運載火箭測發控技術未來發展與展望

任月慧,張宏德,彭 越,徐利杰,劉 洋,馬小龍

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

地面測發控系統是火箭各系統測試、發射前控制，并實施發射的地面設備全稱。地面測發控系統一般由供配電設備、電氣測控設備、動力測控設備、發控設備、信號采集傳輸設備、網絡設備、計算機、應用軟件等組成，并與發射場相關系統配合，完成火箭的測試和點火發射任務，為推進提升運載火箭測試發射能力，本文對運載火箭地面測控系統的基本架構及發展方向進行了論證分析，提出了后續技術發展規劃路線，并結合目前技術發展現狀提出了可實施途徑。

1 運載火箭測發控系統組成及演進概述

1.1 系統組成

地面測發控系統按照功能需求可以劃分為5個部分，分別為地面供電、有線測控、無線測控、數傳通信及測發控軟件[1-4]。

1)地面供電功能：主要負責在測試發射流程中接收加電、斷電指令，為箭上電氣系統、動力系統負載以及前端地面測發控設備提供能源。技術要素主要包括供電方式、電源配置模式、電源冗余方式等，具體是由直流電源和中頻電源等組成。

2)有線測控功能：按照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數據、關鍵狀態等信息，并且要完成火箭點火時序輸出、發射流程邏輯控制等。技術要素主要包括測控設備標準、測控模式、配電控制等，具體是由電氣測試發控設備、動力測發控設備、點火控制裝置、應急控制裝置、測控計算機、瀏覽計算機、各類等效器等組成。

3)無線測控功能：主要負責射頻遙測信號的接收、解調、譯碼，完成外測信號的發射及接收，完成安全控制指令的發射，同時裝訂試驗碼和戰斗碼。主要是由前端遙測、外測、天基檢測站、光電轉換設備等組成。

4)數傳通信功能：主要實現前后端遠距離網絡/應急通信以及與發射場的數據傳輸，處理、顯示測試數據及狀態信息，采用高速以太網通訊、無線通信技術等。技術要素主要包括前后端網絡通信等，具體是由前后端網絡交換機、數據轉換及處理計算機等組成。

5)測發控軟件功能：主要實現對運載火箭測試發射流程的控制、系統狀態的監測和測試數據的處理，提供各種測試狀態下測試數據的自動判讀和歷史數據的分析比對服務。技術要素主要包括軟件使用模式、健康管理功能、硬件平臺等，具體是由測控軟件、健康監測軟件、數據處理軟件等組成。

1.2 系統演進

地面測發控系統方案的演進主要源自以下因素[5-8]：

1)技術發展驅動：工業電子、測試、測控、儀表等技術的發展為地面測發控系統的升級換代提供了更加高效率的解決方案。例如，隨著高速總線、BIT自檢測技術等數字技術取得了飛速發展，尤其是集成芯片、計算機及其相關技術的跨越式進步，為地面測試發控設備的小型化、集成化、數字化研制提供了技術保證；無線通信技術的不斷發展，逐漸成為了有線通信的補充手段；此外，還有諸如大數據、云平臺等技術發展，也為火箭的信息應用提供了更加先進的技術途徑。

2)箭上電氣方案驅動：運載火箭地面測發控系統主要為配合箭上電氣系統，完成各階段對箭上電氣系統的測試工作。因此，箭上電氣系統方案對地面測發控系統設計有很大影響，例如，傳統型號箭上按照分系統劃分獨立設計，所以傳統地面測發控系統針對箭上每個分系統都有對應的獨立地面測試設備，各分系統獨立測試。而新研型號，箭上采用電氣一體化設計及自檢測，因此地面測發控系統也相應簡化并采用一體化設計方案。

3)功能需求驅動：火箭型號研制對地面測發控提出了更多的功能需求，例如使用一套地面設備，即可滿足多型火箭測發控需求，提高地面設備通用化程度；針對未來火箭高可靠、智能化、快速測發及無人值守、國產化自主可控、重復使用等應用特點，地面測發控系統需要滿足快速測試模式、自動化測試、健康管理、子級獨立測試、異地遠程測試發射支持等功能需求。

1.3 國內測發控系統發展

我國運載火箭地面測發控系統按照應用模式和技術特征，演變如下：

1)最早測發控系統地面設備就近布置在火箭發射工位附近，各系統分別配置地面測發控設備，箭地之間、設備之間通過點到點的模擬量電纜互聯，操作依賴人工，設備種類多，規模龐大，自動化程度低，崗位人員數量多，目前基本已經退役；

2)隨著以太網技術成熟發展，測發控系統由近控實現了遠控模式，地面設備分成前后端部署，中間通過光纖連接，自動化測試和判讀水平大幅度提升。但由于各系統仍就分開獨立研制配套，導致系統的設備復雜、規模龐大，參與崗位人員多，使用維護成本高，數據判讀、射前監測仍要人工確認，設備定制化程度高。目前在現役型號中廣泛應用；

3)根據資源整合，簡化地面設備規模，提升信息應用效率的需求，經過論證提出了設備集成化、測試流程一體化、信息一體化的測發控系統。采用模塊化、組合化、可配置技術，支持積木式組合和箭地接口適配更換以滿足不同型號地面測發控需求。目前該模式測發控系統正開展研制，也是后續現役型號地面測發控系統更新改造的方向；

4)未來的測發控系統，由于無線供電與無線通信技術的發展，箭地間將取消傳統電纜連接實現無線測試發射，同時需要通過靈活的設備組合和軟件配置，實現一套地面測發控設備同時適應子級獨立出廠測試和全箭集成測試的需求；此外，增加發射場-總裝廠-設計中心的異地遠程發射支持功能，進一步減少現場工作人員，該模式測發控系統已經完成箭地無線供電、激光無線通信、多網融合等主要關鍵技術驗證。

1.4 國外測發控系統發展

通過對美國SLS、AresI、Falcon9、歐洲Vega、日本Epsilon等國際主流運載火箭地面測試發射技術調研，可以看出：國外運載火箭地面測發控系統基本架構與我國基本一致，也可分為地面供配電、有線測控、無線測控、數傳通信及測發控軟件等組成。普遍采用后端計算機+服務器，前端采用供電+測控設備，前后端采用網絡連接的系統架構。從功能上一般分為指揮控制、應急控制和健康管理(故障診斷)，從地域上一般分為現場發射控制和遠程技術支持[9-12]。

具體技術特征如下：

1)供配電方面，國外地面測發控系統對箭上供電采用統一供配電模式，采用有線供電方式；

2)有線測控方面，PLC測控設備采用專用工業總線連接；

3)無線測控方面，采用多組無線測控設備對應箭上不同無線設備；

4)數傳通信方面，國外火箭箭地接口相對簡化，主要由地面供電、數字通信及應急控制組成。地面前后端通信以以太網為主，并部分采用實時地面網絡。國外均具備遠程技術支持能力，能夠充分利用人力資源遠程在線提供故障定位、指揮決策支持；

5)測發控軟件方面，各國發射控制系統均具有完整的故障診斷系統，對測試及發射過程中進行實時監控，發生故障時能夠及時自動終止發射流程；

6)國外已經普遍采用自動化測試與發射技術，從而縮短發射測試準備周期；

7)國外運載火箭已經基本實現射前流程的自動化和前端無人值守操作，確保了發射區操作安全性。

2 測發控系統發展規劃及實施途徑

2.1 設計理念

1)堅持測發控系統設備通用化、標準化的統籌發展思路：硬件產品選用型譜化產品、貨架式產品，并制定標準化接口；軟件產品采用統一平臺架構，通過不同配置項組合滿足不同測試發射流程的需求；

2)以技術為本，摒棄傳統分工模式束縛：成立專項研制團隊，基于產品化思路開展地面測發控系統的統型研制，實現地面測發控系統從型號牽引向產品化、裝備化研制模式的轉變；統一地面測發控系統的頂層架構，形成地面測發控系列標準規范及貨架產品型譜；

3)立足當前，目標長遠，分步實施，逐步實現升級換代：現有的測發控系統升級改進采用設備和軟件資源整合，提升產品的通用化程度，簡化地面設備規模，提升信息應用效率，實現設備集成化、測試流程一體化、信息一體化。同時，采用模塊化、組合化、可配置技術，支持積木式組合和箭地接口適配更換以滿足不同型號地面測發控需求。未來增加子級獨立測試，通過靈活的設備組合和軟件配置，逐步實現一套地面測發控設備同時適應子級獨立出廠測試和全箭集成測試的需求，并增加了發射場-總裝廠-設計中心的異地遠程發射支持功能[13-18]。

2.2 設計原則

2.2.1 通用性原則

采用通用化思想，設計、建設地面測發控系統平臺，按照"大量通用設備+少量專用設備+接口適配器"的使用模式可適應多型火箭的測試發射要求。硬件產品選用型譜化產品、貨架式產品，制定標準化接口；軟件產品采用統一平臺架構，通過不同配置項組合滿足不同測試流程的需求。

2.2.2 可靠性原則

從系統整體可靠性出發，加強系統的軟硬件可靠性設計。與最低發射條件相關的設備均采用冗余設計，確保發射時不存在單點故障模式。

2.2.3 集成化原則

測發控系統設備在保證可靠性、通用性和可維護性的前提下，進一步采取小型化、集成化設計，以減小設備規模，方便設備移動和部署，提高系統恢復效率。

2.2.4 智能化原則

地面設備逐步實現自測試、自診斷的能力，可智能判別自身健康狀況，可實現自主故障切換，減少操作崗位和實現射前無人值守。對測發數據進行集中管理、綜合應用，具備智能自動判讀分析等能力，采用一體化測發流程，提升測發智能化程度和操作便捷度，減少監測和指揮人員。

2.2.5 自主可控原則

在滿足使用要求的前提下，元器件應選用技術成熟、質量穩定、能夠持續供應、有使用經驗的主流元器件，控制進口元器件的選用，確保滿足自主可控相關要求。

2.2.6 經濟性原則

要充分考慮全壽命周期內的經濟性，貫徹全壽命內效費比最優原則，利用先進技術、綜合集成技術等開展總體優化設計，推進工業貨架成熟產品的選用，優化配套數量和使用模式，在保證使用性能和可靠性的基礎上，盡可能降低成本。

2.3 發展方向

根據地面測發控系統的架構組成，對地面供配電、有線測控、無線測控、數傳通信、測發控軟件5個功能的技術發展路線進行闡述。

2.3.1 地面供配電發展方向

當前結合應用現狀和發展趨勢，針對負載特性穩定的地面直流穩壓電源采用N+1冗余技術，針對存在負載特性突變的采用1+1電源冗余技術。中頻電源采用控制+變頻器模塊實現對箭上中頻電機的控制，通過切換軟件實現不同型號的通用化。固態功率控制器(SSPC,solid state power controller)是配電技術的發展方向。隨著未來火箭的箭體規模、用電設備功率的不斷增大，有線供電技術將導致供電電纜重量過大，直接影響運載火箭運載能力。因此采用無線供電技術是實現未來運載火箭電氣系統無纜化、無人值守的關鍵支撐技術之一。

2.3.2 有線測控發展方向

有線測控集成設計能夠減少部分設備種類，降低維護成本，可以有效簡化測發控流程設計難度，提高測發控流程運行效率，壓縮流程周期。當前提出的測控集成方案符合未來技術發展的方向，選用的工業系統總線最具代表性的是當前得到大量應用的PLC、PXI、CPCI等，目前在工業領域應用均非常成熟，采用PXI、CPCI等嵌入式開源計算機，并沒有本質差異。未來運載火箭在設備小型化、環境適應性、電磁兼容性、可維修性等方面提出了新的測控要求，此外未來運載火箭VPX將作為箭上綜合電子設備的標準。因此地面采用VPX標準可以和箭上共享成熟技術和標準化模塊產品，可有效降低開發難度和設計成本。VPX總線繼承了原VME標準中機械結構及導冷抗震方面的優勢，在體積、集成度、電磁屏蔽、兼容性、互換性、維修性等方面有較大的優勢，是一種新型的背板交換技術，不僅能夠有效解決高速率數字信號的傳輸，而且該標準還能夠有效解決振動、沖擊以及電磁輻射等對電氣產品可靠性造成影響的問題，能夠很好的適應分布式測控對象的工作環境。

2.3.3 無線測控發展方向

射頻綜合技術已成為降低機載、艦載等受限平臺中信息系統體積、重量、成本，提高信息系統電磁兼容性、可靠性的主要發展方向。目前已經在飛機等空間受限平臺得到廣泛應用。后續也將用在火箭無線測控設備研發上。通過將火箭原有的遙測、安控、外測、導航和天基中繼等功能進行高度集成，將各自獨立的基帶資源進行整合，形成通用化綜合射頻測控設備，大幅度減少設備重量、體積和功耗，壓縮操作崗位人員數量，提升系統效率。同時利用一套通用化的硬件系統，通過不同的軟件配置滿足多個型號測試需求。

2.3.4 數傳通信發展方向

我國現役火箭地面數據網絡通信逐步形成了以前、后端網絡交換機為核心，前后端大部分設備通過以太網接入的數據傳輸架構。未來的地面測發控系統須將發射場地面測控網絡與異地遠程發射支持網絡一體化整合，實現發射場-設計中心-總裝廠的多地協同測試發射，完成異地遠程發射支持。根據火箭測試發射實時性要求，地面測發網絡系統未來發展的趨勢是采用多網融合網絡架構，通過采用實時以太網、標準以太網和無線網絡的多網融合設計方案。此外，還將采用無線終端設備，部署靈活方便，避免因走線不方便而不能部署的問題；方便設備部署撤收，縮短設備恢復時間，有利于縮短任務周期。

2.3.5 測發控軟件發展方向

當前運載火箭各系統分別采用各自獨立的地面測發控軟件，部署在獨立的服務器或工作站上，無法有效地共享運算資源。未來測發控軟件采用統一平臺構建，通過整合不同系統的測發控需求，實現了集傳統多個分系統的指揮控制、顯示、判讀、分析等功能，并且通過軟件配置及界面選擇，可適用于多型號的測發控系統軟件平臺。通過應用測試數據自動判讀技術，可在短時間內由計算機根據大量的測試數據信息自動判別出火箭各項測試參數及運行狀態是否正常，可有效減少人為差錯，提高測試效率。隨著技術發展，利用科學方法建立對運載火箭測試數據自動判讀、故障自動診斷、健康狀態自動監測和管理的手段，將設計人員從繁重的數據判讀、故障分析和排查以及產品維護中解脫出來，提高測試、發射和產品維護效率，已經成為技術發展的必然趨勢。隨著計算智能的發展，基于數據驅動的故障診斷成為熱門的研究領域[19-22]。

2.4 實施途徑

基于地面測發控系統的發展規劃，堅持技術更新換代發展理念，對于近、中、遠期工作分別提出了實施方案建議。

1)近期：開展現役運載火箭地面測發控系統改造，研制可用于多型火箭的統型測發控系統，基于該系統架構，實現總裝或靶場一套地面設備完成多個型號的測試或發射。在原系統基礎上完成測發控設備集成化、測試流程一體化、信息一體化整合工作。采用模塊化、組合化、可配置技術，支持積木式組合和箭地接口適配更換以滿足不同型號地面測發控需求，目前該模式測發控系統正開展研制。

2)中期：結合箭上一體化設計思路，地面供配電采用多臺電源并聯冗余模式；有線測控采用通用CPCI+SSPC模式；無線測控采用一體化遙外測檢測站；數傳通信采用箭地一體化網絡設計思路，采用以太網作為箭地通信方式并逐步向實時以太網過渡；測發控軟件部署于地面虛擬化云平臺上，采用一體化測發控軟件+健康監測軟件，具備健康監測功能，可實現自動流程。目前該模式測發控系統正開展研制。

3)遠期：未來地面測發控系統需要增加子級獨立測試能力，需要通過靈活的設備組合和軟件配置，實現一套地面測發控設備同時適應子級獨立出廠測試和全箭集成測試的需求；由于無線供電與無線通信技術的發展，箭地間將取消傳統電纜連接實現無線測試發射；采用以測控設備小型化、分散集成在配氣臺等測控對象的分布式網絡測控體制，取代傳統集中式測控體制；此外，前后端通信將采用有線以太網與無線物聯網相結合的多網融合方式。目前已經完成方案論證和主要關鍵技術攻關工作[23-25]。

3 系統研制思路

3.1 頂層規范技術路徑，統一后續研制方向

加快研制進度，首先形成地面測發控系統統一化要求，指導系統、單機相關產品研制。加快統型地面測發控系統研制進度，與在役型號需求匹配。

3.2 轉變研制模式，實現從型號牽引向裝備化研制的轉變

按照裝備化思路開展地面測發控系統的研制，后端設備進行統一配置，前端按照發射/測試工位進行配置，同一發射/總裝測試工位采用一套地面測發控系統即可滿足不同型號的測試發射需求。成立專項研制團隊，基于產品化思路開展地面測發控系統的統型研制，實現地面測發控系統從型號牽引向產品化、裝備化研制模式的轉變。

3.3 箭上地面同步發展，規范型譜產品研制

地面測發控系統與箭上電氣系統的發展同步規劃，統一后續型號箭上電氣系統與地面測發控系統的頂層架構，形成電氣系統(箭上和地面)系列標準規范及貨架產品型譜，支撐后續各型號研制過程中的產品選用。

4 結束語

本文從國內外火箭地面測發控系統的發展現狀分析、未來研制需求出發，總結了地面測發控系統的頂層架構和演進路線，最后對后續發展實施途徑和步驟進行了初步規劃，提出了頂層規范技術路徑，統一后續研制方向；轉變研制模式，實現從型號牽引向裝備化研制的轉變；規范型譜產品研制的未來研制思路，為地面測發控系統發展提供參考。