據驅動故障診斷原理。

以慣性器件為例，總體方案中，首先針對慣性器件輸出數據進行經驗模態分解，獲得其不同模態分量，再對各分量進行特征提取，構造特征向量。通過大量樣本數據，獲得相應的特征向量，在此基礎上，利用概率神經網絡PNN進行故障學習，從而獲得故障診斷網絡。

圖8 基于經驗模態分解的故障診斷原理Fig.8 Fault Diagnosis Schematic Diagram Based on Empirical Mode Decomposition

2.4 預埋式預案實施技術

運載火箭是一個復雜的功能體，測試發射控制系統在綜合試驗、總裝出廠測試和靶場對該功能體進行全面測試和發射控制，這兩個復雜的系統結合起來難以避免地在測試過程中會出現一些突發質量問題。為了處理突如其來的異常狀態，工程師在設計階段以人員和系統最低損害為前提，對系統可能的故障模式給出合理的處理預案，并在后期的試驗過程中對該預案進行補充和修正，確認預案的有效性和可操作性。

測試發射控制系統預案目前以文本形式呈現，在靶場測試階段組織學習，當出現故障時操作手通過查找預先打印好的預案手冊采取相應的處理方式，這種處理方式能夠處理緊急性不強的故障，但對于及時性要求比較高或處理操作流程復雜的故障可能難以使用，因此需要采用預埋式預案實施方式，根據故障診斷結果定位故障位置，并根據預案處理流程或重要原則自動給出處理措施并自動實施，提高預案的執行效率和系統智能化程度，降低系統的損害程度，提高測試安全性。

3 結束語

本文對長三甲系列運載火箭地面測試發射控制系統技術發展進行了總結，分析了各個階段系統技術特點，總結出可供其他運載飛行器測試系統借鑒的設計思想。針對運載火箭未來測試發射控制技術發展需求，研究了超遠距離多部門協同的工作系統平臺、快速敏捷測試一鍵式發射技術和智能故障診斷技術發展方向，可供下一代運載飛行器測試發射控制系統設計參考。