载人火箭地面测发控系统改进技术

王海涛，刘 烽，常武权，彭 越，徐喆垚

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

地面测发控系统是对运载火箭箭上系统进行地面检查测试并实施火箭发射控制的系统总称。地面测发控系统一般由供配电设备、测控设备、发控设备、信号采集传输设备、网络设备、计算机、应用软件等组成，对于完成火箭的测试和点火发射任务至关重要。

CZ-2F火箭是中国唯一在飞的载人运载火箭，正在实施空间站建造任务，其地面测发控系统不仅要保证载人火箭可靠测试与发射，也要确保航天员在待发段的安全。空间站建造运营阶段，每发任务都环环相扣。随着时间的推移，发射任务中地面设备呈现出问题多发的态势，设备产品老化，维护难度增加，智能化程度不高，并且箭上技术状态的部分调整将涉及地面设备的变化。为提高测试效率，满足后续载人航天发射的需要，亟需开展载人火箭地面测发控系统改进。

1 运载火箭地面测发控系统的发展

1.1 国外测发控系统发展

通过美国Ares I、Falcon 9、欧洲Vega、日本Epsilon等国际主流运载火箭地面测试发射技术发展研究，可以看出国外运载火箭地面测发控系统普遍采用后端计算机+服务器，前端采用供电+测控设备，前后端通过网络连接的系统架构，从功能上一般分为指挥控制、应急控制和健康管理（故障诊断），从地域上一般分为现场发射控制和远程技术支持。运载火箭测发控系统有以下几点特征：

a）地面测发控集成化设计，能够减少地面设备规模，有效降低硬件成本和人力资源成本。

b）箭地测发控统一化设计，箭上具备单机自测试能力和系统自测试能力，地面测发控设备通过标准的网络接口负责发送测试指令和接收测试数据，多采用数字通信，开关量和模拟量信号逐步减少。

c）地面前后端网络化设计，通信以以太网为主，并部分采用实时地面网络；前端测控设备采用专用工业总线连接，地面测试中无线通信应用逐步增多。

d）测试与发射自动化设计，能够缩短发射测试准备周期，从而提高发射效率，已基本实现射前流程的自动化和前端无人值守操作，确保了发射区操作安全性。

e）测发控系统智能化设计，具有完善的故障诊断功能，对测试及发射过程中进行实时监控，发生故障时能够及时自动中止发射流程。同时具备异地远程发射支持的能力甚至远程控制发射的能力，能够充分利用人力资源远程提供故障定位、指挥决策的支持。

1.2 中国测发控系统发展

通过对中国火箭地面测发控应用模式和技术特点分析，中国运载火箭地面测发控系统，从近距测控发展至远距离测控，自动化测试水平不断提升，可以看出地面测发控系统的基本架构与国外基本一致，主要技术方案如下：

a）传统火箭各系统独立模式的地面测发控系统，地面独立配套电源，采用有线测控PLC+VXI，独立检测站，箭地通讯采用RS422串口、前后端以太网通信；

b）传统火箭统一测发控模式的地面测发控系统，按系统独立配置电源冗余1+1备份，采用有线测控PLC+PXI，独立检测站，箭地通讯采用RS422串口、前后端通讯为以太网，测发控软件为一体化测控软件；

c）新一代火箭地面测发控模式基本同传统火箭，包括各系统独立模式和统一测发控模式，只是箭地通信采用LVDS、1553B。

与国外运载火箭地面测发控系统相比，中国运载火箭地面测发控系统还存在设备规模大，操作复杂，操作人员多，测发数据自动判读水平低，异地远程技术支持功能不足等问题，已不适应高密度，高质量，高效率，高效益的型号任务需求。

2 载人火箭地面测发控系统改进设计原则

地面测发控设备在使用中，不可避免地受到温度、电磁、机械的应力和振动、灰尘等各种因素的作用造成损伤，发生老化与失效问题，而且随着技术发展和产品更新换代，现有计算机驱动和硬件备件都难以维护，为了保障后续空间站任务顺利完成，综合考虑载人火箭的特点和运载火箭地面测发控设备发展，提出载人火箭地面测发控系统以下设计原则：

a）可靠性：继承原有设计经验，借鉴新型号设计经验，采用成熟度高的技术，不低于原有测试发射可靠性；

b）安全性：加强涉及产品和人员安全的设计，提高射前无人值守水平；

c）适应性：为适应应急救援，满足应急救援测试需求，仅对地面测发控系统进行重新设计，避免影响箭上各系统。根据箭上各系统的技术状态变化，可对箭地接口进行适应性更改；

d）经济性：各系统考虑通用性，共性设备统一化设计，减少设备种类。同时考虑系统内与系统间进行设备整合，减少设备数量；

e）快速性：提高测发控设备的自测能力，采用模块化组件，便于快速维护；减少状态转换，减少人工操作，提高对箭测试自动化水平；

f）信息化：各系统箭上产品与地面设备测试全流程信息上网统一管理；

g）智能化：分系统、匹配与总检查测试实现全自动判读，在射前监测的基础上，支持开展全箭故障诊断与辅助决策应用。

3 载人火箭地面测发控系统改进总体方案

运载火箭地面测发控系统一般按前后端进行布局，前后端设备之间通过光纤完成信息传输。前端设备主要完成箭上各系统的配电、测试状态控制、监测；后端的主控计算机、发控台等设备通过网络、光纤等链路对前端设备进行控制，完成对运载火箭箭上产品的控制和测试，并与发射场相关系统配合，完成火箭的测试和点火发射任务。

载人运载火箭地面测发控系统采用远控方案，地面测试设备按照系统功能主要划分为以下6个部分：

a）控制利用测发控系统；

b）遥测测发控系统

c）外安测发控系统；

d）故检测发控系统；

e）总体网系统；

f）动力系统。

载人运载火箭原有地面测发控系统采用各系统独立模式，与其他型号不同的是为满足发射区和技术区测试，技术区和发射区各一套前端地面设备，共用一套后端地面设备的模式。新研制的地面测发控系统的总体方案继承前期的测发模式和指挥控制体制，改进方案如图1所示。

图1 地面测发控系统原理方案Fig.1 Principle Scheme of Test and Launch Control System

各系统前后端远距离通讯统一实现，前端和后端各配置两台光端网络交换机，采用热备份的冗余方式，参与前后端通讯的设备都挂在光端网络交换机上。各系统软硬件设计统一选型，关键测发控设备采用主从冗余设计，具备自动、应急两种操作方式，保证地面测发控系统的高可靠性。同时利用网络技术和计算机技术增强指挥控制的自动化，增强硬件和信息资源的共享，提高测试过程中测试信息实时浏览和监控能力。

在前期方案的基础上新研制的地面测发控系统主要变化如下：

a）由于VXI的测试设备体积大、价格昂贵，已经趋于淘汰，维护成本高，PXI测试系统替代VXI测试系统，集成度高，系统带宽显著提高，适合多通道，高速率采样。PXI设置在前端，为提高可靠性采用双PXI冗余设计。同时取消VXI发控，可采用双PLC发控冗余设计，双PLC设置在前端；

b）为了提升动力系统的自动化测试监测能力，实现加注期间前端无人值守，配气台增加自动控制功能，自主完成射前贮箱增压、气脱管路充气及气管脱落。同时具备推进剂温度、贮箱压力、气体压力等测量及监测，加注信息采集及显示的能力；

c）后端采用云平台技术将测试判读计算机集成化设计，避免各系统测试判读计算机数量较多，各种计算资源无法进行优化与统一分配的问题。后端各系统浏览微机采用瘦客户方式进行接入访问，大幅减少传统计算机数量；

d）为了满足发射区塔架各系统介入网络的需求，增加塔架交换机组，实现控制、故检等系统网络信息的延伸与扩展；

e）为适应应急救援的需求，技术区东西厅均具备测试能力，能够完成一发待命箭和一发飞行箭的测试；

f）为提高测试经济性，改进各系统通用测试设备技术状态，新研测试锂电池、导通绝缘测试仪、火工品回路阻值测试仪、空调监测及实时监测视频系统。

4 载人火箭地面测发控系统改进技术

4.1 可靠性进一步提高

载人火箭地面测发控系统将可靠性设计始终放在第一位，但是在实际应用中可以看出地面设备的质量问题仍然多发。随着新技术的发展，在继承原有技术的基础上，充分借鉴新一代运载火箭上成熟应用技术，开展地面测发控系统的再设计。新研地面测发控系统加强元器件质量管控外，进一步采取测发设备冗余设计和系统间解耦设计等提高可靠性。

a）测发设备冗余技术。

冗余设计是消除单点，提高系统任务可靠性的重要措施。各系统原采用基于VXI测发控模式，而VXI组件已经趋于淘汰，其他型号已不再使用，通用性不足，维护成本高，并且只有控制系统前端发控设备中采用PLC与VXI异构型冗余设计。为此更新改造中各系统前端采取性能更优、应用更广的双PXI自动测控组合方式提高系统可靠性，各系统两套PXI测试机箱接收主控计算机的测试命令，完成数据采集、加指令等工作，并将需要实时监测的信号回采，完成监测和记录功能。

减少系统间耦合，取消非必要关联，能够减少系统设计的复杂性，同时提高系统应用的灵活性。原有设计中动力系统完成增压、气脱作为控制系统测发流程继续的条件，飞船系统的有效载荷好信号作为摆杆摆开的逻辑控制条件，因此需要考虑相应的控制线路设计，等效测试设备的设计，应急处置功能设计，无形降低了系统可靠性，而动力系统配气台改进后具备自主完成增压、气脱的能力，飞船系统工作正常可以在指挥流程中确认，因此新研地面测发控系统取消这些系统间接口，优化系统设计，减少了约束条件，可以更灵活的处置应急情况。

4.2 一体化进一步加强

地面测发控通过一体化设计能够加强信息互联，实现更高水平的自动化测试与诊断，能够改变地面测试设备体积庞大、测试连接电缆繁多、电缆和接插件检查等工作项目多效率低、系统恢复时间长的状况。一体化设计是实现更快速测试与发射的发展趋势。但是由于载人火箭地面测发控系属于传统分立模式应用于箭上各分系统，为此在新研地面测发控系统中开展了改进研究，从系统间和系统内两个维度最大限度进行一体化设计。

a）系统间一体化技术。

系统间一体化设计核心是在兼容各系统共性的前提下包容个性，针对传统分立模式向一体化模式改造，需要比较分析一体化系统间的特征，包括硬件设备，信息交互，流程匹配等内容，通过梳理载人运载火箭地面测发控将控制与利用系统进行一体化设计。原控制系统采取VXI和PLC并联的模式，利用系统采取两套PLC并联的模式。为了整合控制、利用系统的发控功能，减少通信链路转接，降低软件复杂度，取消VXI发控、取消前端利用PLC，前端采用两套PLC，采取主控计算机直接控制前端PLC的自动发控方式，实现控制、利用系统的一体化发控。

b）系统内一体化技术。

系统内一体化设计主要考虑共性设备统一化设计，减少设备数量，也能降低成本，在设计过程中主要考虑设备功能综合化，功能设计模块化，结构小型化等方面。针对外安系统地面双频测速应答机综合测试设备、单脉冲相参应答机综合测试设备统一设计为一体化外测综合测试设备，由4个4U机箱精简为1个5U机箱。利用标准的体系架构、信号处理、软件定义等技术手段，在一个标准的机箱内实现了所有功能的集成，设备展开灵活，使用方便。

4.3 网络化进一步延伸

运载火箭地面测发控网络是各系统间重要的信息传输通路，前期载人火箭地面测发控系统通过总体网4台交换机构成千兆光缆环形连接，实现网络核心层冗余的网络系统，完成各系统前后端及各系统间的实时信息交换，包括各分系统测试状态和测试参数的实时采集，测试数据的发送、接收、转发等功能。随着网络技术的发展和应用需求的增长，新研地面测发控系统从有线网络延伸发展到了更为灵活的无线网络。

经历这些环节之后，孩子们再学《水上飞机》一课时不仅能对“茫茫的大海”有清晰的认知，而且第一次读就读出了画面的感觉。

a）远程有线网络技术。

为提高载人运载火箭发射场测试效率，减轻发射场人员技术保障压力，提高测试数据综合利用水平，打通前后方信息交互链路，在火箭进入酒泉发射场后使部分工作人员在北京即可开展远程测试发射支持工作，实现测试数据的实时监视及事后判读的基本功能。新研地面测发控系统开展远程测试网建设，通过新增解密机、防火墙及入侵检测系统等，实现酒泉与北京的远程协同。提高火箭测试发射的工作效率和质量，同时在后方通过组织专家人员支撑前方完成复杂技术问题的快速排查与定位，为前方提供技术辅助决策。

b）传感无线网络技术。

原有全箭空调环境监测系统在靶场工作流程繁琐，包括铺设电缆、布置测点、测试设备发射区技术区来回搬运、撤收电缆、前端人员长时间监测等工作。从简化靶场发射流程、实现前端无人值守等方面考虑，新研地面测发控系统全箭空调环境监测系统，传感器数据收集采用无线方式传输，所有监测传感器均为无线数据传输方式，实现温湿度数据的远端管理，可在计算机界面程序中进行显示、查询、存储，报表输出，使全箭空调环境监测更为便捷。

4.4 自动化进一步拓展

自动化测试能提升测试效率，节省测试时间，提高测试准确性，减少人为因素影响，地面测发控系统采用自动化测试技术的同时也向智能化方向发展，目前已实现对采集的测试数据实时监测判别，在数据异常时报警提示。通过分析，针对现有测发控系统又从测试无人值守和智能测试判读等方面拓展自动化水平。

a）测试无人值守技术。

无人值守可以减少人工操作，提升火箭测试发射质量，确保人员安全性，对于测发控系统从指令发出，到信号采集，再到信息判断都应从自动化角度开展设计。原有的控制系统时序测试功能通过大量电缆分别将时序信号集中到I级和II级电爆管等效器，驱动继电器动作，点亮对应时序的指示灯，再通过人工观察和摄像记录的方式检查时序信号是否依次发出，可靠性和时效性不高。更新后使用时序测试仪将原有时序集中测试的模式更改为分布式测试，测试仪之间通过LAN传输和IEEE1588时间协议的同步来达到测试要求。实时接收所有火工品的时序信息，对测试结果进行初步的存储和处理后，送至后端的综合数据处理计算机，实现对时序测量结果的自动判读。

b）智能测试判读技术。

载人火箭传统的测试判读主要依赖于人工判读，原有判读平台可进行简单的数据绘图处理，但大量判读工作需将测试数据导出进行二次处理，因此现场判读效率低，测试数据深入分析滞后，工作量大。新型地面测发控系统改进了判读平台，开发了专用数据分析语言，具备较强的判据描述能力及基本的数据计算与分析能力。实现了面向模型的智能测试判读，通过数学建模的形式模拟箭上的实际处理过程，以箭上实际输入作为数学模型的输入，计算得到箭上输出参数的理论值，将理论值与箭上输出参数的实际值进行比对判读。将判据和模型集成到了判读平台中，并能实现判读报告的自动生成，显著提升了测试判读效率。

5 结 论

本文针对载人火箭地面测发控系统目前所面临的产品老化，技术落后的问题，根据载人火箭的特点形成了载人火箭地面测发控系统改进设计原则，提出了改进总体方案，从可靠性、一体化、网络化、自动化 4个方面详细论证了其改进技术，新型载人火箭地面测发控系统将能够满足后续空间站任务运营的需要。