韓 亮，張宏德，彭 越

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

我國傳統(tǒng)運載火箭各分系統(tǒng)各自獨立，測發(fā)控均使用單獨的地面測試設(shè)備，完成箭上系統(tǒng)的供配電、信號激勵、狀態(tài)控制、參數(shù)測量等測試、發(fā)射控制等功能。各分系統(tǒng)測發(fā)控功能重復、系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，集成芯片與計算機系統(tǒng)跨越式進步，測控設(shè)備更加集成化、小型化，而云計算、故障診斷、自動化測試技術(shù)也為信息應用提供了更加先進的技術(shù)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(tǒng)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(jié)合某背景型號火箭測發(fā)控一體化的研制需求，提出了一種運載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計，包括系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵單機及軟件設(shè)計，有效整合各分系統(tǒng)測發(fā)控功能，合理規(guī)劃數(shù)據(jù)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(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)拓撲架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)按照前端、后端遠距離測控進行布局，其構(gòu)成及原理如下：

圖1 地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)拓撲圖

1)前端系統(tǒng)包括供配電設(shè)備、前端測控機、遙外測天線、前端光傳設(shè)備，完成箭上各系統(tǒng)的配電、測試狀態(tài)控制、監(jiān)測；

2)后端測控設(shè)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(tǒng)；各項業(yè)務軟件運行在該云平臺上，通過網(wǎng)絡對箭上、地面設(shè)備進行控制，完成對火箭箭上電氣產(chǎn)品的測試和控制，并與發(fā)射場相關(guān)系統(tǒng)配合，完成火箭的測試和點火發(fā)射任務；

3)箭上通過無線、有線傳輸將測試結(jié)果傳輸至地面。包括遙測PCM流、有線PCM流，通過光傳設(shè)備傳輸至射頻綜合檢測站，完成傳統(tǒng)測量系統(tǒng)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(wǎng)通信，實現(xiàn)箭地網(wǎng)絡鏈路的融合；地面在物理結(jié)構(gòu)上分為前后端2個子網(wǎng)，分別以配置光纖通信接口的網(wǎng)絡交換機為中心，在邏輯上形成一個統(tǒng)一的測發(fā)控數(shù)據(jù)通信網(wǎng)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(diào)理箱內(nèi)部的繼電器陣列，完成關(guān)鍵時序信號(例如點火等)的手動控制。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)功能目標

2.1.1 統(tǒng)一供配電

在地面測試階段對箭上電氣系統(tǒng)提供地面供電的功能，包括箭上加電、轉(zhuǎn)電、斷電，以及電壓監(jiān)測、漏電檢查等功能。要求能夠整合火箭各分系統(tǒng)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(xiàn)統(tǒng)一配電控制。

2.1.2 有線測試及流程控制

按照火箭測試發(fā)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?qū)顟B(tài)控制和系統(tǒng)測試集成在一種產(chǎn)品架構(gòu)中，實現(xiàn)原多系統(tǒng)獨立并行的測試的統(tǒng)一管理、集中調(diào)度與控制，并能夠簡化發(fā)射操作和流程，指揮完成火箭的發(fā)射任務。

2.1.3 無線調(diào)制解調(diào)

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(shè)備，完成箭上有線PCM流、遙測射頻PCM流、BD-GNSS信號接收、調(diào)制與處理。

2.1.4 數(shù)據(jù)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(tǒng)的測試數(shù)據(jù)，確保測試數(shù)據(jù)有效融合、信息高效流轉(zhuǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)火箭測試和發(fā)射控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、診斷、顯示、判讀等工作，為指揮員及各系統(tǒng)專業(yè)人員提供監(jiān)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(fā)控系統(tǒng)后端計算機、軟件失效，前后端網(wǎng)絡故障等模式下的情況。手動應急控制指令由前端測控設(shè)備傳遞至箭上相應設(shè)備，實現(xiàn)手動點火、斷電。

2.2 統(tǒng)一供配電設(shè)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(diào)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(jù)前端地面設(shè)備自身的供電需求，可另設(shè)單獨的電源供電。調(diào)理箱通過脫插與箭上設(shè)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(chǎn)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(jù)火箭負載情況選擇電源架構(gòu)。另外，為了滿足遠程控制需求，電源具備網(wǎng)絡通訊能力，可向后端發(fā)送當前電壓、電流等BIT信息，并可接收后端遠距離控制，實現(xiàn)遠控調(diào)壓和開關(guān)控制。

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

2.3 有線測控功能設(shè)計

2.3.1 前端發(fā)控設(shè)計

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

一體化設(shè)計不再區(qū)分控制、測量、動力等分系統(tǒng)，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(guān)量)、數(shù)字量采集(總線)和開關(guān)量輸出等種類，按照信號種類進行集成設(shè)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(yōu)點[7]。

如圖2所示，前端測控機在協(xié)同供配電設(shè)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(tǒng)發(fā)送點火、復位、封鎖、脫插脫落等IO指令，以及漏電檢測、狀態(tài)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(nèi)KO板控制繼電器及調(diào)理箱內(nèi)繼電器動作，完成關(guān)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(fā)控通信網(wǎng)絡未來發(fā)展趨勢是采用實時以太網(wǎng)、標準以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡的多網(wǎng)融合方案，根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的關(guān)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(wǎng)絡的一體化整合設(shè)計至關(guān)重要。在箭上儀器設(shè)備有以太網(wǎng)接口的前提下，采用標準以太網(wǎng)進行通信，可實現(xiàn)箭地統(tǒng)一網(wǎng)絡接口互聯(lián)，地面前端交換機設(shè)備作為地面通信接口，與箭上設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。如圖3所示，該設(shè)計在消除單點故障的同時，能夠簡化箭地接口，實現(xiàn)箭地網(wǎng)絡融合。

圖3 冗余網(wǎng)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(fā)應答的三遍重傳方式，可以有效地、準確地判斷網(wǎng)絡消息、濾除重復幀，從而進一步提高以太網(wǎng)通信的可靠性。

2.3.3 后端發(fā)控設(shè)計

后端有線發(fā)控系統(tǒng)主要由各類計算機、軟件系統(tǒng)以及手動應急盒組成。其中，后端主控軟件是系統(tǒng)流程控制與測試的核心，是所有控制指令的發(fā)起端，也是有回令屬性指令的閉合端[8]。實現(xiàn)對傳統(tǒng)控制、測量、動力分系統(tǒng)地面后端統(tǒng)一與自動測發(fā)控，具體包括：向前端電源、前端測控機發(fā)送測控指令、接收并監(jiān)測前端狀態(tài)量、模擬量測試數(shù)據(jù)；與箭上設(shè)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(zhuǎn)發(fā)給其他軟件，并接收測發(fā)控流程所需的部分遙測參數(shù)及診斷輔助信息。

后端主控軟件的核心功能是軟件組態(tài)化技術(shù)、自動流程技術(shù)，其中：

1)組態(tài)技術(shù)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(shù)配置、協(xié)議配置、流程配置等方面設(shè)計。組態(tài)技術(shù)可以滿足用戶靈活定制的需求，軟件能夠適應測發(fā)控領(lǐng)域各種任務需求，提高系統(tǒng)的適應性、兼容性和擴展性。

2)自動流程技術(shù)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(fā)”執(zhí)行多個測試流程，關(guān)鍵節(jié)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(fā)控系統(tǒng)簡化人員操作、提高火箭自動化測試水平的關(guān)鍵所在。

2.4 無線調(diào)制解調(diào)設(shè)計

傳統(tǒng)的外測、地基測試設(shè)備，均為針對箭上單機分別設(shè)計，設(shè)備數(shù)量多，占用體積大，使用操作也不便利。在立足于現(xiàn)有的遙測、外測和安全測試的功能、性能指標的基礎(chǔ)上，射頻綜合檢測站采用綜合化設(shè)計，以實現(xiàn)外測和遙測的無線系統(tǒng)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(nèi)，主要包含3個關(guān)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(shè)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(xié)議進行數(shù)據(jù)交換，并在軟件的管理下實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。主要設(shè)計如下：

1)遙測地檢組合完成箭上遙測信號的接收、解調(diào)和存儲等功能。組合由系統(tǒng)板卡、中頻基帶板卡、上變頻器板卡及下變頻器板卡等構(gòu)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(zhuǎn)發(fā)的下行信號，實現(xiàn)對脈沖應答機的自動化單元和系統(tǒng)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(diào)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(shù)據(jù)，處理數(shù)據(jù)后解算出差分修正值，實現(xiàn)對目標的差分定位。

2.5 數(shù)據(jù)處理與應用設(shè)計

2.5.1 云平臺設(shè)計

傳統(tǒng)后端測試設(shè)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(chǔ)架構(gòu)軟件及管理軟件。

云平臺為適用于現(xiàn)代運載火箭遠距離測試和發(fā)射控制模式，系統(tǒng)構(gòu)建在高速傳輸前端與后端網(wǎng)絡上，將后端服務器、工作站等計算機運算資源一體化設(shè)計，實現(xiàn)各系統(tǒng)遠距離測試發(fā)射控制需求[9]。一方面，在資源層面利用虛擬化技術(shù)和調(diào)度算法，提供計算、網(wǎng)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(tài)監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)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(tǒng)設(shè)計

在云平臺基礎(chǔ)上，地面測發(fā)控軟件系統(tǒng)完成火箭測試數(shù)據(jù)的融合、處理、存儲、發(fā)布及應用功能。傳統(tǒng)運載火箭各分系統(tǒng)的軟件功能重復、接口復雜，而且測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息分散在各分系統(tǒng)內(nèi)部，給數(shù)據(jù)融合和共享帶來很大難度。因此，如圖4所示，軟件設(shè)計從系統(tǒng)的控制流、遙測數(shù)據(jù)、地測數(shù)據(jù)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(fā)控類軟件、數(shù)據(jù)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(shè)置高效的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，控制信息轉(zhuǎn)發(fā)的目標、參數(shù)、頻率及解耦消息的發(fā)送方和接收方，確保信息流高效、及時、可靠傳遞。關(guān)鍵配置項設(shè)計包括：

圖4 地面軟件系統(tǒng)架構(gòu)及信息流

1)數(shù)據(jù)綜合處理軟件：接收射頻綜合檢測站的遙測原碼數(shù)據(jù)，基于預先配置的遙測幀格式解析遙測幀，提取各類參數(shù)原碼，基于參數(shù)處理公式進行計算解析，得出各參數(shù)的物理量結(jié)果并發(fā)送至網(wǎng)絡，供其他軟件存儲、瀏覽、分析應用。軟件能夠?qū)⒉煌奶幚矸椒ǚ庋b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(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心，通過以太網(wǎng)實時接收全箭的遙測數(shù)據(jù)、地測數(shù)據(jù)、控制指令、診斷信息等，并將全箭數(shù)據(jù)錄入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(或文件系統(tǒng))存儲；另外，軟件通過頻率控制及參數(shù)挑選，控制轉(zhuǎn)發(fā)其他軟件所需要的測試數(shù)據(jù)。

3)健康監(jiān)測軟件：對測試發(fā)射過程中各系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)(包括箭上和地面的流程信息、控制指令、狀態(tài)信息、圖像信息、語音信息、模擬量等)進行實時監(jiān)測和健康監(jiān)測。一方面健康監(jiān)測軟件能夠以B/S模式支持數(shù)據(jù)的發(fā)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(tài)及分析結(jié)果。另一方面，作為故障診斷技術(shù)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(xiàn)運載火箭故障診斷的重要途徑[10]，軟件能夠?qū)Ξ惓?shù)進行故障診斷和分析定位，并完成推理判斷，為測發(fā)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(tǒng)的測試效率和智能化水平。

4)事后數(shù)據(jù)判讀與分析軟件：軟件支持全箭測試數(shù)據(jù)判讀全過程，基于網(wǎng)絡實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽、分析、判讀、報告生成等功能，完成對各類試驗數(shù)據(jù)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(shù)是整個測發(fā)控系統(tǒng)便捷、智能的重要體現(xiàn)，其技術(shù)核心是判據(jù)描述語言設(shè)計。軟件通過預先設(shè)置好的判據(jù)，實現(xiàn)各類參數(shù)的自動判讀與專業(yè)報告生成，將設(shè)計人員從繁重的數(shù)據(jù)判讀、故障分析和排查以及產(chǎn)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(jié)束語

文章提出的運載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)對硬件、軟件、信息進行了一體化設(shè)計，已經(jīng)應用在背景型號的研制中，完成了原理性試驗和關(guān)鍵技術(shù)驗證，該體系架構(gòu)、設(shè)備及軟件系統(tǒng)的設(shè)計具有通用強、集成度高、信息傳遞高效等優(yōu)點，設(shè)備臺套數(shù)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(tǒng)一體化測發(fā)控的任務需求。后續(xù)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(tǒng)的差異化需求等方面，進一步擴展完善，確保系統(tǒng)可靠、高效、通用、先進，建立未來運載火箭地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)基本型。