王曉斌黃偉呂智慧徐弘達

（1北京強度環(huán)境研究所，北京100076）（2北京空間機電研究所，北京100076）

1 引言

航天產品從預先研究到定型，需要進行大量的各種驗證試驗。對于航天器著陸驗證試驗，必須在大型試驗場地中進行，并且需要相關測控設備按照一定的試驗流程協(xié)同工作。

為了保障著陸試驗的順利進行，試驗場需要建設指揮控制系統(tǒng)，負責試驗過程的通信、指揮調度、監(jiān)視、控制，通過試驗數據監(jiān)視、現(xiàn)場視頻監(jiān)視、語音調度、指令控制等手段完成對試驗過程與狀態(tài)的綜合監(jiān)控[1]。在試驗準備階段，通過試驗仿真，檢查各參試設備狀態(tài)；試驗結束后，通過信息回放和數據分析處理，完成試驗結果分析評估。

2 系統(tǒng)組成與功能

指揮控制系統(tǒng)由時統(tǒng)子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)、語音調度子系統(tǒng)、視頻監(jiān)視子系統(tǒng)、大屏幕投影顯示子系統(tǒng)、數據處理與存儲子系統(tǒng)、指令發(fā)控臺、指顯工作站、揚聲子系統(tǒng)等設備組成[2]。系統(tǒng)組成結構示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.1 Diagram of composition of the command&control system

為了保證指揮控制系統(tǒng)運行的高可靠性，系統(tǒng)總體結構采用雙機雙網并行工作模式。作為數據傳輸核心的網絡子系統(tǒng)，結構上采用雙網熱備路徑冗余設計，保證數據傳輸的高可靠性。作為數據處理與指令發(fā)布核心的處理服務器、數據庫服務器、磁盤存儲陣列設備、控制計算機，設計上都采用雙機并行技術，互為備份的設備同時工作，確保試驗數據處理與存儲、指令發(fā)布的安全。雙機雙網并行工作方式從系統(tǒng)結構上避免了由于單點故障而引起的系統(tǒng)宕機，保證系統(tǒng)的正常運行。

2.1 時統(tǒng)子系統(tǒng)

試驗場測控設備必須在統(tǒng)一的時間基準下同步工作，這就需要在試驗場建立時間統(tǒng)一系統(tǒng)（時統(tǒng)），為各測控設備提供統(tǒng)一的頻率基準和時間基準信號。時間統(tǒng)一系統(tǒng)主要由測頻單元、頻標單元、時碼單元、網絡授時單元等部分組成[3]。組成結構示意如圖2所示。

圖2 時統(tǒng)子系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.2 Diagram of composition of time service subsystem

測頻單元接收授時臺無線電標準頻率和時間信號，或者利用全球定位系統(tǒng) （Global Position System,GPS）/北斗授時接收機進行標準頻率與時間測定，以標準頻率信號為參考基準，對本地鐘進行校準，使本地頻標的輸出頻率與參考基準保持精確同步；同時利用接收的標準時間信號對時碼單元進行定時。

頻標單元產生并輸出標準頻率信號，由高穩(wěn)晶振或原子鐘、頻標切換部分以及頻標放大部分組成。

時碼單元為用戶設備產生并輸出IRIG-B時碼信號。

網絡授時服務單元通過網絡為服務器、計算機、交換機等智能設備提供授時服務。

2.2 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)包括網絡子系統(tǒng)和通信中繼站，用于完成時統(tǒng)信號傳輸、語音調度信號傳輸、視頻信號傳輸、測量數據與控制指令傳輸。

出于安全考慮，試驗區(qū)域與指控中心距離較遠，因此需要在試驗區(qū)域設立通信中繼站，通過光纖實現(xiàn)外場與指控中心之間的時統(tǒng)、語音和視頻信號傳輸。

通信中繼站配備以太網交換機，連接外場測控設備，并通過兩路聚合光端口與指控中心的網絡子系統(tǒng)連接。

網絡子系統(tǒng)承擔外場測控設備與指控中心設備之間的數據傳輸以及指揮控制系統(tǒng)內部的數據傳輸，配置2套核心交換機、2套外場接入交換機、2套指顯接入交換機，構成路徑冗余網絡[4-5]。網絡拓撲結構示意如圖3所示。

圖3 網絡拓撲結構示意圖Fig.3 Diagram of topology of network subsystem

2.3 語音調度子系統(tǒng)

語音調度子系統(tǒng)完成語音調度、指揮功能。具有通播、廣播、分組、單呼、多級調度、監(jiān)聽、錄音、回放等功能。語音調度子系統(tǒng)包括調度主機、調度臺、有線調度終端、無線基臺、無線移動調度終端、話務監(jiān)控臺、錄放音設備。

對于試驗場固定試驗站位，采用有線語音通訊方式，并在集中場合配置公共揚聲器，用于廣播；對于移動試驗站位，采用無線加密通信方式，參試人員配備無線加密移動終端。

2.4 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)

試驗場一般都劃分為不同的區(qū)域，完成不同的任務。為了直觀地掌握現(xiàn)場情況，需要對各個區(qū)域進行視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控子系統(tǒng)主要由視頻攝像系統(tǒng)、字幕疊加器、視頻分配器、視頻錄像機、電視墻監(jiān)視器等設備組成[6]。組成結構示意如圖4所示。

圖4 視頻監(jiān)控子系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.4 Diagram of composition of video monitor subsystem

視頻攝像系統(tǒng)包括攝像機、云臺、攝像機控制器、云臺控制器。攝像機與云臺控制器實現(xiàn)對攝像機變焦、角度調整等操作。字幕疊加器對攝像機送來的各路視頻信號疊加字幕信息，然后經過視頻分配器分路，分別進入視頻矩陣和錄像機。視頻錄像機完成視頻壓縮編碼與記錄，同時通過監(jiān)視接口將實時視頻信號送至電視墻監(jiān)視器。在回放過程中，視頻錄像機將記錄的視頻信號分別送至電視墻監(jiān)視器和視頻矩陣，也可以通過網際協(xié)議（Internet Protocol，IP）形式將記錄的壓縮編碼視頻數據發(fā)給顯示工作站。

2.5 大屏幕投影顯示子系統(tǒng)

大屏幕投影顯示子系統(tǒng)負責將多路試驗視頻和計算機顯示信號按照要求在大屏幕上投影出來。大屏幕投影顯示子系統(tǒng)由視頻矩陣、紅-綠-藍（Red-Green-Blue,RGB，一種圖像信號傳輸方式）矩陣、圖像處理器、投影機、投影幕組成[6]，如圖5所示。

圖5 大屏幕顯示子系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.5 Diagram of composition of largescreen dispaly subsystem

多路試驗視頻信號進入視頻矩陣，從中選擇多路輸出至圖像處理器；顯示工作站、控制計算機等多路視頻圖形陣列（Video Graphics Array，VGA，一種使用模擬信號的電腦顯示標準）顯示信號進入RGB矩陣，從中選擇多路輸出至圖像處理器。圖像處理器對視頻信號和VGA信號進行窗口組合布局，然后經過顯示通道邊緣融合，分成多路顯示信號送至多臺投影機進行畫面顯示。

在指控大廳有足夠空間的情況下，可采用背投方式，方便投影機的調試與維護。另外需要關注圖像處理器與投影機之間的信號匹配問題，保證投影畫面的清晰和還原的真實性。

2.6 數據處理與存儲子系統(tǒng)

數據處理與存儲子系統(tǒng)接收測控設備發(fā)送的測量數據與狀態(tài)信息，進行解析處理、記錄，處理結果發(fā)送給指顯工作站和指令發(fā)控臺控制計算機。另外提供試驗仿真功能，驗證指揮控制系統(tǒng)以及其它設備運行狀態(tài)的正確性。數據處理與存儲子系統(tǒng)設備主要包括處理服務器、數據庫服務器、仿真服務器、磁盤陣列、后備磁帶庫、存儲區(qū)域網絡（Storage Area Network，SAN）交換機。組成示意如圖6所示。

圖6 數據處理與存儲子系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.6 Diagram of composition of data process&storagesubsystem

2.7 指令發(fā)控臺

指令發(fā)控臺主要設備為2臺并行工作的控制計算機，完成試驗故障判別、應急控制、試驗流程控制與狀態(tài)監(jiān)控。

2.8 指顯工作站

根據系統(tǒng)規(guī)模配備多臺指顯工作站，各自以雙網卡方式與指顯接入交換機連接，構成集音視頻信息、測量數據于一體的分布式綜合顯示信息網，供參試人員進行試驗數據、視頻的監(jiān)視和判讀。

2.9 揚聲系統(tǒng)

揚聲系統(tǒng)用于指控大廳以及其它場所的會議和語音調度廣播，由麥克風、調音臺、功放、音箱組成。語音調度子系統(tǒng)的調度語音通過調音臺接入揚聲系統(tǒng)，以便進行調度廣播。

2.10軟件系統(tǒng)

指揮控制系統(tǒng)軟件包括系統(tǒng)軟件、應用軟件兩部分[7]。層次結構如圖7所示。

圖7 軟件層次結構示意圖Fig.7 Diagram of hierarchy of software

系統(tǒng)軟件包括服務器操作系統(tǒng)、工作站操作系統(tǒng)、數據庫系統(tǒng)、網絡授時軟件、計算機病毒防治軟件[8]。

根據功能、性能以及使用要求，將指揮控制系統(tǒng)應用軟件分成多個不同類型的獨立運行軟件，包括指揮控制軟件、指揮顯示軟件、試驗回放軟件、試驗仿真軟件、試驗管理軟件、設備監(jiān)控軟件、綜合顯控軟件、數據處理軟件。

指揮控制軟件完成試驗綜合狀態(tài)監(jiān)視、任務狀態(tài)切換、指令控制、故障判別與應急控制、聲光報警。

指揮顯示軟件完成各專業(yè)數據、軌跡圖形、三維動畫、視頻圖像的實時顯示與操作。

試驗回放服務軟件完成事后對試驗過程、試驗數據、視頻的同步回放。

試驗仿真服務軟件模擬外場各參試設備測量數據、狀態(tài)，完成指控中心各設備的狀態(tài)檢查與驗證。

試驗管理軟件完成試驗信息配置管理、故障判別專家系統(tǒng)配置管理、試驗數據管理。

設備監(jiān)控軟件完成全系統(tǒng)硬件設備的狀態(tài)監(jiān)控。

綜合顯控軟件完成時統(tǒng)和氣象信息顯示、視頻信號切換控制、VGA信號切換控制、投影機顯示控制。

數據處理軟件完成試驗數據存儲、數據處理、數據分發(fā)等功能。

3 系統(tǒng)關鍵技術途徑

3.1 高可靠傳輸網絡設計

在任務期間，傳輸網絡是一個實時通信系統(tǒng)，除了保證參試設備實現(xiàn)互通的基本要求以外，還需要保證參試設備數據流傳輸的連續(xù)性、實時性、及時性。網絡的可靠性取決于組網設備本身的可靠性和網絡架構的可靠性。如果只單純提高組網設備的可靠性，是不能解決由單點失效造成的網絡癱瘓問題的，因此必須從網絡架構[9]設計上著手解決。

網絡冗余設計一般采用組網設備冗余和鏈路冗余，其中設備冗余采用虛擬路由冗余協(xié)議（Virtual Router Redundancy Protocol，VRRP）、生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP）、快速生成樹協(xié)議（Rapid Spanning Tree Protocol，RSTP）、 多生成樹協(xié)議 （Multiple Spanning Tree Protocol，MSTP） 技術，鏈路冗余采用STP、RSTP、MSTP、鏈路聚合控制協(xié)議（Link Aggregation Control Protocol，LACP）技術。

VRRP是一種容錯協(xié)議，它可以實現(xiàn)2個核心交換機在第3層的熱備份功能，保證當某1臺交換機出現(xiàn)故障時另1臺可以取而代之，從而保持通信的連續(xù)性和可靠性。

STP/RSTP/MSTP生成“樹協(xié)議”，主要用來建立維護網絡拓撲，通過有選擇性地阻塞網絡冗余鏈路來達到消除網絡二層環(huán)路目的，消除循環(huán)鏈接導致的網絡廣播風暴，同時具備鏈路備份能力，提供網絡拓撲的冗余備份功能。

LACP技術用來解決2臺交換機間的帶寬問題，將多條鏈路綁在一起作為一個邏輯鏈路使用，在客觀上也起到了鏈路備份的作用。

在指揮控制系統(tǒng)中，采用星型千兆以太網，分為核心層、接入層2層結構，接入層和核心層皆采用組網設備冗余和鏈路冗余設計。

核心層和接入層各自采用2套互為熱備的3層千兆交換機，每套接入交換機通過雙回歸聚合鏈路與2套核心交換機連接；外場測控設備分別通過2條路徑與2套外場接入交換機連接；指顯設備分別通過2條路徑與2套指顯接入交換機連接；指控中心服務器群中的各設備分別通過2條路徑與2套核心交換機連接。由此形成網絡冗余配置模式，消除了由于網絡單點故障造成的通信中斷隱患，確保數據傳輸的高可靠性。

另外，試驗場測控設備種類較多，并且各類設備往往自成系統(tǒng)以完成專業(yè)化測控任務。各系統(tǒng)內部需要傳輸大量信息，為避免不同系統(tǒng)間信息的串擾和網絡廣播風暴，需要為各系統(tǒng)劃分不同的虛擬子網（Virtual LAN，VLAN），在鏈路層隔離不同系統(tǒng)的信息。同時為了解決不同系統(tǒng)間的信息交互，又需要在傳輸層通過IP進行信息交換。通過在核心層與接入層合理劃分VLAN以及IP交換配置，能夠有效避免廣播風暴和網絡阻塞，確保數據與指令傳輸的實時性、準確性和安全性。

3.2 服務器冗余設計

在試驗過程中，必須保證試驗數據的連續(xù)實時處理和可靠記錄。因此，為避免單點故障，數據處理服務器、數據庫服務器、磁盤陣列設備都各自部署2套設備，形成雙機系統(tǒng)[10]。

雙機系統(tǒng)典型應用包括主從、互備、并行等模式。

1）主備模式

是最標準、最簡單的雙機熱備方式。它使用2臺服務器，1臺為主機，另1臺為備機。當主機工作時，備機處于待機狀態(tài)。當主機出現(xiàn)故障時，通過軟件診測（一般是通過心跳診斷）將備機激活，保證應用在短時間內恢復正常使用。

2）雙機互備模式

是在主備模式的基礎上，2臺服務器同時運行不同的應用程序，并且彼此均設為對方的備機。當某1臺出現(xiàn)故障時，另1臺可以在短時間內將故障機的應用接管過來，從而保證應用的持續(xù)性。

3）雙機并行模式

2臺服務器同時運行相同的應用程序，同時接收數據，進行相同的處理。

主備和互備模式都存在故障診斷與切換時間延遲。在此期間，會造成數據處理的間斷，并且有可能造成試驗數據丟失。試驗數據是寶貴的資源，任何數據片段的丟失都可能造成極大的損失。因此，本系統(tǒng)采用雙機并行工作模式，并且各設備都以冗余路徑進行數據傳輸，以保證數據處理與存儲的高可靠性。同時配備后備磁帶庫設備，用于異地保存試驗數據，最大程度保護數據安全。

3.3 網絡傳輸實時性與安全性設計

指揮控制系統(tǒng)軟件通過以下幾點來保障實時性和安全性：

1）對于實時性要求高和客戶端數量多的軟件，采用客戶端/服務器（Client/Server，C/S）軟件架構進行設計，以滿足軟件實時性要求；其它軟件采用瀏覽器/服務器（Browse/Server，B/S）軟件架構，以保證軟件使用與維護的簡便性。

2）采用多線程設計技術，利用不同優(yōu)先級的線程完成實時性要求不同的任務，為高速處理線程分配高優(yōu)先級，指令控制線程具備最高處理優(yōu)先級，保證所有任務都能夠在規(guī)定時間內得到處理。

3）指揮控制系統(tǒng)同時存在點對點、點對多點的網絡傳輸方式。在點對點方式中，控制指令采用具有安全保障的傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol,TCP）方式進行傳輸，數據采用高效率的用戶數據報協(xié)議（User Datagram Protocol，UDP）方式進行傳輸。在點對多點方式中，采用UDP組播協(xié)議進行傳輸，發(fā)送端只需發(fā)送一份信息，多個接收端同時接收，保證信息接收的同步性和實時性，同時又極大減輕發(fā)送端負荷。

4 結束語

試驗場指揮控制系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)。本系統(tǒng)已經在航天某著陸試驗場中得到了成功應用，歷經多次專項工程試驗，圓滿完成了“懸?！?、“避障”、“緩速下降”等試驗中的指揮與調度、視頻監(jiān)控、數據分析與處理、試驗故障判別、試驗控制、通信等任務。

（References）

[1] 毛慶華.航天試驗靶場試驗指揮與信息綜合管理系統(tǒng)的研究[C].第6屆全國青年管理科學與系統(tǒng)科學學術會議論文集,大連,2001:348-354.MAOQinghua.Research on Test Command and Generation Information Management System of Space-flight Trial Launching Site[C].The Papers of Academic Conference of the Sixth National Youth Administrative Science and Systematic Science,Dalian,2001:348-354.(in Chinese)

[2] 高媛,趙新國.航天試驗指揮自動化系統(tǒng)體系結構[J].火力與指揮控制，2003,28（6）:18-20.GAO Yuan,ZHAOXinguo.StudiesontheArchitectureof Command Automation Systemof AerospaceExperiments［J］.FireControl&Command Control,2003,28(6):18-20.(in Chinese)

[3] 楊曉斌.航天測控監(jiān)控顯示系統(tǒng)的發(fā)展及設計[J].飛行器測控學報,1999,18(1):20-24.YANB Xiaobin.The Development and Design of Aerospace TT&CMonitor System[J].Journal of Spacecraft TT&CTechnology,1999,18(1):20-24.(in Chinese)

[4] 馬紅皎，胡永輝.GPS&IRIG-B碼時間系統(tǒng)分析[J].電子科技,2005(7):21-25.MA Hongjiao,HUYonghui.Analysisof theGPS&IRIG-BCodeTimeSystem[J].Electronic Scienceand Technology,2005(7):21-25.(in Chinese)

[5] 李琳.局域網技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:205.LILin.The Technology and Application of Local Area Network[M].Beijing:Tsinghua University Press,2004:205.(in Chinese)

[6] 張三洪.企業(yè)千兆以太網組網方案與實施[J].電力系統(tǒng)自動化,2001,25(13):50-53.ZHANGSanhong.Design and Implementation of Gigabit Ethernet Network in Enterprise[J].Automation of Electric Power Systems,2001,25(13):50-53.(in Chinese)

[7] 徐甲同,李學干.并行處理技術[M].西安:西安電子科技大學出版社.2001.XU Jiatong,LIXuegan.Parallel Process Technology[M].Xian:XIDIAN University Press,2001.(in Chinese)

[8] 張友生.軟件體系結構原理、方法與實踐[M].北京：清華大學出版社,2009.ZHANGYousheng.Theprinciple,Method and Practice of Software System[M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.(in Chinese)

[9] Robert B.Switched,Fast,and Gigabit Ethernet[M].New York:Ziff-Davis Press,1996.

[10] 劉竹林.數據庫設計與Oracle數據庫應用教程[M].北京：清華大學出版社，2009.LIU Zhulin.The Design of Database and the Application Course of Oracle[M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.(in Chinese)