航天外测安全系统快速测试发射控制系统设计

2022-04-25廖梁兵李军

电子元器件与信息技术 2022年3期

关键词：综合测试单机控系统

廖梁兵李军

（中国西南电子技术研究所，四川成都 610036）

0 引言

航天外测安全系统完成运载火箭的高精度轨道参数测量和安全控制，系统由地面测控站、箭载外测安全系统单机和测试发射控制系统（下文简称“测发控系统”）组成。

外测安全测发控系统主要完成箭载单机单元测试、等效测试、分系统测试与控制系统、遥测系统、利用系统、故障诊断系统和动力系统等的匹配测试以及各项大系统测试[1]。上述测试数据将作为火箭工作状态判定的依据。

近年来，我国航天发射任务趋于密集，这对测发控系统提出了更高的要求，实现航天外测安全系统的快速展开、快速撤收和全自动快速测试迫在眉睫。在此大背景下，本文设计了一种全自动快速测发控系统，该系统基于野战包装箱进行设计，采用全数字化和网络化[2]技术，实现了外测安全系统测试的全自动化及快速化，极大地提高了测试效率及可靠性，为航天高密度发射任务的完成提供了有力支撑。

1 运载火箭外测安全测发控系统研究现状

1.1 测试项目

外测安全系统需要完成如下测试项目。

（1）箭载单机单元测试。箭载单机包括连续波体制应答机、脉冲体制应答机、安控体制设备、卫星通信设备、控制器和配电器等。对上述单机的单元测试项目包括：工作频段、发射功率、接收灵敏度、动态范围、误码率、状态上报信息等。

（2）等效测试。箭载单机单元测试完成后，外测安全系统将参加分系统及后续大系统测试，为确保测发控系统工作正常，需要用等效器模拟单机进行测试，确保流程执行正常。

（3）分系统测试。保证箭载单机指标满足系统要求后，外测安全分系统以模拟系统零时信号为基准，在统一流程时序的控制下，各单机完成加电、信号发射、信号接收、信号判读等工作，确保分系统满足大系统的使用要求。

（4）匹配测试。大系统测试需要各分系统在统一的时序下协同工作，外测安全分系统与控制系统、遥测系统、利用系统、故障诊断系统和动力系统等存在通信接口，需要完成与上述分系统的接口匹配测试，保证大系统测试流程的顺利执行。

（5）大系统测试。分系统测试及匹配测试完成后，为全面检验运载火箭发射状态，需要进行各项大系统测试。外测安全分系统根据大系统流程，执行规定动作，配合完成火箭发射状态全面检验。

1.2 测发控系统功能需求

测发控系统需要完成箭载单机单元测试、等效测试、分系统测试、匹配测试及大系统测试。现阶段，测发控系统普遍采用分立系统架构，即每一种箭载单机采用单独的测试设备和标准仪器进行测试，每一种单机均需要独立的操作人员，测试及流程协调较为复杂。单机测试数据独立，对测试结果查询、分析、保存也带来诸多不便[3]。

图1 传统测发控系统设备组成

为解决上述问题，对测发控系统提出了以下需求。

1.2.1 传统分立设备向一体化集成架构演进的需求

传统分立测试采用分立的测试设备，测试速度慢、测试流程复杂、数据处理难度大、和数据中心数据共享不便，难以满足航天高密度发射要求。采用一体化集成架构，将原分立测试设备通过网络和光链路组成一个有机整体，完成包含单元、等效、分系统、匹配及大系统测试在内的全流程测试[4]。采用一体化集成架构的测发控系统，功能及设备集成度高、配置灵活，便于计算机系统灵活控制。

1.2.2 自动化、快速测试需求

航天外测系统单机种类繁多，单机指标较多，每一种单机都需要配备专门的测试人员。运载火箭测试流程须按照严格的时序关系，对测试人员的专业水平提出了很高的要求，同时测试过程和事后数据判读都需要耗费大量时间，难以适应航天高密度发射需求，急需实现测试的自动化和快速化[5]。

1.2.3 快速部署需求

目前，我国航天发射密度不断提高，部分型号要求具备野战能力，这就对火箭出厂、靶场测试速度和可靠性都提出了更高的要求，航天外测系统需要具备快速部署能力，即测发控系统运输方便，能适应各种运输场景，同时展开和撤收速度快，系统可靠性高。

2 全自动快速测发控系统设计

2.1 系统架构设计

针对航天外测安全系统全自动测试、快速部署测试需求，测发控系统采用先进的计算机测试技术作为核心，配合网络技术、射频光传输技术、测试模板设计技术、高集成度设计技术、野战包装技术，构建全自动测试系统。

快速测发控系统由中心测控计算机、光传输系统、供配电设备、单机综合测试设备组成。测控计算机是系统控制处理中心，完成流程的编制、加载和下发。单机综合测试设备包括单脉冲体制综合测试设备、双频体制综合测试设备、安控指令接收机综合测试设备、卫星通信综合测试设备和等效器等。

图2 全自动快速测发控系统架构

2.2 全自动测试流程设计

测发控系统首先需要完成单元测试和等效测试，随后需要严格按照火箭发射时序完成分系统测试、匹配测试和全系统测试。同时，为了满足系统排查故障等需求，需要实现流程可装订。

快速测发控系统设计了高效的测试流程。用户首先输入认证用户和密码，认证通过后即可开始测试。用户可对单元测试、分系统测试、匹配测试和全系统测试流程进行装订，装订好的流程会自动生成配置文件，测试过程完全按照装订好的流程进行，测试完成后会自动生成测试报告，判断参数超差，并据此进行故障诊断。

2.3 快速部署测发控架构设计

随着航天发射密度的提高，特别是部分型号提出了野战的需求，对测发控系统测试速度和可靠性都提出了更高的要求。在实现全自动测试的同时，还要求测发控系统运输方便、展开和撤收迅速。

针对上述需求，测发控系统进行了快速部署设计，具体措施包括以下内容。

（1）测发控系统各组成设备均采用小型化设计。对各设备内部模块及整机进行小型化设计，缩小体积，降低重量。

（2）根据设备功能划分安装机箱，对设备进行总体优化设计。对接口联系紧密的设备，安装在同一个野战机箱内，该机箱重量轻，滚轮可拆卸。机箱进行减震设计，可适应飞机空投、铁路、公路、水运等运输场景。

（3）同一个机箱内部设备的电缆均锁定，系统展开时，只需要连接机箱间的少量电缆，大大提高展开和拆收速度。

由于设计了快速测发控架构，系统展开和撤收时间均缩短为10分钟，为未来更高层次的应用奠定了基础。

2.4 可靠性设计

由于测发控系统集成度和自动化程度大大提高，同时具备快速部署能力，对系统的可靠性提出了更高的要求。在设计中，为提高可靠性，主要采取如下措施。

（1）根据系统可靠性指标，进行单机指标分配，对于关键插箱、电路、元器件，进行冗余设计。

（2）元器件厂家及型号严格在选用目录中选取，并采用相应的筛选规范。

（3）为适应各个应用场景，将机箱、设备、电路板进行加固、减震和三防设计。

3 系统关键技术分析

3.1 先进的数字化综合测试架构

测发控系统测试单机采用先进的数字化综合测试架构，能完整地对单机指标进行测试，且测试流程实现了自动化。数字化综合测试设备覆盖了连续波体制应答机、脉冲体制应答机、安控指令接收机、卫星通信设备等单机。传统的单机测试采用分立架构，使用独立的发射机、接收机、校零设备、测试台及标准仪器，测试效率较低，测试流程复杂，数据分析和处理不便。数字化综合测试设备采用基于工业总线设计的先进测试架构，实现了全自动化测试，大大提高了测试效率、降低了系统复杂度，便于大批量生产[6]。

3.2 基于光信号的远距离传输技术

靶场测试分为技术厂区和发射阵地两个部分，对于航天外测系统的发射阵地测试中，设备布局在后端测试间和火箭前端测试间，两个测试间的距离经常在1.3公里以上。在传统的测发控系统中，后端和前端信号通过高频电缆进行连接，高频电缆数量多、信号损耗大、时延大，导致电缆网复杂，可靠性不高，高频电缆对信号的损耗常常限制了设备的灵活部署和应用。全自动测发控系统用先进的光设备进行信号传输，大大简化了系统连接，极大地加快了部署速度，提高了系统的可靠性和灵活性。