解維奇， 李朝鳳， 姚靜波(. 裝備學院 航天裝備系, 北京 046； . 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 046)

先進上面級火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)一體化設計與實現(xiàn)

解維奇1， 李朝鳳2， 姚靜波1
(1. 裝備學院 航天裝備系, 北京 101416； 2. 裝備學院 研究生管理大隊, 北京 101416)

針對新一代運載火箭先進上面級對測發(fā)控系統(tǒng)一體化的需求，從地面測發(fā)控系統(tǒng)的系統(tǒng)功能、結構及信息處理3個方面對先進上面級測發(fā)控系統(tǒng)的體系結構和軟件結構進行了一體化設計；詳細闡述了系統(tǒng)組成，并對設計方案中的可靠性、實時性和多通道采集等關鍵問題進行了詳細的分析與解決。實際應用表明：系統(tǒng)具有較高的有效性和可靠性，可滿足先進上面級對新一代運載火箭地面測試發(fā)控設備的需求。

先進上面級；測發(fā)控系統(tǒng)；一體化設計；可靠性

先進上面級(Advanced Upper Stage，AUS)是指具有獨立于運載火箭與有效載荷的導航、制導與控制系統(tǒng)的上面級火箭，具有任務通用性強、推力大、在軌飛行時間長、可多次啟動等特點，具備多星發(fā)射和軌道機動、軌道部署的能力[1-7]。冷戰(zhàn)期間，美蘇兩國都研制了先進上面級，如Fregat、Block DM和Breeze系列上面級。目前，我國正在研制的先進上面級主要立足于新一代運載火箭，將具備多次啟動、二次變軌和7～10 d甚至更長時間的在軌工作能力[8]。通過先進上面級與新一代運載火箭相結合，將進一步縮短我國與先進航天大國之間的技術差距，滿足我國日益緊迫的中低軌道衛(wèi)星群、深空探測、空間開發(fā)和其他有特殊要求的多星發(fā)射及軌道部署等發(fā)射需求。

新一代運載火箭先進上面級系統(tǒng)組成復雜、技術要求高、使用條件嚴、控制狀態(tài)多，對測發(fā)控系統(tǒng)的可靠性、先進性和時效性提出了更高的要求，目前以VXI總線為基礎的測試系統(tǒng)已不能滿足新體制對地面測試系統(tǒng)的要求。因此，采用新的測試技術和儀器，設計一種功能集中、結構緊湊、信息集成的一體化測發(fā)控系統(tǒng)，為新一代運載火箭先進上面級任務的順利執(zhí)行提供保障具有重要意義。

1 先進上面級地面測發(fā)控系統(tǒng)一體化設計動因分析

圖1 先進上面級電氣系統(tǒng)總體框架

為了實現(xiàn)航天發(fā)射場的信息化建設，我國提出了“發(fā)展數(shù)字航天”的目標，其中天地信息網絡一體化是“數(shù)字航天”的重要內容[9]。對于測發(fā)控系統(tǒng)而言，其主要內容就是實現(xiàn)箭地測發(fā)控系統(tǒng)功能、結構及信息處理的一體化。

目前先進上面級采用1553B作為數(shù)據交換總線，實現(xiàn)了先進上面級電氣系統(tǒng)的一體化設計，使電氣系統(tǒng)方案具有良好的通用性、獨立性和適應性。先進上面級電氣系統(tǒng)的總體框架,如圖1所示。

1553B總線在大大簡化箭上設備接口與箭地接口、提高電氣系統(tǒng)可靠性、降低研制成本的同時，對地面測發(fā)控系統(tǒng)的測試流程、測試設備和測試信息管理模式帶來一定的影響，尤其是箭地接口的減少，在客觀上限制了地面測發(fā)控功能[10]。在箭上實現(xiàn)了信息一體化之后，如何實現(xiàn)地面測發(fā)控系統(tǒng)的一體化，進而實現(xiàn)箭地信息一體化，成為先進上面級急需解決的難題。

新一代運載火箭先進上面級作為未來一種重要的軌道轉移運輸飛行器[11]，在未來的軍事斗爭準備中，快速發(fā)射成為其必然要求。這就要求測發(fā)控系統(tǒng)由最基本的供配電控制向集控制、測試、分析、通信、故障定位及診斷于一體的綜合系統(tǒng)轉變，減少信息交換流程，優(yōu)化測試流程，提高快速任務的支持能力。

目前我國測發(fā)控系統(tǒng)各自為戰(zhàn)，各系統(tǒng)測試數(shù)據分散，現(xiàn)場指揮員難以全面了解各系統(tǒng)測試狀態(tài)，對故障情況難以進行快速處理；指揮自動化程度低、發(fā)射效率低下，導致測試周期長[12]；獲取的數(shù)據量小，測試診斷信息利用率低，不具有國內知識產權，無法滿足先進上面級對測發(fā)控系統(tǒng)的一體化需求。根據航天發(fā)射場信息化要求和先進上面級的任務特點，通過一體化設計，提高接口的標準化，統(tǒng)一各系統(tǒng)的設計原則和方法，簡化系統(tǒng)間的匹配設計，簡化使用和技術狀態(tài)控制，從而提高發(fā)射可靠性和發(fā)射效率。

2 一體化方案設計

針對先進上面級測發(fā)控系統(tǒng)一體化設計急需，可從以下3個方面實現(xiàn)地面測發(fā)控系統(tǒng)的一體化設計：

1) 功能集中。集發(fā)射控制、測試、分析、通信、故障定位及診斷于一體，實現(xiàn)從測試任務管理到發(fā)射控制、激勵信號源輸出、關鍵設備參數(shù)自動采集、采集數(shù)據顯示、存儲和分析的一體化/自動化，從而在提高測試效率的同時解決各系統(tǒng)數(shù)據分散、指揮自動化程度低的問題。

2) 結構緊湊。將隔離調理板卡、各類信號采集卡、接插件等硬件進行模塊化、標準化設計，實現(xiàn)系統(tǒng)小型化，以便于功能模塊的替換和功能拓展，提高整個系統(tǒng)的可靠性和可維修性。

3) 信息集成。實現(xiàn)試驗數(shù)據存儲、共享、判讀、查詢、融合、分析等功能融為一體，為實現(xiàn)試驗數(shù)據的快速判讀和趨勢分析提供條件，提高試驗數(shù)據利用率。

2.1 系統(tǒng)體系結構

在對新一代運載火箭先進上面級測發(fā)控系統(tǒng)一體化需求分析的基礎上，根據“一體化”設計思想，構建一種集隔離調理、實時監(jiān)測、發(fā)射控制、測試任務管理、遠程服務、數(shù)據分析(數(shù)據共享、數(shù)據融合、故障診斷等)功能于一體的遠程自動化測試方案。系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 總體設計方案(單套)

系統(tǒng)由前端設備和后端設備組成，前端設備包括隔離調理機箱、采集板卡、發(fā)控板卡、激勵源板卡、1553B/PCI轉換接口、發(fā)控臺和前端計算機，主要完成隔離調理、數(shù)據采集、發(fā)射控制、實時監(jiān)測和遠程服務功能。后端設備由筆錄計算機和主控計算機組成，主要完成數(shù)據分析和測試任務的管理功能。各部分功能說明如下：

1) 隔離調理。對每路輸入信號進行隔離、調理，使各種幅度的輸入信號經隔離調理后滿足采集卡的信號輸入要求。

2) 發(fā)射控制。為箭上提供激勵源和完成配電控制功能。根據測試程序對信號激勵和配電內容的不同，在測試主程序中自動完成發(fā)控功能，從而大大提高系統(tǒng)測試的自動化程度。

3) 數(shù)據采集。對經過隔離調理后的各類信號進行實時采集，包括電壓量和時序開關信號，如各種電源信號、負載輸出信號、時序開關信號等。

4) 實時監(jiān)測。對采集的信號通過閾值判斷等方法進行實時判讀，分析各功能部件是否正常，并通過實時顯示或聲音等形式輸出故障監(jiān)測報警信息。

5) 遠程服務。通過提供指令通道和數(shù)據通道服務，實現(xiàn)測試的遠程控制、采集數(shù)據的遠程傳輸和分布式存儲，達到前端無人值守，后端顯示控制的目的。

6) 測試任務管理。根據單元測試、分系統(tǒng)測試、總檢查測試等不同階段的測試任務，對各項測試任務的測試流程進行編輯、修改等，系統(tǒng)主程序對測試流程進行自動調用，從而實現(xiàn)任務的自動化測試。

7) 數(shù)據分析功能。主要包括測試數(shù)據的共享和分析功能，其中，數(shù)據共享通過1553B總線實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間數(shù)據的共享；分析功能主要是在測試完成后，根據測試中發(fā)現(xiàn)的問題，對測試數(shù)據進行分析。此外，可通過將1553B監(jiān)測的數(shù)據流和控制流與采集系統(tǒng)記錄的數(shù)據流和控制流進行數(shù)據融合，實現(xiàn)快速故障診斷。

該一體化方案可充分利用計算機性能實現(xiàn)以上功能，進一步提高測試的自動化程度和測試效率，優(yōu)化測試流程，為新一代運載火箭的先進上面級快速測試發(fā)射提供支持，系統(tǒng)運行流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)運行流程

2.2 軟件結構設計

為了提高測試軟件的通用性和可移植性，采用基于組件的軟件開發(fā)(Component Based Software Development，CBSD)方法對測試軟件進行設計。針對先進上面級測試特點，基于CBSD的軟件體系結構如圖4所示。其中，測量功能組件(包)和面向信號儀器驅動組件是實現(xiàn)數(shù)據采集的關鍵組件。測量功能組件(包)主要包括交、直流電壓測量組件，交、直流電流測量組件，時序信號測量組件，觸點信號測量組件、脈沖信號測量組件等；面向信號儀器驅動組件是測試過程中實現(xiàn)操作儀器功能的組件，如數(shù)字萬用表組件、恒流源組件、AD掃描組件、1553B驅動組件等。通過測試軟件組件化設計，可以實現(xiàn)軟件的重用，根據不同的任務需求進行軟件的快速開發(fā)，具有可靠性高、開放性強、可擴充等優(yōu)點。

圖4 基于組件的一體化測試系統(tǒng)軟件結構

3 關鍵技術分析

為滿足新一代運載火箭先進上面級任務通用性強、在軌運行時間長、可靠性要求高等特點，地面測發(fā)控系統(tǒng)一體化設計需要攻克高可靠性、強實時性、多路數(shù)據信號采集等關鍵技術。

3.1 可靠性設計

先進上面級地面測試系統(tǒng)作為航天配套設備，對可靠性有嚴格的要求。系統(tǒng)在測試時需要長時間運行，使用環(huán)境條件惡劣，對設備的可靠性提出了更高的要求。按照發(fā)射準備時間5 h，在置信度為0.7的條件下，先進上面級對本系統(tǒng)的可靠性要求為0.999 3，即平均無故障時間要達到7 140.4 h，同時要求設備在允許更換部分器件的情況下壽命達到10年，如此高的可靠性給設備的研制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

為滿足系統(tǒng)的高可靠性要求，在熱設計、降額設計、冗余設計、抗干擾設計等方面均考慮了航天地面設備總要求。同時根據GJB/Z 35—93《元器件降額準則》要求對所有元器件進行了I級降額設計[13]。對各個元器件、單元電路、功能模塊進行了充分的測試，通過應力分析法對各功能模塊級的可靠性預計如表1所示。

表1 系統(tǒng)功能模塊可靠性列表

在該系統(tǒng)中，當組成系統(tǒng)的任意一個功能模塊發(fā)生故障，即定義為系統(tǒng)故障，因此，系統(tǒng)的可靠性模型為串聯(lián)結構模型，其可靠性框圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)可靠性結構框圖

根據前文的計算和系統(tǒng)的可靠性框圖可知:系統(tǒng)的工作失效率為所用功能模塊工作失效率之和，即系統(tǒng)的工作失效率為

λp=14.925 37+0.094 34+23.672 04×2+

5.555 6+25.893 32+4.430 26+5.000 00+

1.666 67+1.250 00+20.408 16=

126.567 76 (10-6/h)

平均無故障時間為

=7 900.906 20 (h)

滿足系統(tǒng)可靠性要求。此外，采用雙機冗余模式，將進一步提高全系統(tǒng)的可靠性。

在軟件可靠性方面主要采用組件化設計，利用成熟的組件保證系統(tǒng)的可靠性。在非組件軟件部分則采用模塊化設計思想，將軟件錯誤局限在各個模塊內部，避免錯誤蔓延，同時采用避錯設計、查錯設計和容錯設計減少錯誤，提高軟件的可靠性。為保證系統(tǒng)之間通信的可靠性，采用握手協(xié)議+CRC(Cyclic Redundancy Check)校驗模式，保證數(shù)據和指令可靠傳輸。此外，運用軟件工程化思想，對軟件開發(fā)過程進行可靠性管理，確保整個軟件開發(fā)過程的完整性和可靠性。

3.2 實時性問題

目前測試軟件的圖形界面主要利用系統(tǒng)自帶的繪圖函數(shù)，通過改變底色和文字顏色來指示按鈕或開關的動作。這種方法雖然能夠表現(xiàn)試驗狀態(tài)特征，但刷新時間較長，影響快速測試的實時性，無法動態(tài)顯示快速測試數(shù)據的變化情況。雖然一些測試軟件做過提高刷新速度的嘗試，但由于在繪制界面的過程中，刷新步驟采用系統(tǒng)默認方式，刷新次數(shù)頻繁，屏幕出現(xiàn)閃爍，CPU時間占用率高(平均達到40%左右)，與數(shù)據采集線程在時間分配上相沖突，容易造成數(shù)據的丟失。此外，這種繪圖的效率較低，一組30～50個指示按鈕刷新時間大于40 ms，易導致程序崩潰。

為適應快速測試過程對測試軟件顯示刷新速度的高要求，降低顯示過程對數(shù)據采集主線程的影響，保證數(shù)據采集的連續(xù)性，提出了一種基于內存映射的多狀態(tài)位圖快速顯示處理方法。通過在初始化時，將指示燈各種狀態(tài)下的顯示圖形一次生成于內存中，包括原始資源位圖的載入、輸出設備關聯(lián)、文字顯示、尺寸調整等工作，在后續(xù)的狀態(tài)刷新時只需將對應狀態(tài)的顯示圖形直接映射到屏幕顯示即可。該方法運用多通道數(shù)據采集與刷新、數(shù)據緩存和多線程技術，實現(xiàn)了多視圖快速切換顯示，提高了數(shù)據回放、定位的速度。

經測試，采集模擬信號96路(采樣頻率均為1 kHz)，時序開關信號128路，并進行存儲、顯示傳輸、實時判讀等各種處理，軟件對CPU占用率平均在5%左右，最高不超過10%，一組30～50個指示按鈕的刷新時間小于10 ms。

3.3 多通道(>128路)數(shù)字信號采集

為判斷箭上各設備的工作狀況，在地面測試時需要對大量的時序時串信號、開關信號等數(shù)字信號進行采集，通常達到幾百路，先進上面級對時序信號測試要求就達到512路，而目前航天測試對多通道數(shù)字信號采集技術仍存在一定的不足，主要表現(xiàn)在：(1) 時間統(tǒng)一性差，可擴展性不強?，F(xiàn)有技術只能實現(xiàn)128通道的數(shù)字信號采集，當測試通道數(shù)超過128路時，測試系統(tǒng)需要安裝多個128通道的數(shù)字I/O卡進行采集。由于各采集卡晶體振蕩器的系統(tǒng)誤差各有不同，導致各板卡的采集時間難以實現(xiàn)同步，數(shù)字信號時間基準將會發(fā)生較大偏差。(2) 智能化程度低?，F(xiàn)有技術在多通道數(shù)據采集時，各板卡按照自身的時間基準進行數(shù)據采集，上位機需要對各板卡的總線占用時間進行協(xié)調，對測試數(shù)據進行重組和各通道測試時間重新計算，在測試系統(tǒng)對測試時間精度和采集速度要求較高的條件下很難達到測試要求，同時對CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)總線資源占用時間長，對上位機應用軟件要求高。(3) 應用范圍受限。現(xiàn)有技術中，各輸入之間沒有實現(xiàn)完全的電氣隔離，輸入信號均使用相同的公共端，嚴重限制了其使用范圍。

針對當前多通道數(shù)字信號采集存在的問題和地面測發(fā)控系統(tǒng)急需，本系統(tǒng)設計了一種智能式多路數(shù)字信號隔離調理采集方法，通過采用一個綜合管理模塊帶多個信號隔離調理模塊的“一帶多”設計方法，實現(xiàn)了對多達1 024路數(shù)字信號的高精度采集，總體設計方案如圖6所示。其中，隔離調理模塊主要包括128路隔離調理電路、板卡選擇電路和相應接口，實現(xiàn)輸入信號與測試系統(tǒng)的電氣隔離和電壓匹配，并根據綜合管理模塊輸出的板選信號按順序向其發(fā)送本模塊采集到的128路數(shù)字信號；綜合管理模塊主要包括總線管理電路、FPGA(Field-Programmable Gate Array)及其外圍電路和電源電路，實現(xiàn)對信號隔離調理模塊的控制管理，采集信號的濾波、智能分析和按要求輸出。

由于本系統(tǒng)所有測試數(shù)據只通過綜合管理模塊向系統(tǒng)上傳，所有通道的測試數(shù)據均由綜合管理部分的高精度晶振進行時間統(tǒng)一，因此，在對多達1 024通道的數(shù)字信號進行采集時具有很高的時間精度(5×10-9)和時間統(tǒng)一性；在進行系統(tǒng)擴展時，只需在調理機箱中增加調理板卡即可，不會占用更多的CPCI插槽，在提高測試系統(tǒng)可擴展性的同時極大地節(jié)約了系統(tǒng)資源。同時，通過對各輸入端口進行完全隔離，將邏輯高電平設計為14～40 V，邏輯低電壓設計為0～3 V，進一步提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，可以更廣泛地應用于各種類型的數(shù)字信號采集測試系統(tǒng)中,從而擴大其應用范圍。

圖6 多通道數(shù)字信號采集總體方案

4 結 束 語

通過分析新一代運載火箭先進上面級對地面測發(fā)控設備的需求，設計了一種集隔離調理、實時監(jiān)測、發(fā)射控制、測試任務管理、遠程服務、數(shù)據分析于一體的測發(fā)控系統(tǒng)。針對設計方案中的可靠性問題、實時性問題和變頻率采樣問題進行了詳細的說明，并給出了解決方案。根據該一體化方案，結合工程實際研制了實用系統(tǒng)，并成功應用于中國航天科技集團運載火箭技術研究院的先進上面級分系統(tǒng)測試和綜合測試中。2016年11月3日，在CZ-5運載火箭和遠征2號上面級火箭的首飛過程中，尤其是在面臨發(fā)射多次推遲的情況下，系統(tǒng)經受住了考驗，有力保障了上面級火箭任務的順利實施。實際應用證明:該系統(tǒng)在一體化、通用化、小型化、自動化和高可靠性等方面具有優(yōu)越的性能，滿足先進上面級對新一代運載火箭地面測試發(fā)控設備的需求，具有強大的數(shù)據分析功能，并且具有國內自主知識產權，對新一代運載火箭先進上面級任務的成功執(zhí)行提供強有力的保障。

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(編輯：李江濤)

Integrated Design and Implementation of the Ground Test, Launch and Control System for Advanced Upper Stage Launch Vehicle

XIE Weiqi1， LI Chaofeng2， YAO Jingbo1

(1. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China； 2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

To meet the requirements of the advanced upper stage launch vehicle on the integrated test, launch and control system, from the three respects of system function, structure and information treatment of the ground test, launch and control system, the paper conducts the integrated design for the system structure and software structure of advanced upper stage test, launch and control system. Then, the paper elaborates on the system composition and provides a detailed analysis of and solution to the key problems of the design plan like reliability, timeliness and multi-channel collection. The practical application of the system shows that it has high effectiveness and reliability, and can meet the requirements of the advanced upper stage on the new generation of ground test, lunch and control devices of the carrier rocket.

advanced upper stage; test and control system; integrated design; reliability

2016-10-18

部委級資助項目

解維奇(1987—)，男，講師，博士，主要研究方向為航天測試。xieweiqi480@163.com