韓 亮,張宏德,彭 越
(北京宇航系統(tǒng)工程研究所,北京 100076)
我國(guó)傳統(tǒng)運(yùn)載火箭各分系統(tǒng)各自獨(dú)立,測(cè)發(fā)控均使用單獨(dú)的地面測(cè)試設(shè)備,完成箭上系統(tǒng)的供配電、信號(hào)激勵(lì)、狀態(tài)控制、參數(shù)測(cè)量等測(cè)試、發(fā)射控制等功能。各分系統(tǒng)測(cè)發(fā)控功能重復(fù)、系統(tǒng)復(fù)雜,存在資源浪費(fèi)、兼容性差、信息傳遞低效等問題[1-2]。隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展,集成芯片與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)跨越式進(jìn)步,測(cè)控設(shè)備更加集成化、小型化,而云計(jì)算、故障診斷、自動(dòng)化測(cè)試技術(shù)也為信息應(yīng)用提供了更加先進(jìn)的技術(shù)解決方案。與此同時(shí),未來新一代中型、重型運(yùn)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(jié)合某背景型號(hào)火箭測(cè)發(fā)控一體化的研制需求,提出了一種運(yùn)載火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),包括系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵單機(jī)及軟件設(shè)計(jì),有效整合各分系統(tǒng)測(cè)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(qiáng),也提高了火箭的測(cè)試效率。
地面一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)如圖1所示。系統(tǒng)按照前端、后端遠(yuǎn)距離測(cè)控進(jìn)行布局,其構(gòu)成及原理如下:
圖1 地面一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)拓?fù)鋱D
1)前端系統(tǒng)包括供配電設(shè)備、前端測(cè)控機(jī)、遙外測(cè)天線、前端光傳設(shè)備,完成箭上各系統(tǒng)的配電、測(cè)試狀態(tài)控制、監(jiān)測(cè);
2)后端測(cè)控設(shè)備主要包括交換機(jī)、服務(wù)器、磁盤陣列、射頻送綜合檢測(cè)站,手動(dòng)應(yīng)急控制盒等。服務(wù)器采用云計(jì)算虛擬服務(wù),人機(jī)交互采用瘦客戶機(jī)方式連接云上的虛擬化系統(tǒng);各項(xiàng)業(yè)務(wù)軟件運(yùn)行在該云平臺(tái)上,通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)箭上、地面設(shè)備進(jìn)行控制,完成對(duì)火箭箭上電氣產(chǎn)品的測(cè)試和控制,并與發(fā)射場(chǎng)相關(guān)系統(tǒng)配合,完成火箭的測(cè)試和點(diǎn)火發(fā)射任務(wù);
3)箭上通過無線、有線傳輸將測(cè)試結(jié)果傳輸至地面。包括遙測(cè)PCM流、有線PCM流,通過光傳設(shè)備傳輸至射頻綜合檢測(cè)站,完成傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)的遙測(cè)檢測(cè)站、外安檢測(cè)站等功能;
4)箭地、地面均采用新型以太網(wǎng)通信,實(shí)現(xiàn)箭地網(wǎng)絡(luò)鏈路的融合;地面在物理結(jié)構(gòu)上分為前后端2個(gè)子網(wǎng),分別以配置光纖通信接口的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)為中心,在邏輯上形成一個(gè)統(tǒng)一的測(cè)發(fā)控?cái)?shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)[5];
5)手動(dòng)應(yīng)急控制盒通過電纜與前端測(cè)控機(jī)相連,控制前端信號(hào)調(diào)理箱內(nèi)部的繼電器陣列,完成關(guān)鍵時(shí)序信號(hào)(例如點(diǎn)火等)的手動(dòng)控制。
2.1.1 統(tǒng)一供配電
在地面測(cè)試階段對(duì)箭上電氣系統(tǒng)提供地面供電的功能,包括箭上加電、轉(zhuǎn)電、斷電,以及電壓監(jiān)測(cè)、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(yuǎn)程控制為目標(biāo),實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一配電控制。
2.1.2 有線測(cè)試及流程控制
按照火箭測(cè)試發(fā)射流程完成火箭功能和性能測(cè)試,采集、處理、傳輸及顯示箭上測(cè)試信息。能夠?qū)顟B(tài)控制和系統(tǒng)測(cè)試集成在一種產(chǎn)品架構(gòu)中,實(shí)現(xiàn)原多系統(tǒng)獨(dú)立并行的測(cè)試的統(tǒng)一管理、集中調(diào)度與控制,并能夠簡(jiǎn)化發(fā)射操作和流程,指揮完成火箭的發(fā)射任務(wù)。
2.1.3 無線調(diào)制解調(diào)
對(duì)遙測(cè)、安控、外測(cè)、導(dǎo)航等功能進(jìn)行集成,整合基帶資源形成通用化綜合射頻測(cè)控設(shè)備,完成箭上有線PCM流、遙測(cè)射頻PCM流、BD-GNSS信號(hào)接收、調(diào)制與處理。
2.1.4 數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用
通過有線測(cè)試、無線測(cè)試等途徑全面、實(shí)時(shí)掌握各系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù),確保測(cè)試數(shù)據(jù)有效融合、信息高效流轉(zhuǎn)。能夠?qū)崿F(xiàn)火箭測(cè)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(wù)。
2.1.5 其他功能
手動(dòng)應(yīng)急控制功能:用于在地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)后端計(jì)算機(jī)、軟件失效,前后端網(wǎng)絡(luò)故障等模式下的情況。手動(dòng)應(yīng)急控制指令由前端測(cè)控設(shè)備傳遞至箭上相應(yīng)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)手動(dòng)點(diǎn)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(gè)隔離獨(dú)立的供電電源和調(diào)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(dòng)力母線)供電,并輔助動(dòng)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(shè)備自身的供電需求,可另設(shè)單獨(dú)的電源供電。調(diào)理箱通過脫插與箭上設(shè)備連接,與地面電源和前端測(cè)控機(jī)一起完成地面電源對(duì)箭上產(chǎn)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(gè)電源模塊失效不會(huì)影響負(fù)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(fù)載情況選擇電源架構(gòu)。另外,為了滿足遠(yuǎn)程控制需求,電源具備網(wǎng)絡(luò)通訊能力,可向后端發(fā)送當(dāng)前電壓、電流等BIT信息,并可接收后端遠(yuǎn)距離控制,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)控調(diào)壓和開關(guān)控制。
上述電源配置模式、供電方式、電源冗余模式設(shè)計(jì)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(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。
2.3.1 前端發(fā)控設(shè)計(jì)
邏輯控制與指令電路設(shè)計(jì)是前端發(fā)控系統(tǒng)基本的組成單元,用于對(duì)完成供配電、箭上設(shè)備施加控制指令[6]。具體由前端測(cè)控機(jī)與繼電器電路實(shí)現(xiàn),進(jìn)行各種開關(guān)控制、邏輯控制及信號(hào)采樣,通過以太網(wǎng)接收后端發(fā)送的測(cè)試發(fā)射指令,共同完成火箭的測(cè)試、發(fā)射及控制過程。
一體化設(shè)計(jì)不再區(qū)分控制、測(cè)量、動(dòng)力等分系統(tǒng),而是按照共性需求進(jìn)行功能整合,劃分為模擬量采集(電壓、電流、開關(guān)量)、數(shù)字量采集(總線)和開關(guān)量輸出等種類,按照信號(hào)種類進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。前端測(cè)控機(jī)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(cè)試快速準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便及小型化等優(yōu)點(diǎn)[7]。
如圖2所示,前端測(cè)控機(jī)在協(xié)同供配電設(shè)備完成接通、斷開地面供電、地面充電的同時(shí),還完成箭上電氣系統(tǒng)發(fā)送點(diǎn)火、復(fù)位、封鎖、脫插脫落等IO指令,以及漏電檢測(cè)、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(cè)控機(jī)內(nèi)KO板控制繼電器及調(diào)理箱內(nèi)繼電器動(dòng)作,完成關(guān)鍵控制信號(hào)的輸出。
圖2 有線測(cè)控信息交互示意圖
2.3.2 箭地及地面前后端通信
測(cè)發(fā)控通信網(wǎng)絡(luò)未來發(fā)展趨勢(shì)是采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合方案,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵程度、實(shí)時(shí)性要求進(jìn)行傳輸通路選擇。因此,箭上、地面通信網(wǎng)絡(luò)的一體化整合設(shè)計(jì)至關(guān)重要。在箭上儀器設(shè)備有以太網(wǎng)接口的前提下,采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)進(jìn)行通信,可實(shí)現(xiàn)箭地統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)接口互聯(lián),地面前端交換機(jī)設(shè)備作為地面通信接口,與箭上設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。如圖3所示,該設(shè)計(jì)在消除單點(diǎn)故障的同時(shí),能夠簡(jiǎn)化箭地接口,實(shí)現(xiàn)箭地網(wǎng)絡(luò)融合。
圖3 冗余網(wǎng)絡(luò)模式箭地、地面前后端通信拓?fù)涫疽鈭D
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(duì)于重要的測(cè)控指令采用收發(fā)應(yīng)答的三遍重傳方式,可以有效地、準(zhǔn)確地判斷網(wǎng)絡(luò)消息、濾除重復(fù)幀,從而進(jìn)一步提高以太網(wǎng)通信的可靠性。
2.3.3 后端發(fā)控設(shè)計(jì)
后端有線發(fā)控系統(tǒng)主要由各類計(jì)算機(jī)、軟件系統(tǒng)以及手動(dòng)應(yīng)急盒組成。其中,后端主控軟件是系統(tǒng)流程控制與測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)控制、測(cè)量、動(dòng)力分系統(tǒng)地面后端統(tǒng)一與自動(dòng)測(cè)發(fā)控,具體包括:向前端電源、前端測(cè)控機(jī)發(fā)送測(cè)控指令、接收并監(jiān)測(cè)前端狀態(tài)量、模擬量測(cè)試數(shù)據(jù);與箭上設(shè)備進(jìn)行控制信息交互、上傳諸元及程序文件;將測(cè)試流程信息轉(zhuǎn)發(fā)給其他軟件,并接收測(cè)發(fā)控流程所需的部分遙測(cè)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(shù)、自動(dòng)流程技術(shù),其中:
1)組態(tài)技術(shù)并不限于人機(jī)界面的定制和自動(dòng)生成,還包括軟件插件配置、測(cè)控參數(shù)配置、協(xié)議配置、流程配置等方面設(shè)計(jì)。組態(tài)技術(shù)可以滿足用戶靈活定制的需求,軟件能夠適應(yīng)測(cè)發(fā)控領(lǐng)域各種任務(wù)需求,提高系統(tǒng)的適應(yīng)性、兼容性和擴(kuò)展性。
2)自動(dòng)流程技術(shù)支持主控軟件對(duì)全部測(cè)試流程步驟、流程集的事先配置與錄入,操作人員在測(cè)試過程中可以通過界面靈活的選擇、重組各項(xiàng)測(cè)試步驟及進(jìn)程,并能“一鍵”、“并發(fā)”執(zhí)行多個(gè)測(cè)試流程,關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)可手動(dòng)干預(yù)。上述能力不僅提高了軟件本身的重用性和適應(yīng)性,也是整個(gè)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)簡(jiǎn)化人員操作、提高火箭自動(dòng)化測(cè)試水平的關(guān)鍵所在。
傳統(tǒng)的外測(cè)、地基測(cè)試設(shè)備,均為針對(duì)箭上單機(jī)分別設(shè)計(jì),設(shè)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(cè)、外測(cè)和安全測(cè)試的功能、性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上,射頻綜合檢測(cè)站采用綜合化設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)外測(cè)和遙測(cè)的無線系統(tǒng)測(cè)試功能為主,同時(shí)具備安控的測(cè)試能力。
射頻綜合檢測(cè)站部署在一臺(tái)測(cè)控機(jī)柜內(nèi),主要包含3個(gè)關(guān)鍵組合:遙測(cè)地檢組合,多模導(dǎo)航外測(cè)組合,外安檢測(cè)組合。每個(gè)組合單機(jī)模塊設(shè)計(jì)為板卡形式,其功能完全獨(dú)立,方便功能的組合、擴(kuò)展和維修。各模塊插入標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)箱,模塊之間通過標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并在軟件的管理下實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。主要設(shè)計(jì)如下:
1)遙測(cè)地檢組合完成箭上遙測(cè)信號(hào)的接收、解調(diào)和存儲(chǔ)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(gòu)成;
2)外安檢測(cè)組合模擬脈沖應(yīng)答機(jī)上行信號(hào),接收并測(cè)試脈沖應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的下行信號(hào),實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖應(yīng)答機(jī)的自動(dòng)化單元和系統(tǒng)測(cè)試,并集成外測(cè)射頻光傳輸功能;
3)多模導(dǎo)航外測(cè)組合主要由接收天線、遙測(cè)接收解調(diào)機(jī)、GNSS/BD接收機(jī)、外測(cè)處理終端組成。實(shí)時(shí)接收地面基準(zhǔn)接收機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的差分定位。
2.5.1 云平臺(tái)設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)后端測(cè)試設(shè)備需要多臺(tái)服務(wù)器、指揮工作站、瀏覽微機(jī)組成。造成極大的硬件資源浪費(fèi),采用虛擬云平臺(tái)的方案可以做到按需分配,有效避免浪費(fèi)。配套組成包括服務(wù)器、磁盤陣列、若干瘦客戶機(jī)、虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)軟件及管理軟件。
云平臺(tái)為適用于現(xiàn)代運(yùn)載火箭遠(yuǎn)距離測(cè)試和發(fā)射控制模式,系統(tǒng)構(gòu)建在高速傳輸前端與后端網(wǎng)絡(luò)上,將后端服務(wù)器、工作站等計(jì)算機(jī)運(yùn)算資源一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射控制需求[9]。一方面,在資源層面利用虛擬化技術(shù)和調(diào)度算法,提供計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)資源的彈性,提供負(fù)載均衡、故障重啟以及對(duì)平臺(tái)軟件硬件資源的健康狀態(tài)監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù);另一方面云平臺(tái)將應(yīng)用軟件封裝成容器,可完成應(yīng)用軟件的自動(dòng)部署、回滾、更新和維護(hù)。
2.5.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在云平臺(tái)基礎(chǔ)上,地面測(cè)發(fā)控軟件系統(tǒng)完成火箭測(cè)試數(shù)據(jù)的融合、處理、存儲(chǔ)、發(fā)布及應(yīng)用功能。傳統(tǒng)運(yùn)載火箭各分系統(tǒng)的軟件功能重復(fù)、接口復(fù)雜,而且測(cè)試數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息分散在各分系統(tǒng)內(nèi)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(shè)計(jì)從系統(tǒng)的控制流、遙測(cè)數(shù)據(jù)、地測(cè)數(shù)據(jù)3方面信息開始,按照任務(wù)需求和信息變化對(duì)軟件功能進(jìn)行劃分和歸類,形成發(fā)控類軟件、數(shù)據(jù)處理類軟件、實(shí)時(shí)診斷與瀏覽類軟件、事后判讀類、存儲(chǔ)類軟件等配置項(xiàng),同時(shí)設(shè)置高效的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心,控制信息轉(zhuǎn)發(fā)的目標(biāo)、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(shí)、可靠傳遞。關(guān)鍵配置項(xiàng)設(shè)計(jì)包括:
圖4 地面軟件系統(tǒng)架構(gòu)及信息流
1)數(shù)據(jù)綜合處理軟件:接收射頻綜合檢測(cè)站的遙測(cè)原碼數(shù)據(jù),基于預(yù)先配置的遙測(cè)幀格式解析遙測(cè)幀,提取各類參數(shù)原碼,基于參數(shù)處理公式進(jìn)行計(jì)算解析,得出各參數(shù)的物理量結(jié)果并發(fā)送至網(wǎng)絡(luò),供其他軟件存儲(chǔ)、瀏覽、分析應(yīng)用。軟件能夠?qū)⒉煌奶幚矸椒ǚ庋b為插件,增強(qiáng)其擴(kuò)展性。
2)通信與存儲(chǔ)服務(wù)軟件:作為整個(gè)軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)中心,通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接收全箭的遙測(cè)數(shù)據(jù)、地測(cè)數(shù)據(jù)、控制指令、診斷信息等,并將全箭數(shù)據(jù)錄入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(或文件系統(tǒng))存儲(chǔ);另外,軟件通過頻率控制及參數(shù)挑選,控制轉(zhuǎn)發(fā)其他軟件所需要的測(cè)試數(shù)據(jù)。
3)健康監(jiān)測(cè)軟件:對(duì)測(cè)試發(fā)射過程中各系統(tǒng)產(chǎn)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和健康監(jiān)測(cè)。一方面健康監(jiān)測(cè)軟件能夠以B/S模式支持?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)布與多用戶的在線瀏覽,提供可視化的人機(jī)交互界面,以表格、曲線、圖形等多種形式實(shí)時(shí)顯示火箭測(cè)試狀態(tài)及分析結(jié)果。另一方面,作為故障診斷技術(shù)的主要載體,采用基于知識(shí)庫、模型、自學(xué)習(xí)等多種診斷方法的融合方案是實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭故障診斷的重要途徑[10],軟件能夠?qū)Ξ惓?shù)進(jìn)行故障診斷和分析定位,并完成推理判斷,為測(cè)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(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)判讀全過程,基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的查詢、瀏覽、分析、判讀、報(bào)告生成等功能,完成對(duì)各類試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理、判讀與分析。軟件支持人工判讀和自動(dòng)判讀兩種模式,自動(dòng)判讀技術(shù)是整個(gè)測(cè)發(fā)控系統(tǒng)便捷、智能的重要體現(xiàn),其技術(shù)核心是判據(jù)描述語言設(shè)計(jì)。軟件通過預(yù)先設(shè)置好的判據(jù),實(shí)現(xiàn)各類參數(shù)的自動(dòng)判讀與專業(yè)報(bào)告生成,將設(shè)計(jì)人員從繁重的數(shù)據(jù)判讀、故障分析和排查以及產(chǎn)品維護(hù)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(yùn)載火箭地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)對(duì)硬件、軟件、信息進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì),已經(jīng)應(yīng)用在背景型號(hào)的研制中,完成了原理性試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證,該體系架構(gòu)、設(shè)備及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有通用強(qiáng)、集成度高、信息傳遞高效等優(yōu)點(diǎn),設(shè)備臺(tái)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(cè)發(fā)控的任務(wù)需求。后續(xù)可在如何滿足大型液體火箭低溫動(dòng)力測(cè)控的復(fù)雜需求、兼容不同型號(hào)箭上系統(tǒng)的差異化需求等方面,進(jìn)一步擴(kuò)展完善,確保系統(tǒng)可靠、高效、通用、先進(jìn),建立未來運(yùn)載火箭地面一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)基本型。