運載火箭新一代測量系統(tǒng)發(fā)展設想與關鍵技術分析

王國輝， 張金剛， 耿勝男， 周廣銘

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

所謂運載火箭測量系統(tǒng)[1]，指完成運載火箭的遙測參數測量、傳輸、處理以及運載火箭飛行外彈道的測量和安控任務的運載火箭分系統(tǒng)，包括遙測子系統(tǒng)和外測安全子系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的基本任務是獲取飛行試驗數據，為運載火箭的性能評定、故障分析和改進設計提供全面、可靠的依據[2]。測量系統(tǒng)在運載火箭中承擔的任務決定了測量系統(tǒng)的基本功能和特點：

1)為了獲取更精確的飛行數據，測量系統(tǒng)必須具備較高的可靠性。一方面，在運載火箭發(fā)生故障的最壞情況下，測量系統(tǒng)必須堅持工作到最后一刻，獲取故障時刻的寶貴關鍵數據；另一方面，若測量系統(tǒng)自身發(fā)生故障，必須有可靠的隔離措施，確保不影響其他系統(tǒng)的正常工作。

2)為了能更準確地獲取被測對象的飛行參數，測量系統(tǒng)需要更好地理解總體的應用需求，掌握被測對象的狀態(tài)，這就不可避免與型號總體、電氣、環(huán)境、結構等總體專業(yè)以及控制、動力、執(zhí)行等被測對象各專業(yè)之間存在較多的輸入輸出關系，系統(tǒng)設計和協(xié)調工作量大，是典型的系統(tǒng)工程。

3)為了能更全面地獲取相關飛行信息，測量系統(tǒng)設置的測量參數多、測點多，這使得測量系統(tǒng)產品數量多、種類多、參與研制的專業(yè)多、單位多，是涉及通信工程、信息技術、電路與系統(tǒng)、計算機技術、自動化、儀器科學與技術等專業(yè)的多學科、多領域交叉的復雜系統(tǒng)。

測量系統(tǒng)實現的功能和發(fā)揮的作用使其成為運載火箭的必備系統(tǒng)之一。當前，國內外所有在役、在研運載火箭均裝配有測量系統(tǒng)或功能相當的系統(tǒng)/設備[3-9]。

1 運載火箭測量系統(tǒng)發(fā)展歷程

我國航天事業(yè)起步時，早期飛行試驗任務并未裝配遙測系統(tǒng)，雖然飛行成功，但因為缺乏數據，無法對后續(xù)的改進提供指導。因此，在之后的任務中，遙測系統(tǒng)成為飛行試驗的必備系統(tǒng)。

在歷史發(fā)展過程中，遙測系統(tǒng)和外測安全系統(tǒng)統(tǒng)稱為測量系統(tǒng)，在歷次的飛行任務中，不斷地改進、完善[10-11]，逐步形成了較為完備的測量系統(tǒng)設計要素，主要包括系統(tǒng)傳輸體制、系統(tǒng)拓撲結構、系統(tǒng)傳輸容量、系統(tǒng)測量精度、無線鏈路指標、數據傳輸協(xié)議、系統(tǒng)供配電體制。

當上述幾個設計要素的技術指標有重大進展或突破時，可作為測量系統(tǒng)向下一代發(fā)展跨越的標志[12-13]。以此為依據，對我國運載火箭測量系統(tǒng)的發(fā)展進行劃代分析，可以劃分為三代：

第一代：以遙測PAM、PACM體制為代表，遙測容量在幾百kbit/s內，外測采用連續(xù)波測量，安控采用PCM-BPSK-FM體制，以分立模擬電路為主，系統(tǒng)集成度較低，基本滿足型號測量需求，解決了“有無”的問題；

第二代：以遙測PCM-FM體制為代表，遙測容量達到2Mbit/s，在頻率與體制上與IRIG標準一致，外測采用連續(xù)波測量+脈沖測量，安控采用PCM-BPSK-FM體制，數字化集成電路大規(guī)模應用，遠程測發(fā)控開始應用，系統(tǒng)主要指標與國際接軌；

第三代：以我國新一代運載火箭CZ-5、CZ-7等型號上的應用為代表，遙測采用PCM-FM體制，但在二次數據綜合的拓撲架構下遙測碼率可達10Mbit/s，外測采用脈沖量測量+衛(wèi)星定位測量為主，安控采用高可靠主字母安控，實現了總線式自動化供配電測控，并且開始應用了天基測控技術，在CZ-5/YZ-2 Y1任務中，首次使用遙控指令完成上面級彈道重規(guī)劃，確保了載荷準確入軌，系統(tǒng)整體達到國際先進水平。

2 運載火箭新一代測量系統(tǒng)

2.1 研制背景

2.1.1 高密度航天任務下高質量、高效率、高效益的研制需求

隨著我國航天事業(yè)進入高密度任務時期，傳統(tǒng)測量系統(tǒng)越來越暴露出一些局限，主要體現在系統(tǒng)架構靈活性不足，產品種類多，產品化水平難以提高，在研制過程中表現為“一型號一設計，一狀態(tài)一方案”，難以適應高密度任務的快節(jié)奏需求。如何提高質量、提高效率、提高效益，是擺在新一代測量系統(tǒng)面前的迫切問題。

2.1.2 運載火箭電氣系統(tǒng)綜合化發(fā)展趨勢的研制需求

隨著電子技術的不斷發(fā)展，現代軍事電子裝備系統(tǒng)集成已經進入了一個嶄新的時代——綜合化、模塊化系統(tǒng)集成時代。在該領域，尤其以航空綜合模塊化電子系統(tǒng)(IMA)集成發(fā)展最為迅速。采用可重構的通用模塊構建復雜的電子系統(tǒng)有助于提升系統(tǒng)的可用性，增加系統(tǒng)的成功率，大幅減小系統(tǒng)的體積、質量、功耗及全壽命周期的成本。

隨著運載火箭的電氣系統(tǒng)功能愈加復雜，對全系統(tǒng)資源優(yōu)化設計的需求也變得愈發(fā)迫切。從國際航天來看，美國SLS重型火箭箭上電子設備充分借鑒航空IMA集成模塊化電子系統(tǒng)思想，采用模塊化、組合化、集成化設計，采用設備內部的背板總線完成設備模塊間的通信[14]。歐洲在研制的下一代運載火箭航電系統(tǒng)-Avionic-X計劃中，針對模塊化數據處理(Modular Data Handling Block，MDHB-X)使用了遵循VITA46標準的VPX 3U架構[15]。可以看出，國外運載火箭已經由設備獨立、接口專用、軟硬件緊耦合的聯邦式架構逐步升級為體系架構標準化、集成化程度高、軟硬件分離、接口通用的分布式綜合電子架構，核心電氣設備均采用功能模塊集成/復用的綜合電子設備方式，設備種類顯著減少，核心產品具有較強的繼承和復用性。這種發(fā)展趨勢是運載火箭電氣系統(tǒng)多年發(fā)展的結果，有它的合理性、優(yōu)越性和必然性。因此，功能劃分更加合理、資源配置更加優(yōu)化的綜合電子系統(tǒng)將成為未來運載火箭電氣系統(tǒng)發(fā)展的方向。

在設備模塊化、系統(tǒng)綜合化的趨勢下，如何既保證運載火箭電氣功能的實現，又能確保在故障條件下測量數據獲取高可靠性，成為一個新的命題。為滿足即將到來的重型運載、載人登月、深空探測、可重復使用天地往返運輸等全新航天任務的需求[16-19]，在既有的基礎之上，充分借鑒國內外電氣領域的創(chuàng)新成果，新一代測量系統(tǒng)呼之欲出[20-28]。同時，以新一代測量系統(tǒng)的建設為契機，探索我國運載火箭電氣系統(tǒng)下一代的發(fā)展方向也是新一代測量系統(tǒng)更深刻的使命和內涵。

2.1.3 運載火箭走向智能化的發(fā)展需求

當前，人工智能已經成為國際競爭的新焦點，世界各大國高度重視人工智能的發(fā)展，紛紛出臺了相應的政策和規(guī)劃。美國、歐盟等國家和組織紛紛加快在人工智能領域的籌劃布局，自2016年起先后發(fā)布了《國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》(美國)、《歐洲人工智能》(歐盟)等人工智能發(fā)展規(guī)劃。我國也于2017 年8月發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》及《促進新一代人工智能產業(yè)發(fā)展三年行動計劃(2018—2020 年)》，其中明確指出“以信息技術與制造技術深度融合為主線，以新一代人工智能技術的產業(yè)化和集成應用為重點，推進人工智能和制造業(yè)深度融合，加快我國的制造強國和網絡強國建設”。智能制造的最主要特點是引入信息系統(tǒng)，通過大數據智能、人機混合增強智能、群體智能等，使系統(tǒng)具有強大的自我感知、計算分析與控制能力[29]。

當人工智能技術與運載火箭相結合，可以使運載火箭具備自我診斷、自主導航、故障預測、故障重構等智能化的特性。從人工智能技術的發(fā)展來看，計算能力、算法以及海量數據對智能技術的實現至關重要，尤其是海量數據，可以稱得上“智能之源”。對于運載火箭來說，智能化之源在于數據，海量數據對智能算法進行訓練和優(yōu)化是關鍵性的因素，而測量系統(tǒng)就是運載火箭獲取海量數據的途徑。因此，運載火箭走向智能化的需求對測量系統(tǒng)提出了更高的要求，新一代測量系統(tǒng)必將成為智慧火箭的基礎。

2.2 總體方案設想

新一代測量系統(tǒng)以高質量、高可靠為出發(fā)點，按照功能集中式規(guī)劃、信息集中式管理、設備分布式組合的“集中-分布式”原則，實現統(tǒng)一數據傳輸與管理、統(tǒng)一供配電，實現了系統(tǒng)拓撲結構、傳輸體制、傳輸協(xié)議、容量、供配電體制等多項設計要素的重大變革。

新一代測量系統(tǒng)在功能上表現為以“信息流、能量流”為主線進行頂層一體化設計，具體表現為：

1)在信息流上采用有線骨干網+無線區(qū)域子網的異構方式構建智能彈性架構，有線骨干網以基于實時以太網的高可靠信息互聯冗余與容錯技術為基礎，實現設備的彈性擴展，自由入網；無線區(qū)域子網采用一種基于分時分頻的動態(tài)接入技術和開放的無線通信協(xié)議體系，使得傳感器節(jié)點可以動態(tài)接入、自動組網，消除大量的末端電纜，解決運載火箭內部成百上千只傳感器大規(guī)模測量帶來的電纜網復雜、質量大、連接操作復雜、設計更改困難等問題；

2)在能量流上表現為采用統(tǒng)一的高低壓混合母線架構，其中儀器母線為DC 28V規(guī)格低壓母線，為箭上電氣系統(tǒng)儀器設備提供一次供電；高壓母線為DC 270V規(guī)格高壓母線，為大功率動力負載進行一次供電；270V高壓母線通過電壓隔離變換輸出DC 28V動力母線，為箭上火工品、動力系統(tǒng)電磁閥等負載進行供電。高低壓混合架構解決了常值功率和峰值功率的兼容問題，形成標準化的供電接口，滿足運載火箭常值、脈沖、感性負載種類越來越多的應用需求。

新一代測量系統(tǒng)的功能拓撲包括了通信骨干電纜和供電主干電纜，電纜網拓撲結構簡單，枝干清晰，數量少，不再呈現傳統(tǒng)測量系統(tǒng)如蛛網般的系統(tǒng)電纜網，不僅可以大幅減小電纜網質量，而且針對傳統(tǒng)需要人工操作或存在分離需求的界面采用了無纜化連接的技術，可以大幅減少人為操作，提高連接可靠性。

2.3 關鍵技術分析

新一代測量系統(tǒng)的突出特征表現為“集成化、網絡化、無纜化、高速化、智能化”，其中集成化表現為分布式綜合電子技術、綜合射頻技術;網絡化表現為異構融合的動態(tài)自組網技術;無纜化表現為無線區(qū)域自組網、無線供電等新技術;高速化表現采用Ka頻段天基、無線激光測控等高速數傳技術;智能化表現為火箭大數據多源融合與挖掘技術。

此外，新一代測量系統(tǒng)還不斷推動著基于CCSDC規(guī)范的空間數據系統(tǒng)、高動態(tài)組網數據鏈、多目標測控、態(tài)勢感知等前沿技術、新領域的研究和應用。

2.3.1 分布式綜合電子技術

新一代測量系統(tǒng)采用分布式綜合電子技術，在功能上將數據采集、數據綜合、數據接口、通信、控制、供電等功能進行綜合設計，實現硬件資源的標準化和通用化、功能的軟件化和集成化。在硬件上采用通用VPX板卡+定制化背板的一體化方案，對傳統(tǒng)各個獨立單機進行通用化、模塊化、板卡化設計，模塊采用統(tǒng)一的標準化結構和電氣接口，組合內各模塊間通過高速背板總線進行連接；取消各獨立單機的電源模塊，由組合內的電源控制模塊通過背板進行二次電源的統(tǒng)一供電和配電控制；功能模塊采用統(tǒng)一的I2C總線和自檢測協(xié)議實現加電自檢測功能，自檢測電路采用獨立的電源與總線，與主功能電路隔離，可以實現在主功能電路故障情況下的高可靠自檢測。

新一代測量系統(tǒng)通過分布式綜合電子技術顯著減少了設備數量、種類，實現資源的高效整合，如圖1所示，多臺單機通過模塊化的組合形成了智能檢測組合。

圖1 分布式綜合電子技術Fig.1 Distributed integrated module avionic

2.3.2 寬帶綜合射頻集成技術

隨著無線測控技術的快速發(fā)展，遙測、外測和安控的實現途徑不斷豐富和完善，在提升測控可靠性的同時也帶來了射頻設備數量增多、設備間電磁環(huán)境復雜、系統(tǒng)體積龐大、測試操作維護工作量大、人員需求多等困難。箭上射頻系統(tǒng)天線種類多、數量多，不僅帶來總裝、測試的不便，而且對箭體的結構強度、熱防護、氣動特性帶來影響。

為解決上述問題，新一代測量系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)按功能劃分模塊的方式，采用基于綜合射頻按照信號處理流程劃分的方式，對完成相同或類似信號處理的電路進行整合優(yōu)化。綜合射頻設備劃分為電源模塊、綜合接口模塊和若干個信道模塊以及若干個信號處理模塊。除必要的電源模塊和綜合接口模塊外，可按需選擇。綜合射頻設備集成了原脈沖相參應答機、安控指令接收機、導航接收機的功能，體積僅與原一臺應答機相當，實現了射頻類設備的高度集成。

2.3.3 異構融合的動態(tài)自組網架構

新一代測量系統(tǒng)采用有線骨干網+無線區(qū)域子網的異構方式實現箭上設備的互聯互通。

有線骨干網采用基于時間觸發(fā)的實時以太網，其協(xié)議層次結構與標準以太網的層次結構類似，物理層可支持多種不同傳輸介質或方式(如雙絞線、光纖等)，數據鏈路層中的MAC層基于IEEE 802.3標準，增加了高精度時鐘同步、網絡通信調度管理及網絡可靠性設計，實現對標準以太網協(xié)議的兼容。有線骨干網既可以實現控制指令、動作時序等對時間敏感數據的實時精確傳輸，又可以兼容大容量數據的高帶寬傳輸需求，如高清圖像、場測量數據的采集傳輸。

無線區(qū)域子網采用基于分時分頻的動態(tài)接入技術，簡稱為TFD-MAC，支持頻段為915MHz或2.4GHz的多信道分頻傳輸。在火箭艙段內實現箭上環(huán)境參數采集的全部無纜化，種類涵蓋沖擊、振動、過載、壓力、溫度、熱流等參數類型，實現大規(guī)模、大容量穩(wěn)定組網。

2.3.4 高速天基測控技術

為了滿足運載火箭全程高速天基測控的需求，新一代測量系統(tǒng)采用Ka頻段QPSK調制LDPC編碼的天基數傳技術，針對運載火箭返向天線通信速率高、波束窄、運載姿態(tài)變化快的難點，突破高精度的自跟蹤測角算法，采用自適應跟蹤中繼衛(wèi)星技術，由程序跟蹤和自跟蹤配合實現高精度的跟蹤瞄準。

為了實現多彈道、故障彈道以及高動態(tài)、多姿態(tài)下的全程天基鏈路的建立與通信，采用多天線切換和多星切換策略，最終可以實現全程下行遙測速率50Mbit/s，上行遙控速率50kbit/s的天基測控系統(tǒng)，滿足后續(xù)運載火箭大容量數傳以及在線指令注入等測控需求。

2.3.5 高效無線供電技術

運載火箭普遍采用脫插、脫拔等機械電連接器作為電氣系統(tǒng)箭地接口，但傳統(tǒng)的脫插、脫拔等機械電連接器存在設計及操作使用約束多、操作復雜、消耗較多人員和時間、對輔助設備依賴程度高、無法自動對接等難點。

面對下一代運載火箭電氣技術發(fā)展和無人值守等要求，新一代測量系統(tǒng)提出了實現無纜化自動連接的無線供電/通信集成方案，突破高效諧振拓撲網絡、復雜金屬環(huán)境下的耦合線圈設計、電能與信號同距傳輸等關鍵技術，實現了供電功率1000W、傳輸距離30cm、傳輸效率92%、通信速率1Mbit/s的無線供電接口，能夠實現對運載火箭的無線供電以及指令和信息的無線測發(fā)控。

2.3.6 智能數據挖掘與第三方評估

長期以來我國對于運載火箭遙測數據的挖掘和利用存在不足，主要體現在：一是對于已有豐富的飛行試驗歷史數據開發(fā)利用程度不高，對發(fā)次之間的數據關聯性和規(guī)律性挖掘不足；二是現有數據分析手段仍停留在人工判讀、閾值判讀等低層級水平，尚不具備對大數據進行人工智能深度挖掘、建模與分析能力，對于參數之間的關聯性研究不足，對于隱藏在表層數據背后的大量有用信息尚無法有效開發(fā)和利用。

新一代測量系統(tǒng)提出了基于火箭大數據的遙測信息融合與應用平臺，著眼于提高全系統(tǒng)數據應用及正確決策的能力。數據源來自現役在飛型號的成功數據、故障數據、異常數據等，具有復雜性、多源性、離散性等特點。新一代測量系統(tǒng)開發(fā)了基于深度學習、神經網絡、回歸分析等的人工智能遙測數據處理算法，進行算法優(yōu)化與數據訓練，建立了遙測參數評估模型，利用豐富的歷史飛行試驗數據開展遙測數據關聯性分析，進行特征再提取和分類判別，完成了參數的關聯性分析，實現了火箭飛行狀態(tài)參數的實時預測。圖2是對某過載參數的預測結果(橙色是實際數據，藍色是預測結果)，可以看出，基于模型的預測值與實際飛行數據結構吻合較好，同時也準確挖掘出與過載參數關聯性較強的其他參數，揭示出利用傳統(tǒng)人工判讀方法無法發(fā)現的參數之間隱藏的相關關系，為進一步的數據分析和應用提供了依據。

新一代測量系統(tǒng)對數據預測與分析的工作將使測量系統(tǒng)的角色發(fā)生重要變革，由數據獲取變?yōu)閷π畔⒌牡谌皆u估，為我國運載火箭的智能化探明了方向。

3 結論

運載火箭測量系統(tǒng)誕生于中國航天事業(yè)起步之初，在近60年的發(fā)展歷程中，歷經上千次飛行任務考核，在飛行結果評定、故障定位與分析、總體優(yōu)化設計中發(fā)揮了極其重要的作用，測量系統(tǒng)自身也在不同歷史階段完成了三代技術變革。當前，在重型運載、載人登月、深空探測、可重復使用天地往返運輸等全新航天任務的需求下，新一代測量系統(tǒng)以“集成化、網絡化、無纜化、高速化、智能化”為主要特征開啟了新一輪的技術變革，多項性能及技術指標達到了國際領先水平。新一代測量系統(tǒng)的總體功能架構不僅是測量系統(tǒng)的新一代變革，同時也是在綜合電子的發(fā)展趨勢下，運載火箭下一代電氣系統(tǒng)的方案基礎，對我國運載火箭電氣系統(tǒng)的下一步發(fā)展具有重要的指導意義。

圖2 數據預測與參數關聯性Fig.2 Information prediction and parameter correlation analysis