韓 亮,張宏德,彭 越
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)
我國傳統(tǒng)運載火箭各分系統(tǒng)各自獨立,測發(fā)控均使用單獨的地面測試設備,完成箭上系統(tǒng)的供配電、信號激勵、狀態(tài)控制、參數(shù)測量等測試、發(fā)射控制等功能。各分系統(tǒng)測發(fā)控功能重復、系統(tǒng)復雜,存在資源浪費、兼容性差、信息傳遞低效等問題[1-2]。隨著測控技術的發(fā)展,集成芯片與計算機系統(tǒng)跨越式進步,測控設備更加集成化、小型化,而云計算、故障診斷、自動化測試技術也為信息應用提供了更加先進的技術解決方案。與此同時,未來新一代中型、重型運載火箭電氣系統(tǒng)在通用化[3]、集成化、智能化[4]等方面也提出了更高的要求。因此,結合某背景型號火箭測發(fā)控一體化的研制需求,提出了一種運載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)設計,包括系統(tǒng)體系結構、關鍵單機及軟件設計,有效整合各分系統(tǒng)測發(fā)控功能,合理規(guī)劃數(shù)據(jù)及信息流向,不僅集成度高、通用性強,也提高了火箭的測試效率。
地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)拓撲架構如圖1所示。系統(tǒng)按照前端、后端遠距離測控進行布局,其構成及原理如下:
圖1 地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)拓撲圖
1)前端系統(tǒng)包括供配電設備、前端測控機、遙外測天線、前端光傳設備,完成箭上各系統(tǒng)的配電、測試狀態(tài)控制、監(jiān)測;
2)后端測控設備主要包括交換機、服務器、磁盤陣列、射頻送綜合檢測站,手動應急控制盒等。服務器采用云計算虛擬服務,人機交互采用瘦客戶機方式連接云上的虛擬化系統(tǒng);各項業(yè)務軟件運行在該云平臺上,通過網(wǎng)絡對箭上、地面設備進行控制,完成對火箭箭上電氣產品的測試和控制,并與發(fā)射場相關系統(tǒng)配合,完成火箭的測試和點火發(fā)射任務;
3)箭上通過無線、有線傳輸將測試結果傳輸至地面。包括遙測PCM流、有線PCM流,通過光傳設備傳輸至射頻綜合檢測站,完成傳統(tǒng)測量系統(tǒng)的遙測檢測站、外安檢測站等功能;
4)箭地、地面均采用新型以太網(wǎng)通信,實現(xiàn)箭地網(wǎng)絡鏈路的融合;地面在物理結構上分為前后端2個子網(wǎng),分別以配置光纖通信接口的網(wǎng)絡交換機為中心,在邏輯上形成一個統(tǒng)一的測發(fā)控數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡[5];
5)手動應急控制盒通過電纜與前端測控機相連,控制前端信號調理箱內部的繼電器陣列,完成關鍵時序信號(例如點火等)的手動控制。
2.1.1 統(tǒng)一供配電
在地面測試階段對箭上電氣系統(tǒng)提供地面供電的功能,包括箭上加電、轉電、斷電,以及電壓監(jiān)測、漏電檢查等功能。要求能夠整合火箭各分系統(tǒng)電源種類,兼顧火箭大功率的配電需求,以集成度高、可靠性高、遠程控制為目標,實現(xiàn)統(tǒng)一配電控制。
2.1.2 有線測試及流程控制
按照火箭測試發(fā)射流程完成火箭功能和性能測試,采集、處理、傳輸及顯示箭上測試信息。能夠將狀態(tài)控制和系統(tǒng)測試集成在一種產品架構中,實現(xiàn)原多系統(tǒng)獨立并行的測試的統(tǒng)一管理、集中調度與控制,并能夠簡化發(fā)射操作和流程,指揮完成火箭的發(fā)射任務。
2.1.3 無線調制解調
對遙測、安控、外測、導航等功能進行集成,整合基帶資源形成通用化綜合射頻測控設備,完成箭上有線PCM流、遙測射頻PCM流、BD-GNSS信號接收、調制與處理。
2.1.4 數(shù)據(jù)處理與應用
通過有線測試、無線測試等途徑全面、實時掌握各系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù),確保測試數(shù)據(jù)有效融合、信息高效流轉。能夠實現(xiàn)火箭測試和發(fā)射控制數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、診斷、顯示、判讀等工作,為指揮員及各系統(tǒng)專業(yè)人員提供監(jiān)視、決策和智能化分析服務。
2.1.5 其他功能
手動應急控制功能:用于在地面測發(fā)控系統(tǒng)后端計算機、軟件失效,前后端網(wǎng)絡故障等模式下的情況。手動應急控制指令由前端測控設備傳遞至箭上相應設備,實現(xiàn)手動點火、斷電。
供配電的電源種類包括直流電源和中頻電源兩類,由3~4個隔離獨立的供電電源和調理箱組成:直流電源1為箭上儀器母線供電,以及給儀器電池、火工電池充電;直流電源2為箭上火工品/電磁閥(動力母線)供電,并輔助動力加溫、電池加溫;中頻電源3提供給箭上伺服母線供電,并可給伺服電池充電;根據(jù)前端地面設備自身的供電需求,可另設單獨的電源供電。調理箱通過脫插與箭上設備連接,與地面電源和前端測控機一起完成地面電源對箭上產品的供電、充電及電池加溫工作。
電源采用N+1多模塊均流供電,1個電源模塊失效不會影響負載工作,(1+N)/N的功率容量冗余方式更加高效,可根據(jù)火箭負載情況選擇電源架構。另外,為了滿足遠程控制需求,電源具備網(wǎng)絡通訊能力,可向后端發(fā)送當前電壓、電流等BIT信息,并可接收后端遠距離控制,實現(xiàn)遠控調壓和開關控制。
上述電源配置模式、供電方式、電源冗余模式設計能夠整合火箭各分系統(tǒng)供配電的共性需求,具有體積小、集成度高、遠程控制等優(yōu)點。
2.3.1 前端發(fā)控設計
邏輯控制與指令電路設計是前端發(fā)控系統(tǒng)基本的組成單元,用于對完成供配電、箭上設備施加控制指令[6]。具體由前端測控機與繼電器電路實現(xiàn),進行各種開關控制、邏輯控制及信號采樣,通過以太網(wǎng)接收后端發(fā)送的測試發(fā)射指令,共同完成火箭的測試、發(fā)射及控制過程。
一體化設計不再區(qū)分控制、測量、動力等分系統(tǒng),而是按照共性需求進行功能整合,劃分為模擬量采集(電壓、電流、開關量)、數(shù)字量采集(總線)和開關量輸出等種類,按照信號種類進行集成設計。前端測控機采用CPCI總線,集成CPU、KI、KO、AD、DA、RS422等多種板卡,具有可靠性高、測試快速準確、操作簡便及小型化等優(yōu)點[7]。
如圖2所示,前端測控機在協(xié)同供配電設備完成接通、斷開地面供電、地面充電的同時,還完成箭上電氣系統(tǒng)發(fā)送點火、復位、封鎖、脫插脫落等IO指令,以及漏電檢測、狀態(tài)采集等功能。而繼電器作為核心控制單元,通過前端測控機內KO板控制繼電器及調理箱內繼電器動作,完成關鍵控制信號的輸出。
圖2 有線測控信息交互示意圖
2.3.2 箭地及地面前后端通信
測發(fā)控通信網(wǎng)絡未來發(fā)展趨勢是采用實時以太網(wǎng)、標準以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡的多網(wǎng)融合方案,根據(jù)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的關鍵程度、實時性要求進行傳輸通路選擇。因此,箭上、地面通信網(wǎng)絡的一體化整合設計至關重要。在箭上儀器設備有以太網(wǎng)接口的前提下,采用標準以太網(wǎng)進行通信,可實現(xiàn)箭地統(tǒng)一網(wǎng)絡接口互聯(lián),地面前端交換機設備作為地面通信接口,與箭上設備進行數(shù)據(jù)交換。如圖3所示,該設計在消除單點故障的同時,能夠簡化箭地接口,實現(xiàn)箭地網(wǎng)絡融合。
圖3 冗余網(wǎng)絡模式箭地、地面前后端通信拓撲示意圖
由于采用了冗余配置,在軟件層面箭地通信采用雙通道通信,對于重要的測控指令采用收發(fā)應答的三遍重傳方式,可以有效地、準確地判斷網(wǎng)絡消息、濾除重復幀,從而進一步提高以太網(wǎng)通信的可靠性。
2.3.3 后端發(fā)控設計
后端有線發(fā)控系統(tǒng)主要由各類計算機、軟件系統(tǒng)以及手動應急盒組成。其中,后端主控軟件是系統(tǒng)流程控制與測試的核心,是所有控制指令的發(fā)起端,也是有回令屬性指令的閉合端[8]。實現(xiàn)對傳統(tǒng)控制、測量、動力分系統(tǒng)地面后端統(tǒng)一與自動測發(fā)控,具體包括:向前端電源、前端測控機發(fā)送測控指令、接收并監(jiān)測前端狀態(tài)量、模擬量測試數(shù)據(jù);與箭上設備進行控制信息交互、上傳諸元及程序文件;將測試流程信息轉發(fā)給其他軟件,并接收測發(fā)控流程所需的部分遙測參數(shù)及診斷輔助信息。
后端主控軟件的核心功能是軟件組態(tài)化技術、自動流程技術,其中:
1)組態(tài)技術并不限于人機界面的定制和自動生成,還包括軟件插件配置、測控參數(shù)配置、協(xié)議配置、流程配置等方面設計。組態(tài)技術可以滿足用戶靈活定制的需求,軟件能夠適應測發(fā)控領域各種任務需求,提高系統(tǒng)的適應性、兼容性和擴展性。
2)自動流程技術支持主控軟件對全部測試流程步驟、流程集的事先配置與錄入,操作人員在測試過程中可以通過界面靈活的選擇、重組各項測試步驟及進程,并能“一鍵”、“并發(fā)”執(zhí)行多個測試流程,關鍵節(jié)點可手動干預。上述能力不僅提高了軟件本身的重用性和適應性,也是整個測發(fā)控系統(tǒng)簡化人員操作、提高火箭自動化測試水平的關鍵所在。
傳統(tǒng)的外測、地基測試設備,均為針對箭上單機分別設計,設備數(shù)量多,占用體積大,使用操作也不便利。在立足于現(xiàn)有的遙測、外測和安全測試的功能、性能指標的基礎上,射頻綜合檢測站采用綜合化設計,以實現(xiàn)外測和遙測的無線系統(tǒng)測試功能為主,同時具備安控的測試能力。
射頻綜合檢測站部署在一臺測控機柜內,主要包含3個關鍵組合:遙測地檢組合,多模導航外測組合,外安檢測組合。每個組合單機模塊設計為板卡形式,其功能完全獨立,方便功能的組合、擴展和維修。各模塊插入標準的機箱,模塊之間通過標準的協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換,并在軟件的管理下實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。主要設計如下:
1)遙測地檢組合完成箭上遙測信號的接收、解調和存儲等功能。組合由系統(tǒng)板卡、中頻基帶板卡、上變頻器板卡及下變頻器板卡等構成;
2)外安檢測組合模擬脈沖應答機上行信號,接收并測試脈沖應答機轉發(fā)的下行信號,實現(xiàn)對脈沖應答機的自動化單元和系統(tǒng)測試,并集成外測射頻光傳輸功能;
3)多模導航外測組合主要由接收天線、遙測接收解調機、GNSS/BD接收機、外測處理終端組成。實時接收地面基準接收機提供的GNSS和BD數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù)后解算出差分修正值,實現(xiàn)對目標的差分定位。
2.5.1 云平臺設計
傳統(tǒng)后端測試設備需要多臺服務器、指揮工作站、瀏覽微機組成。造成極大的硬件資源浪費,采用虛擬云平臺的方案可以做到按需分配,有效避免浪費。配套組成包括服務器、磁盤陣列、若干瘦客戶機、虛擬化基礎架構軟件及管理軟件。
云平臺為適用于現(xiàn)代運載火箭遠距離測試和發(fā)射控制模式,系統(tǒng)構建在高速傳輸前端與后端網(wǎng)絡上,將后端服務器、工作站等計算機運算資源一體化設計,實現(xiàn)各系統(tǒng)遠距離測試發(fā)射控制需求[9]。一方面,在資源層面利用虛擬化技術和調度算法,提供計算、網(wǎng)絡、存儲資源的彈性,提供負載均衡、故障重啟以及對平臺軟件硬件資源的健康狀態(tài)監(jiān)控等基礎設施服務;另一方面云平臺將應用軟件封裝成容器,可完成應用軟件的自動部署、回滾、更新和維護。
2.5.2 軟件系統(tǒng)設計
在云平臺基礎上,地面測發(fā)控軟件系統(tǒng)完成火箭測試數(shù)據(jù)的融合、處理、存儲、發(fā)布及應用功能。傳統(tǒng)運載火箭各分系統(tǒng)的軟件功能重復、接口復雜,而且測試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息分散在各分系統(tǒng)內部,給數(shù)據(jù)融合和共享帶來很大難度。因此,如圖4所示,軟件設計從系統(tǒng)的控制流、遙測數(shù)據(jù)、地測數(shù)據(jù)3方面信息開始,按照任務需求和信息變化對軟件功能進行劃分和歸類,形成發(fā)控類軟件、數(shù)據(jù)處理類軟件、實時診斷與瀏覽類軟件、事后判讀類、存儲類軟件等配置項,同時設置高效的數(shù)據(jù)流轉中心,控制信息轉發(fā)的目標、參數(shù)、頻率及解耦消息的發(fā)送方和接收方,確保信息流高效、及時、可靠傳遞。關鍵配置項設計包括:
圖4 地面軟件系統(tǒng)架構及信息流
1)數(shù)據(jù)綜合處理軟件:接收射頻綜合檢測站的遙測原碼數(shù)據(jù),基于預先配置的遙測幀格式解析遙測幀,提取各類參數(shù)原碼,基于參數(shù)處理公式進行計算解析,得出各參數(shù)的物理量結果并發(fā)送至網(wǎng)絡,供其他軟件存儲、瀏覽、分析應用。軟件能夠將不同的處理方法封裝為插件,增強其擴展性。
2)通信與存儲服務軟件:作為整個軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉中心,通過以太網(wǎng)實時接收全箭的遙測數(shù)據(jù)、地測數(shù)據(jù)、控制指令、診斷信息等,并將全箭數(shù)據(jù)錄入關系數(shù)據(jù)庫(或文件系統(tǒng))存儲;另外,軟件通過頻率控制及參數(shù)挑選,控制轉發(fā)其他軟件所需要的測試數(shù)據(jù)。
3)健康監(jiān)測軟件:對測試發(fā)射過程中各系統(tǒng)產生的數(shù)據(jù)(包括箭上和地面的流程信息、控制指令、狀態(tài)信息、圖像信息、語音信息、模擬量等)進行實時監(jiān)測和健康監(jiān)測。一方面健康監(jiān)測軟件能夠以B/S模式支持數(shù)據(jù)的發(fā)布與多用戶的在線瀏覽,提供可視化的人機交互界面,以表格、曲線、圖形等多種形式實時顯示火箭測試狀態(tài)及分析結果。另一方面,作為故障診斷技術的主要載體,采用基于知識庫、模型、自學習等多種診斷方法的融合方案是實現(xiàn)運載火箭故障診斷的重要途徑[10],軟件能夠對異常參數(shù)進行故障診斷和分析定位,并完成推理判斷,為測發(fā)控指揮人員提供有效的輔助流程決策信息[11],從而提高系統(tǒng)的測試效率和智能化水平。
4)事后數(shù)據(jù)判讀與分析軟件:軟件支持全箭測試數(shù)據(jù)判讀全過程,基于網(wǎng)絡實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽、分析、判讀、報告生成等功能,完成對各類試驗數(shù)據(jù)的管理、判讀與分析。軟件支持人工判讀和自動判讀兩種模式,自動判讀技術是整個測發(fā)控系統(tǒng)便捷、智能的重要體現(xiàn),其技術核心是判據(jù)描述語言設計。軟件通過預先設置好的判據(jù),實現(xiàn)各類參數(shù)的自動判讀與專業(yè)報告生成,將設計人員從繁重的數(shù)據(jù)判讀、故障分析和排查以及產品維護中解脫出來,減少或避免漏判及誤判,提高判讀效率。
文章提出的運載火箭地面測發(fā)控系統(tǒng)對硬件、軟件、信息進行了一體化設計,已經應用在背景型號的研制中,完成了原理性試驗和關鍵技術驗證,該體系架構、設備及軟件系統(tǒng)的設計具有通用強、集成度高、信息傳遞高效等優(yōu)點,設備臺套數(shù)壓縮超過50%,通用化率超過80%,操作崗位壓縮比例超過50%,滿足未來電氣系統(tǒng)一體化測發(fā)控的任務需求。后續(xù)可在如何滿足大型液體火箭低溫動力測控的復雜需求、兼容不同型號箭上系統(tǒng)的差異化需求等方面,進一步擴展完善,確保系統(tǒng)可靠、高效、通用、先進,建立未來運載火箭地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)基本型。