先进上面级火箭地面测发控系统一体化设计与实现

解维奇， 李朝凤， 姚静波(. 装备学院 航天装备系, 北京 046； . 装备学院 研究生管理大队, 北京 046)

先进上面级火箭地面测发控系统一体化设计与实现

解维奇1， 李朝凤2， 姚静波1
(1. 装备学院 航天装备系, 北京 101416； 2. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416)

针对新一代运载火箭先进上面级对测发控系统一体化的需求，从地面测发控系统的系统功能、结构及信息处理3个方面对先进上面级测发控系统的体系结构和软件结构进行了一体化设计；详细阐述了系统组成，并对设计方案中的可靠性、实时性和多通道采集等关键问题进行了详细的分析与解决。实际应用表明：系统具有较高的有效性和可靠性，可满足先进上面级对新一代运载火箭地面测试发控设备的需求。

先进上面级；测发控系统；一体化设计；可靠性

先进上面级(Advanced Upper Stage，AUS)是指具有独立于运载火箭与有效载荷的导航、制导与控制系统的上面级火箭，具有任务通用性强、推力大、在轨飞行时间长、可多次启动等特点，具备多星发射和轨道机动、轨道部署的能力[1-7]。冷战期间，美苏两国都研制了先进上面级，如Fregat、Block DM和Breeze系列上面级。目前，我国正在研制的先进上面级主要立足于新一代运载火箭，将具备多次启动、二次变轨和7～10 d甚至更长时间的在轨工作能力[8]。通过先进上面级与新一代运载火箭相结合，将进一步缩短我国与先进航天大国之间的技术差距，满足我国日益紧迫的中低轨道卫星群、深空探测、空间开发和其他有特殊要求的多星发射及轨道部署等发射需求。

新一代运载火箭先进上面级系统组成复杂、技术要求高、使用条件严、控制状态多，对测发控系统的可靠性、先进性和时效性提出了更高的要求，目前以VXI总线为基础的测试系统已不能满足新体制对地面测试系统的要求。因此，采用新的测试技术和仪器，设计一种功能集中、结构紧凑、信息集成的一体化测发控系统，为新一代运载火箭先进上面级任务的顺利执行提供保障具有重要意义。

1 先进上面级地面测发控系统一体化设计动因分析

图1 先进上面级电气系统总体框架

为了实现航天发射场的信息化建设，我国提出了“发展数字航天”的目标，其中天地信息网络一体化是“数字航天”的重要内容[9]。对于测发控系统而言，其主要内容就是实现箭地测发控系统功能、结构及信息处理的一体化。

目前先进上面级采用1553B作为数据交换总线，实现了先进上面级电气系统的一体化设计，使电气系统方案具有良好的通用性、独立性和适应性。先进上面级电气系统的总体框架,如图1所示。

1553B总线在大大简化箭上设备接口与箭地接口、提高电气系统可靠性、降低研制成本的同时，对地面测发控系统的测试流程、测试设备和测试信息管理模式带来一定的影响，尤其是箭地接口的减少，在客观上限制了地面测发控功能[10]。在箭上实现了信息一体化之后，如何实现地面测发控系统的一体化，进而实现箭地信息一体化，成为先进上面级急需解决的难题。

新一代运载火箭先进上面级作为未来一种重要的轨道转移运输飞行器[11]，在未来的军事斗争准备中，快速发射成为其必然要求。这就要求测发控系统由最基本的供配电控制向集控制、测试、分析、通信、故障定位及诊断于一体的综合系统转变，减少信息交换流程，优化测试流程，提高快速任务的支持能力。

目前我国测发控系统各自为战，各系统测试数据分散，现场指挥员难以全面了解各系统测试状态，对故障情况难以进行快速处理；指挥自动化程度低、发射效率低下，导致测试周期长[12]；获取的数据量小，测试诊断信息利用率低，不具有国内知识产权，无法满足先进上面级对测发控系统的一体化需求。根据航天发射场信息化要求和先进上面级的任务特点，通过一体化设计，提高接口的标准化，统一各系统的设计原则和方法，简化系统间的匹配设计，简化使用和技术状态控制，从而提高发射可靠性和发射效率。

2 一体化方案设计

针对先进上面级测发控系统一体化设计急需，可从以下3个方面实现地面测发控系统的一体化设计：

1) 功能集中。集发射控制、测试、分析、通信、故障定位及诊断于一体，实现从测试任务管理到发射控制、激励信号源输出、关键设备参数自动采集、采集数据显示、存储和分析的一体化/自动化，从而在提高测试效率的同时解决各系统数据分散、指挥自动化程度低的问题。

2) 结构紧凑。将隔离调理板卡、各类信号采集卡、接插件等硬件进行模块化、标准化设计，实现系统小型化，以便于功能模块的替换和功能拓展，提高整个系统的可靠性和可维修性。

3) 信息集成。实现试验数据存储、共享、判读、查询、融合、分析等功能融为一体，为实现试验数据的快速判读和趋势分析提供条件，提高试验数据利用率。

2.1 系统体系结构

在对新一代运载火箭先进上面级测发控系统一体化需求分析的基础上，根据“一体化”设计思想，构建一种集隔离调理、实时监测、发射控制、测试任务管理、远程服务、数据分析(数据共享、数据融合、故障诊断等)功能于一体的远程自动化测试方案。系统总体方案如图2所示。

图2 总体设计方案(单套)

系统由前端设备和后端设备组成，前端设备包括隔离调理机箱、采集板卡、发控板卡、激励源板卡、1553B/PCI转换接口、发控台和前端计算机，主要完成隔离调理、数据采集、发射控制、实时监测和远程服务功能。后端设备由笔录计算机和主控计算机组成，主要完成数据分析和测试任务的管理功能。各部分功能说明如下：

1) 隔离调理。对每路输入信号进行隔离、调理，使各种幅度的输入信号经隔离调理后满足采集卡的信号输入要求。

2) 发射控制。为箭上提供激励源和完成配电控制功能。根据测试程序对信号激励和配电内容的不同，在测试主程序中自动完成发控功能，从而大大提高系统测试的自动化程度。

3) 数据采集。对经过隔离调理后的各类信号进行实时采集，包括电压量和时序开关信号，如各种电源信号、负载输出信号、时序开关信号等。

4) 实时监测。对采集的信号通过阈值判断等方法进行实时判读，分析各功能部件是否正常，并通过实时显示或声音等形式输出故障监测报警信息。

5) 远程服务。通过提供指令通道和数据通道服务，实现测试的远程控制、采集数据的远程传输和分布式存储，达到前端无人值守，后端显示控制的目的。

6) 测试任务管理。根据单元测试、分系统测试、总检查测试等不同阶段的测试任务，对各项测试任务的测试流程进行编辑、修改等，系统主程序对测试流程进行自动调用，从而实现任务的自动化测试。

7) 数据分析功能。主要包括测试数据的共享和分析功能，其中，数据共享通过1553B总线实现与其他系统之间数据的共享；分析功能主要是在测试完成后，根据测试中发现的问题，对测试数据进行分析。此外，可通过将1553B监测的数据流和控制流与采集系统记录的数据流和控制流进行数据融合，实现快速故障诊断。

该一体化方案可充分利用计算机性能实现以上功能，进一步提高测试的自动化程度和测试效率，优化测试流程，为新一代运载火箭的先进上面级快速测试发射提供支持，系统运行流程如图3所示。

图3 系统运行流程

2.2 软件结构设计

为了提高测试软件的通用性和可移植性，采用基于组件的软件开发(Component Based Software Development，CBSD)方法对测试软件进行设计。针对先进上面级测试特点，基于CBSD的软件体系结构如图4所示。其中，测量功能组件(包)和面向信号仪器驱动组件是实现数据采集的关键组件。测量功能组件(包)主要包括交、直流电压测量组件，交、直流电流测量组件，时序信号测量组件，触点信号测量组件、脉冲信号测量组件等；面向信号仪器驱动组件是测试过程中实现操作仪器功能的组件，如数字万用表组件、恒流源组件、AD扫描组件、1553B驱动组件等。通过测试软件组件化设计，可以实现软件的重用，根据不同的任务需求进行软件的快速开发，具有可靠性高、开放性强、可扩充等优点。

图4 基于组件的一体化测试系统软件结构

3 关键技术分析

为满足新一代运载火箭先进上面级任务通用性强、在轨运行时间长、可靠性要求高等特点，地面测发控系统一体化设计需要攻克高可靠性、强实时性、多路数据信号采集等关键技术。

3.1 可靠性设计

先进上面级地面测试系统作为航天配套设备，对可靠性有严格的要求。系统在测试时需要长时间运行，使用环境条件恶劣，对设备的可靠性提出了更高的要求。按照发射准备时间5 h，在置信度为0.7的条件下，先进上面级对本系统的可靠性要求为0.999 3，即平均无故障时间要达到7 140.4 h，同时要求设备在允许更换部分器件的情况下寿命达到10年，如此高的可靠性给设备的研制带来了巨大的挑战。

为满足系统的高可靠性要求，在热设计、降额设计、冗余设计、抗干扰设计等方面均考虑了航天地面设备总要求。同时根据GJB/Z 35—93《元器件降额准则》要求对所有元器件进行了I级降额设计[13]。对各个元器件、单元电路、功能模块进行了充分的测试，通过应力分析法对各功能模块级的可靠性预计如表1所示。

表1 系统功能模块可靠性列表

在该系统中，当组成系统的任意一个功能模块发生故障，即定义为系统故障，因此，系统的可靠性模型为串联结构模型，其可靠性框图如图5所示。

图5 系统可靠性结构框图

根据前文的计算和系统的可靠性框图可知:系统的工作失效率为所用功能模块工作失效率之和，即系统的工作失效率为

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)

平均无故障时间为

=7 900.906 20 (h)

满足系统可靠性要求。此外，采用双机冗余模式，将进一步提高全系统的可靠性。

在软件可靠性方面主要采用组件化设计，利用成熟的组件保证系统的可靠性。在非组件软件部分则采用模块化设计思想，将软件错误局限在各个模块内部，避免错误蔓延，同时采用避错设计、查错设计和容错设计减少错误，提高软件的可靠性。为保证系统之间通信的可靠性，采用握手协议+CRC(Cyclic Redundancy Check)校验模式，保证数据和指令可靠传输。此外，运用软件工程化思想，对软件开发过程进行可靠性管理，确保整个软件开发过程的完整性和可靠性。

3.2 实时性问题

目前测试软件的图形界面主要利用系统自带的绘图函数，通过改变底色和文字颜色来指示按钮或开关的动作。这种方法虽然能够表现试验状态特征，但刷新时间较长，影响快速测试的实时性，无法动态显示快速测试数据的变化情况。虽然一些测试软件做过提高刷新速度的尝试，但由于在绘制界面的过程中，刷新步骤采用系统默认方式，刷新次数频繁，屏幕出现闪烁，CPU时间占用率高(平均达到40%左右)，与数据采集线程在时间分配上相冲突，容易造成数据的丢失。此外，这种绘图的效率较低，一组30～50个指示按钮刷新时间大于40 ms，易导致程序崩溃。

为适应快速测试过程对测试软件显示刷新速度的高要求，降低显示过程对数据采集主线程的影响，保证数据采集的连续性，提出了一种基于内存映射的多状态位图快速显示处理方法。通过在初始化时，将指示灯各种状态下的显示图形一次生成于内存中，包括原始资源位图的载入、输出设备关联、文字显示、尺寸调整等工作，在后续的状态刷新时只需将对应状态的显示图形直接映射到屏幕显示即可。该方法运用多通道数据采集与刷新、数据缓存和多线程技术，实现了多视图快速切换显示，提高了数据回放、定位的速度。

经测试，采集模拟信号96路(采样频率均为1 kHz)，时序开关信号128路，并进行存储、显示传输、实时判读等各种处理，软件对CPU占用率平均在5%左右，最高不超过10%，一组30～50个指示按钮的刷新时间小于10 ms。

3.3 多通道(>128路)数字信号采集

为判断箭上各设备的工作状况，在地面测试时需要对大量的时序时串信号、开关信号等数字信号进行采集，通常达到几百路，先进上面级对时序信号测试要求就达到512路，而目前航天测试对多通道数字信号采集技术仍存在一定的不足，主要表现在：(1) 时间统一性差，可扩展性不强。现有技术只能实现128通道的数字信号采集，当测试通道数超过128路时，测试系统需要安装多个128通道的数字I/O卡进行采集。由于各采集卡晶体振荡器的系统误差各有不同，导致各板卡的采集时间难以实现同步，数字信号时间基准将会发生较大偏差。(2) 智能化程度低。现有技术在多通道数据采集时，各板卡按照自身的时间基准进行数据采集，上位机需要对各板卡的总线占用时间进行协调，对测试数据进行重组和各通道测试时间重新计算，在测试系统对测试时间精度和采集速度要求较高的条件下很难达到测试要求，同时对CPCI(Compact Peripheral Component Interconnect)总线资源占用时间长，对上位机应用软件要求高。(3) 应用范围受限。现有技术中，各输入之间没有实现完全的电气隔离，输入信号均使用相同的公共端，严重限制了其使用范围。

针对当前多通道数字信号采集存在的问题和地面测发控系统急需，本系统设计了一种智能式多路数字信号隔离调理采集方法，通过采用一个综合管理模块带多个信号隔离调理模块的“一带多”设计方法，实现了对多达1 024路数字信号的高精度采集，总体设计方案如图6所示。其中，隔离调理模块主要包括128路隔离调理电路、板卡选择电路和相应接口，实现输入信号与测试系统的电气隔离和电压匹配，并根据综合管理模块输出的板选信号按顺序向其发送本模块采集到的128路数字信号；综合管理模块主要包括总线管理电路、FPGA(Field-Programmable Gate Array)及其外围电路和电源电路，实现对信号隔离调理模块的控制管理，采集信号的滤波、智能分析和按要求输出。

由于本系统所有测试数据只通过综合管理模块向系统上传，所有通道的测试数据均由综合管理部分的高精度晶振进行时间统一，因此，在对多达1 024通道的数字信号进行采集时具有很高的时间精度(5×10-9)和时间统一性；在进行系统扩展时，只需在调理机箱中增加调理板卡即可，不会占用更多的CPCI插槽，在提高测试系统可扩展性的同时极大地节约了系统资源。同时，通过对各输入端口进行完全隔离，将逻辑高电平设计为14～40 V，逻辑低电压设计为0～3 V，进一步提高了系统的抗干扰能力，可以更广泛地应用于各种类型的数字信号采集测试系统中,从而扩大其应用范围。

图6 多通道数字信号采集总体方案

4 结 束 语

通过分析新一代运载火箭先进上面级对地面测发控设备的需求，设计了一种集隔离调理、实时监测、发射控制、测试任务管理、远程服务、数据分析于一体的测发控系统。针对设计方案中的可靠性问题、实时性问题和变频率采样问题进行了详细的说明，并给出了解决方案。根据该一体化方案，结合工程实际研制了实用系统，并成功应用于中国航天科技集团运载火箭技术研究院的先进上面级分系统测试和综合测试中。2016年11月3日，在CZ-5运载火箭和远征2号上面级火箭的首飞过程中，尤其是在面临发射多次推迟的情况下，系统经受住了考验，有力保障了上面级火箭任务的顺利实施。实际应用证明:该系统在一体化、通用化、小型化、自动化和高可靠性等方面具有优越的性能，满足先进上面级对新一代运载火箭地面测试发控设备的需求，具有强大的数据分析功能，并且具有国内自主知识产权，对新一代运载火箭先进上面级任务的成功执行提供强有力的保障。

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(编辑：李江涛)

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

部委级资助项目

解维奇(1987—)，男，讲师，博士，主要研究方向为航天测试。xieweiqi480@163.com