新一代航天運輸系統測發控技術發展的方向

宋征宇

北京航天自動控制研究所，北京 100854

運載火箭是用于發射服務的，因此測發控技術是設計火箭需要重點考慮的內容。長期以來火箭測發控技術一直定位于對箭上產品性能的測試及確保射前箭上產品功能正常，而忽略它的使用和服務特性，使得測發控技術的發展一直冠有“專家系統”的名聲，即只有專家才能操作的系統。

為提高使用性，控制系統經過多年的努力，自動化水平已提升，包括自動化的測試和判讀。目前測發控工作早已不是火箭各系統工作的短限，例如，控制系統分系統測試在不考慮慣組加溫的情況下僅需不到2h就可完成；總檢查的流程控制已自動化，幾乎實現了“一鍵”操控；原本依靠人工對測試數據進行統計，繪制曲線分析趨勢等需要多人工作2～3天的時間，目前采用基于特征點的數據自動判讀比對，僅需不到5min時間，且能自動生成報表和文檔。但技術的進步帶來了要求的提高，而要求的提高又暴露出測發控系統的不足，本文將就如何解決這些問題展開討論。

1 當前測發控技術存在的主要問題

簡化測發控操作，減少發射準備時間，精簡現場保障人員；同時提高測試覆蓋性，縮短天地差異性，加強設備通用性，這些看似矛盾的需求，是當前對測發控系統的新要求[1]。而傳統測發控系統存在以下不足：

1)現場技術保障人員較多

主要體現在需要眾多專業人士在前后方為火箭的發射“保駕護航”，尤其是數據分析工作，增加了設計方人力成本。雖然采取了一些方法，如將測試數據傳送到設計單位，可以減少現場保障人員，但后方仍需要較多人員。又如采用有限狀態的靜態測試，有利于制定判讀準則，實現自動判讀，將設計人員解脫出來，但這是以犧牲測試覆蓋性為代價的。

2)現場人工操作多

盡管控制系統的人工操作與現場總裝工作相比不算多，但只要有操作就會帶來許多連鎖反應，如插拔一個插頭，需配置崗位人員，也帶來了誤操作的風險；為消除誤操作，增加了雙崗以及狀態檢查和匯報等工作，進一步耗費了資源、發射準備時間和人員精力。尤其在發射區，人工操作具有影響產品安全性和人身安全性的雙重隱患。如果能夠取消或減少人工操作，將帶來諸多好處。

3)測試方案效率低

現有的測試方案已經使用了幾十年，固定為3種狀態的總檢查，難以覆蓋飛行中的各種工況。而增加測試狀態，帶來狀態轉換的諸多不便以及對測試分析人員要求的進一步提高，這都限制了測試方案的改進。雖然仿真試驗等能一定程度彌補上述缺陷，但系統總檢查仍是最接近真實狀態的測試。同時，固化的測試用例，尤其是開環測試的設計，降低了測試有效性，也無法適應迭代制導等閉路制導方法對測試的需求。

4)發射準備工作多

由于上述3方面的不足，以及臨射前的諸元準備及測試工作，使得發射準備稍顯復雜。

目前關于測發控技術的研究一直延續原有的設計思路，考慮問題的出發點沒有根本改變，因此研究內容也集中在測試系統的具體實現上[2]，如采用什么樣的測控總線和模件，地面測控系統的體系架構，與測試相關的軟件技術、虛擬儀表技術等。對上述不足，單純從測發控系統自身已無法徹底解決，漸進式改進難以大幅提升性能，必須改變設計理念，從源頭重新規劃，即將箭上控制系統的設計與測發控的需求結合起來統籌考慮。本文將智能、全面、便捷作為新一代測發控技術的發展方向，其中：

① 智能：以減少專業保障人員為目的，實現數據分析和判讀的智能化，并能適應不同測試狀態的需求；

② 全面：以提高測試覆蓋性、天地一致性為目的，用閉環測試取代開環測試，實現從功能測試到功能與性能并重測試的提升；

③ 便捷：以簡化發射場操作為目的，爭取實現發射區無人上箭值守操作，具備箭上實時自主生成諸元的能力，提高火箭的使用性和適應性。

2 智能——從自動測試到智能判讀

通過自動判讀來減少現場專業保障人員的研究早有開展[3]。針對時變信號，目前比較有效的手段是提取特征點的方法。特征點選在網絡參數變化的時刻、轉級控制的時刻、分離和關機時刻、施加測試激勵的時刻等，針對每種測試狀態的特征點制定判讀準則，自動但不智能，適應性不足。

如果地面測發控系統能夠獲取箭上控制系統所有輸入輸出參數和中間計算結果，這將為判讀帶來很大的便利。一些型號已經意識到了這一點，利用專用分析軟件對遙測數據進行離線計算，并與箭上計算結果進行比對，有效地增強了分析的深度和廣度。但遙測錄取數據經過了各種轉化，與原始參數存在偏差；遙測記錄與控制計算周期的不同造成了量化誤差，箭地數據處理的不同步性進一步增大了誤差。采用以下方法將彌補上述不足，進而實現智能化判讀。

2.1 總線竊聽技術

地面測發控系統獲取箭上各類參數，必須滿足高速、大容量以及不影響主任務等特性。考慮到箭載計算機是火箭控制系統的主控設備，對其數據總線的檢測相當于獲取了箭上所有傳感器以及控制指令信號，因此將數據監測點設置在箭載計算機的機內總線端；同時為避免對飛行軟件的影響，這些檢測應全部自動實現；檢測到的數據通過箭地高速總線下傳至測發控系統。本文將這種設計稱作“總線竊聽”技術，其原理框圖如圖1所示。

總線監控器能夠實時監控所有掛接在主處理器上的外圍設備，按指定狀態提取存儲空間和I/O空間操作地址及其數據，采用2塊發送緩沖相互切換從而實現總線監控的無間斷采集。整個過程不需要飛行控制軟件的參與。為便于箭地主動通訊，設計單獨的用戶郵箱。

由于要監聽大量的箭上數據，從傳輸速率和傳輸距離上考慮，采用LVDS總線[4]。傳輸速率降額設計為20Mbps，通信距離可達200m。為避免總線信號在高速遠距離傳輸時發生較大衰減，采用自適應均衡器解決信號衰減問題，發送端增加驅動，接收端進行補償，使傳輸的串行信號能夠恢復其發送時的原有特性。

2.2 智能判讀

地面測發控系統主要錄取3類數據，即各智能單元的輸入數據、計算結果和輸出數據(并非所有的計算結果均產生輸出)。為了獲取上述信息，采用2種技術途徑：

1)飛行控制軟件本身需要采樣的數據，以及其產生的輸出控制信號，能夠直接被監測到。這些信息主要是主處理器錄取的慣組數據、速率陀螺數據，以及其發送的各種指令；

2)非飛行軟件直接采樣的數據，可以將其封裝成遙測量，箭機作為BC轉發給遙測系統，利用此過程進行監測。這些數據主要是其他智能單機的輸入輸出數據和計算結果，以及飛行控制軟件自身重要的中間計算結果等。

除此之外，由于箭地計算的起點和運行周期不可能完全同步，箭地計算存在采樣量化誤差，尤其當數據處于較快變化率時，會對包括濾波算法等在內的計算結果產生較大影響，因此需要增加一些用于輔助地面同步運算的信息。由于飛行遙測數據分析也需要這些信息，因此可以打包在遙測信號內進行處理。

地面利用這些數據，進行2方面分析，實現了分析的全面性：

1)判斷控制系統在接收到輸入數據后的處理是否準確。采用與箭上各智能單機同樣的算法進行計算，并比對計算結果。當然地面的解算必須與箭上各智能單機的解算獨立設計，否則失去了判讀的意義；

2)判斷控制系統收到的輸入數據是否準確。根據各傳感器的任務書計算在當前測試狀態下的理論輸出，與傳感器實際輸出值的差應在任務書規定的誤差范圍內。

第1方面的分析是依據箭上所錄取的數據進行的，它對測試狀態變化不敏感；而第2方面的分析能根據當前狀態計算傳感器的理論輸出，二者相互結合，具備了對不同測試狀態的適應性，不再需要編制固定的判讀標準，體現了智能性。

3 全面——從開環靜態測試到閉環動態測試

現有的控制系統總檢查原理簡圖如圖2(a)，從慣性測量組合到伺服的測試是開環的。在地面總檢查進行模擬飛行測試時，會事先設計出供測試用的程序角，并設計關機時間等效的模飛彈道對其進行驗證，關機方程的系數、關機量均是根據理論飛行時間以及在該段時間內慣組隨地球自轉的輸出等綜合決定的。

對攝動制導而言，上述測試方案較好地滿足了系統綜合試驗的需要，因為攝動本身也是開環的。但這種開環的測試不能對迭代制導進行驗證，主要體現在以下2個方面：1)因為采用迭代制導的火箭入軌點是實時計算的，它能夠根據火箭飛行狀態調整飛行程序角，選擇合適的入軌點，但是在總檢查測試中慣性器件處于靜置狀態，失去了通過迭代制導調整飛行軌跡的前提條件；2)不管模擬飛行的程序角如何變化，慣性器件的輸出也不會隨之變化，因此無法模擬箭體對迭代的響應，迭代制導的“自適應性”也無從驗證。

圖2 開環及閉環總檢查簡圖

在采用迭代制導技術前，閉環的綜合試驗[5]一直是系統設計人員追求的目標之一，因為這更符合真實的飛行情況。開環靜態測試使得系統綜合試驗成為僅是功能性的接口匹配性測試，測試的強度、覆蓋性均不夠，而其他類型的試驗項目，如仿真試驗等，不適合發射現場實施，且系統構成也不完整。要實現閉環，必須實時測量箭上執行機構的響應，然后通過箭體仿真計算得出慣性器件的實時響應，并反饋到飛行控制軟件，用于下一周期的計算。在地面測發控系統中，對執行機構擺角的測量通過VXI/PXI等傳統模件進行，采樣開關的轉換、信號的采樣處理及傳輸等滿足不了20ms計算的要求。

本文提出的閉環測試如圖2(b)[6]所示。箭上伺服控制器采用自測試技術，每個運算周期(2ms)采樣伺服機構的擺角并編入總線遙測信息，飛行軟件每20ms通過總線進行錄取，借助于第2節介紹的總線竊聽技術，地面將能檢測到當前擺角，由此可以啟動仿真運算。地面計算出的慣性器件輸出仍可以借助箭地高速總線，通過郵箱主動發送到飛行控制軟件。

但如果飛行軟件全部采用郵箱錄取到的仿真數據，真實慣組的輸出將無法參與運算，系統測試變成了“數學仿真”，失去了系統測試的作用，為此采取如下措施：1)地面計算機將仿真出的慣組信息wi扣除被測慣組隨地球自轉的理論輸出ws后通過郵箱發送；2)箭機同時錄取慣組輸出w和郵箱數據。慣組在靜置狀態下的輸出為w，由2部分組成：ws，根據標定的均值計算出的隨地球自轉產生的輸出；δ，慣性器件的隨機誤差，因此w=ws+δ。則箭機采樣到的信號為：wi-ws+w=wi-ws+ws+δ=wi+δ，由此將隨機誤差引入計算。

如果慣組標定參數錯誤或慣組發生了故障，其輸出值遠超過理論值或隨機誤差增大，都將導致閉路模飛中程序角和關機時間與理論值的不符，從而起到對慣性器件質量的把關作用。

由于沒有對系統狀態進行任何改變，這樣的測試適合在靶場和總裝廠實施。由于具備了閉環測試的條件，在地面仿真軟件中可以設置不同的干擾狀態，從而產生不同的測試用例(但并沒有改變硬件的狀態)，增大了測試的覆蓋性。而通過前文介紹的智能判讀技術，數據的分析全部自動進行，也沒有增加分析判讀人員和工作量。

測試中飛行軟件要錄取慣組和郵箱信息，而在飛行中僅需慣組信息，要避免飛行中軟件狀態錯亂，解決這一問題已有相當成熟的實踐經驗。例如，姿控系統設計“消抖網絡”來避免火箭在豎立狀態測試時因自激振蕩產生的抖動，而在飛行中無需該網絡。二者可以采用相同的措施來保證測試與飛行狀態的正確，本文不再贅述。

4 便捷——減少操作內容，降低操作難度

總結靶場控制系統需要人工參與的箭上操作，主要包括以下方面：1)由于測試狀態的變化，導致箭上設備以及箭地連接插頭存在一些插拔操作；2)火工品短路插頭的連接、解保以及回路阻值測試工作；3)射前連接電池；4)火工品及電磁閥等效器的相關操作。其中，進入發射區主要的操作是第2)和3)項，如果能夠減少這方面的操作甚至取消操作，將為簡化發射流程創造便利的條件。

4.1 從保留人工操作到爭取無人值守

在測試準備階段，為避免火工品的誤爆，需將各火工品正負端短路，一般通過連接短路插頭來實現，同時在發射前需人工取下。這部分均屬于臨射前的上箭操作，風險較高。另一項工作是在火工品連入系統后，為避免誤接和漏接，進行火工品通路的檢測，同時也是對線路的功能性測試，檢查是否存在限流電阻開路、短路以及其他不滿足設計要求的情況，這項測試比較費時。

采用下文介紹的設計，將上述工作從手動變為自動，并有可能做到前端無人值守。

4.1.1 火工品自動短路/解保控制及在線自動測試

如圖3所示，在電阻盒內將火工品兩端并接上繼電器觸點，當觸點閉合時，對火工品進行短路保護；發射前將觸點斷開，解除保護。

圖3 火工品短路保護電路示意圖

1K和2K分別表示2個磁保持繼電器，A和B表示繼電器的2組觸點。采取并串聯電路，能在一度故障的情況下確保可靠斷開，從而不影響飛行中的控制功能；而在需要保護的情況下是否真正短路，可以利用下節介紹的技術進行檢測來確認。

磁保持繼電器存在2個激勵線圈，用測試繼電器T1K和T2K表示當前線圈激勵狀態。在各激勵線圈上并聯由繼電器常閉觸點構成的鎖定電路，當需要激勵時，必須首先斷開線圈的短路控制，這能有效避免干擾信號誤觸發電磁繼電器動作而造成狀態的不可控。

采用箭上配置1臺綜合測控器進行自動測試，代替外接專用測試儀手動測試的方案。事實上，這種測試方案在導彈武器[7]及衛星上已得到了應用。本文提出的方案可參考圖3，測控器每次將恒定小電流I1施加到被測火工品回路，恒流源流過火工品橋絲(Rh)與限流電阻(Rx)時建立起電壓，測量通路電壓Vh，折算出阻值。對比圖3可以看出，當火工品被短路保護時，相當于Rh的阻值為0，這樣測得的阻值為限流電阻Rx的阻值；當電阻盒解保時，測得火工品和限流電阻串聯的總阻值，將其減去Rx可以計算出火工品電阻值Rh。通過對阻值的判斷，也可以確認此時處于火工品短路保護狀態還是解保狀態。

綜合利用保護電路及回路阻值測試功能，工作流程如圖4所示。功能A確保在連接火工品之前短路保護功能處于短路狀態，從而起到保護作用；功能B確保在起飛前處于解保狀態，不影響飛行使用。由于采用了并串聯設計，在解保狀態下單點故障不會造成誤短路，保證了飛行的正常引爆。

采用上述設計后，火工品的解保可以延遲到起飛前某一時刻，從而進一步增強射前人員與產品的安全性。

圖4 短路保護與解保控制流程

4.1.2 采用可重復使用的電池

箭上控制系統普遍采用鋅銀蓄電池，由于其循環周次有限，在地面測試采用地面電源替代其供電，但至少采用真電池進行一次總檢查，由此帶來了一系列測試狀態轉換和人工操作的情況。射前將重新充滿電的電池安裝、連接，因此需要箭上有人值守以及增加狀態檢查工作量。如果有可靠的重復使用電池，則無論地面測試還是飛行均可直接由其供電，采用這種設計有以下益處：

1)減少了箭地供電電纜，尤其是在箭地只有脫拔連接的情況下，大大減輕了電纜的重量，提高了運載能力；

2)測試狀態更接近真實情況，不再需要模擬電纜，每一次模飛測試均與飛行保持供電狀態的一致，加強了測試的覆蓋性和真實性；

3)減少了測試狀態的轉換，每一次總檢查都是“真轉電”模飛，從而減少了人工操作。電池可以在火箭轉場前安裝上，在發射區不再需要與電池有關的安裝、拆卸工作，簡化了發射流程；

4)提高了用電的可靠性。前端設備安置在活動發射平臺內，每次發射都會承受沖擊等環境，且平臺內空間緊張，設備越多安裝越困難。采用本方案，可以節省前端設備，進而節省了經費。

采用本方案有一些前提條件，例如，伺服機構在飛行中無需箭上電池供電，否則每次總檢查測試后電池要頻繁充電；緊急關機的電流由箭上電源提供，否則地面仍需專配地面電源；電池容量要大，充電要快，測試階段電源負載很小，一次充電后應能滿足多次測試的需要，否則需要頻繁充電。由于一次充電后不可能完成所有靶場的測試，所以電池不用下箭就可以直接對其充電是所追求的目標。但會增加眾多箭地連接的充電電纜，需要權衡是否合適。即使存在有限次取下電池充電的操作，也至少可以將發射區的工作減至最低，前提是需要容量大、可靠性高、周次長、充電快的可重復使用電池。

4.2 從預先準備諸元到實時解算諸元

對發射衛星的運載火箭而言，有足夠的時間用于準備諸元并進行測試，因為衛星的目標軌道早就確定，控制系統最遲也可以提前20多天得到相關參數，因此火箭的諸元均是預先準備的。至交會對接任務，為避免提前預報誤差太大，一般希望將臨近火箭發射時刻的測軌信息用于飛船的目標軌道，但太接近發射，火箭系統準備時間不足，因此采取了射前4h明確目標軌道的方案，火箭控制系統在4h的時間內完成諸元準備、測試以及軟件生產、評審、歸檔和向箭上裝載等工作，這增加了現場工作的緊迫性。

如果將諸元準備工作由飛行軟件自主完成，將有效減少地面工作量，也有助于簡化發射流程。迭代制導的應用為這項工作帶來了便利，因為迭代制導需要的諸元從傳統攝動制導的整條標準彈道參數減少為僅5個軌道根數，轉換的算法以及計算量進一步減少，其轉換工作如圖5所示。

圖5 諸元轉換過程

將這部分功能由飛行軟件自主實現，并未增加太多軟件的復雜性，對可靠性幾乎沒有影響。同時轉換工作安排在射前完成，也不影響飛行后的計算時間。

另一方面，借助于網絡和信息技術，可以放寬對測軌時刻的限制，對目標軌道可以邊測量邊傳輸，借助于測發控網絡和箭地通訊，將測軌結果實時傳輸到箭載計算機。由于箭地通訊一直持續到轉電前，因此上述工作也可以持續到轉電前，其結果比4h前更接近當前實際情況。甚至在起飛后，只要在接入迭代制導前，仍可以通過可信的無線傳輸，如北斗短消息等，對測軌的結果進行修正。通過實時的有線或無線傳輸和飛行軟件自主的諸元準備，將極大提升火箭的適應性。

通過本節的介紹可以看出：采用自動的火工品短路保護與解保設計，結合箭上檢控器實現回路阻值的測試，可以將發射區與火工品保護和測試相關的人工操作替代；采用可重復使用電池用于地面測試和發射，僅保留“真轉電”一種測試狀態，取消模擬電纜，這些都有助于減少靶場的人工操作。2種手段的結合，有可能實現發射區無人上箭值守操作，在簡化發射流程的同時，簡化了發射區的勤務塔設計。通過實時解算諸元，進一步減輕了射前工作壓力，簡化了操作。還兼有提高測試覆蓋性、充分性、運載能力和適應性的效果。

5 結束語

地面測發控技術的發展，離不開箭上系統的發展和牽引。例如，如果仍采用開環制導，那么系統聯試狀態下的閉環制導測試就無從談起。同時，射前準備的諸元眾多，也難以將這部分轉換工作移至箭上軟件中。如果火工裝置仍采用傳統的設計方案，全箭設有眾多的引爆橋絲，通過繼電器觸點短路來進行保護的設計就顯得不夠經濟。

技術的進步促進了測發控系統的發展，例如，受到1553B總線監聽的啟發而設計的竊聽技術，在箭地之間搭建了高速信息通道，地面得以在不干擾箭上設備工作、不占用箭上處理器機時的情況下同步錄取所有原始參數，從而自然地聯想到在地面推演箭上設備的處理過程，使得數據的分析具備了智能性；同時，箭地傳輸的實時性增強，使得仿真技術得以在綜合試驗條件下應用，滿足了對閉環控制考核的力度，并能開展各種偏差仿真，增大了測試用例的豐富性和考核力度；而推演式的數據分析恰能以“不變應萬變”的方式解決由于測試狀態多而對傳統判讀帶來的瓶頸。此外，隨著民用尤其是電動汽車領域電池技術的發展，可重復使用的電池必將有成熟之日并運用到測發控系統中。

當然，可靠性仍是所有因素之外需首要考慮的因素，上述相關技術還需要通過大量的工程應用來提高成熟度。同時，經濟性也是不可忽視的另一重要因素。本文將“智能，全面，便捷”作為新一代航天運輸系統測發控技術發展的方向，其追求的目標最終可以歸納為：用較少的人員、時間和操作，實現更加“真實”的測試和更加“自由”的發射。

參 考 文 獻

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