一種適用于部段級測試需求的可重構 運載火箭地面測試系統

王淑煒，張素明，劉巧珍，黃 晨，盧 頔

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

中國運載火箭領域目前已形成按照傳統分工（如控制系統、測量系統、動力系統等）各系統分別進行地面測試系統設計的配套模式，進行地面測試系統的設計和實現。如長征二號C地面測試系統采用各系統獨立配置方案，這種模式系統間耦合小，但地面設備復雜，存在大量重復建設的現象，且測試數據分散在各系統的測試設備中，數據綜合應用程度低。而長征五號、長征七號地面測發控系統，采用“功能分布、信息共享、集中管理”的適度集成和必要分布的測試發控系統方案，對測試數據進行了集中管理和利用。可見，從中國運載火箭發展趨勢來看，地面測試系統要不斷適應箭上電氣系統測試需求。國外運載火箭地面測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。國外運載火箭地面測試系統普遍采用自動測試技術，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。同時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。自動化、智能化技術的應用極大地提高了地面測試系統的測試效率。

新一代運載火箭作為中國現役長征系列火箭的更新換代產品，通過模塊化組合方式，實現“三化”設計，具備低成本、高可靠、測試操作方便等優點[1]。隨著運載火箭的設計理念發展，地面測發由分步獨立流程測試向集成自動測試和部段級并行測試轉變。

本文針對新一代運載火箭的地面測試需求，設計了一種適用于分布式部段級測試的地面測試系統方案，實現測控資源統籌管理、協同工作、分散操作、集中管理、過程監控和設備診斷等目的，極大地提高了地面測試系統的自動化水平，可實現火箭近端設備遠程監控，滿足運載火箭在部段級、全箭級地面測試的使用需求。

1 新一代運載火箭對地面測試系統的使用需求

地面測試系統是運載火箭的重要組成部分，用以完成運載火箭的地面測試、射前監測以及發射控制。新一代運載火箭，尤其是面向運載能力更強的新型火箭，具有火箭體量大、部段級分布測試等特點，對地面測試系統提出了如下要求。

1.1 分布式部段級測試需求

新一代運載火箭采用模塊化設計原則，由多個通用部段組合構成不同構型，其部段級在各自的總裝地點進行裝配和測試，在發射場完成整個火箭的總裝和總測。因此，原有的專用型集中式的地面測試設備已無法滿足新一代火箭多測試場地、不同測試工況的部段級測試需求[2]。地面測試系統需具備部段級測試能力、發射場全箭測試能力，以及可以依據測試對象和測試場景快速適配的能力。

1.2 一體化設計原則

原有的地面測試系統對應箭上電氣系統設計架構，依據不同分系統的測試需求配備地面測試設備，存在設備分立、測試資源冗余配置等弊端。新一代運載火箭對箭上電氣系統進行了一體化設計[3]，對地面測控系統而言，地面電氣、動力相關測試發射控制功能也需要開展一體化設計，進行整個地面測控系統的統一規劃、功能整合，以此來縮小地面設備規模，簡化系統構成，達到快速測試、靈活部署等目的[4]。

1.3 快速測試自動流程設計

根據具體測試任務間的耦合度與邏輯約束，將復雜的測試任務分解為多個簡單易處理的相對獨立的子任務，通過地面測試系統統一調度，提高單位時間內設備資源利用率，降低設備閑置與測試等待時間。地面測試系統需提高自身自動化和智能化程度，通過快速測試技術[5]以及并行測試技術[6]的應用，加快測試運行速度，縮短運載火箭地面測試周期。

2 分布式地面測試系統功能構架

針對新一代運載火箭對地面測試系統的使用需求，地面測試系統開展基于功能整合的統一設計，通過統一規劃、功能整合、優化設計，滿足分布式測試需求。在滿足部段級和全箭測試性能指標要求的同時，縮小設備規模，減少現場操作人員，實現自動化測試，縮短發射場測試時間，滿足發射現場無人值守的要求；采用先進的人機交互方式，提高指控人員和操作人員的舒適性、準確性，并降低操作人員的壓力；最終具備實現遠程發控能力，實現遠程指揮、控制和發射。

為適應新一代運載火箭對地面測試系統的技術需求，本文提出一種地面測試系統，其主要特點如下：

a）分布式：改變之前地面測試系統以功能集成化的系統構型模式，將地面測試系統的前端測控功能進行整合統籌，利用通用的分布式測控終端，將功能集中測控模式改為依據測試對象的分布式測控模式，減小系統規模，提高系統設備的通用性和可替換性[7]；

b）一體化：對于測控設備進行一體化設計，將具體的測控功能整合為通用測控設備中的功能模塊，統一測控設備間的接口形式，簡化系統構成模式，測控設備間通過總線或網絡進行數據交互和傳輸，提高系統的適應性和靈活性；

c）智能化：地面測試系統通過測控網絡，將分布式的通用測控設備連接起來，完成具體的測試動作。通用測控設備作為具體測試的末端執行設備，應具備遠程控制、故障自檢測[8]、異常上報以及任務管理等智能化功能，弱化前后端角色關系，滿足新一代電氣系統自動化、智能化的測試需求。

2.1 系統構架

地面測試系統主要由通用測控終端、智能測控中心、地面測試網絡，以及后方的遠程保障支持子系統組成。系統具體構架如圖1所示。

圖1 地面測試系統構架 Fig.1 The Architecture of the Ground Test System

其中通用測控終端由多個分布在不同區域的終端組成，負責完成火箭現場的信號采集、處理和控制功能。多個通用測控終端通過地面測試網絡進行互聯互通，并統一連接到智能測控中心，實現前方的分布式一體化智能測控。

智能測控中心完成現場測試信息的集中管理和應用，負責完成對多個通用測控終端的指揮控制，同時與后方遠程保障支持子系統協同工作，完成遠程排故、 遠程專家支持等功能。

2.2 應用模式

2.2.1 部段獨立測試模式

考慮到部段級并行測試的測試模式（見圖2），前端通用測控終端設備可按照測試對象進行分組配置，后端智能測控中心按照測試地域進行配置。

圖2 部段級并行測試示意 Fig.2 Segment Testing of the New Generation of Rocket

各智能測控中心統一連接到遠程保障支持子系統，部段總裝廠與各設計中心之間具備遠程支持能力，設計人員可在遠程支持中心對總裝廠測試設備進行遠程控制，對測試數據進行實時監測。可將測試數據和試驗現場視頻圖像便捷的導入辦公網，并推送到不同地點的設計場所，使設計人員可實現在工位桌面進行判讀確認。

2.2.2 全箭測試模式

全箭測試模式的基本設計思路是前端通用測控終端采用組合化設計，部段測試時將前端通用測控終端拆分使用，全箭測試時再將前端通用測控終端組合；后端設備架構保持不變，能按照不同測試項目配置軟件，按照測試崗位調整客戶端數量。

總裝廠、發射場與各設計中心之間具備遠程支持能力，設計人員在遠程支持中心對總裝廠測試設備進行遠程控制，對測試數據進行實時監測。

2.3 通用測控終端設計

2.3.1 通用測控終端技術特點

通用測控終端作為地面測試系統的基本構成單位，主要完成前端具體的測試控制功能。通過采用統一的軟硬件架構，通用的設備接口，模塊化的功能設計，可達到快速部署形成分布式測試系統的目的，滿足針對不同測控對象以及測試工況下地面測試系統的通用性和適應性。通用測控終端實現以下目標：

a）通過通用化、小型化、模塊化設計，實現以功能需求為導向的設備組合化構型，滿足針對不同測控對象的測試控制需求，以及現場維修更換的使用要求；

b）綜合應用新型總線技術，滿足模塊級至單機級的級聯擴展要求，簡化設備接口，可以針對不同階段以及不同工況的測試需求進行快速動態重構；

c）利用智能化設計，使測控設備具備模塊級的智能管理調度以及多層次的自測自檢功能，達到單機設備免測試使用以及長時無人值守的使用目標。

2.3.2 終端組成及基本功能

通用測控終端內部構架如圖3所示，每個終端設備均由主控模塊、電源模塊、采集模塊以及開關量輸出模塊等功能模塊構成。終端內部采用業務總線（CAN總線）與健康管理總線（RS485總線）雙總線進行模塊間的信息交互，滿足設備內業務通信以及健康管理通信的需求；每種總線均采用雙通道冗余的方式，來提高設備通信的可靠性。基于以上的設計構架，通用測控終端除主控及電源模塊外，可實現動態插拔以及功能重構，以功能需求為導向實現不同測試場合的設備靈活化構型和擴展。

圖3 通用測控終端內部構架 Fig.3 The Architecture of the General Controlling Terminal

通用測控終端具備的主要功能如下：

a）完成信息綜合處理（各模塊數據的采集、處理匯總）、控制邏輯判斷（被控對象的時序邏輯實現）以及通信調度功能；

b）單機具備智能化自主運行能力，可以進行加電后狀態自檢測、故障自診斷及隔離、參數及功能遠程配置等，支持模塊及設備狀態的動態重構；

c）電源管理功能：滿足測控終端內部各功能模塊的供電需求，可根據負載的不同而進行增減，具有電源自保護以及冗余備份功能；

d）功能模塊：通過統一的底板接口，與主控模塊進行信息交互，完成模擬量采集、開關量輸入、輸出、模擬量輸出等控制功能，以及測試數據上報；

e）功能模塊可依據實際使用需求進行動態重構，測控設備單機間可通過通用接口進行級聯擴展。

2.3.3 智能動態管理

通用測控終端采用統一架構，即通用機內總線+功能模塊實現測控資源的統籌調度，硬件接口簡潔，方便系統維修更換以及擴展使用。機內采用雙總線分布式的拓撲架構，使用獨立的總線分別完成機內業務數據交互以及健康管理數據交互，通過使用不同的物理通道，提高設備的工作可靠性。業務總線完成機內功能板卡和主控板卡間的控制指令以及測試數據交互；健康管理總線完成機內功能板卡健康信息的上報，實現主控對于板卡的工作狀態管理，以及測控設備主從冗余切換功能。雙總線架構不僅滿足了集成類測控設備多種功能板卡的統一調度和管理，同時具備總線上任意功能板卡節點的動態重組的能力，滿足了集成化測控設備針對不同運載火箭在綜合試驗、出廠測試、部段級測試以及地面測發各階段下的功能重組要求。

2.3.4 嵌入式軟件設計

通用測控終端采用嵌入式軟件通過機內總線調度設備內功能板卡協同完成測控動作。通用測控終端的每個獨立的功能模塊均具備健康監測功能，對模塊自身的工作狀態進行實時監測，并通過健康管理總線將信息上報。通用測控終端可依據各模塊的健康監測情況，進行模塊的綜合調度，實現冗余控制、故障切換以及主從熱備冗余等功能。

嵌入式軟件可輔助測控終端完成智能化控制[9]，主從冗余切換，以及遠程指令控制。嵌入式設備工作模式簡單，加電自主運行，可滿足運載火箭地面測試前端長時無人值守的使用要求。

2.3.5 典型使用模式

通用測控終端依據具體的測試控制資源需求，配備具體的功能模塊，如模擬量采集模塊、開關量輸入模塊等。每個終端均采用同一結構構架，若單個終端內功能模塊不能滿足測控需求，可對通用測控終端進行級聯，拓展測試資源。

通用測控終端依據被測對象的測試需求進行分布，終端間通過地面測控網絡與后端智能測控中心進行連接。通過智能測控中心的指揮控制軟件的指揮控制，通用測控終端依據指令執行具體的測控動作，終端間協同配合，完成獨立測試或并行測試。

2.4 智能測控中心設計

2.4.1 使用需求

根據新一代火箭測試任務的多樣性和復雜性，智能測控中心的建設應滿足以下需求：

a）測發流程控制：能夠實現對各測控終端設備控制、過程控制、狀態測量等功能；

b）信息應用功能：能夠滿足各項測試業務、各類數據的高效存儲和管理，能夠按照數據的特征進行自動生命周期管理，具備良好的容災能力，保障數據的安全性。

2.4.2 智能測控中心功能構成

后端智能測控中心信息應用功能硬件主要為商用服務器、瘦客戶機和移動終端，此部分功能設計在現有成熟功能構成的基礎上，進行集成優化設計。

測發控系統后端信息應用功能軟件與后端指揮控制與數據處理功能相對應。測發控系統后端信息應用功能集成設計是將傳統模式下控制系統發控臺、測量系統后端綜合控制臺、動力系統指揮控制臺、各系統數據庫服務器、各系統虛擬顯示計算機以及總控網的指控計算機整合為一體，稱為智能測控中心。智能測控中心主要由“操作終端＋多個監測終端＋服務器組合”及其軟件構成。

2.4.3 指揮控制功能軟件一體化設計

地面測試系統的指揮控制功能軟件對傳統地面測試、測量、動力、發射支持系統的控制與測試進行統一管理，整合部段測試、整箭測試、網絡拓撲配置、多系統信息規劃及數據分析管理等功能，完成地面測試的功能調度。指揮控制軟件架構采用開放的架構體系和接口，便于未來進行差異化需求定制與擴展。

2.5 遠程保障支持子系統

遠程保障支持子系統可以實現測試現場與設計中心的信息連通，滿足測試數據在不同測試現場之間的數據交互需求。在火箭正常測試過程中，實現遠程設計中心對測試數據的智能監測、判讀、故障診斷，以及多測試場地的大數據應用和趨勢分析；在火箭排故過程中，為前后端專家提供溝通交流的音視頻通路，以及數據分析（包括本次及歷史測試數據）、技術資料（設計文件、應急預案、履歷信息、故障案例等）等支撐。

3 測試與驗證

針對上述地面測試系統的設計方案，針對適應分布式部段級測試需求的關鍵功能進行原型系統搭建以及測試驗證。主要針對通用測控終端的級聯重構，以及一體化指揮控制功能軟件的部段級并行測試功能進行驗證。

3.1 通用測控終端級聯重構

地面測試系統的具體測控功能通過前端通用測控終端實現，同時通用測控終端也是實現分布式部段測試的重要組成部分。通用測控終端通過模塊化、智能化設計，具備級聯拓展以及動態重構功能，其重構功能的實現是整個地面測試系統功能實現的關鍵。通過 2臺通用測控終端，對終端級的級聯重構功能進行了測試驗證如圖4所示。

圖4 通用測控終端級聯重構測試 Fig.4 The Prototype System of Reconfiguration Testing

多設備級時，其中1臺作為主控，其他作為擴展設備（沒有主控模塊），通過機內總線節點進行級聯。在邏輯上，擴展設備內的模塊和主控設備內部的模塊沒有區別，可直接通過上位機調度2個設備進行具體的功能測試。

該功能的實現，為地面測試系統滿足部段級、全箭級地面功能測試奠定了基礎。通過測試驗證，通用測控終端可通過通用接口快速完成獨立測試以及級聯拓展，可滿足快速部署，靈活適配不同測試需求要求。

3.2 部段級并行測試

依據新一代火箭部段級測試的功能需求，按照上述系統方案設計，搭建了地面測試系統原型系統。針對不同的測試需求，可通過測發指揮控制軟件對測控流程進行快速配置和調整，同時可進行2個測試項目的并行測試。

該功能的實現，驗證了地面測控流程的通用模塊配置方案的可行性，為后續快速進行測試流程調度，以及多系統部段級并行測試的最終實現進行了有益的嘗試。

4 結束語

運載火箭地面測試系統已經由分步獨立流程測試向集成自動測試和部段級并行測試轉變。其設計原則和功能需求也向著通用化、智能化不斷發展。本文針對新一代運載火箭的地面測試需求，設計了一種分布式地面測試系統，通過靈活可重構的通用測試終端，可以通過相同的單元架構滿足運載火箭不同測試工況的使用需求。原理驗證試驗不僅驗證了前端測試資源可擴展重構，也驗證了后端測控流程的快速配置以及并行自動測試能力。分布式、智能化的通用測控終端提高了前端測試設備的智能化、可靠性水平，后端智能測控中心和遠程支持系統方案，拓展了測控系統的異地并行測試能力，為新一代運載火箭減員增效以及無人值守奠定了基礎，也為部段級測試提供了一種可行的方案。