運載火箭地面一體化測發控系統設計

韓 亮，張宏德，彭 越

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

我國傳統運載火箭各分系統各自獨立，測發控均使用單獨的地面測試設備，完成箭上系統的供配電、信號激勵、狀態控制、參數測量等測試、發射控制等功能。各分系統測發控功能重復、系統復雜，存在資源浪費、兼容性差、信息傳遞低效等問題[1-2]。隨著測控技術的發展，集成芯片與計算機系統跨越式進步，測控設備更加集成化、小型化，而云計算、故障診斷、自動化測試技術也為信息應用提供了更加先進的技術解決方案。與此同時，未來新一代中型、重型運載火箭電氣系統在通用化[3]、集成化、智能化[4]等方面也提出了更高的要求。因此，結合某背景型號火箭測發控一體化的研制需求，提出了一種運載火箭地面測發控系統設計，包括系統體系結構、關鍵單機及軟件設計，有效整合各分系統測發控功能，合理規劃數據及信息流向，不僅集成度高、通用性強，也提高了火箭的測試效率。

1 系統結構及原理

地面一體化測發控系統拓撲架構如圖1所示。系統按照前端、后端遠距離測控進行布局，其構成及原理如下：

圖1 地面一體化測發控系統拓撲圖

1)前端系統包括供配電設備、前端測控機、遙外測天線、前端光傳設備，完成箭上各系統的配電、測試狀態控制、監測；

2)后端測控設備主要包括交換機、服務器、磁盤陣列、射頻送綜合檢測站，手動應急控制盒等。服務器采用云計算虛擬服務，人機交互采用瘦客戶機方式連接云上的虛擬化系統；各項業務軟件運行在該云平臺上，通過網絡對箭上、地面設備進行控制，完成對火箭箭上電氣產品的測試和控制，并與發射場相關系統配合，完成火箭的測試和點火發射任務；

3)箭上通過無線、有線傳輸將測試結果傳輸至地面。包括遙測PCM流、有線PCM流，通過光傳設備傳輸至射頻綜合檢測站，完成傳統測量系統的遙測檢測站、外安檢測站等功能；

4)箭地、地面均采用新型以太網通信，實現箭地網絡鏈路的融合；地面在物理結構上分為前后端2個子網，分別以配置光纖通信接口的網絡交換機為中心，在邏輯上形成一個統一的測發控數據通信網絡[5]；

5)手動應急控制盒通過電纜與前端測控機相連，控制前端信號調理箱內部的繼電器陣列，完成關鍵時序信號(例如點火等)的手動控制。

2 系統設計方案

2.1 系統功能目標

2.1.1 統一供配電

在地面測試階段對箭上電氣系統提供地面供電的功能，包括箭上加電、轉電、斷電，以及電壓監測、漏電檢查等功能。要求能夠整合火箭各分系統電源種類，兼顧火箭大功率的配電需求，以集成度高、可靠性高、遠程控制為目標，實現統一配電控制。

2.1.2 有線測試及流程控制

按照火箭測試發射流程完成火箭功能和性能測試，采集、處理、傳輸及顯示箭上測試信息。能夠將狀態控制和系統測試集成在一種產品架構中，實現原多系統獨立并行的測試的統一管理、集中調度與控制，并能夠簡化發射操作和流程，指揮完成火箭的發射任務。

2.1.3 無線調制解調

對遙測、安控、外測、導航等功能進行集成，整合基帶資源形成通用化綜合射頻測控設備，完成箭上有線PCM流、遙測射頻PCM流、BD-GNSS信號接收、調制與處理。

2.1.4 數據處理與應用

通過有線測試、無線測試等途徑全面、實時掌握各系統的測試數據，確保測試數據有效融合、信息高效流轉。能夠實現火箭測試和發射控制數據的統一處理、診斷、顯示、判讀等工作，為指揮員及各系統專業人員提供監視、決策和智能化分析服務。

2.1.5 其他功能

手動應急控制功能：用于在地面測發控系統后端計算機、軟件失效，前后端網絡故障等模式下的情況。手動應急控制指令由前端測控設備傳遞至箭上相應設備，實現手動點火、斷電。

2.2 統一供配電設計

供配電的電源種類包括直流電源和中頻電源兩類，由3～4個隔離獨立的供電電源和調理箱組成：直流電源1為箭上儀器母線供電，以及給儀器電池、火工電池充電；直流電源2為箭上火工品/電磁閥(動力母線)供電，并輔助動力加溫、電池加溫；中頻電源3提供給箭上伺服母線供電，并可給伺服電池充電；根據前端地面設備自身的供電需求，可另設單獨的電源供電。調理箱通過脫插與箭上設備連接，與地面電源和前端測控機一起完成地面電源對箭上產品的供電、充電及電池加溫工作。

電源采用N+1多模塊均流供電，1個電源模塊失效不會影響負載工作，(1+N)/N的功率容量冗余方式更加高效，可根據火箭負載情況選擇電源架構。另外，為了滿足遠程控制需求，電源具備網絡通訊能力，可向后端發送當前電壓、電流等BIT信息，并可接收后端遠距離控制，實現遠控調壓和開關控制。

上述電源配置模式、供電方式、電源冗余模式設計能夠整合火箭各分系統供配電的共性需求，具有體積小、集成度高、遠程控制等優點。

2.3 有線測控功能設計

2.3.1 前端發控設計

邏輯控制與指令電路設計是前端發控系統基本的組成單元，用于對完成供配電、箭上設備施加控制指令[6]。具體由前端測控機與繼電器電路實現，進行各種開關控制、邏輯控制及信號采樣，通過以太網接收后端發送的測試發射指令，共同完成火箭的測試、發射及控制過程。

一體化設計不再區分控制、測量、動力等分系統，而是按照共性需求進行功能整合，劃分為模擬量采集(電壓、電流、開關量)、數字量采集(總線)和開關量輸出等種類，按照信號種類進行集成設計。前端測控機采用CPCI總線，集成CPU、KI、KO、AD、DA、RS422等多種板卡，具有可靠性高、測試快速準確、操作簡便及小型化等優點[7]。

如圖2所示，前端測控機在協同供配電設備完成接通、斷開地面供電、地面充電的同時，還完成箭上電氣系統發送點火、復位、封鎖、脫插脫落等IO指令，以及漏電檢測、狀態采集等功能。而繼電器作為核心控制單元，通過前端測控機內KO板控制繼電器及調理箱內繼電器動作，完成關鍵控制信號的輸出。

圖2 有線測控信息交互示意圖

2.3.2 箭地及地面前后端通信

測發控通信網絡未來發展趨勢是采用實時以太網、標準以太網和無線網絡的多網融合方案，根據網絡數據的關鍵程度、實時性要求進行傳輸通路選擇。因此，箭上、地面通信網絡的一體化整合設計至關重要。在箭上儀器設備有以太網接口的前提下，采用標準以太網進行通信，可實現箭地統一網絡接口互聯，地面前端交換機設備作為地面通信接口，與箭上設備進行數據交換。如圖3所示，該設計在消除單點故障的同時，能夠簡化箭地接口，實現箭地網絡融合。

圖3 冗余網絡模式箭地、地面前后端通信拓撲示意圖

由于采用了冗余配置，在軟件層面箭地通信采用雙通道通信，對于重要的測控指令采用收發應答的三遍重傳方式，可以有效地、準確地判斷網絡消息、濾除重復幀，從而進一步提高以太網通信的可靠性。

2.3.3 后端發控設計

后端有線發控系統主要由各類計算機、軟件系統以及手動應急盒組成。其中，后端主控軟件是系統流程控制與測試的核心，是所有控制指令的發起端，也是有回令屬性指令的閉合端[8]。實現對傳統控制、測量、動力分系統地面后端統一與自動測發控，具體包括：向前端電源、前端測控機發送測控指令、接收并監測前端狀態量、模擬量測試數據；與箭上設備進行控制信息交互、上傳諸元及程序文件；將測試流程信息轉發給其他軟件，并接收測發控流程所需的部分遙測參數及診斷輔助信息。

后端主控軟件的核心功能是軟件組態化技術、自動流程技術，其中：

1)組態技術并不限于人機界面的定制和自動生成，還包括軟件插件配置、測控參數配置、協議配置、流程配置等方面設計。組態技術可以滿足用戶靈活定制的需求，軟件能夠適應測發控領域各種任務需求，提高系統的適應性、兼容性和擴展性。

2)自動流程技術支持主控軟件對全部測試流程步驟、流程集的事先配置與錄入，操作人員在測試過程中可以通過界面靈活的選擇、重組各項測試步驟及進程，并能“一鍵”、“并發”執行多個測試流程，關鍵節點可手動干預。上述能力不僅提高了軟件本身的重用性和適應性，也是整個測發控系統簡化人員操作、提高火箭自動化測試水平的關鍵所在。

2.4 無線調制解調設計

傳統的外測、地基測試設備，均為針對箭上單機分別設計，設備數量多，占用體積大，使用操作也不便利。在立足于現有的遙測、外測和安全測試的功能、性能指標的基礎上，射頻綜合檢測站采用綜合化設計，以實現外測和遙測的無線系統測試功能為主，同時具備安控的測試能力。

射頻綜合檢測站部署在一臺測控機柜內，主要包含3個關鍵組合：遙測地檢組合，多模導航外測組合，外安檢測組合。每個組合單機模塊設計為板卡形式，其功能完全獨立，方便功能的組合、擴展和維修。各模塊插入標準的機箱，模塊之間通過標準的協議進行數據交換，并在軟件的管理下實現整個系統的功能。主要設計如下：

1)遙測地檢組合完成箭上遙測信號的接收、解調和存儲等功能。組合由系統板卡、中頻基帶板卡、上變頻器板卡及下變頻器板卡等構成；

2)外安檢測組合模擬脈沖應答機上行信號，接收并測試脈沖應答機轉發的下行信號，實現對脈沖應答機的自動化單元和系統測試，并集成外測射頻光傳輸功能；

3)多模導航外測組合主要由接收天線、遙測接收解調機、GNSS/BD接收機、外測處理終端組成。實時接收地面基準接收機提供的GNSS和BD數據，處理數據后解算出差分修正值，實現對目標的差分定位。

2.5 數據處理與應用設計

2.5.1 云平臺設計

傳統后端測試設備需要多臺服務器、指揮工作站、瀏覽微機組成。造成極大的硬件資源浪費，采用虛擬云平臺的方案可以做到按需分配，有效避免浪費。配套組成包括服務器、磁盤陣列、若干瘦客戶機、虛擬化基礎架構軟件及管理軟件。

云平臺為適用于現代運載火箭遠距離測試和發射控制模式，系統構建在高速傳輸前端與后端網絡上，將后端服務器、工作站等計算機運算資源一體化設計，實現各系統遠距離測試發射控制需求[9]。一方面，在資源層面利用虛擬化技術和調度算法，提供計算、網絡、存儲資源的彈性，提供負載均衡、故障重啟以及對平臺軟件硬件資源的健康狀態監控等基礎設施服務；另一方面云平臺將應用軟件封裝成容器，可完成應用軟件的自動部署、回滾、更新和維護。

2.5.2 軟件系統設計

在云平臺基礎上，地面測發控軟件系統完成火箭測試數據的融合、處理、存儲、發布及應用功能。傳統運載火箭各分系統的軟件功能重復、接口復雜，而且測試數據、狀態信息分散在各分系統內部，給數據融合和共享帶來很大難度。因此，如圖4所示，軟件設計從系統的控制流、遙測數據、地測數據3方面信息開始，按照任務需求和信息變化對軟件功能進行劃分和歸類，形成發控類軟件、數據處理類軟件、實時診斷與瀏覽類軟件、事后判讀類、存儲類軟件等配置項，同時設置高效的數據流轉中心，控制信息轉發的目標、參數、頻率及解耦消息的發送方和接收方，確保信息流高效、及時、可靠傳遞。關鍵配置項設計包括：

圖4 地面軟件系統架構及信息流

1)數據綜合處理軟件：接收射頻綜合檢測站的遙測原碼數據，基于預先配置的遙測幀格式解析遙測幀，提取各類參數原碼，基于參數處理公式進行計算解析，得出各參數的物理量結果并發送至網絡，供其他軟件存儲、瀏覽、分析應用。軟件能夠將不同的處理方法封裝為插件，增強其擴展性。

2)通信與存儲服務軟件：作為整個軟件系統的數據流轉中心，通過以太網實時接收全箭的遙測數據、地測數據、控制指令、診斷信息等，并將全箭數據錄入關系數據庫(或文件系統)存儲；另外，軟件通過頻率控制及參數挑選，控制轉發其他軟件所需要的測試數據。

3)健康監測軟件：對測試發射過程中各系統產生的數據(包括箭上和地面的流程信息、控制指令、狀態信息、圖像信息、語音信息、模擬量等)進行實時監測和健康監測。一方面健康監測軟件能夠以B/S模式支持數據的發布與多用戶的在線瀏覽，提供可視化的人機交互界面，以表格、曲線、圖形等多種形式實時顯示火箭測試狀態及分析結果。另一方面，作為故障診斷技術的主要載體，采用基于知識庫、模型、自學習等多種診斷方法的融合方案是實現運載火箭故障診斷的重要途徑[10]，軟件能夠對異常參數進行故障診斷和分析定位，并完成推理判斷，為測發控指揮人員提供有效的輔助流程決策信息[11]，從而提高系統的測試效率和智能化水平。

4)事后數據判讀與分析軟件：軟件支持全箭測試數據判讀全過程，基于網絡實現測試數據的查詢、瀏覽、分析、判讀、報告生成等功能，完成對各類試驗數據的管理、判讀與分析。軟件支持人工判讀和自動判讀兩種模式，自動判讀技術是整個測發控系統便捷、智能的重要體現，其技術核心是判據描述語言設計。軟件通過預先設置好的判據，實現各類參數的自動判讀與專業報告生成，將設計人員從繁重的數據判讀、故障分析和排查以及產品維護中解脫出來，減少或避免漏判及誤判，提高判讀效率。

3 結束語

文章提出的運載火箭地面測發控系統對硬件、軟件、信息進行了一體化設計，已經應用在背景型號的研制中，完成了原理性試驗和關鍵技術驗證，該體系架構、設備及軟件系統的設計具有通用強、集成度高、信息傳遞高效等優點，設備臺套數壓縮超過50%，通用化率超過80%，操作崗位壓縮比例超過50%，滿足未來電氣系統一體化測發控的任務需求。后續可在如何滿足大型液體火箭低溫動力測控的復雜需求、兼容不同型號箭上系統的差異化需求等方面，進一步擴展完善，確保系統可靠、高效、通用、先進，建立未來運載火箭地面一體化測發控系統基本型。