CZ-2F運載火箭遠程輔助測試系統的設計與應用

王之平，黃 晨，王銘瑤，穆 暉，劉 烽

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

目前，中國現役運載火箭在發射場執行測試及發射任務時，為提高發射可靠性，需要大量設計人員赴現場進行技術支持與服務，造成設計人力資源浪費。傳統的本地測試模式已經不能適應未來運載火箭高密度發射的任務需求，急需研制運載火箭遠程輔助測試系統。遠程測試是指被測對象與測試人員和測試設備處于不同的地域，它們之間少則相距幾千米，多則相距幾百上千千米。測試中的激勵和響應數據均通過特定的鏈路來傳輸。運載火箭遠程輔助測試系統能夠使得火箭測試人員在后方完成數據判讀、數據分析、發射支持等之前只能在發射場完成的工作，極大地減少火箭測發隊伍規模。另外，基于后方強大的專家團隊和服務資源，能夠進一步提升測試的準確性和問題的排查效率。

目前遠程測試已經成為了運載火箭測發技術的一個重要方向，本文首先介紹了國內外遠程測試技術的發展，然后詳細描述了CZ-2F運載火箭遠程輔助測試系統的方案設計與應用。

1 發展情況

1.1 國外發展情況

a）SpaceX公司。

美國SpaceX公司的獵鷹-9火箭在設計之初即考慮了遠程測試的需求，通過采用自動測試和遠程測試技術，獵鷹-9火箭最大化地減少了測試項目，從而實現了16.5天的快速發射。

美國SpaceX公司將自動化、信息流、工作地點與團隊配合進行綜合考慮，實現了前后方人員的優化配置和發射任務的快速響應，保持了工作能力的可持續性。獵鷹-9火箭每次發射任務在發射場的工作人員約為三、四十人，工作地點位于發射區外部附近的發射控制中心。另外，絕大部分員工（包括火箭的設計和制造隊伍）在加州公司總部的任務控制中心工作，負責獵鷹火箭發射過程中的遙控與運行管理。這種測試模式使后方技術人員能夠快捷地獲取火箭的數據信息，減少了發射場人員數量，提高了技術人員的研發和任務保障能力，促進了公司資源的有效協調利用。SpaceX發射控制中心布局如圖1所示。

圖1 SpaceX發射控制中心布局Fig.1 SpaceX Launch Control Center Layout

b）艾普斯龍火箭。

2013年9月，日本艾普斯龍發射成功，艾普斯龍為日本新一代智能火箭，通過采用遠程測試系統，通過兩臺筆記本即完成了火箭自動化測試發射。另外，遠程測試系統還將傳統需要上百人才能完成的出廠測試和發射場測試，簡化為數十人即可完成的工作。

日本艾普斯龍火箭為三級固體小型火箭，長24 m、直徑2.6 m、質量91 t，能夠將1200 kg的有效載荷送入250 km×500 km的近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）。艾普斯龍火箭設置了遠程發射支持系統，在發射場的后端測控系統可以通過遠程高速網絡得到發射場控制中心、遙測通信站以及工業設計部門技術人員的實時數據支持。

c）其他。

2008年2月10日，國際空間站的哥倫布（Columbus）艙發射成功。哥倫布艙由歐洲航天局承擔研制，在研制過程中采用了遠程測試技術，包括前端測試設備與后端客戶端。前端測試設備位于哥倫布艙附近，用于對艙段進行測試，通過網絡將測試數據發送至后端客戶端，后端專家完成測試數據的分析和故障排查。哥倫布艙遠程測試技術由法國Alcatel公司提供。

圖2 艾普斯龍火箭遠程發射支持系統原理Fig.2 Schematic Diagram of the Epsilon Rocket Long-range Launch Support System

1.2 中國發展情況

中國在遠程測試技術已有多年實踐應用，在電力、通信日檢維修已實現工程實施。神舟九號飛船任務期間，通過遠程測試系統，實現了發射場關鍵數據的遠程判讀和發射場工作的遠程支持，有力地保障了首次載人交會對接任務的圓滿成功，也建成了一體化集成測試平臺和發射場遠程測試平臺。運載火箭遠程測試中心于2018年正式投入使用，保障了多次發射任務。

1.3 小 結

縱觀國內外遠程輔助測試技術的發展，均是圍繞著實現遠程數據監測以及依托后方工業部門的強大資源實現數據深度分析這兩個目標進行的建設。遠程輔助測試系統通過打通前后方的信息通路，使得后方設計保障隊伍能夠獲得與前方隊伍等同的信息，在依托遠程數據監測的基礎上，實現數據的統一管理。通過大數據分析，對同一發次、不同階段的數據、同一型號、不同發次的數據、不同型號間的相似數據進行橫縱向比對，實現對故障先兆的深入挖掘。此外，考慮到運載火箭數據有一定的保密性要求，數據及信息傳輸的安全風險也是需要考慮的問題。

2 遠程輔助測試系統的方案設計

2.1 系統功能及組成

CZ-2F運載火箭所使用的遠程輔助測試系統功能示意如圖3所示，主要包括網絡拓撲架構、信息傳輸及管理系統和信息安全系統3部分。

圖3 遠程輔助測試系統功能Fig.3 Remote Auxiliary Test System Function

2.2 網絡拓撲架構設計

網絡拓撲架構主要包括數據傳輸網絡、音視頻傳輸網絡和電話網絡3部分。其中數據傳輸網絡的主要功能為完成前方入網設備與后方遠程測試大廳設備間數據信息的交互；音視頻傳輸網絡的主要功能為完成前后方音視頻信息的交互；電話網絡的主要功能為實現前后方電話通信。

考慮到遠程輔助測試系統需要盡量不改變目前運載火箭前方設備的狀態，因此需要通過配置前方數據管理工作站實現數據的傳輸，前方數據管理工作站通過瀏覽交換機獲取火箭測試網的測試數據，然后通過防火墻發送至后方。用于連接前方需要新增的管理設備和安全類設備等。同時需要做到數據傳輸、音視頻傳輸和電話網絡的分離。網絡拓撲架構如圖4所示。

圖4 整體網絡拓撲圖Fig.4 Overall Network Topology

因此，對于運載火箭前方測試系統，需要新增的硬件設備包括前方加解密機、防火墻、遠程測試網絡交換機、數據管理工作站、安全隔離區、入侵檢測設備、音視頻設備、音視頻交換機、音視頻工作站及電話等。后方采用以多臺服務器集群形成的、具有一定規模的云服務器為主，特定功能的服務器作為補充的實現方式，另外還需要包括后方加密機、交換機、防火墻等。

為方便布置與管理，從設計上減少耦合因素的影響，前方網絡在接入加密機之前，將數據傳輸網絡和音視頻傳輸網絡分離，進入后方網絡后，采用不同的服務器進行數據接收。電話網絡采用專用電話線，獨立于數據傳輸網絡和音視頻傳輸網絡。

2.3 信息傳輸及管理設計

遠程輔助測試系統傳輸信息，主要包括火箭測試過程中產生的數據，以及發射場音視頻及環境參數和會議信息等，為火箭測發過程提供支持。

信息傳輸及管理主要包括數據傳輸軟件和數據管理軟件兩部分。由于專用網絡與民用網絡之間涉及安全隔離區及其他保密要求，前方測試數據無法直接通過即有接口進行傳遞，只允許通過UDP單播形式將前方測試數據傳回北京，因此將數據傳輸軟件部署在前方，將前方實時測試的數據通過網絡傳回后方遠程輔助測試系統。數據管理軟件部署在后方服務器云平臺上，包括服務端與客戶端，軟件同時接收各型號前方測試數據進行實時監測，并提供數據超差告警提示、歷史數據趨勢分析、火箭測試數據判讀等分析服務，能夠實現多型號火箭測試數據的并行監測。

音視頻傳輸目的是實現對于發射場現場的音視頻覆蓋。在高清畫面的支撐下，可以實現綜合展示、故障定位、分析、研討及排故，完成視頻會議與發射場監控的融合。具備在發射場全程任何工位快速采集信息并在發射場會議大廳、后端會議大廳同時召開現場視頻會議的能力，視頻會議的召開同時可以將任何一個現場操作工位和相關數據、視頻、音頻等信息通過快速現場視頻會議部署系統傳遞至后方視頻會議大廳。同時實現前方發射場已有的視頻會議系統與后方會議大廳的視頻會議功能，供后方設計師及專家在后方會議大廳指導、監控現場工位及操作流程。為了后方同步監測前方各項視頻信息，將發射場測試大廳終端桌面信息及各系統桌面信息以及發射場監視信息進行匯總，發送到后端大廳供專家判斷決策使用。為避免音視頻數據處理對火箭測試數據的傳輸造成影響，后方對測試數據和音視頻數據分別進行處理和存儲。

2.4 信息安全系統設計

為了確保信息安全，遠程輔助測試系統采用了3層安全保密設計，分別為加密機實現對數據的加密、入侵檢測設備實現對非法接入的預警、安全隔離區實現對前后方網絡的物理隔離。信息安全系統組成見 圖5。

圖5 信息安全系統組成框圖Fig.5 Block Diagram of Information Security System

前后方加密機采用專用KEY進行身份識別，配套使用，實現對數據的加密和解密。前方在交換機上部署入侵檢測設備，實時監測網絡狀態，入侵檢測設備是一種集成化的終端安全管理平臺，旁路接入前方瀏覽網絡，無需對前方網絡狀態進行更改。入侵檢測設備具有威脅展示、流量統計、日志報表等功能模塊，能夠幫助用戶查看、處理網絡系統受到的威脅，顯示系統各個引擎的流量信息，允許管理員自行配置日志報表并查看等。入侵檢測設備與前方網絡中已經部署的防病毒系統、物理防火墻設備共同支撐起了前方網絡的信息安全屏障，能夠滿足測發網絡防控病毒、控制數據流向、檢測網絡威脅的安全需求。安全隔離區由兩個網閘和中間的服務器組成，網閘通過通斷控制，同一時刻僅允許一個服務器與一個方向的網絡連通，實現前后方網絡的物理隔離。

3 遠程輔助測試系統的應用

目前采用該方案的CZ-2F運載火箭遠程輔助測試系統已經于酒泉發射場初步建設完成，有力地保障了CZ-2F Y12、Y13載人發射任務的圓滿成功。主要實現了以下應用：

a）遠程數據監測。

實時監測火箭各系統測試數據，包括測試項目、測試狀態、測試參數量和測試模擬量及遙測數據等信息。對測試信息進行層次化和結構化顯示，實現對各型號各系統測試信息的直觀判斷。

b）數據實時判讀。

實時根據各參數判據實現參數超差報警提示；根據不同測試階段、不同測試狀態自動設置關鍵參數判據且提供多門限判讀；能夠對各型號各項測試數據進行可視化顯示。

c）信息管理。

對火箭測試發射過程中的各種信息進行集中管理。提供實時測試數據存檔功能；分類保存每一次測試期間的全部測試信息，供測試結束后查詢使用。

d）進程監測功能。

完成型號總檢查、發射測試狀態下，遠程測試系統大屏數據的顯示。具備按照當前測試發射流程自動切換顯示頁面以及監測顯示的內容。

e）原始數據存儲功能。

將初始接收、發送的數據包存儲為二進制源碼。接收到數據后，即刻存儲為二進制格式文件；發出數據后，同樣即刻存儲為二進制格式文件。每次測試后，信息發送方，將發送到同一個信宿的數據，保存一個文件。存盤文件提供給各接收方進行比對。

4 遠程輔助測試系統后續升級建設規劃

在目前實現測試數據回傳及自動判讀的基礎上，CZ-2F運載火箭遠程輔助測試系統后續將按照規劃逐步完成前后方網絡可靠性升級、天地鏡像仿真系統、遠程可視化協調調度系統等，不斷提高遠程輔助測試系統在火箭測發過程中的作用。

前后方網絡可靠性升級主要是通過采用網絡自愈技術、增加前后方冗余網絡交換設備、增加前后方冗余通信鏈路等，實現前后方信息通信的可靠性提升，確保前后方網絡在一度故障下仍能夠正常工作。

天地鏡像仿真系統是一種基于數字孿生的沙盤系統，是建立在數字世界的、可反映物理系統真實性的數字模型，建立在對全箭的機械、電氣和動力等領域系統全面、綜合、真實的描述能力的基礎上，具備對全箭全生命周期的映射能力，能夠利用物理模型、傳感器數據和歷史數據等反映與該模型對應的飛行段箭體的功能、實時狀態及演變趨勢，從而對全箭的飛行段故障預測提供有力的分析決策支持。

遠程可視化協調調度系統通過AR/VR技術，高清音視頻傳輸技術，高延遲補償技術等，實現能夠在任意工位快速部署，實現音頻、視頻、數據采集并實時傳送至會議大廳，動態收集實施問題信息。同時后方的專家能夠通過AR設備實時指導前方人員操作，同時圖紙、文檔等信息也能夠實時同步到前方測試現場。

5 結束語

隨著遠程輔助測試系統的不斷完善，運載火箭全生命周期的生產工作、測試工作、發射工作必將實現遠程協作與異地協同，系統數據全局把控，故障遠程診斷，全面提升研制效率，降低生產成本建設，對運載火箭全生命周期的研制產生重要影響。