低成本高集成一體化測發控系統設計研究

王 旭 ,榮 剛 ,常 曦 ,姜 悅 ,麥 吉

(1.中國運載火箭技術研究院,北京 100076;2.北京航天計量測試技術研究所,北京 100076)

1 引言

一般運載器測發控系統的任務是接收各系統指令并傳輸至運載器上,在發射場對運載器進行測試、發射和控制。運載型號往往系統復雜、流程繁瑣,需要在發射前進行大量的、長時間的測試來保證發射成功率。傳統的測發控系統存在著功能復雜、資源浪費、成本較高、集成化低、信息傳遞效率低等問題[1],因此根據實際需求,提出了一種低成本且集成化度更高的一體化測發控系統,將自動測試和健康管理集成于一體,大幅提升了測試效率并降低了研制及維護成本,可用于多次通用發射任務中。

2 測發控系統總體架構設

傳統地面測發控系統設計一般按照需求層、功能層、物理層三個層級開展,完成需求分解后,以系統功能、單機組成與實現來開展地面測發控系統設計,導致系統共性技術途徑脈絡不突出,無法體現影響系統本質實現的核心技術特征,造成不同型號、不同系統設計不統一。

為規范地面測發控系統的設計,理清影響適應多種型號的一體化測發控系統實現的關鍵技術脈絡,提出了基于“架構-平臺”的地面測發控系統總體設計理念[2],包括以下兩點:

(1)分系統架構是分系統主要屬性集合,包括根據功能需求劃分的功能組成,以及功能模塊間的接口關系、功能模塊提取出的共性技術特征等。

(2)分系統平臺是架構約束下分系統的具體解決方法,包括對架構層功能組成、功能接口和共性技術特征的細化,約束系統設計的流程、準則和通用化要求。

根據確定的劃分原則,將一體化測發控系統功能分為供配電、測試及通信、數據處理和健康檢測四個功能模塊,以架構為核心,形成了低成本高集成一體化測發控系統架構,如圖1 所示。

圖1 一體化測發控架構圖Fig.1 Integrated testing and control architecture diagram

利用該架構,器上通過無線和有線PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調制)流將器上測試數據傳輸至地面,使用無線信道時,通過發射機將器上數據傳至測量系統地面檢測站,使用有線信道時將器上數據經器地脫拔接口通過RS422 協議傳輸至地面遙測檢測站PCM 有線接口,實現傳統的測量系統遙測功能。前端地面檢測站通過網線連接至前端交換機上,前后端交換機通過光纖實現遠距離連接,所有器上遙測數據經前端交換機通過光纖傳輸至后端交換機分發至各系統接收設備,完成大容量數據傳輸。

該種測試架構適用于各類測試現場及靶場,配套設備可通過市購型號滿足使用要求,作為地面設備,無需完成大量級的高低溫、振動等試驗,節約了研制成本,同時該架構可通過檢修維護完成設備功能檢測,確保產品的重復使用,從源頭上實現系統的低成本設計。

3 系統硬件設計

3.1 統一供配電

一般器上由電源系統實現統一供配電,其產品包括器上電池、機電配電器和28 V 配電器,地面設備由28 V 地面電源主備、160 V 地面電源主備和RS422 -以太網轉換器主備組成。地面電源采用主備冗余設計,通過以太網接口連接前端網絡交換機,后端通過主控計算機和后端網絡交換機實現遠端控制和監測。地面測試時,通過一體化測發控軟件經以太網給電源系統發送加斷電指令,通過控制地面電源的開關完成器上加電、轉電和斷電功能。指令使用TCP(Transmission Control Protocol,傳輸控制協議)三遍重傳的方式提高以太網可靠性,確保指令準確發送。

3.2 地面有線測試

器上的遙測信號經脫拔有線傳輸至地面檢測站,檢測站經以太網通過UDP(User Datagram Protocol,用戶數據報協議)分發至各終端。各系統可在后端各終端上通過一體化測發控軟件判讀器上數據。

在地面有線測試期間,可根據測試項目的不同來配置各測試項目專屬的自動流程。在流程設計器里通過拖拽、移動、連線等便捷方式完成流程活動先后關系的配置,并將設計完畢的流程以xaml 文件形式存儲,打開流程文件時自動解析xaml 文件,完成該測試項目的流程在一體化測發控軟件中的加載過程,試驗開始時點擊“執行”即可實現流程的自動執行,不需要在繁瑣的指令中挑選該測試項目需要的指令。自動流程配置過程如圖2 所示。

圖2 自動流程配置圖Fig.2 Automatic process configuration diagram

3.3 地面無線測試

飛行器脫拔斷開后,器上遙測數據經發射機通過無線信道傳輸至地面檢測站接收天線,天線通過射頻電纜將接收到的器上遙測數據傳入地面檢測站遙測處理組合,組合將收到的無線信號解調發送至上位機軟件,最終經網絡傳輸至后端顯示終端供各系統判讀。

3.4 數據處理及判讀

遙測數據傳輸至后端終端后,將數據源碼存儲在服務器本地,一體化測發控軟件可支持實時解析和事后解析兩種模式,在試驗過程中可利用實時解析模式判讀測試數據,大幅提高試驗效率。對于存儲的數據源碼,可在事后完成對源碼的解析。實時解析模式采用準確度較高但速率較慢的單線程解析,事后數據處理采用基于數據分解的多線程解析算法,其解析準確度為100%,且其在單CPU 八核電腦上算法加速比達到50%。

3.5 健康管理功能

一體化測發控軟件通過前后端網絡獲取飛行器各部件的運行參數,經過數據處理后成為健康狀態診斷所需要的特征信息;通過融合各種特征信息,實現對飛行器的狀態監控、故障診斷和預測等,產生維護和決策可用的健康狀態評估信息;最終結合可用的維護資源信息和決策信息產生管理信息,指導后勤保障和任務決策。

健康管理功能體系結構設計遵循機械信息管理開放標準聯盟出版的支持基于狀態維護的開發系統架構(Open System Architecture for Condition Based Maintenance,OSA-CBM)標準ISO13374,主要包含數據獲取、數據處理、狀態監測、健康診斷、預測評估和決策支持這六個主要功能模塊[3],各模塊在信息流下的層次關系及組成如圖3 所示。

圖3 健康實時診斷與決策支持功能圖Fig.3 Functional diagram of real-time health diagnosis and decision support

4 測發控系統方案設計

4.1 硬件設計

網絡交換機用于組建測發控系統的地面局域網絡。在該系統中選用市購交換機,包含24 個千兆自適應網口和4 個千兆光口。在總控網硬件架構中,為保證主干網絡通信的可靠性,前后端主干網采用冗余拓撲結構,兩臺交換機通過堆疊方式保障網絡可靠性,雙網卡通過TEAM(服務器網卡組)技術綁定同一個IP 地址,綁定模式選擇容錯模式。兩網口分別連接到兩臺交換機上,以實現整個總控網系統中通信線路冗余設計,當鏈路或設備發生故障時,系統會自動地進行鏈路切換。前后端通過交換機光口連接,連接方式如圖4 所示。

圖4 前后端硬件架構連接圖Fig.4 Front and rear hardware architecture connection diagram

4.2 軟件設計

4.2.1 軟件總體架構設計

一體化測發控軟件架構如圖5 所示,按功能模塊分為信息配置工具軟件、數據處理及健康診斷軟件、組態化顯示終端軟件及全壽命周期數據管理軟件。

圖5 軟件總體架構圖Fig.5 Overall software architecture diagram

4.2.2 信息配置工具軟件設計

信息配置工具軟件完成參數、幀協議、故障診斷策略、界面等信息配置工作,將配置結果輸入給數據處理及診斷軟件和顯示終端使用。信息配置工具主要有組態化界面配置工具、測試流程配置工具和通用信息配置工具三大工具,其中組態化界面配置工具完成各系統終端界面的配置,測試流程配置工具完成試驗所有測試流程、指令時序配置、流程判據配置以及流程執行調試功能,通用信息配置工具完成遙測參數配置、通信協議配置、公式、故障診斷策略、用戶管理及權限配置功能,所有配置信息以XML 文件進行存儲。

4.2.3 數據處理及健康診斷軟件設計

數據處理及健康診斷軟件完成測試數據的自動解析、判讀、分發、存儲和后處理工作,同時基于指令的指揮控制工作,完成飛行器的健康診斷與評估。主要包括完成接收網絡數據、發送指令數據、故障診斷及通信連接管理[4];接收到數據后,根據幀協議、參數等配置文件,完成數據存儲、幀格式檢查、幀類型判斷、幀解析、公式轉換、自動判讀和編排網絡幀,同時完成解析后的數據和接收的指令實時存儲。通過接收到的器上數據實現對飛行器的故障檢測、診斷定位和健康狀態評估,并根據產品全生命周期和健康狀態信息,制定檢修策略,為地面人員提供輔助決策支持。軟件架構如圖6 所示。

圖6 健康診斷軟件架構圖Fig.6 Health diagnosis software architecture diagram

健康管理的原理及架構如下:

(1)健康診斷與評估軟件主要接收測發控網絡發送的遙測數據,首先經數據處理模塊解析為可識別的物理量數據并進行判讀,再將判讀結果交由推理機模塊進行健康診斷和故障定位,給出推理結果、測試結果和故障告警等,試驗完畢后可以生成診斷報告以及對故障進行重新推演。

(2)信息配置工具軟件主要完成健康診斷及輔助決策所需的數據處理信息及故障診斷策略的配置,以供其它軟件使用。

其中,故障診斷策略由電源系統、GNC 系統、結構系統、測控系統、動力系統、起落架系統等各系統通過FMEA(Failure Mode and Effects Analysis,失效模式與影響分析)獲得,整理成包括參數的判據和觸發條件、參數與測點的映射關系、測點與故障模式的映射關系以及故障應急措施等。

(3)全壽命周期信息管理軟件主要完成試驗數據管理、飛行器壽命管理和配置管理、健康診斷結果數據管理、飛行器壽命統計、飛行器設備掃碼入庫、更換記錄功能,以及對存儲數據的檢索和瀏覽。

(4)綜合維護決策支持軟件主要具備故障診斷結果的顯示,并從實物3D 飛行器模型中定位具體對應的位置,提供綜合維護決策支持的功能,根據識別的故障類型,提供檢修、維護等策略輔助決策支持。

4.2.4 全壽命周期數據管理軟件設計

全壽命周期數據管理軟件主要完成試驗數據管理、飛行器壽命管理和配置管理、健康診斷結果數據管理、飛行器壽命統計、飛行器設備掃碼入庫、更換記錄功能,以及對存儲數據的檢索和瀏覽。全壽命周期數據管理軟件原理及架構如圖7 所示。

圖7 數據管理軟件原理及架構Fig.7 Principle level architecture of data management software

4.3 快速維護方法

由于所提到的一體化測發控系統能適應多種型號的發射工況,若在短時間內多次使用,則其檢修維護變得至關重要。由于一體化測發控系統的軟件將各功能集成于一體,除簡單的軟件功能測試外不需要進行特殊維護,因此檢修維護主要體現在硬件的管理上。

運載器的系統分劃固定,不需要每次為各系統配備新增硬件設備,因此硬件的檢修維護主要包含連接電纜的維護和硬件設備功能及配置的檢查兩部分。電纜的維護主要包括交換機的光纖清潔和維護以及網線的通斷性檢查,硬件設備功能及配置包括交換機的配置檢查和計算機網卡冗余設置檢查。上述項目在每次系統試驗前的準備工作中均可驗證到,且檢修維護成本較低,僅需做簡單測試,可高效復用在同一運載型號上。

5 試驗驗證

一體化測發控系統的試驗驗證需要對指令延時、數據丟包、幀計數連續程度和健康管理決策正確率等關鍵參數進行統計和判斷。本系統選擇的兩次試驗均為在實際發射流程中的測試結果。其中,指令延時為指令從后端經以太網傳輸至前端的延時,數據丟包為測量系統的遙測地面檢測站傳輸至總控網的數據丟包記錄,幀計數為測量系統幀計數,用來表征器上數據的連續性和正確性,健康管理對器上數據進行決策和判讀,統計其對各參數判讀的準確率表征其工作準確度。測試結果如表1所示。

表1 測試結果Tab.1 Test results

6 結束語

測發控系統是運載型號中地面測發和控制的重要一環。低成本高集成一體化測發控系統在保證傳輸可靠性的同時,優化了系統結構,提高了系統集成度,降低了研制和維護成本,同時增加了地面健康管理功能,經多次試驗驗證其工作正常、性能可靠[5]。該系統已配合運載型號成功完成多次發射任務,系統集成性和可靠性高,不僅為數據從器上至地面的傳輸及分發過程提供了可靠保障,也通過快速靈活的數據解析軟件和健康管理軟件大幅提高了試驗人員對試驗數據判讀的效率和準確率。