運載火箭測試數據自診斷設計

吳睫，王可，盧逸斌，謝芳

（1.上海航天電子技術研究所 上海　201109；2.上海宇航系統工程研究所 上海　201109）

運載火箭測試數據自診斷設計

吳睫1，王可1，盧逸斌2，謝芳1

（1.上海航天電子技術研究所 上海201109；2.上海宇航系統工程研究所 上海201109）

基于滿足運載火箭高密度發射的需要，提高測試效率、精簡測試人員成為今后發展的必然趨勢。運載火箭測試數據是與火箭進行溝通的主要介質，它可以看做工程人員與火箭對話的一種語言，通過它既可以得到運載火箭的“身體狀況”、“健康參數”等重要信息，也可以告訴運載火箭需要執行哪些任務、進行哪些工作。而采取技術手段優化測試數據的傳輸與判讀方式，提高測試數據處理的自動化、智能化水平，則是解決這一問題的重要途徑。

數據；智能化；自診斷；PLC；TCP；UDP

運載火箭測試數據是與火箭進行溝通的主要介質，它可以看做工程人員與火箭對話的一種語言，通過它既可以得到運載火箭的“身體狀況”、“健康參數”等重要信息，也可以告訴運載火箭需要執行哪些任務、進行哪些工作。這些重要的數據包括向火箭發送的各種控制與執行命令，也包括火箭發射前、發射時及飛行時各系統及單機的重要指標參數。控制與指揮人員通過數據通訊向火箭計算機系統發送指令，技術人員通過專用軟件對火箭返回的測試數據進行分析判讀，從而對火箭的“健康”狀態進行實時分析判讀。因此，運載火箭測試數據對于火箭發射任務的成敗起到至關重要的作用。

1　發展歷程和現狀

自2000年以來，地測系統的數據傳輸與判讀經歷了3個階段，每個階段的設計方式均有所不同，有著各自的特點。

第一階段所采取的方式為“單點傳輸、集中處理、統一判讀”模式。某型運載火箭型號三化設備階段（2002～2006）即采取此類模式。由地測系統各測試單機點對點地將數據匯總至總體網系統，總體網系統將數據進行處理，判別，提供給判讀人員使用。此種類型的優點在于模型簡單，易于構建，但卻具有實時性較差的缺點，而且對中心處理系統（總體網）的依賴性較大，一旦其出現問題，造成的后果難以補救。

第二階段所采取的方式為“主動廣播、分散收集、分散判讀”模式。測試數據由數據源主動將數據進行廣播，各判讀終端分別對需要的數據進行收集后，在各自的界面上進行顯示，供數據判讀人員使用。某型運載火箭型號一體化測發控設備上采用此方法（2005～2012）。此種方式的全局構想為總線型通訊模式，靈活性較大，判讀終端可按需啟用，且各類數據由不同的采集終端在以太網上以不同的端口進行廣播，互相不會造成影響。

第三階段所采取的方式為“主動廣播、分散判讀、實時診斷”，模式。在上述第二階段的方式上，增加了數據實時診斷與監測功能，智能化與自動化程度較高。某型運載火箭地面一體化測發控系統即采用此種方法（2010～至今）。在測試系統中增加了開發數據實時診斷軟件與監測軟件。實時診斷軟件可在測試的同時，被動接收各種類型的數據，同時對接收到的數據按照一定的規則進行實時判讀。一旦發生數據超差，則會通過通訊，自動介入測試流程，向測試人員發出警告信息。監測軟件則實時顯示當前硬件與設備狀態，通過實時探測，對發生的故障自動進行顯示。

隨著社會的進步與科技的發展，國內外眾多行業對通訊與實驗衛星的需求逐年增多，以某型運載火箭型號為例，已由10年前的每年1～2次發射任務逐漸增加至5～6次，任務量增加了數倍。在此背景之下，為滿足運載火箭高密度發射的需要，提高測試效率、精簡測試人員成為今后發展的必然趨勢。而采取技術手段、優化測試數據的傳輸與判讀方式，提高測試數據處理的自動化、智能化水平，則是解決這一問題的重要途徑。

2　設計方案

數據處理是指終端對通訊通路上的電信號進行解析、判斷、顯示的工作，一般也通過計算機技術進行處理。下文對其分別進行論述。

實時診斷技術方案

實時診斷技術設計包括3個方面：數據實時采集技術、智能化數據實時診斷技術與面向測試與操作人員的數據顯示技術。

2.1數據實時采集技術

數據實時采集是指從待測設備的模擬和數字被測單元中實時地采集非電量或者電量信號，送到上位機中進行分析和處理。數據實時采集的目的是為了即時得到測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現象的變化情況。本設計的數據實時采集部分采用三菱公司的 Q系列 PLC（Programmable Logic Controller），每個PLC模塊具有32路模擬量采樣能力。使用3個模塊作為一組，使其共有96路采樣能力，并具有可擴展性［1］。再組合同系列的以太網模塊用于網絡通訊。

對96路采樣數據進行循環檢測，讀取采集的數值。3個PLC模塊同時遍歷并將結果寫入內存。數據發送方面，PLC的以太網模塊支持TCP（Transmission Control Protocol）或UDP （User Datagram Protocol）協議的數據傳輸［2］。考慮到今后的可擴展性與數據的可容錯性，采用UDP方式，以間隔100毫秒的周期組播采樣數據。

PLC一旦加電，即按照程序設計循環采集數據，并以UDP的方式向測試網絡中發送。

2.2智能化實時診斷

智能化實時診斷的關鍵技術是從網絡獲取的大量數據，這些數據是各種類型的原始數據，必須應用不同算法的進行判斷。因此制定針對各種類型數據的最優算法是診斷技術的關鍵，利用經驗數據，調用專家知識庫，制定合理的數據門限也是診斷技術的關鍵。在復雜的算法基礎上，系統使用了微軟MSchart控件作為采集波形的診斷顯示。在程序中設置波形閾值，當數值超過閾值則主動發出TCP回令幀給顯示軟件進行顯示報警［3］。

實時診斷軟件的主要功能（數傳、診斷）由于都在后臺運行，因此在軟件的界面設計上沒有嚴格的方案。軟件在運行時創建接收PLC數據的UDP端口與接收顯示軟件連接的TCP Server端口，并在界面上具有用于顯示UDP與TCP通訊是否正常的指示燈；軟件循環檢測是否接收到UDP數據，并對其進行解析。將解析得的數據轉入內部存儲結構，遞交數據判讀模塊與數據保存模塊；數據判讀模塊循環檢測是否有數據需要判讀，并在判讀后給出結論，將需要發送顯示的數據轉入發送結構（隊列）；數據發送模塊循環檢測是否有數據需要發送，并按既定的幀格式組幀發送［4］。

實時診斷與顯示軟件間采取TCP連接方式發送數據。當診斷軟件診斷到有超差的錯誤數據時，自動向顯示軟件發送數據。

2.3數據顯示技術

數據顯示技術將數據以軟件界面的顯示形式直觀地提供給測試者或操作者，供判斷與決策使用。軟件界面使用指定的配色顯示。使用文本字樣順序顯示診斷標記為錯誤的采樣值。需要顯示的內容有：編號、中文名稱、采樣值、與實際的偏差值、合格結論。根據用戶的需求，可以進一步實現各種曲線的實時顯示，事后的曲線處理，包括與歷史數據和經驗數據的比對，便于用戶可以迅速掌握產品信息做出正確決策［5］。

數據顯示技術主要用于使用既定的IP地址和端口向主機發起建立TCP連接。包括以下TCP連接事件（SocketEX. OnConneted）、TCP連接斷開事件（SocketEX.OnDisconnect）、數據讀取事件（SocketEX.OnMsg）、TCP異常處理事件（SocketEX. OnError）；需要下列可供調用的方法函數：建立連接（Connect）、斷開連接（DisConnect）、讀取數據（GetBytes）。數據處理模塊需要對數據幀進行解析，將數據幀拆分為幀頭、編碼等信息。按編碼將數據進行分類，以既定的約定放送到顯示模塊。發送方式可以選擇建立堆棧，以先進先出的方式按順序處理數據［6］。

顯示界面模塊按各軟件實際需求進行設計。可分為文本滾動顯示、曲線顯示以及虛擬儀表顯示方式。監測到數據處理模塊發來的數據后，按功能號和既定需求，將數據以文本、曲線或虛擬表頭的方式在界面上顯示出來。

圖1　軟件運行流程圖

3　結　論

經過數據智能化傳輸與自診斷設計的研究，目前運載火箭已具備了可靠的數傳設計與高效快捷的數據處理方式，對測試工作的開展具有較大的意義，大大提高了測試效率。但目前為止，地面測試系統尚不具備遠程數據判讀、故障診斷等其他關鍵的運載火箭發射遠程支持能力，大部分數據分析工作仍是在發射場本地執行。這種方式耗費了大量的人力、物力、財力，同時亦不便于前后方信息共享、技術交流等工作的開展，阻礙了運載火箭快速測試目標的發展腳步。在這一需求之下，遠程數據處理方式將成為今后運載火箭發展的必然趨勢。該方式可實現運載火箭執行靶場任務期間前后方工作的同步性，同時具備提高工作效率、精簡進場人員、控制型號成本等優勢。通訊信道的建設成為實現這一課題的第一要素，在條件許可的情況下可借助衛星轉發器實現前后方數據通訊功能。因此今后，建立遠程測發系統將是進一步研究的對象，最終期望實現遠程控制與指揮功能，這對數據的傳輸與處理提出了更高的要求。

圖2　顯示軟件流程圖

在大數據量高速通訊信道得以成功建設的前提下，研究遠程測發系統，可實現后方對發射基地的遠程測試數據判讀與評估、健康監測與診斷 、數據挖掘與輔助決策和指揮控制；實現遠程技術問題可視化協調、遠程監控與診斷、遠程辦公；實現測試數據、遙測數據的回傳與存儲，建立測試數據庫；形成以型號總體院為核心、前后方協作的綜合協同調度管理模式，提高協調效率。最終將形成一個智能、全面、高速、高效、集成的運程數據處理中心。

［1］于繼超.工程飛行模擬器的高速實時數據采集系統設計.計算機工程，2013（5）:297-300.

［2］毛春城.一種機載火控系統自動測試平臺的設計及實現.電腦開發與應用，2013（6）:67-69.

［3］Robert V.Binder.Testing Object-Oriented Systems:Models，Patterns，and Tools［M］.USA:Addison-Wesley Professional，1999.

［4］Michael J.Mino.CMM:Beginners Understanding:Understanding the basics［M］.USA:CreateSpace Independent Publishing Platform，2012.

［5］任永昌.軟件項目開發方法與管理［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［6］周美嬌.以太網通信模型［M］.上海：上海理工大學出版社，2001.

Test data self-diagnosis design of launch vehicle

WU Jie1，WANG Ke1，LU Yi-bin2，XIE Fang1
（1.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China；2.Shanghai Aerospace System Engineering Institute，Shanghai 201109，China）

In order to meet the needs of high-density launch vehicle，improve test efficiency，streamline testers become the inevitable trend of future development.The of the is the main approach to the launch vehicle.It can be regarded as such a kind of language through which the engineering staff can communicate with the launch vehicle to get important information such as the"body condition"and"health index".It can also tell the launch vehicle what to do.Take technology to optimize the transmission and interpretation of the way the test data，that can improve the automation，intelligent level of test data processing，it is an important way to solve this problem.

data；intelligentize；self-diagnosis；PLC；TCP；UDP

TN919.5

A

1674－6236（2016）16-0073-03

2015-04-27稿件編號：201504288

吳 睫（1982—），女，江蘇鎮江人，工程師。研究方向：運載火箭測發控系統遠距離通訊及測試技術。