彈道導彈快速測試與發射控制技術探究

徐利明，史文森，王瑞臣

(海軍潛艇學院， 山東 青島 266199)

現代戰爭對武器裝備戰場快速反應能力提出了更高要求，美、俄等軍事強國均十分重視武器在戰場上的快速反應能力，不僅對作戰人員熟練操作使用武器裝備提出了要求，而且對武器裝備本身是否具備快速反應能力提出了更高要求[1]。與飛航式導彈相比，彈道導彈具有射程遠、速度快、打擊范圍廣、可機動部署發射等優點，成為各軍事強國爭相發展或擁有的武器系統。但彈道導彈武器裝備系統龐大、技術復雜，測試發射過程時間長、操作繁瑣等也成為制約彈道導彈武器裝備發展的重要因素。

彈道導彈要實現可靠發射、穩定飛行，并將有效載荷——戰斗部準確送到打擊目標，離不開彈上各系統的協調一致工作；同時，地面測試與發射控制對導彈發射任務的成敗同樣起著至關重要的作用。地面的測試與發射控制系統，一方面對導彈功能與性能進行全面檢測確認，以便提前消除各種技術風險[1-3]；另一方面，其本身也是導彈射前工作的重要組成部分，特別是對于采用三軸慣性平臺作為制導工具的彈道導彈，要完成慣性平臺調平、方位瞄準、射向裝訂及諸元參數解算與裝訂等工作。彈道導彈能否實現快速測試與發射，不僅與導彈系統本身有關，同時與地面測試與發射控制系統、發射裝置、發射控制流程及操作人員訓練水平密切相關。由此可見，彈道導彈的測試與發射控制系統重要性不言而喻。

1 彈道導彈傳統測試與發射控制技術

彈道導彈測試與發射控制系統的作用包含兩個方面：一是測試，主要針對導彈控制系統開展一系列的功能性檢查測試，確保彈上控制系統各子系統及全系統工作正常；二是發射控制，用于完成與發射相關的一系列工作，如諸元解算與裝訂、初始方位對準、點火發射、故障情況緊急斷電等。傳統的彈道導彈測試與發射控制系統主要特點。

1) 發射涉及裝設備多

彈道導彈發射涉及發射裝置、測試與發射控制系統、諸元解算系統、瞄準系統、通信指揮、電纜網等裝設備，系統間連接關系復雜。以水下發射彈道導彈為例，要求可同時進行多發導彈的測試與發射工作，需要多套發射裝置同時準備，幾十臺套設備同時運行，方可完成發射工作。

2) 發射準備工作多

彈道導彈在發射前要完成導彈分系統測試、總檢查測試，要完成射擊諸元解算裝訂、方位瞄準等工作。如果是陸基機動發射，還需要提前起豎導彈發射車，同時展開發射控制、指揮通信、方位瞄準等功能車輛；如果是?；l射，則需要準備水下發射時需要的液壓、發射動力、裝置系統要完成自檢、準備及注水均壓等工作，然后再開始導彈測試與發射相關的各項工作。準備工作越多，占用時間就越多，雖然有些工作可并行開展，但總體仍不利于快速展開并實施導彈發射。

3) 操作人員多

盡管控制系統自動化水平有較大提高，但仍保留了相當部分的人工操作，而只要有操作就可能會帶來誤操作風險。例如：測試發控臺仍然保留了系統加電、漏電檢測、狀態切換等人工操作，這就需要配置崗位操作人員，同時也帶來了誤操作風險。為消除這種風險，增加了雙崗、狀態檢查及指揮協同等工作，進一步耗費了資源、發射準備時間和崗位人員精力。

4) 發射測試方案效率低

以潛射彈道導彈為例，通常包括平時總檢查測試與發射時的發射測試工作?？倷z查測試是對整個導彈系統進行的全面檢測，不僅對控制系統各分系統聯合工作性能進行檢測，同時可對控制系統和其他子系統間的匹配進行檢測，從而決定導彈性能，由于是對導彈的定期性能檢測，對完成時間不做過多要求。發射測試則是在對導彈控制系統進行必要檢測基礎上，使導彈具備發射飛行所完成的一系列工作。由于處于作戰狀態，潛艇要從安全深度上浮到發射深度，增加了暴露風險，因此對發射測試時間有嚴格要求，這一深度工作時間越短越好。而為了確保控制系統可靠工作，發射測試方案保留了部分子系統功能檢測項目，如火工品通路、火工品限流電阻檢測等，這無疑增加了暴露深度航行時間，與作戰需求不相適應。

2 彈道導彈快速測試發射控制技術

當前，測試發射控制技術或多或少延續以往設計思路，研究對象也主要集中在測試系統自身，未從武器系統整體統籌考慮，為實現快速測試與發射，必須改變設計理念，重新設計規劃測試發射控制方案，優化發射流程、提高測試覆蓋性、提高自動化程度。

2.1 基于1553B總線的控制系統設計

導彈控制系統設計必須考慮高可靠性、通用化和低成本要求，總線化是提升系統擴展能力、提高信號傳輸可靠性和實現模塊化的有效手段[4]。彈上系統的各單機部件都設計成一個獨立的數字化部件，掛接在彈上控制系統總線上，構成一個實時、開放、信息高度共享的全分布式網絡控制系統[5-7]。基于總線的控制系統體系結構設計，必然導致地面測試發控體制也隨之產生變化，彈地連接關系將大大簡化，通過總線可以監測彈上系統的所有信息，真實反映彈上系統全部信息，同時也具備了機內測試與故障診斷技術的應用。

相比于CAN總線、工業以太網、主流現場總線，1553B總線具有通訊速率高、傳輸可靠、可擴展性好等優勢，適用于工作環境惡劣、通訊可靠性要求高的領域，在航空、航天電氣系統設計中越來越得到廣泛應用[8-10]。1553B數據總線用的是指令/響應型通信協議。它有3種類型的終端，分別為：

1) 總線控制器(BC)，它是在總線上唯一被安排為執行建立和啟動數據傳輸任務的終端。

2) 遠程終端(RT)，它是用戶子系統到數據總線上的接口，它在BC的控制下提取數據或接受數據。

3) 總線監控器(BM)，它用于“監控”總線上的信息傳輸，以完成對總線上的數據源進行記錄和分析，但其本身不參與總線的通信。

圖1為基于1553B總線的彈上控制系統結構框圖。

2.2 提高測試覆蓋性

測試覆蓋是指測試系統覆蓋被測試系統的程度，通常設計分系統測試與總檢查測試。分系統測試是對系統的全面檢測，由于受到測試設備容量以及實時性的限制，這類測試往往是分段、按照順序串行進行，實時起來比較耗費時間。如果彈上控制系統采用BIT技術及總線技術，則可以結合彈上產品自檢測功能，實現連續并行測試，合并部分測試項目，提高測試效率。總檢查測試是對飛行過程全面模擬的一種測試，傳統的總檢查測試是開環測試，對于復雜的導彈飛行控制系統而言，開環狀態下的靜態參數測試及有限的系統功能性匹配檢查，與系統真實狀態差距較大，不利于全面準確檢查測試控制系統。如果考慮采用閉環測試，則可以進一步提高模擬飛行總檢查測試的覆蓋性。

圖1 基于1553B總線的彈上控制系統結構框圖

2.3 優化發射測試方案

發射流程是導彈從加電測試到實施發射過程中，針對導彈設計的測試、狀態檢查、數據解算、裝訂、電池激活、轉電、直至發射等一系列順序工作。可以看出，在導彈發射測試方案中，仍然有大量的測試性工作，增加了導彈發射準備時間?？紤]到導彈平時的總檢查測試已經比較真實細致地考核了導彈控制系統的性能，對于發射流程，可考慮不再對彈上控制系統某些電氣設備或分系統進行性能測試，而是直接開展與發射有關的各項工作，可大大節約發射時間。

2.4 簡化發射操作

彈上控制系統總線化設計與地面測試發射控制系統一體化設計，使控制系統自動化、智能化水平大大提高，為簡化發射控制操作提供了可能。不管是平時的分系統測試、總檢查測試，還是發射導彈時的發射測試，除了設備加電操作外，漏電檢測、狀態轉換、數據比對等均可自動完成，減少了崗位操作人員配置。對于潛射型彈道導彈測試與發射控制，可強化中心發控系統設備功能，而將測試控制設置成巡檢崗位，最大限度減少人工操作，節約人力資源，同時也可減少人為誤操作，確保可靠發射。

3 彈道導彈快速測試發射關鍵技術

3.1 一體化測試與發射控制技術

彈上控制系統基于1553B總線設計后，導彈在發射前，以地面測控系統計算機為總線控制器完成導彈各項檢查測試工作。導彈發射后，則以彈上計算機為總線控制器，作為彈上唯一的控制部件，負責發送命令、組織數據傳輸、接收狀態響應和監測總線系統，彈上其他單機部件，包括慣性測量裝置、速率陀螺、配電器、功率放大器、安全控制裝置等均作為普通的遠程終端掛接在總線上。地面測試與發射控制系統則負責向彈上傳輸程序、裝訂數據、發送測試命令及總線監測等。采用小型化、集成化、模塊化設計思路，基于虛擬儀器技術，設計界面友好、操作簡單的測控設備，實現簡化操作、自動數據比對判讀、超差提示、故障診斷定位、崗位巡檢。強化中心發控系統功能設計，突出對前端測控設備及其他地面分系統設備的管理與控制，利于實現多發導彈同時準備、按序發射。圖2所示為地面測試與發射控制系統框圖。

圖2 地面測試與發射控制系統框圖

3.2 機內測試技術

機內測試技術(BIT，Built-in Test)是指系統或單機設備利用其內部設計的自檢裝置或軟件為系統或單機設備提供檢測、故障診斷的一種自動測試技術。BIT技術是目前解決復雜系統或設備測試性最有效的途徑之一，也是實現彈道導彈快速測試與發射控制的關鍵技術。工程實踐證明，利用彈上設備BIT功能實現彈載設備自檢測(數據采集)是可行的，考慮到彈載計算機工作容量，可將數據分析、故障診斷以及是否滿足發射條件的決策交由地面測試與發射控制系統來完成。當然，這一技術的應用離不開先進測試總線技術、總線偵聽技術、智能故障診斷技術、閉環測試等技術的支撐。

3.3 故障診斷技術

故障診斷技術是彈道導彈測試發射過程中的重要環節，是指利用檢查測試方法發現控制系統或設備故障，并且減少故障影響的方法與技術。目前相關研究大致可分為六類：基于閾值的判斷機制、基于知識庫的專家系統診斷方法、基于模型的故障診斷方法、基于自學習的推理機制、基于信息融合的故障診斷方法、自主診斷技術。對于彈道導彈電氣系統發射前測試而言，這些技術往往顯得過于復雜，反而不利于快速發射。基于上述幾種技術綜合設計彈道導彈故障診斷方法，既避免單一方法的局限，又可有針對性地完成電氣系統故障快速檢測定位，給出綜合評估結果。目前比較可信的方法是基于專家系統，采用基于閾值的判別機制、基于規則的推理機制等實現故障診斷；對于采用基于標準總線的地面測試發射控制系統，利用BIT技術、總線偵聽技術作為診斷的手段，但總體來說，智能化的故障診斷方法仍然是設計工程師們努力的方向。

3.4 并行測試技術

并行測試是指通過增加單位時間內被測對象數量來提高測試效率，即同時在同一被測對象內部并行測試多個參數，并根據需要自動調度被測對象及被測參數[3]。并行測試技術是將并行處理技術引入自動測試領域后形成的一種先進測試技術，旨在提高測試效率，這一技術也被美國NxTest體系列為下一代關鍵技術。并行測試技術主要包括兩種模式，一是單個被測對象并行測試技術，同時開展這一被測對象內多個相互獨立被測參數的測試；二是通過接口開關、交錯控制或智能調度等實現多個被測對象的并行測試。對彈道導彈而言，并行測試一方面需要統籌安排測試項目，合并優化測試流程；另一方面，則是對被測系統多個測試參數的并行測試，需要在測試儀器、測試點、測試軟件設計方面開展頂層設計。

4 結論

信息技術的快速發展與工程應用，為彈道導彈控制系統設計及其測試與發射控制提供了新的技術選擇。基于總線的導彈控制系統設計、提高測試覆蓋性、優化發射測試方案、簡化發射操作等技術的應用可有效提高導彈發射效率。一體化的彈道導彈測試發射控制技術、機內測試技術、故障診斷技術、并行測試技術的發展與應用則為實現快速測試發射控制提供了技術支撐。