載人火箭地面測發控系統改進技術

2022-03-10 06:21:42王海濤常武權徐喆垚

導彈與航天運載技術 2022年1期

王海濤，劉烽，常武權，彭越，徐喆垚

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

地面測發控系統是對運載火箭箭上系統進行地面檢查測試并實施火箭發射控制的系統總稱。地面測發控系統一般由供配電設備、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，對于完成火箭的測試和點火發射任務至關重要。

CZ-2F火箭是中國唯一在飛的載人運載火箭，正在實施空間站建造任務，其地面測發控系統不僅要保證載人火箭可靠測試與發射，也要確保航天員在待發段的安全。空間站建造運營階段，每發任務都環環相扣。隨著時間的推移，發射任務中地面設備呈現出問題多發的態勢，設備產品老化，維護難度增加，智能化程度不高，并且箭上技術狀態的部分調整將涉及地面設備的變化。為提高測試效率，滿足后續載人航天發射的需要，亟需開展載人火箭地面測發控系統改進。

1 運載火箭地面測發控系統的發展

1.1 國外測發控系統發展

通過美國Ares I、Falcon 9、歐洲Vega、日本Epsilon等國際主流運載火箭地面測試發射技術發展研究，可以看出國外運載火箭地面測發控系統普遍采用后端計算機+服務器，前端采用供電+測控設備，前后端通過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。運載火箭測發控系統有以下幾點特征：

a）地面測發控集成化設計，能夠減少地面設備規模，有效降低硬件成本和人力資源成本。

b）箭地測發控統一化設計，箭上具備單機自測試能力和系統自測試能力，地面測發控設備通過標準的網絡接口負責發送測試指令和接收測試數據，多采用數字通信，開關量和模擬量信號逐步減少。

c）地面前后端網絡化設計，通信以以太網為主，并部分采用實時地面網絡；前端測控設備采用專用工業總線連接，地面測試中無線通信應用逐步增多。

d）測試與發射自動化設計，能夠縮短發射測試準備周期，從而提高發射效率，已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。

e）測發控系統智能化設計，具有完善的故障診斷功能，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中止發射流程。同時具備異地遠程發射支持的能力甚至遠程控制發射的能力，能夠充分利用人力資源遠程提供故障定位、指揮決策的支持。

1.2 中國測發控系統發展

通過對中國火箭地面測發控應用模式和技術特點分析，中國運載火箭地面測發控系統，從近距測控發展至遠距離測控，自動化測試水平不斷提升，可以看出地面測發控系統的基本架構與國外基本一致，主要技術方案如下：

a）傳統火箭各系統獨立模式的地面測發控系統，地面獨立配套電源，采用有線測控PLC+VXI，獨立檢測站，箭地通訊采用RS422串口、前后端以太網通信；

b）傳統火箭統一測發控模式的地面測發控系統，按系統獨立配置電源冗余1+1備份，采用有線測控PLC+PXI，獨立檢測站，箭地通訊采用RS422串口、前后端通訊為以太網，測發控軟件為一體化測控軟件；

c）新一代火箭地面測發控模式基本同傳統火箭，包括各系統獨立模式和統一測發控模式，只是箭地通信采用LVDS、1553B。

與國外運載火箭地面測發控系統相比，中國運載火箭地面測發控系統還存在設備規模大，操作復雜，操作人員多，測發數據自動判讀水平低，異地遠程技術支持功能不足等問題，已不適應高密度，高質量，高效率，高效益的型號任務需求。

2 載人火箭地面測發控系統改進設計原則

地面測發控設備在使用中，不可避免地受到溫度、電磁、機械的應力和振動、灰塵等各種因素的作用造成損傷，發生老化與失效問題，而且隨著技術發展和產品更新換代，現有計算機驅動和硬件備件都難以維護，為了保障后續空間站任務順利完成，綜合考慮載人火箭的特點和運載火箭地面測發控設備發展，提出載人火箭地面測發控系統以下設計原則：

a）可靠性：繼承原有設計經驗，借鑒新型號設計經驗，采用成熟度高的技術，不低于原有測試發射可靠性；

b）安全性：加強涉及產品和人員安全的設計，提高射前無人值守水平；

c）適應性：為適應應急救援，滿足應急救援測試需求，僅對地面測發控系統進行重新設計，避免影響箭上各系統。根據箭上各系統的技術狀態變化，可對箭地接口進行適應性更改；

d）經濟性：各系統考慮通用性，共性設備統一化設計，減少設備種類。同時考慮系統內與系統間進行設備整合，減少設備數量；

e）快速性：提高測發控設備的自測能力，采用模塊化組件，便于快速維護；減少狀態轉換，減少人工操作，提高對箭測試自動化水平；

f）信息化：各系統箭上產品與地面設備測試全流程信息上網統一管理；

g）智能化：分系統、匹配與總檢查測試實現全自動判讀，在射前監測的基礎上，支持開展全箭故障診斷與輔助決策應用。

3 載人火箭地面測發控系統改進總體方案

運載火箭地面測發控系統一般按前后端進行布局，前后端設備之間通過光纖完成信息傳輸。前端設備主要完成箭上各系統的配電、測試狀態控制、監測；后端的主控計算機、發控臺等設備通過網絡、光纖等鏈路對前端設備進行控制，完成對運載火箭箭上產品的控制和測試，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。

載人運載火箭地面測發控系統采用遠控方案，地面測試設備按照系統功能主要劃分為以下6個部分：

a）控制利用測發控系統；

b）遙測測發控系統

c）外安測發控系統；

d）故檢測發控系統；

e）總體網系統；

f）動力系統。

載人運載火箭原有地面測發控系統采用各系統獨立模式，與其他型號不同的是為滿足發射區和技術區測試，技術區和發射區各一套前端地面設備，共用一套后端地面設備的模式。新研制的地面測發控系統的總體方案繼承前期的測發模式和指揮控制體制，改進方案如圖1所示。

圖1 地面測發控系統原理方案Fig.1 Principle Scheme of Test and Launch Control System

各系統前后端遠距離通訊統一實現，前端和后端各配置兩臺光端網絡交換機，采用熱備份的冗余方式，參與前后端通訊的設備都掛在光端網絡交換機上。各系統軟硬件設計統一選型，關鍵測發控設備采用主從冗余設計，具備自動、應急兩種操作方式，保證地面測發控系統的高可靠性。同時利用網絡技術和計算機技術增強指揮控制的自動化，增強硬件和信息資源的共享，提高測試過程中測試信息實時瀏覽和監控能力。

在前期方案的基礎上新研制的地面測發控系統主要變化如下：

a）由于VXI的測試設備體積大、價格昂貴，已經趨于淘汰，維護成本高，PXI測試系統替代VXI測試系統，集成度高，系統帶寬顯著提高，適合多通道，高速率采樣。PXI設置在前端，為提高可靠性采用雙PXI冗余設計。同時取消VXI發控，可采用雙PLC發控冗余設計，雙PLC設置在前端；

b）為了提升動力系統的自動化測試監測能力，實現加注期間前端無人值守，配氣臺增加自動控制功能，自主完成射前貯箱增壓、氣脫管路充氣及氣管脫落。同時具備推進劑溫度、貯箱壓力、氣體壓力等測量及監測，加注信息采集及顯示的能力；

c）后端采用云平臺技術將測試判讀計算機集成化設計，避免各系統測試判讀計算機數量較多，各種計算資源無法進行優化與統一分配的問題。后端各系統瀏覽微機采用瘦客戶方式進行接入訪問，大幅減少傳統計算機數量；

d）為了滿足發射區塔架各系統介入網絡的需求，增加塔架交換機組，實現控制、故檢等系統網絡信息的延伸與擴展；

e）為適應應急救援的需求，技術區東西廳均具備測試能力，能夠完成一發待命箭和一發飛行箭的測試；

f）為提高測試經濟性，改進各系統通用測試設備技術狀態，新研測試鋰電池、導通絕緣測試儀、火工品回路阻值測試儀、空調監測及實時監測視頻系統。

4 載人火箭地面測發控系統改進技術

4.1 可靠性進一步提高

載人火箭地面測發控系統將可靠性設計始終放在第一位，但是在實際應用中可以看出地面設備的質量問題仍然多發。隨著新技術的發展，在繼承原有技術的基礎上，充分借鑒新一代運載火箭上成熟應用技術，開展地面測發控系統的再設計。新研地面測發控系統加強元器件質量管控外，進一步采取測發設備冗余設計和系統間解耦設計等提高可靠性。

a）測發設備冗余技術。

冗余設計是消除單點，提高系統任務可靠性的重要措施。各系統原采用基于VXI測發控模式，而VXI組件已經趨于淘汰，其他型號已不再使用，通用性不足，維護成本高，并且只有控制系統前端發控設備中采用PLC與VXI異構型冗余設計。為此更新改造中各系統前端采取性能更優、應用更廣的雙PXI自動測控組合方式提高系統可靠性，各系統兩套PXI測試機箱接收主控計算機的測試命令，完成數據采集、加指令等工作，并將需要實時監測的信號回采，完成監測和記錄功能。

減少系統間耦合，取消非必要關聯，能夠減少系統設計的復雜性，同時提高系統應用的靈活性。原有設計中動力系統完成增壓、氣脫作為控制系統測發流程繼續的條件，飛船系統的有效載荷好信號作為擺桿擺開的邏輯控制條件，因此需要考慮相應的控制線路設計，等效測試設備的設計，應急處置功能設計，無形降低了系統可靠性，而動力系統配氣臺改進后具備自主完成增壓、氣脫的能力，飛船系統工作正常可以在指揮流程中確認，因此新研地面測發控系統取消這些系統間接口，優化系統設計，減少了約束條件，可以更靈活的處置應急情況。

4.2 一體化進一步加強

地面測發控通過一體化設計能夠加強信息互聯，實現更高水平的自動化測試與診斷，能夠改變地面測試設備體積龐大、測試連接電纜繁多、電纜和接插件檢查等工作項目多效率低、系統恢復時間長的狀況。一體化設計是實現更快速測試與發射的發展趨勢。但是由于載人火箭地面測發控系屬于傳統分立模式應用于箭上各分系統，為此在新研地面測發控系統中開展了改進研究，從系統間和系統內兩個維度最大限度進行一體化設計。

a）系統間一體化技術。

系統間一體化設計核心是在兼容各系統共性的前提下包容個性，針對傳統分立模式向一體化模式改造，需要比較分析一體化系統間的特征，包括硬件設備，信息交互，流程匹配等內容，通過梳理載人運載火箭地面測發控將控制與利用系統進行一體化設計。原控制系統采取VXI和PLC并聯的模式，利用系統采取兩套PLC并聯的模式。為了整合控制、利用系統的發控功能，減少通信鏈路轉接，降低軟件復雜度，取消VXI發控、取消前端利用PLC，前端采用兩套PLC，采取主控計算機直接控制前端PLC的自動發控方式，實現控制、利用系統的一體化發控。

b）系統內一體化技術。

系統內一體化設計主要考慮共性設備統一化設計，減少設備數量，也能降低成本，在設計過程中主要考慮設備功能綜合化，功能設計模塊化，結構小型化等方面。針對外安系統地面雙頻測速應答機綜合測試設備、單脈沖相參應答機綜合測試設備統一設計為一體化外測綜合測試設備，由4個4U機箱精簡為1個5U機箱。利用標準的體系架構、信號處理、軟件定義等技術手段，在一個標準的機箱內實現了所有功能的集成，設備展開靈活，使用方便。

4.3 網絡化進一步延伸

運載火箭地面測發控網絡是各系統間重要的信息傳輸通路，前期載人火箭地面測發控系統通過總體網4臺交換機構成千兆光纜環形連接，實現網絡核心層冗余的網絡系統，完成各系統前后端及各系統間的實時信息交換，包括各分系統測試狀態和測試參數的實時采集，測試數據的發送、接收、轉發等功能。隨著網絡技術的發展和應用需求的增長，新研地面測發控系統從有線網絡延伸發展到了更為靈活的無線網絡。

經歷這些環節之后，孩子們再學《水上飛機》一課時不僅能對“茫茫的大海”有清晰的認知，而且第一次讀就讀出了畫面的感覺。

a）遠程有線網絡技術。

為提高載人運載火箭發射場測試效率，減輕發射場人員技術保障壓力，提高測試數據綜合利用水平，打通前后方信息交互鏈路，在火箭進入酒泉發射場后使部分工作人員在北京即可開展遠程測試發射支持工作，實現測試數據的實時監視及事后判讀的基本功能。新研地面測發控系統開展遠程測試網建設，通過新增解密機、防火墻及入侵檢測系統等，實現酒泉與北京的遠程協同。提高火箭測試發射的工作效率和質量，同時在后方通過組織專家人員支撐前方完成復雜技術問題的快速排查與定位，為前方提供技術輔助決策。

b）傳感無線網絡技術。

原有全箭空調環境監測系統在靶場工作流程繁瑣，包括鋪設電纜、布置測點、測試設備發射區技術區來回搬運、撤收電纜、前端人員長時間監測等工作。從簡化靶場發射流程、實現前端無人值守等方面考慮，新研地面測發控系統全箭空調環境監測系統，傳感器數據收集采用無線方式傳輸，所有監測傳感器均為無線數據傳輸方式，實現溫濕度數據的遠端管理，可在計算機界面程序中進行顯示、查詢、存儲，報表輸出，使全箭空調環境監測更為便捷。

4.4 自動化進一步拓展

自動化測試能提升測試效率，節省測試時間，提高測試準確性，減少人為因素影響，地面測發控系統采用自動化測試技術的同時也向智能化方向發展，目前已實現對采集的測試數據實時監測判別，在數據異常時報警提示。通過分析，針對現有測發控系統又從測試無人值守和智能測試判讀等方面拓展自動化水平。

a）測試無人值守技術。

無人值守可以減少人工操作，提升火箭測試發射質量，確保人員安全性，對于測發控系統從指令發出，到信號采集，再到信息判斷都應從自動化角度開展設計。原有的控制系統時序測試功能通過大量電纜分別將時序信號集中到I級和II級電爆管等效器，驅動繼電器動作，點亮對應時序的指示燈，再通過人工觀察和攝像記錄的方式檢查時序信號是否依次發出，可靠性和時效性不高。更新后使用時序測試儀將原有時序集中測試的模式更改為分布式測試，測試儀之間通過LAN傳輸和IEEE1588時間協議的同步來達到測試要求。實時接收所有火工品的時序信息，對測試結果進行初步的存儲和處理后，送至后端的綜合數據處理計算機，實現對時序測量結果的自動判讀。

b）智能測試判讀技術。

載人火箭傳統的測試判讀主要依賴于人工判讀，原有判讀平臺可進行簡單的數據繪圖處理，但大量判讀工作需將測試數據導出進行二次處理，因此現場判讀效率低，測試數據深入分析滯后，工作量大。新型地面測發控系統改進了判讀平臺，開發了專用數據分析語言，具備較強的判據描述能力及基本的數據計算與分析能力。實現了面向模型的智能測試判讀，通過數學建模的形式模擬箭上的實際處理過程，以箭上實際輸入作為數學模型的輸入，計算得到箭上輸出參數的理論值，將理論值與箭上輸出參數的實際值進行比對判讀。將判據和模型集成到了判讀平臺中，并能實現判讀報告的自動生成，顯著提升了測試判讀效率。