,, ,

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

新一代運載火箭一體化供電測控系統(tǒng)設(shè)計

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京100041)

新一代運載火箭測量系統(tǒng)承擔獲取射前和飛行過程中遙外測數(shù)據(jù)和實施火箭飛行安控的重要任務(wù)，在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時，測量系統(tǒng)不僅要對火箭關(guān)鍵參數(shù)進行長時間的不間斷監(jiān)測，還要對測量系統(tǒng)地面測控設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)加注階段前端“無人值守”；對地面測控系統(tǒng)人員保障及人員對設(shè)備的操控提出了很高要求；為此，文章提出了一體化供電測控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)組成及技術(shù)革新，采用定制與運行自動測控流程，實現(xiàn)指令執(zhí)行的實時性和精確性，提高了測試效率，通過故障監(jiān)測和應(yīng)用切換實現(xiàn)同步跟蹤和無縫切換設(shè)計，融合了以太網(wǎng)技術(shù)、1553B總線技術(shù)、光纖技術(shù)等多標準復(fù)合架構(gòu)通信技術(shù)的一體化測控系統(tǒng)經(jīng)過了新一代運載火箭首飛考核，得到了充分的試驗驗證。

新一代；自動流程；一體化；供電測控

0 前言

新一代運載火箭在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時，測量系統(tǒng)要對射前加注和緊急關(guān)機時多路關(guān)鍵參數(shù)進行采集和監(jiān)測，要求測量系統(tǒng)可實現(xiàn)長時間的不間斷加電測試。同時，測量系統(tǒng)測試人員還要對多臺測量系統(tǒng)供電測控設(shè)備進行控制和狀態(tài)監(jiān)測，保證地面測試設(shè)備工作正常，且實現(xiàn)液氫加注后前端“無人值守”，對地面測控系統(tǒng)設(shè)備及人員保障提出了很高要求。因此有必要開發(fā)一套自動化測試流程，由自動化測試設(shè)備實時監(jiān)控測控設(shè)備狀態(tài)并響應(yīng)指揮命令，控制操作。

為解決上述問題，測量系統(tǒng)設(shè)計并實現(xiàn)了一種地面一體化測控方案，該方案中，測量系統(tǒng)綜合控制臺通過網(wǎng)絡(luò)和控制電路對前后端各地面測試設(shè)備進行控制和設(shè)備狀態(tài)采集、監(jiān)測，不僅大大節(jié)約了人力成本，還實現(xiàn)了總體對液氫加注后前端“無人值守”的要求；同時，通過對測試過程中各項操作進行流程化處理，由綜合控制臺響應(yīng)總控系統(tǒng)指揮口令并執(zhí)行相應(yīng)操作，完全實現(xiàn)了測量系統(tǒng)射前自動化測試，提高了測試效率和精確性，降低了測試人員發(fā)生誤操作的可能性。

1 一體化供電測控系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 硬件組成

一體化供電測控系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。系統(tǒng)可分為箭上和地面兩部分，箭地間通過脫拔將總線電纜、傳輸電纜、控制及供電電纜進行連接。箭上設(shè)備分為一級和二級測試設(shè)備，分別由各級配電器完成箭上供電測控功能，為各級箭上設(shè)備進行統(tǒng)一或分路供電；地面設(shè)備分為前端設(shè)備和后端設(shè)備，前端主要由配電控制組合、PXI自動測控組合、地面電源等設(shè)備協(xié)同完成地面分路或統(tǒng)一供電控制和箭地參數(shù)采集功能，后端主要由測量系統(tǒng)綜合控制臺完成指令的下發(fā)和箭地參數(shù)的監(jiān)控，前后端之間有兩個連接通道進行交互，手動控制信號通過光傳輸設(shè)備和光纖直連，網(wǎng)絡(luò)信號通過總控網(wǎng)連接[1]。

圖1 供電測控系統(tǒng)硬件組成

硬件設(shè)計中，前后端設(shè)備均設(shè)計為設(shè)備級或板卡級熱備冗余方式，網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備通過雙網(wǎng)卡綁定方式接入網(wǎng)絡(luò)，1553B總線以AB總線模式連接，光傳輸設(shè)備通過a、b光鏈路互連，單臺設(shè)備或單片板卡故障將不影響系統(tǒng)正常運行，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 軟件組成

一體化供電測控系統(tǒng)軟件主要由后端綜合測控軟件和供配電前置測控軟件組成。

為滿足遠距離測控一體化設(shè)計的要求，在后端綜合測控計算機上運行的綜合測控軟件作為系統(tǒng)集中控制核心，通過網(wǎng)絡(luò)(包括本地局域網(wǎng)和光纖遠程網(wǎng))實現(xiàn)對各測控設(shè)備的監(jiān)控。因此，系統(tǒng)設(shè)計了通用、高可靠、可擴展通信協(xié)議，約定與各測控設(shè)備間的數(shù)據(jù)、指令通信接口。根據(jù)通信協(xié)議約定，完成與各個測控設(shè)備間的通信數(shù)據(jù)交互，通信內(nèi)容包括指令發(fā)送、指令確認數(shù)據(jù)接收、測試數(shù)據(jù)接收、測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)總體網(wǎng)、接收總體網(wǎng)數(shù)據(jù)、總體網(wǎng)指令接收、總體網(wǎng)回令發(fā)送等。

供配電前置測控軟件是PXI自動測控組合的中心控制軟件，完成PXI各模件的配置管理、供電測控、數(shù)據(jù)處理、故障檢測、故障判斷、冗余切換和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。供配電前置測控軟件通過TCP連接(監(jiān)聽端)接收綜合測控軟件發(fā)送的控制指令，能夠同時接收不少于2個TCP端口向其發(fā)送的指令，緩存后串行執(zhí)行；軟件通過1553B模塊發(fā)送供電控制指令，同時接收總線遠程終端傳來的測試數(shù)據(jù)信息，編碼后通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)回給綜合測控軟件。

2 一體化測控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

2.1 自動測控流程的定制與運行

測試過程中，為實現(xiàn)指令執(zhí)行的實時性和精確性，提高測試效率，對不同測試階段的各項指令操作進行流程化處理，實現(xiàn)了測試流程自動化。由綜合控制臺加載所選測試流程，確認相應(yīng)流程步驟，實現(xiàn)了測量系統(tǒng)測試階段及射前自動化測試。

根據(jù)系統(tǒng)在不同測試階段對測控流程的條件、狀態(tài)和步驟的不同需求，綜合測控軟件設(shè)計遙測指令動作、總體網(wǎng)指令動作、提示詢問動作、條件等待動作、等待動作、總體網(wǎng)指令等待動作等6類測試動作，作為形成測試流程的基本元素，進而支持各類試驗流程文件的定制。軟件實現(xiàn)流程文件的加載和自動執(zhí)行，實現(xiàn)自動化流程測試。自動化測試流程如圖2所示。

圖2 流程自動執(zhí)行流程圖

軟件編程實現(xiàn)方法如下：

While(ilt;n) do

SendCommand(i)

If ReplyCommand(i)=True

Then ilt;-i+1

Else

If SendCommandAgain=True

Then ilt;-i

Else

If SendNextCommand=True

Then ilt;-i+1

Else

ilt;-n

EndIf

EndIf

EndIf

End

在自動化測試流程中，軟件加載流程后加載下一動作為當前流程動作，加載成功后執(zhí)行當前動作，當前動作執(zhí)行后，動作指令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)測試設(shè)備，測試設(shè)備執(zhí)行動作并發(fā)送回令給綜合測控軟件，軟件接收指令執(zhí)行設(shè)備發(fā)送的回令并判斷指令執(zhí)行是否成功：1)若執(zhí)行成功，則繼續(xù)加載下一動作為當前指令動作并執(zhí)行；2)若指令執(zhí)行失敗，人工決策是否重新執(zhí)行該指令直至流程執(zhí)行結(jié)束。

2.2 同步跟蹤和無縫切換設(shè)計

一體化供電測控系統(tǒng)中PXI自動測控組合采用熱備冗余設(shè)計，PXI主機和PXI從機采用對等設(shè)計原則，具有完全相同配置。主從設(shè)備均部署同步監(jiān)測軟件，從機通過雙冗余以太網(wǎng)卡實時監(jiān)測獲取主機狀態(tài)信息。PXI同步跟蹤和無縫切換軟件體系結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。[2]

圖3 同步監(jiān)測軟件體系結(jié)構(gòu)框圖

PXI熱備冗余設(shè)計系統(tǒng)中，設(shè)計有互相分離的應(yīng)用層和熱備層，兩層共同構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用層位于系統(tǒng)上層，負責實際功能實現(xiàn)和業(yè)務(wù)處理功能。熱備層位于系統(tǒng)下層，負責實現(xiàn)應(yīng)用層程序的同步處理功能。其中熱備層按照功能實現(xiàn)又可細分為同步層和傳輸層。同步層負責實現(xiàn)熱備冗余系統(tǒng)的實時同步處理，從機設(shè)備由同步層獲取主機設(shè)備相關(guān)實時變量因素，通過實時運算進行冗余機制的一致性處理，實現(xiàn)熱備冗余系統(tǒng)主從設(shè)備同步處理結(jié)果的一致性。傳輸層位于同步層下層，負責主從設(shè)備間底層的鏈路通信，主從設(shè)備通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信。

同步跟蹤和無縫切換過程主要通過故障監(jiān)測和應(yīng)用切換兩部分來完成。故障監(jiān)測通過互為冗余的兩臺PXI間以“檢查點檢測+心跳檢測”方式實現(xiàn)，主從PXI以10 Hz頻率檢測對方的固有檢查點，同時，每10 Hz互相發(fā)送心跳信息包，固有檢查點發(fā)送數(shù)據(jù)包含本機PXI控制器及各模塊監(jiān)測點狀態(tài)信息，監(jiān)測點信息如果發(fā)生異?；颉靶奶北O(jiān)聽異常，啟動應(yīng)用切換功能。命令執(zhí)行實行雙隊列請求機制：主機正常運行時使用工作隊列接收命令請求和實現(xiàn)命令處理，預(yù)備隊列為空閑狀態(tài)；從機輸入指針指向預(yù)備隊列，不進行命令相關(guān)業(yè)務(wù)處理。在收到應(yīng)用切換指令后：主機將輸入指針指向預(yù)備隊列，后續(xù)接收到的命令請求將緩存到預(yù)備隊列，工作隊列執(zhí)行命令請求直至隊列為空；從機將輸入指針由預(yù)備隊列指向工作隊列，處理指針指向工作緩沖，開始處理命令請求。

2.3 多標準架構(gòu)通信技術(shù)

一體化供電測控系統(tǒng)通信控制采用了以太網(wǎng)技術(shù)(TCP/IP、數(shù)據(jù)組播)、1553B總線技術(shù)、光纖技術(shù)等多標準復(fù)合架構(gòu)通信技術(shù)，實現(xiàn)控制指令的發(fā)送和箭地測試信號采集功能，拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在總線控制指令傳送過程中，供配電控制指令上行信號通過綜合測控軟件由后端的綜合控制臺發(fā)出，通過網(wǎng)絡(luò)由總控網(wǎng)前后端交換機傳輸?shù)角岸薖XI自動測控組合，PXI自動測控組合將接收到的網(wǎng)絡(luò)指令信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的總線供配電控制指令，作為總線控制器(BC)通過1553B總線傳送給配電控制組合和箭上配電器，配電控制組合和箭上配電器作為遠程終端(RT)接收BC指令，將總線指令信號轉(zhuǎn)換為電信號，驅(qū)動其內(nèi)部相應(yīng)繼電器完成配電任務(wù)，從而實現(xiàn)供配電指令控制功能。[3]

應(yīng)急手動控制指令信號由綜合控制臺內(nèi)部手動控制盒發(fā)出，電信號輸入后端視頻光傳輸設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?，光信號通過測量系統(tǒng)獨立的前后端光纖通路傳輸至前端視頻光傳輸設(shè)備，轉(zhuǎn)換為電信號后輸出給配電控制組合，驅(qū)動配電控制組合內(nèi)部繼電器動作，實現(xiàn)緊急情況下綜合控制臺對前端配電控制組合和箭上配電器的供電控制。

圖4 供配電控制指令信號流向圖

箭上供配電數(shù)據(jù)通過配電器1553B總線接口發(fā)送給PXI自動測控組合，完成箭上配電器參數(shù)的傳遞，地面各測試設(shè)備狀態(tài)信息通過測試電纜發(fā)送給測控信號轉(zhuǎn)換裝置，由其進行信號的隔離、調(diào)理后發(fā)送給PXI自動測控組合，PXI自動測控組合將采集到的箭地參數(shù)回送給綜合控制臺，完成箭地信號采集功能。

圖5 供配電測試信號流向圖

綜合測控臺上運行的綜合測控軟件通過TCP連接方式向前端PXI自動測控組合發(fā)送控制指令，控制指令通信幀格式見表1，指令接收設(shè)備在收到指令并執(zhí)行成功后需向綜合測控軟件發(fā)送回令確認信息執(zhí)行情況。

表1 控制指令及回令通信幀格式

PXI自動測控組合測試軟件將其測試數(shù)據(jù)和軟硬件狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)向綜合測控軟件發(fā)送。測試數(shù)據(jù)的上傳通過組播方式進行，測試數(shù)據(jù)幀格式見表2。

表2 測試數(shù)據(jù)幀格式

后端視頻光傳輸設(shè)備光發(fā)送模塊接收到綜合測控臺手動控制部分發(fā)送的指令上行信號后，對信號進行電平轉(zhuǎn)換，并通過信號生成模塊生成a、b兩路相同的編碼復(fù)用信號，信號生成后調(diào)制成光信號并通過外部光纖傳送至前端視頻光傳輸設(shè)備。前端視頻光傳輸設(shè)備中光接收模塊接收兩路光信號，通過所對應(yīng)的下行光鏈路向后端視頻光傳輸設(shè)備反饋確認信號，后端設(shè)備接收到確認信號后，從相應(yīng)上行鏈路再次發(fā)送與上次相同的上行指令信號。前端光接收模塊接收到第二次上行指令信號后，與第一次所接收信號進行對比，若兩次指令信號數(shù)據(jù)相同，則完成信號接收過程，確認上行指令信號有效。

指令信號上行過程中，a、b鏈路同時進行并相互獨立。當前端光接收模塊分別判斷a、b兩路信號有效后，對a、b兩組指令進行比對。若兩組指令信號比對一致，則前端輸出該指令信號并完成此次信號傳輸過程，等待下一次指令信號輸入；若比對結(jié)果不一致，則向后端反饋使后端重新進行指令發(fā)送和反饋確認。當前端光接收模塊判斷a、b兩組鏈路中僅有一組為有效信號，則前端輸出該指令信號并完成此次信號傳輸過程，等待下一次指令信號輸入；若兩組鏈路均判斷傳輸錯誤，則向后端反饋使后端重新進行指令發(fā)送和反饋確認。

3 結(jié)束語

本文對新一代運載火箭一體化供電測控系統(tǒng)進行了介紹，一體化供電測控系統(tǒng)通過使用通過綜合控制臺對測量系統(tǒng)地面測試設(shè)備進行控制和監(jiān)測，實現(xiàn)了操作人員的簡化；使用自動測試流程，使得系統(tǒng)實現(xiàn)了較高的智能化，提高了測試精確性。

[1]王清利.新型運載火箭遙測供配電系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)途徑[J]．導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2000，(04)：5-12.

[2]郭恩全,盧君明.PXI總體體系結(jié)構(gòu)[J]．國外電子測量技術(shù),1998,(3):28-30.

[3]祝 偉,張金剛.基于1553B總線的運載火箭供電測控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2016,(5):21-24.

DesignofanIntegratedPowerSupplyandMonitoringSystemforNewGenerationLaunchVehicle

Zhang Jianing1, Wu Yanru1, Zhu Wei1, Zhu Li2

(1.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China；2.Beijing Aerospace Measurement amp; Control Technology Co.，Ltd., Beijing 100041, China)

Measurement System in new generation launch vehicle system undertake the task to obtain the telemetry data and implement security control task during the flight mission. Measurement System will monitor the key parameter of launch vehicle and testing equipment for a long time to ensure unattended operation during the filling. That requires more for personnel security and operation. In this article, an integrated power supply and monitoring system is proposed to satisfy the higher requirement of new generation launch vehicle, it introduce the system composition and technical innovation. The customization and operation of automatic control process are used to achieve real-time and accurate instruction execution which improves test efficiency. Synchronization and seamless handover are designed by adopting fault monitoring and application switching. This system which integrated multi-standard and composite architecture communication technology, including Ethernet technology, 1553B bus technology, and optical fiber technology, experienced the flight experiment and has been verified.

new generation; automatic; integrated; power supply

2017-04-23；

2017-06-20。

張佳寧(1988-)，男，河北衡水人，碩士，工程師，主要從事測量系統(tǒng)供配電與地面測控系統(tǒng)設(shè)計方向的研究。

1671-4598(2017)09-0039-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.011

TM93

A