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(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

新一代運(yùn)載火箭一體化供電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076；2.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京100041)

新一代運(yùn)載火箭測(cè)量系統(tǒng)承擔(dān)獲取射前和飛行過程中遙外測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)施火箭飛行安控的重要任務(wù)，在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)不僅要對(duì)火箭關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行長時(shí)間的不間斷監(jiān)測(cè)，還要對(duì)測(cè)量系統(tǒng)地面測(cè)控設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)加注階段前端“無人值守”；對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)人員保障及人員對(duì)設(shè)備的操控提出了很高要求；為此，文章提出了一體化供電測(cè)控系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)組成及技術(shù)革新，采用定制與運(yùn)行自動(dòng)測(cè)控流程，實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和精確性，提高了測(cè)試效率，通過故障監(jiān)測(cè)和應(yīng)用切換實(shí)現(xiàn)同步跟蹤和無縫切換設(shè)計(jì)，融合了以太網(wǎng)技術(shù)、1553B總線技術(shù)、光纖技術(shù)等多標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合架構(gòu)通信技術(shù)的一體化測(cè)控系統(tǒng)經(jīng)過了新一代運(yùn)載火箭首飛考核，得到了充分的試驗(yàn)驗(yàn)證。

新一代；自動(dòng)流程；一體化；供電測(cè)控

0 前言

新一代運(yùn)載火箭在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)要對(duì)射前加注和緊急關(guān)機(jī)時(shí)多路關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集和監(jiān)測(cè)，要求測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間的不間斷加電測(cè)試。同時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試人員還要對(duì)多臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)供電測(cè)控設(shè)備進(jìn)行控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，保證地面測(cè)試設(shè)備工作正常，且實(shí)現(xiàn)液氫加注后前端“無人值守”，對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)備及人員保障提出了很高要求。因此有必要開發(fā)一套自動(dòng)化測(cè)試流程，由自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)控設(shè)備狀態(tài)并響應(yīng)指揮命令，控制操作。

為解決上述問題，測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種地面一體化測(cè)控方案，該方案中，測(cè)量系統(tǒng)綜合控制臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)和控制電路對(duì)前后端各地面測(cè)試設(shè)備進(jìn)行控制和設(shè)備狀態(tài)采集、監(jiān)測(cè)，不僅大大節(jié)約了人力成本，還實(shí)現(xiàn)了總體對(duì)液氫加注后前端“無人值守”的要求；同時(shí)，通過對(duì)測(cè)試過程中各項(xiàng)操作進(jìn)行流程化處理，由綜合控制臺(tái)響應(yīng)總控系統(tǒng)指揮口令并執(zhí)行相應(yīng)操作，完全實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)射前自動(dòng)化測(cè)試，提高了測(cè)試效率和精確性，降低了測(cè)試人員發(fā)生誤操作的可能性。

1 一體化供電測(cè)控系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 硬件組成

一體化供電測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)架見圖1。系統(tǒng)可分為箭上和地面兩部分，箭地間通過脫拔將總線電纜、傳輸電纜、控制及供電電纜進(jìn)行連接。箭上設(shè)備分為一級(jí)和二級(jí)測(cè)試設(shè)備，分別由各級(jí)配電器完成箭上供電測(cè)控功能，為各級(jí)箭上設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一或分路供電；地面設(shè)備分為前端設(shè)備和后端設(shè)備，前端主要由配電控制組合、PXI自動(dòng)測(cè)控組合、地面電源等設(shè)備協(xié)同完成地面分路或統(tǒng)一供電控制和箭地參數(shù)采集功能，后端主要由測(cè)量系統(tǒng)綜合控制臺(tái)完成指令的下發(fā)和箭地參數(shù)的監(jiān)控，前后端之間有兩個(gè)連接通道進(jìn)行交互，手動(dòng)控制信號(hào)通過光傳輸設(shè)備和光纖直連，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過總控網(wǎng)連接[1]。

圖1 供電測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

硬件設(shè)計(jì)中，前后端設(shè)備均設(shè)計(jì)為設(shè)備級(jí)或板卡級(jí)熱備冗余方式，網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備通過雙網(wǎng)卡綁定方式接入網(wǎng)絡(luò)，1553B總線以AB總線模式連接，光傳輸設(shè)備通過a、b光鏈路互連，單臺(tái)設(shè)備或單片板卡故障將不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，極大提高了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 軟件組成

一體化供電測(cè)控系統(tǒng)軟件主要由后端綜合測(cè)控軟件和供配電前置測(cè)控軟件組成。

為滿足遠(yuǎn)距離測(cè)控一體化設(shè)計(jì)的要求，在后端綜合測(cè)控計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的綜合測(cè)控軟件作為系統(tǒng)集中控制核心，通過網(wǎng)絡(luò)(包括本地局域網(wǎng)和光纖遠(yuǎn)程網(wǎng))實(shí)現(xiàn)對(duì)各測(cè)控設(shè)備的監(jiān)控。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了通用、高可靠、可擴(kuò)展通信協(xié)議，約定與各測(cè)控設(shè)備間的數(shù)據(jù)、指令通信接口。根據(jù)通信協(xié)議約定，完成與各個(gè)測(cè)控設(shè)備間的通信數(shù)據(jù)交互，通信內(nèi)容包括指令發(fā)送、指令確認(rèn)數(shù)據(jù)接收、測(cè)試數(shù)據(jù)接收、測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)總體網(wǎng)、接收總體網(wǎng)數(shù)據(jù)、總體網(wǎng)指令接收、總體網(wǎng)回令發(fā)送等。

供配電前置測(cè)控軟件是PXI自動(dòng)測(cè)控組合的中心控制軟件，完成PXI各模件的配置管理、供電測(cè)控、數(shù)據(jù)處理、故障檢測(cè)、故障判斷、冗余切換和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。供配電前置測(cè)控軟件通過TCP連接(監(jiān)聽端)接收綜合測(cè)控軟件發(fā)送的控制指令，能夠同時(shí)接收不少于2個(gè)TCP端口向其發(fā)送的指令，緩存后串行執(zhí)行；軟件通過1553B模塊發(fā)送供電控制指令，同時(shí)接收總線遠(yuǎn)程終端傳來的測(cè)試數(shù)據(jù)信息，編碼后通過網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)回給綜合測(cè)控軟件。

2 一體化測(cè)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)測(cè)控流程的定制與運(yùn)行

測(cè)試過程中，為實(shí)現(xiàn)指令執(zhí)行的實(shí)時(shí)性和精確性，提高測(cè)試效率，對(duì)不同測(cè)試階段的各項(xiàng)指令操作進(jìn)行流程化處理，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試流程自動(dòng)化。由綜合控制臺(tái)加載所選測(cè)試流程，確認(rèn)相應(yīng)流程步驟，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試階段及射前自動(dòng)化測(cè)試。

根據(jù)系統(tǒng)在不同測(cè)試階段對(duì)測(cè)控流程的條件、狀態(tài)和步驟的不同需求，綜合測(cè)控軟件設(shè)計(jì)遙測(cè)指令動(dòng)作、總體網(wǎng)指令動(dòng)作、提示詢問動(dòng)作、條件等待動(dòng)作、等待動(dòng)作、總體網(wǎng)指令等待動(dòng)作等6類測(cè)試動(dòng)作，作為形成測(cè)試流程的基本元素，進(jìn)而支持各類試驗(yàn)流程文件的定制。軟件實(shí)現(xiàn)流程文件的加載和自動(dòng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程測(cè)試。自動(dòng)化測(cè)試流程如圖2所示。

圖2 流程自動(dòng)執(zhí)行流程圖

軟件編程實(shí)現(xiàn)方法如下：

While(ilt;n) do

SendCommand(i)

If ReplyCommand(i)=True

Then ilt;-i+1

Else

If SendCommandAgain=True

Then ilt;-i

Else

If SendNextCommand=True

Then ilt;-i+1

Else

ilt;-n

EndIf

EndIf

EndIf

End

在自動(dòng)化測(cè)試流程中，軟件加載流程后加載下一動(dòng)作為當(dāng)前流程動(dòng)作，加載成功后執(zhí)行當(dāng)前動(dòng)作，當(dāng)前動(dòng)作執(zhí)行后，動(dòng)作指令通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應(yīng)測(cè)試設(shè)備，測(cè)試設(shè)備執(zhí)行動(dòng)作并發(fā)送回令給綜合測(cè)控軟件，軟件接收指令執(zhí)行設(shè)備發(fā)送的回令并判斷指令執(zhí)行是否成功：1)若執(zhí)行成功，則繼續(xù)加載下一動(dòng)作為當(dāng)前指令動(dòng)作并執(zhí)行；2)若指令執(zhí)行失敗，人工決策是否重新執(zhí)行該指令直至流程執(zhí)行結(jié)束。

2.2 同步跟蹤和無縫切換設(shè)計(jì)

一體化供電測(cè)控系統(tǒng)中PXI自動(dòng)測(cè)控組合采用熱備冗余設(shè)計(jì)，PXI主機(jī)和PXI從機(jī)采用對(duì)等設(shè)計(jì)原則，具有完全相同配置。主從設(shè)備均部署同步監(jiān)測(cè)軟件，從機(jī)通過雙冗余以太網(wǎng)卡實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)獲取主機(jī)狀態(tài)信息。PXI同步跟蹤和無縫切換軟件體系結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。[2]

圖3 同步監(jiān)測(cè)軟件體系結(jié)構(gòu)框圖

PXI熱備冗余設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)有互相分離的應(yīng)用層和熱備層，兩層共同構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)。應(yīng)用層位于系統(tǒng)上層，負(fù)責(zé)實(shí)際功能實(shí)現(xiàn)和業(yè)務(wù)處理功能。熱備層位于系統(tǒng)下層，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層程序的同步處理功能。其中熱備層按照功能實(shí)現(xiàn)又可細(xì)分為同步層和傳輸層。同步層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)熱備冗余系統(tǒng)的實(shí)時(shí)同步處理，從機(jī)設(shè)備由同步層獲取主機(jī)設(shè)備相關(guān)實(shí)時(shí)變量因素，通過實(shí)時(shí)運(yùn)算進(jìn)行冗余機(jī)制的一致性處理，實(shí)現(xiàn)熱備冗余系統(tǒng)主從設(shè)備同步處理結(jié)果的一致性。傳輸層位于同步層下層，負(fù)責(zé)主從設(shè)備間底層的鏈路通信，主從設(shè)備通過基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)通信。

同步跟蹤和無縫切換過程主要通過故障監(jiān)測(cè)和應(yīng)用切換兩部分來完成。故障監(jiān)測(cè)通過互為冗余的兩臺(tái)PXI間以“檢查點(diǎn)檢測(cè)+心跳檢測(cè)”方式實(shí)現(xiàn)，主從PXI以10 Hz頻率檢測(cè)對(duì)方的固有檢查點(diǎn)，同時(shí)，每10 Hz互相發(fā)送心跳信息包，固有檢查點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包含本機(jī)PXI控制器及各模塊監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)信息，監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息如果發(fā)生異?；颉靶奶北O(jiān)聽異常，啟動(dòng)應(yīng)用切換功能。命令執(zhí)行實(shí)行雙隊(duì)列請(qǐng)求機(jī)制：主機(jī)正常運(yùn)行時(shí)使用工作隊(duì)列接收命令請(qǐng)求和實(shí)現(xiàn)命令處理，預(yù)備隊(duì)列為空閑狀態(tài)；從機(jī)輸入指針指向預(yù)備隊(duì)列，不進(jìn)行命令相關(guān)業(yè)務(wù)處理。在收到應(yīng)用切換指令后：主機(jī)將輸入指針指向預(yù)備隊(duì)列，后續(xù)接收到的命令請(qǐng)求將緩存到預(yù)備隊(duì)列，工作隊(duì)列執(zhí)行命令請(qǐng)求直至隊(duì)列為空；從機(jī)將輸入指針由預(yù)備隊(duì)列指向工作隊(duì)列，處理指針指向工作緩沖，開始處理命令請(qǐng)求。

2.3 多標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)通信技術(shù)

一體化供電測(cè)控系統(tǒng)通信控制采用了以太網(wǎng)技術(shù)(TCP/IP、數(shù)據(jù)組播)、1553B總線技術(shù)、光纖技術(shù)等多標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合架構(gòu)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制指令的發(fā)送和箭地測(cè)試信號(hào)采集功能，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

在總線控制指令傳送過程中，供配電控制指令上行信號(hào)通過綜合測(cè)控軟件由后端的綜合控制臺(tái)發(fā)出，通過網(wǎng)絡(luò)由總控網(wǎng)前后端交換機(jī)傳輸?shù)角岸薖XI自動(dòng)測(cè)控組合，PXI自動(dòng)測(cè)控組合將接收到的網(wǎng)絡(luò)指令信息轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的總線供配電控制指令，作為總線控制器(BC)通過1553B總線傳送給配電控制組合和箭上配電器，配電控制組合和箭上配電器作為遠(yuǎn)程終端(RT)接收BC指令，將總線指令信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)其內(nèi)部相應(yīng)繼電器完成配電任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)供配電指令控制功能。[3]

應(yīng)急手動(dòng)控制指令信號(hào)由綜合控制臺(tái)內(nèi)部手動(dòng)控制盒發(fā)出，電信號(hào)輸入后端視頻光傳輸設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，光信號(hào)通過測(cè)量系統(tǒng)獨(dú)立的前后端光纖通路傳輸至前端視頻光傳輸設(shè)備，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出給配電控制組合，驅(qū)動(dòng)配電控制組合內(nèi)部繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)緊急情況下綜合控制臺(tái)對(duì)前端配電控制組合和箭上配電器的供電控制。

圖4 供配電控制指令信號(hào)流向圖

箭上供配電數(shù)據(jù)通過配電器1553B總線接口發(fā)送給PXI自動(dòng)測(cè)控組合，完成箭上配電器參數(shù)的傳遞，地面各測(cè)試設(shè)備狀態(tài)信息通過測(cè)試電纜發(fā)送給測(cè)控信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，由其進(jìn)行信號(hào)的隔離、調(diào)理后發(fā)送給PXI自動(dòng)測(cè)控組合，PXI自動(dòng)測(cè)控組合將采集到的箭地參數(shù)回送給綜合控制臺(tái)，完成箭地信號(hào)采集功能。

圖5 供配電測(cè)試信號(hào)流向圖

綜合測(cè)控臺(tái)上運(yùn)行的綜合測(cè)控軟件通過TCP連接方式向前端PXI自動(dòng)測(cè)控組合發(fā)送控制指令，控制指令通信幀格式見表1，指令接收設(shè)備在收到指令并執(zhí)行成功后需向綜合測(cè)控軟件發(fā)送回令確認(rèn)信息執(zhí)行情況。

表1 控制指令及回令通信幀格式

PXI自動(dòng)測(cè)控組合測(cè)試軟件將其測(cè)試數(shù)據(jù)和軟硬件狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)向綜合測(cè)控軟件發(fā)送。測(cè)試數(shù)據(jù)的上傳通過組播方式進(jìn)行，測(cè)試數(shù)據(jù)幀格式見表2。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)幀格式

后端視頻光傳輸設(shè)備光發(fā)送模塊接收到綜合測(cè)控臺(tái)手動(dòng)控制部分發(fā)送的指令上行信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，并通過信號(hào)生成模塊生成a、b兩路相同的編碼復(fù)用信號(hào)，信號(hào)生成后調(diào)制成光信號(hào)并通過外部光纖傳送至前端視頻光傳輸設(shè)備。前端視頻光傳輸設(shè)備中光接收模塊接收兩路光信號(hào)，通過所對(duì)應(yīng)的下行光鏈路向后端視頻光傳輸設(shè)備反饋確認(rèn)信號(hào)，后端設(shè)備接收到確認(rèn)信號(hào)后，從相應(yīng)上行鏈路再次發(fā)送與上次相同的上行指令信號(hào)。前端光接收模塊接收到第二次上行指令信號(hào)后，與第一次所接收信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，若兩次指令信號(hào)數(shù)據(jù)相同，則完成信號(hào)接收過程，確認(rèn)上行指令信號(hào)有效。

指令信號(hào)上行過程中，a、b鏈路同時(shí)進(jìn)行并相互獨(dú)立。當(dāng)前端光接收模塊分別判斷a、b兩路信號(hào)有效后，對(duì)a、b兩組指令進(jìn)行比對(duì)。若兩組指令信號(hào)比對(duì)一致，則前端輸出該指令信號(hào)并完成此次信號(hào)傳輸過程，等待下一次指令信號(hào)輸入；若比對(duì)結(jié)果不一致，則向后端反饋使后端重新進(jìn)行指令發(fā)送和反饋確認(rèn)。當(dāng)前端光接收模塊判斷a、b兩組鏈路中僅有一組為有效信號(hào)，則前端輸出該指令信號(hào)并完成此次信號(hào)傳輸過程，等待下一次指令信號(hào)輸入；若兩組鏈路均判斷傳輸錯(cuò)誤，則向后端反饋使后端重新進(jìn)行指令發(fā)送和反饋確認(rèn)。

3 結(jié)束語

本文對(duì)新一代運(yùn)載火箭一體化供電測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了介紹，一體化供電測(cè)控系統(tǒng)通過使用通過綜合控制臺(tái)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)地面測(cè)試設(shè)備進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了操作人員的簡(jiǎn)化；使用自動(dòng)測(cè)試流程，使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了較高的智能化，提高了測(cè)試精確性。

[1]王清利.新型運(yùn)載火箭遙測(cè)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)途徑[J]．導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2000，(04)：5-12.

[2]郭恩全,盧君明.PXI總體體系結(jié)構(gòu)[J]．國外電子測(cè)量技術(shù),1998,(3):28-30.

[3]祝 偉,張金剛.基于1553B總線的運(yùn)載火箭供電測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2016,(5):21-24.

DesignofanIntegratedPowerSupplyandMonitoringSystemforNewGenerationLaunchVehicle

Zhang Jianing1, Wu Yanru1, Zhu Wei1, Zhu Li2

(1.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China；2.Beijing Aerospace Measurement amp; Control Technology Co.，Ltd., Beijing 100041, China)

Measurement System in new generation launch vehicle system undertake the task to obtain the telemetry data and implement security control task during the flight mission. Measurement System will monitor the key parameter of launch vehicle and testing equipment for a long time to ensure unattended operation during the filling. That requires more for personnel security and operation. In this article, an integrated power supply and monitoring system is proposed to satisfy the higher requirement of new generation launch vehicle, it introduce the system composition and technical innovation. The customization and operation of automatic control process are used to achieve real-time and accurate instruction execution which improves test efficiency. Synchronization and seamless handover are designed by adopting fault monitoring and application switching. This system which integrated multi-standard and composite architecture communication technology, including Ethernet technology, 1553B bus technology, and optical fiber technology, experienced the flight experiment and has been verified.

new generation; automatic; integrated; power supply

2017-04-23；

2017-06-20。

張佳寧(1988-)，男，河北衡水人，碩士，工程師，主要從事測(cè)量系統(tǒng)供配電與地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)09-0039-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.011

TM93

A