統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)一體化發(fā)射指揮模式研究

任月慧，馬小龍，馬宗瑞，岳 瑋，魯 暢

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

當(dāng)前在型號(hào)中廣泛應(yīng)用的地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，在以太網(wǎng)技術(shù)成熟發(fā)展的基礎(chǔ)上，由傳統(tǒng)的近端地下室控制改為了遠(yuǎn)程控制模式，將地面設(shè)備分別部署在近端地下室和后端測(cè)發(fā)控大廳，前后端設(shè)備通過(guò)光纖連接大幅度提升了測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)試水平。但由于研制之初火箭各系統(tǒng)地面設(shè)備分開(kāi)獨(dú)立研制配套，導(dǎo)致設(shè)備各系統(tǒng)定制化程度過(guò)高，因而系統(tǒng)的設(shè)備和規(guī)模龐大，參與測(cè)試與發(fā)射的崗位人員多，從而導(dǎo)致使用維護(hù)成本高［1］。

運(yùn)載火箭統(tǒng)型地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是從頂層需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備集成化、測(cè)試流程一體化、信息一體化的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)。按照資源整合、簡(jiǎn)化地面設(shè)備規(guī)模、提升信息應(yīng)用效率原則，采用設(shè)備模塊化，通過(guò)積木式組合和箭地接口適配更換以滿足不同型號(hào)地面測(cè)發(fā)控需求［2］。統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)利用云平臺(tái)技術(shù)，將原分散的服務(wù)器、數(shù)據(jù)進(jìn)行資源整合和集中管理，為實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭一體化發(fā)射指揮模式奠定了基礎(chǔ)。

1 統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)技術(shù)體制

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)按照統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)架構(gòu)、技術(shù)體制、設(shè)備接口及產(chǎn)品狀態(tài)的原則，全面開(kāi)展了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中貫徹產(chǎn)品化思路，實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)功能模塊化、模塊設(shè)計(jì)通用化、型號(hào)使用菜單化”。在技術(shù)特征上可以歸納為“全箭統(tǒng)一測(cè)發(fā)控、統(tǒng)一供配電、射頻綜合、后端云平臺(tái)”。

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)按照功能可以劃分為5 個(gè)部分（見(jiàn)圖1），分別為供電子系統(tǒng)、有線測(cè)控子系統(tǒng)、無(wú)線測(cè)控子系統(tǒng)、數(shù)傳通信子系統(tǒng)以及測(cè)發(fā)控軟件子系統(tǒng)［3］。

圖1 統(tǒng)型測(cè)發(fā)控功能劃分示意Fig.1 The functional division of the ground test and launch control system

地面供電主要是在地面測(cè)試和發(fā)射過(guò)程中為其他測(cè)發(fā)控設(shè)備以及箭上設(shè)備供電。

有線測(cè)控主要是完成測(cè)試與發(fā)射控制中的供配電、關(guān)鍵地測(cè)參數(shù)采集以及發(fā)射流程的控制。

無(wú)線測(cè)控主要是完成測(cè)試與發(fā)射控制中的遙測(cè)數(shù)據(jù)采集以及無(wú)線設(shè)備的供配電。

數(shù)傳通信也叫總體網(wǎng)，是連接測(cè)發(fā)控系統(tǒng)前后端設(shè)備的樞紐，用于發(fā)送后端測(cè)發(fā)控的指揮控制指令，接受前端的有線和無(wú)線數(shù)據(jù)。

測(cè)發(fā)控軟件是根據(jù)測(cè)試與發(fā)控的流程，完成運(yùn)載火箭控制指令的發(fā)送、有線數(shù)據(jù)和無(wú)線數(shù)據(jù)的采集以及數(shù)據(jù)和狀態(tài)量的處理及存儲(chǔ)［4］。

2 統(tǒng)型測(cè)發(fā)控指揮模式設(shè)計(jì)

地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)從發(fā)射控制功能上分為指揮控制、數(shù)據(jù)處理兩個(gè)部分。地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)指揮控制作為火箭測(cè)試和發(fā)射的中心，是由前端地面設(shè)備和后端測(cè)發(fā)控大廳地面設(shè)備組成，完成對(duì)火箭各項(xiàng)測(cè)試以及發(fā)射控制。數(shù)據(jù)處理是在火箭分系統(tǒng)、總檢查測(cè)試和發(fā)射中實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)師系統(tǒng)的終端提供實(shí)時(shí)瀏覽各類(lèi)信息以及事后數(shù)據(jù)回放處理的功能，用于事后數(shù)據(jù)分析和結(jié)果確認(rèn)，為火箭狀態(tài)判斷提供決策支持［5-6］。

按照擺放位置的不同，統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)可分為3部分：a）后端位于發(fā)射指揮大廳，根據(jù)火箭發(fā)射流程發(fā)送指揮命令給前端設(shè)備并接收前端設(shè)備反饋的狀態(tài)、有線數(shù)據(jù)和無(wú)線數(shù)據(jù)，然后實(shí)時(shí)顯示；b）前端一般位于火箭發(fā)射塔架附近或地下室，主要由有線測(cè)控和無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)組成，接收后端測(cè)發(fā)控指令并輸出箭上供配電控制、有線數(shù)據(jù)采集、程序裝訂等動(dòng)作，將狀態(tài)量與采集結(jié)果發(fā)送到后端；c）通信線路主要完成程序裝訂、箭地間總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組成見(jiàn)圖2。據(jù)此開(kāi)展統(tǒng)型測(cè)發(fā)控一體化指揮控制方案設(shè)計(jì)。

圖2 統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組成Fig.2 Composition block of the ground test and launch control system

2.1 一體化指揮控制方案

運(yùn)載火箭指揮控制系統(tǒng)包括前端放置的有線測(cè)控設(shè)備、無(wú)線測(cè)控設(shè)備、指揮控制微機(jī)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)微機(jī)以及前后端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

參與指揮控制微機(jī)包括一體化指揮控制微機(jī)、控制系統(tǒng)指揮控制微機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)指揮控制微機(jī)、動(dòng)力系統(tǒng)指揮控制微機(jī)。

指揮控制部分的信息流包括系統(tǒng)指揮口令下達(dá)、動(dòng)作指令通過(guò)后端傳送至前端設(shè)備、測(cè)試數(shù)據(jù)從前端設(shè)備回傳至后端，詳見(jiàn)圖3。

圖3 指揮控制信息流示意Fig.3 Command and control flow chart

在分系統(tǒng)測(cè)試階段，由各系統(tǒng)的指揮控制微機(jī)獨(dú)立完成指揮控制測(cè)試進(jìn)程，將測(cè)試信息傳到一體化集成的數(shù)據(jù)服務(wù)器上。各系統(tǒng)指揮控制軟件同時(shí)具備獨(dú)立操作的功能。

火箭進(jìn)入總檢查和發(fā)射階段，一體化指揮微機(jī)接收基地C3I系統(tǒng)或火箭指揮發(fā)送的指揮口令，一體化指揮軟件按照指揮口令及預(yù)先配置的測(cè)控指令自動(dòng)向各系統(tǒng)前端設(shè)備發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)一體化指揮直接對(duì)前端設(shè)備的控制。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為穩(wěn)妥可靠，鑒于控制系統(tǒng)指令在發(fā)射控制流程中的重要性，控制系統(tǒng)測(cè)試發(fā)射指令由一體化指揮控制微機(jī)發(fā)出，經(jīng)控制系統(tǒng)指揮控制微機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)至控制系統(tǒng)前端及箭上設(shè)備。例如，在點(diǎn)火時(shí)刻，一體化指揮控制微機(jī)發(fā)出點(diǎn)火指令后，控制系統(tǒng)指揮控制微機(jī)需要手動(dòng)確認(rèn)，并轉(zhuǎn)發(fā)至前端完成火箭點(diǎn)火。

在總檢查和發(fā)射階段，各系統(tǒng)的一體化指揮控制軟件界面為禁用狀態(tài)，無(wú)法直接操作，但可對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

正常測(cè)試發(fā)射過(guò)程中，前后端設(shè)備將測(cè)試進(jìn)程信息、測(cè)試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息和遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到一體化數(shù)據(jù)服務(wù)器上并在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)微機(jī)上顯示。

當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，一體化指揮控制微機(jī)向各分系統(tǒng)指揮控制微機(jī)發(fā)送系統(tǒng)解鎖指令，各分系統(tǒng)指揮控制微機(jī)界面操作控件解鎖，分系統(tǒng)用戶可以操作進(jìn)行分系統(tǒng)測(cè)試或系統(tǒng)排除故障工作，通過(guò)各分系統(tǒng)軟件向前端設(shè)備發(fā)送控制指令。

2.2 一體化指揮控制軟件研制

原運(yùn)載火箭各系統(tǒng)分別采用各自獨(dú)立的地面測(cè)發(fā)控軟件，測(cè)試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息分散在各系統(tǒng)內(nèi)部，給數(shù)據(jù)共享帶來(lái)很大難度。

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控軟件系統(tǒng)采用云平臺(tái)技術(shù)特有的分布開(kāi)放式共享資源，按需獲取計(jì)算能力、存儲(chǔ)空間和信息服務(wù)，可大幅提高計(jì)算、存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析能力，改變了傳統(tǒng)以服務(wù)器和PC 為中心的應(yīng)用模式。基于云平臺(tái)技術(shù)的運(yùn)行平臺(tái)構(gòu)建在高速傳輸前端與后端網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，將后端服務(wù)器、工作站等計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源一體化設(shè)計(jì)。取消各系統(tǒng)獨(dú)立的服務(wù)器和工作站，通過(guò)服務(wù)器組與磁盤(pán)陣列，采用虛擬化集成技術(shù)進(jìn)行運(yùn)算資源一體化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用“桌面云”技術(shù)實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)瘦客戶機(jī)終端訪問(wèn)服務(wù)。

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控軟件從功能上劃分，主要由一體化指揮軟件和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件組成。基于云平臺(tái)的應(yīng)用，一體化指揮軟件從型號(hào)頂層需求制定統(tǒng)一的測(cè)試流程，采用統(tǒng)一平臺(tái)構(gòu)建，通過(guò)一套平臺(tái)化軟件，實(shí)現(xiàn)了集多個(gè)傳統(tǒng)分系統(tǒng)的指揮控制、顯示、判讀、分析等功能于一體的目標(biāo)。一體化測(cè)發(fā)控軟件系統(tǒng)在功能上可代替現(xiàn)有的控制系統(tǒng)地面軟件，利用系統(tǒng)地面軟件、總體網(wǎng)系統(tǒng)地面軟件、動(dòng)力系統(tǒng)地面軟件，完成系統(tǒng)指揮流程調(diào)度、測(cè)發(fā)控邏輯控制、指揮指令發(fā)送以及參數(shù)信息接收顯示及轉(zhuǎn)發(fā)等工作。根據(jù)不同測(cè)試階段和項(xiàng)目，配置成不同的軟件界面，完成指定的測(cè)發(fā)控功能。

一體化指揮控制軟件分為主控和副控。在主控軟件正常工作狀態(tài)下，副控軟件不發(fā)出控制指令。在主控軟件失效的情況下，副控軟件通過(guò)自動(dòng)切換接管控制權(quán)完成相應(yīng)的測(cè)控功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火箭箭上各系統(tǒng)及關(guān)鍵單機(jī)的狀態(tài)，使設(shè)計(jì)人員減少重復(fù)、繁重的數(shù)據(jù)判讀以及故障分析和排查工作，避免了重復(fù)性的產(chǎn)品維護(hù)，進(jìn)一步提高了運(yùn)載火箭測(cè)試、發(fā)射和產(chǎn)品維護(hù)效率。

3 統(tǒng)型測(cè)發(fā)控一體化指揮控制優(yōu)化應(yīng)用

目前火箭測(cè)發(fā)控系統(tǒng)后端各系統(tǒng)為獨(dú)立研制，數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，設(shè)備規(guī)模龐大，維護(hù)與操作人員多，系統(tǒng)間溝通口令繁瑣［7］。國(guó)產(chǎn)化云平臺(tái)虛擬化技術(shù)在運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射的應(yīng)用解決了上述問(wèn)題，優(yōu)化了測(cè)試與發(fā)射操作人員人數(shù)及操作時(shí)間。

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)后端大廳布局見(jiàn)圖4。

圖4 統(tǒng)型測(cè)發(fā)控后端發(fā)控大廳位置預(yù)示Fig.4 Location indication of the rear control hall

指揮模式實(shí)際應(yīng)用為：

a）后端大廳操作手優(yōu)化為一人，在總檢查和發(fā)射的測(cè)發(fā)控流程中保留各系統(tǒng)指揮，指揮控制參與人員包括火箭指揮、指揮控制軟件操作手、各系統(tǒng)指揮、各系統(tǒng)前端操作手、各系統(tǒng)箭上操作手；

b）火箭指揮下達(dá)口令給一體化指揮控制軟件操作手及各系統(tǒng)指揮，軟件操作手完成原后端所有軟件及硬件操作；

c）各系統(tǒng)指揮向前端及箭上操作手下達(dá)操作口令，同時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)軟件讀取關(guān)鍵信息，向火箭指揮匯報(bào)系統(tǒng)工作狀態(tài)；

d）火箭指揮根據(jù)指揮控制軟件操作手和各系統(tǒng)指揮回令進(jìn)入下一階段工作。

在總檢查和發(fā)射過(guò)程中，后端大廳僅有指揮控制軟件操作手，其余人員均通過(guò)數(shù)據(jù)瀏覽終端完成火箭測(cè)試發(fā)射支持。

4 未來(lái)一體化指揮模式

隨著云平臺(tái)技術(shù)發(fā)展趨于成熟，云平臺(tái)通過(guò)虛擬化技術(shù)創(chuàng)造相對(duì)穩(wěn)定的高性能運(yùn)行環(huán)境，可有效避免軟件在中間服務(wù)軟件系統(tǒng)上實(shí)際運(yùn)行時(shí)因復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境帶來(lái)的不可靠性。

同時(shí)數(shù)據(jù)處理具有強(qiáng)大的工作站和大容量物理內(nèi)存，并且有高速固態(tài)硬盤(pán)和高性能顯卡的支持，以滿足對(duì)數(shù)據(jù)在線處理顯示實(shí)時(shí)性的要求，進(jìn)一步提高故障自動(dòng)診斷效率，解放參試人員。

因此一體化指揮控制軟件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在云平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定后，一體化測(cè)試發(fā)射指揮控制取消各分系統(tǒng)指揮，火箭指揮下達(dá)口令給指揮控制軟件操作手、前端操作手和箭上操作手，各操作手完成動(dòng)作后回令。火箭指揮根據(jù)指揮控制軟件操作手回令和數(shù)據(jù)瀏覽監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)入下一步工作，進(jìn)一步縮減測(cè)試發(fā)射流程中參試人員的數(shù)量。

通過(guò)遠(yuǎn)距離測(cè)發(fā)控網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，未來(lái)可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)火箭的測(cè)試與發(fā)射控制。

未來(lái)測(cè)發(fā)控指揮控制模式見(jiàn)圖5。

圖5 未來(lái)測(cè)發(fā)控指揮控制模式Fig.5 Future command and control mode

5 結(jié)束語(yǔ)

統(tǒng)型測(cè)發(fā)控系統(tǒng)研制從頂層需求出發(fā)，實(shí)現(xiàn)了全箭統(tǒng)一測(cè)發(fā)控、統(tǒng)一供配電、射頻綜合、后端云平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)了總檢查和發(fā)射指揮控制一體化，優(yōu)化了發(fā)射支持設(shè)計(jì)人員的參試時(shí)間，進(jìn)一步提高了測(cè)試效率，簡(jiǎn)化了使用維護(hù)，降低了保障難度，提升了現(xiàn)役液體運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射能力。