CZ-2F运载火箭远程辅助测试系统的设计与应用

王之平，黄 晨，王铭瑶，穆 晖，刘 烽

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

目前，中国现役运载火箭在发射场执行测试及发射任务时，为提高发射可靠性，需要大量设计人员赴现场进行技术支持与服务，造成设计人力资源浪费。传统的本地测试模式已经不能适应未来运载火箭高密度发射的任务需求，急需研制运载火箭远程辅助测试系统。远程测试是指被测对象与测试人员和测试设备处于不同的地域，它们之间少则相距几千米，多则相距几百上千千米。测试中的激励和响应数据均通过特定的链路来传输。运载火箭远程辅助测试系统能够使得火箭测试人员在后方完成数据判读、数据分析、发射支持等之前只能在发射场完成的工作，极大地减少火箭测发队伍规模。另外，基于后方强大的专家团队和服务资源，能够进一步提升测试的准确性和问题的排查效率。

目前远程测试已经成为了运载火箭测发技术的一个重要方向，本文首先介绍了国内外远程测试技术的发展，然后详细描述了CZ-2F运载火箭远程辅助测试系统的方案设计与应用。

1 发展情况

1.1 国外发展情况

a）SpaceX公司。

美国SpaceX公司的猎鹰-9火箭在设计之初即考虑了远程测试的需求，通过采用自动测试和远程测试技术，猎鹰-9火箭最大化地减少了测试项目，从而实现了16.5天的快速发射。

美国SpaceX公司将自动化、信息流、工作地点与团队配合进行综合考虑，实现了前后方人员的优化配置和发射任务的快速响应，保持了工作能力的可持续性。猎鹰-9火箭每次发射任务在发射场的工作人员约为三、四十人，工作地点位于发射区外部附近的发射控制中心。另外，绝大部分员工（包括火箭的设计和制造队伍）在加州公司总部的任务控制中心工作，负责猎鹰火箭发射过程中的遥控与运行管理。这种测试模式使后方技术人员能够快捷地获取火箭的数据信息，减少了发射场人员数量，提高了技术人员的研发和任务保障能力，促进了公司资源的有效协调利用。SpaceX发射控制中心布局如图1所示。

图1 SpaceX发射控制中心布局Fig.1 SpaceX Launch Control Center Layout

b）艾普斯龙火箭。

2013年9月，日本艾普斯龙发射成功，艾普斯龙为日本新一代智能火箭，通过采用远程测试系统，通过两台笔记本即完成了火箭自动化测试发射。另外，远程测试系统还将传统需要上百人才能完成的出厂测试和发射场测试，简化为数十人即可完成的工作。

日本艾普斯龙火箭为三级固体小型火箭，长24 m、直径2.6 m、质量91 t，能够将1200 kg的有效载荷送入250 km×500 km的近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）。艾普斯龙火箭设置了远程发射支持系统，在发射场的后端测控系统可以通过远程高速网络得到发射场控制中心、遥测通信站以及工业设计部门技术人员的实时数据支持。

c）其他。

2008年2月10日，国际空间站的哥伦布（Columbus）舱发射成功。哥伦布舱由欧洲航天局承担研制，在研制过程中采用了远程测试技术，包括前端测试设备与后端客户端。前端测试设备位于哥伦布舱附近，用于对舱段进行测试，通过网络将测试数据发送至后端客户端，后端专家完成测试数据的分析和故障排查。哥伦布舱远程测试技术由法国Alcatel公司提供。

图2 艾普斯龙火箭远程发射支持系统原理Fig.2 Schematic Diagram of the Epsilon Rocket Long-range Launch Support System

1.2 中国发展情况

中国在远程测试技术已有多年实践应用，在电力、通信日检维修已实现工程实施。神舟九号飞船任务期间，通过远程测试系统，实现了发射场关键数据的远程判读和发射场工作的远程支持，有力地保障了首次载人交会对接任务的圆满成功，也建成了一体化集成测试平台和发射场远程测试平台。运载火箭远程测试中心于2018年正式投入使用，保障了多次发射任务。

1.3 小 结

纵观国内外远程辅助测试技术的发展，均是围绕着实现远程数据监测以及依托后方工业部门的强大资源实现数据深度分析这两个目标进行的建设。远程辅助测试系统通过打通前后方的信息通路，使得后方设计保障队伍能够获得与前方队伍等同的信息，在依托远程数据监测的基础上，实现数据的统一管理。通过大数据分析，对同一发次、不同阶段的数据、同一型号、不同发次的数据、不同型号间的相似数据进行横纵向比对，实现对故障先兆的深入挖掘。此外，考虑到运载火箭数据有一定的保密性要求，数据及信息传输的安全风险也是需要考虑的问题。

2 远程辅助测试系统的方案设计

2.1 系统功能及组成

CZ-2F运载火箭所使用的远程辅助测试系统功能示意如图3所示，主要包括网络拓扑架构、信息传输及管理系统和信息安全系统3部分。

图3 远程辅助测试系统功能Fig.3 Remote Auxiliary Test System Function

2.2 网络拓扑架构设计

网络拓扑架构主要包括数据传输网络、音视频传输网络和电话网络3部分。其中数据传输网络的主要功能为完成前方入网设备与后方远程测试大厅设备间数据信息的交互；音视频传输网络的主要功能为完成前后方音视频信息的交互；电话网络的主要功能为实现前后方电话通信。

考虑到远程辅助测试系统需要尽量不改变目前运载火箭前方设备的状态，因此需要通过配置前方数据管理工作站实现数据的传输，前方数据管理工作站通过浏览交换机获取火箭测试网的测试数据，然后通过防火墙发送至后方。用于连接前方需要新增的管理设备和安全类设备等。同时需要做到数据传输、音视频传输和电话网络的分离。网络拓扑架构如图4所示。

图4 整体网络拓扑图Fig.4 Overall Network Topology

因此，对于运载火箭前方测试系统，需要新增的硬件设备包括前方加解密机、防火墙、远程测试网络交换机、数据管理工作站、安全隔离区、入侵检测设备、音视频设备、音视频交换机、音视频工作站及电话等。后方采用以多台服务器集群形成的、具有一定规模的云服务器为主，特定功能的服务器作为补充的实现方式，另外还需要包括后方加密机、交换机、防火墙等。

为方便布置与管理，从设计上减少耦合因素的影响，前方网络在接入加密机之前，将数据传输网络和音视频传输网络分离，进入后方网络后，采用不同的服务器进行数据接收。电话网络采用专用电话线，独立于数据传输网络和音视频传输网络。

2.3 信息传输及管理设计

远程辅助测试系统传输信息，主要包括火箭测试过程中产生的数据，以及发射场音视频及环境参数和会议信息等，为火箭测发过程提供支持。

信息传输及管理主要包括数据传输软件和数据管理软件两部分。由于专用网络与民用网络之间涉及安全隔离区及其他保密要求，前方测试数据无法直接通过即有接口进行传递，只允许通过UDP单播形式将前方测试数据传回北京，因此将数据传输软件部署在前方，将前方实时测试的数据通过网络传回后方远程辅助测试系统。数据管理软件部署在后方服务器云平台上，包括服务端与客户端，软件同时接收各型号前方测试数据进行实时监测，并提供数据超差告警提示、历史数据趋势分析、火箭测试数据判读等分析服务，能够实现多型号火箭测试数据的并行监测。

音视频传输目的是实现对于发射场现场的音视频覆盖。在高清画面的支撑下，可以实现综合展示、故障定位、分析、研讨及排故，完成视频会议与发射场监控的融合。具备在发射场全程任何工位快速采集信息并在发射场会议大厅、后端会议大厅同时召开现场视频会议的能力，视频会议的召开同时可以将任何一个现场操作工位和相关数据、视频、音频等信息通过快速现场视频会议部署系统传递至后方视频会议大厅。同时实现前方发射场已有的视频会议系统与后方会议大厅的视频会议功能，供后方设计师及专家在后方会议大厅指导、监控现场工位及操作流程。为了后方同步监测前方各项视频信息，将发射场测试大厅终端桌面信息及各系统桌面信息以及发射场监视信息进行汇总，发送到后端大厅供专家判断决策使用。为避免音视频数据处理对火箭测试数据的传输造成影响，后方对测试数据和音视频数据分别进行处理和存储。

2.4 信息安全系统设计

为了确保信息安全，远程辅助测试系统采用了3层安全保密设计，分别为加密机实现对数据的加密、入侵检测设备实现对非法接入的预警、安全隔离区实现对前后方网络的物理隔离。信息安全系统组成见 图5。

图5 信息安全系统组成框图Fig.5 Block Diagram of Information Security System

前后方加密机采用专用KEY进行身份识别，配套使用，实现对数据的加密和解密。前方在交换机上部署入侵检测设备，实时监测网络状态，入侵检测设备是一种集成化的终端安全管理平台，旁路接入前方浏览网络，无需对前方网络状态进行更改。入侵检测设备具有威胁展示、流量统计、日志报表等功能模块，能够帮助用户查看、处理网络系统受到的威胁，显示系统各个引擎的流量信息，允许管理员自行配置日志报表并查看等。入侵检测设备与前方网络中已经部署的防病毒系统、物理防火墙设备共同支撑起了前方网络的信息安全屏障，能够满足测发网络防控病毒、控制数据流向、检测网络威胁的安全需求。安全隔离区由两个网闸和中间的服务器组成，网闸通过通断控制，同一时刻仅允许一个服务器与一个方向的网络连通，实现前后方网络的物理隔离。

3 远程辅助测试系统的应用

目前采用该方案的CZ-2F运载火箭远程辅助测试系统已经于酒泉发射场初步建设完成，有力地保障了CZ-2F Y12、Y13载人发射任务的圆满成功。主要实现了以下应用：

a）远程数据监测。

实时监测火箭各系统测试数据，包括测试项目、测试状态、测试参数量和测试模拟量及遥测数据等信息。对测试信息进行层次化和结构化显示，实现对各型号各系统测试信息的直观判断。

b）数据实时判读。

实时根据各参数判据实现参数超差报警提示；根据不同测试阶段、不同测试状态自动设置关键参数判据且提供多门限判读；能够对各型号各项测试数据进行可视化显示。

c）信息管理。

对火箭测试发射过程中的各种信息进行集中管理。提供实时测试数据存档功能；分类保存每一次测试期间的全部测试信息，供测试结束后查询使用。

d）进程监测功能。

完成型号总检查、发射测试状态下，远程测试系统大屏数据的显示。具备按照当前测试发射流程自动切换显示页面以及监测显示的内容。

e）原始数据存储功能。

将初始接收、发送的数据包存储为二进制源码。接收到数据后，即刻存储为二进制格式文件；发出数据后，同样即刻存储为二进制格式文件。每次测试后，信息发送方，将发送到同一个信宿的数据，保存一个文件。存盘文件提供给各接收方进行比对。

4 远程辅助测试系统后续升级建设规划

在目前实现测试数据回传及自动判读的基础上，CZ-2F运载火箭远程辅助测试系统后续将按照规划逐步完成前后方网络可靠性升级、天地镜像仿真系统、远程可视化协调调度系统等，不断提高远程辅助测试系统在火箭测发过程中的作用。

前后方网络可靠性升级主要是通过采用网络自愈技术、增加前后方冗余网络交换设备、增加前后方冗余通信链路等，实现前后方信息通信的可靠性提升，确保前后方网络在一度故障下仍能够正常工作。

天地镜像仿真系统是一种基于数字孪生的沙盘系统，是建立在数字世界的、可反映物理系统真实性的数字模型，建立在对全箭的机械、电气和动力等领域系统全面、综合、真实的描述能力的基础上，具备对全箭全生命周期的映射能力，能够利用物理模型、传感器数据和历史数据等反映与该模型对应的飞行段箭体的功能、实时状态及演变趋势，从而对全箭的飞行段故障预测提供有力的分析决策支持。

远程可视化协调调度系统通过AR/VR技术，高清音视频传输技术，高延迟补偿技术等，实现能够在任意工位快速部署，实现音频、视频、数据采集并实时传送至会议大厅，动态收集实施问题信息。同时后方的专家能够通过AR设备实时指导前方人员操作，同时图纸、文档等信息也能够实时同步到前方测试现场。

5 结束语

随着远程辅助测试系统的不断完善，运载火箭全生命周期的生产工作、测试工作、发射工作必将实现远程协作与异地协同，系统数据全局把控，故障远程诊断，全面提升研制效率，降低生产成本建设，对运载火箭全生命周期的研制产生重要影响。