一种适用于部段级测试需求的可重构 运载火箭地面测试系统

王淑炜，张素明，刘巧珍，黄 晨，卢 頔

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

中国运载火箭领域目前已形成按照传统分工（如控制系统、测量系统、动力系统等）各系统分别进行地面测试系统设计的配套模式，进行地面测试系统的设计和实现。如长征二号C地面测试系统采用各系统独立配置方案，这种模式系统间耦合小，但地面设备复杂，存在大量重复建设的现象，且测试数据分散在各系统的测试设备中，数据综合应用程度低。而长征五号、长征七号地面测发控系统，采用“功能分布、信息共享、集中管理”的适度集成和必要分布的测试发控系统方案，对测试数据进行了集中管理和利用。可见，从中国运载火箭发展趋势来看，地面测试系统要不断适应箭上电气系统测试需求。国外运载火箭地面测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，前后端采用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。国外运载火箭地面测试系统普遍采用自动测试技术，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。同时具备远程技术支持能力，能够充分利用人力资源远程在线提供故障定位、指挥决策支持。自动化、智能化技术的应用极大地提高了地面测试系统的测试效率。

新一代运载火箭作为中国现役长征系列火箭的更新换代产品，通过模块化组合方式，实现“三化”设计，具备低成本、高可靠、测试操作方便等优点[1]。随着运载火箭的设计理念发展，地面测发由分步独立流程测试向集成自动测试和部段级并行测试转变。

本文针对新一代运载火箭的地面测试需求，设计了一种适用于分布式部段级测试的地面测试系统方案，实现测控资源统筹管理、协同工作、分散操作、集中管理、过程监控和设备诊断等目的，极大地提高了地面测试系统的自动化水平，可实现火箭近端设备远程监控，满足运载火箭在部段级、全箭级地面测试的使用需求。

1 新一代运载火箭对地面测试系统的使用需求

地面测试系统是运载火箭的重要组成部分，用以完成运载火箭的地面测试、射前监测以及发射控制。新一代运载火箭，尤其是面向运载能力更强的新型火箭，具有火箭体量大、部段级分布测试等特点，对地面测试系统提出了如下要求。

1.1 分布式部段级测试需求

新一代运载火箭采用模块化设计原则，由多个通用部段组合构成不同构型，其部段级在各自的总装地点进行装配和测试，在发射场完成整个火箭的总装和总测。因此，原有的专用型集中式的地面测试设备已无法满足新一代火箭多测试场地、不同测试工况的部段级测试需求[2]。地面测试系统需具备部段级测试能力、发射场全箭测试能力，以及可以依据测试对象和测试场景快速适配的能力。

1.2 一体化设计原则

原有的地面测试系统对应箭上电气系统设计架构，依据不同分系统的测试需求配备地面测试设备，存在设备分立、测试资源冗余配置等弊端。新一代运载火箭对箭上电气系统进行了一体化设计[3]，对地面测控系统而言，地面电气、动力相关测试发射控制功能也需要开展一体化设计，进行整个地面测控系统的统一规划、功能整合，以此来缩小地面设备规模，简化系统构成，达到快速测试、灵活部署等目的[4]。

1.3 快速测试自动流程设计

根据具体测试任务间的耦合度与逻辑约束，将复杂的测试任务分解为多个简单易处理的相对独立的子任务，通过地面测试系统统一调度，提高单位时间内设备资源利用率，降低设备闲置与测试等待时间。地面测试系统需提高自身自动化和智能化程度，通过快速测试技术[5]以及并行测试技术[6]的应用，加快测试运行速度，缩短运载火箭地面测试周期。

2 分布式地面测试系统功能构架

针对新一代运载火箭对地面测试系统的使用需求，地面测试系统开展基于功能整合的统一设计，通过统一规划、功能整合、优化设计，满足分布式测试需求。在满足部段级和全箭测试性能指标要求的同时，缩小设备规模，减少现场操作人员，实现自动化测试，缩短发射场测试时间，满足发射现场无人值守的要求；采用先进的人机交互方式，提高指控人员和操作人员的舒适性、准确性，并降低操作人员的压力；最终具备实现远程发控能力，实现远程指挥、控制和发射。

为适应新一代运载火箭对地面测试系统的技术需求，本文提出一种地面测试系统，其主要特点如下：

a）分布式：改变之前地面测试系统以功能集成化的系统构型模式，将地面测试系统的前端测控功能进行整合统筹，利用通用的分布式测控终端，将功能集中测控模式改为依据测试对象的分布式测控模式，减小系统规模，提高系统设备的通用性和可替换性[7]；

b）一体化：对于测控设备进行一体化设计，将具体的测控功能整合为通用测控设备中的功能模块，统一测控设备间的接口形式，简化系统构成模式，测控设备间通过总线或网络进行数据交互和传输，提高系统的适应性和灵活性；

c）智能化：地面测试系统通过测控网络，将分布式的通用测控设备连接起来，完成具体的测试动作。通用测控设备作为具体测试的末端执行设备，应具备远程控制、故障自检测[8]、异常上报以及任务管理等智能化功能，弱化前后端角色关系，满足新一代电气系统自动化、智能化的测试需求。

2.1 系统构架

地面测试系统主要由通用测控终端、智能测控中心、地面测试网络，以及后方的远程保障支持子系统组成。系统具体构架如图1所示。

图1 地面测试系统构架 Fig.1 The Architecture of the Ground Test System

其中通用测控终端由多个分布在不同区域的终端组成，负责完成火箭现场的信号采集、处理和控制功能。多个通用测控终端通过地面测试网络进行互联互通，并统一连接到智能测控中心，实现前方的分布式一体化智能测控。

智能测控中心完成现场测试信息的集中管理和应用，负责完成对多个通用测控终端的指挥控制，同时与后方远程保障支持子系统协同工作，完成远程排故、 远程专家支持等功能。

2.2 应用模式

2.2.1 部段独立测试模式

考虑到部段级并行测试的测试模式（见图2），前端通用测控终端设备可按照测试对象进行分组配置，后端智能测控中心按照测试地域进行配置。

图2 部段级并行测试示意 Fig.2 Segment Testing of the New Generation of Rocket

各智能测控中心统一连接到远程保障支持子系统，部段总装厂与各设计中心之间具备远程支持能力，设计人员可在远程支持中心对总装厂测试设备进行远程控制，对测试数据进行实时监测。可将测试数据和试验现场视频图像便捷的导入办公网，并推送到不同地点的设计场所，使设计人员可实现在工位桌面进行判读确认。

2.2.2 全箭测试模式

全箭测试模式的基本设计思路是前端通用测控终端采用组合化设计，部段测试时将前端通用测控终端拆分使用，全箭测试时再将前端通用测控终端组合；后端设备架构保持不变，能按照不同测试项目配置软件，按照测试岗位调整客户端数量。

总装厂、发射场与各设计中心之间具备远程支持能力，设计人员在远程支持中心对总装厂测试设备进行远程控制，对测试数据进行实时监测。

2.3 通用测控终端设计

2.3.1 通用测控终端技术特点

通用测控终端作为地面测试系统的基本构成单位，主要完成前端具体的测试控制功能。通过采用统一的软硬件架构，通用的设备接口，模块化的功能设计，可达到快速部署形成分布式测试系统的目的，满足针对不同测控对象以及测试工况下地面测试系统的通用性和适应性。通用测控终端实现以下目标：

a）通过通用化、小型化、模块化设计，实现以功能需求为导向的设备组合化构型，满足针对不同测控对象的测试控制需求，以及现场维修更换的使用要求；

b）综合应用新型总线技术，满足模块级至单机级的级联扩展要求，简化设备接口，可以针对不同阶段以及不同工况的测试需求进行快速动态重构；

c）利用智能化设计，使测控设备具备模块级的智能管理调度以及多层次的自测自检功能，达到单机设备免测试使用以及长时无人值守的使用目标。

2.3.2 终端组成及基本功能

通用测控终端内部构架如图3所示，每个终端设备均由主控模块、电源模块、采集模块以及开关量输出模块等功能模块构成。终端内部采用业务总线（CAN总线）与健康管理总线（RS485总线）双总线进行模块间的信息交互，满足设备内业务通信以及健康管理通信的需求；每种总线均采用双通道冗余的方式，来提高设备通信的可靠性。基于以上的设计构架，通用测控终端除主控及电源模块外，可实现动态插拔以及功能重构，以功能需求为导向实现不同测试场合的设备灵活化构型和扩展。

图3 通用测控终端内部构架 Fig.3 The Architecture of the General Controlling Terminal

通用测控终端具备的主要功能如下：

a）完成信息综合处理（各模块数据的采集、处理汇总）、控制逻辑判断（被控对象的时序逻辑实现）以及通信调度功能；

b）单机具备智能化自主运行能力，可以进行加电后状态自检测、故障自诊断及隔离、参数及功能远程配置等，支持模块及设备状态的动态重构；

c）电源管理功能：满足测控终端内部各功能模块的供电需求，可根据负载的不同而进行增减，具有电源自保护以及冗余备份功能；

d）功能模块：通过统一的底板接口，与主控模块进行信息交互，完成模拟量采集、开关量输入、输出、模拟量输出等控制功能，以及测试数据上报；

e）功能模块可依据实际使用需求进行动态重构，测控设备单机间可通过通用接口进行级联扩展。

2.3.3 智能动态管理

通用测控终端采用统一架构，即通用机内总线+功能模块实现测控资源的统筹调度，硬件接口简洁，方便系统维修更换以及扩展使用。机内采用双总线分布式的拓扑架构，使用独立的总线分别完成机内业务数据交互以及健康管理数据交互，通过使用不同的物理通道，提高设备的工作可靠性。业务总线完成机内功能板卡和主控板卡间的控制指令以及测试数据交互；健康管理总线完成机内功能板卡健康信息的上报，实现主控对于板卡的工作状态管理，以及测控设备主从冗余切换功能。双总线架构不仅满足了集成类测控设备多种功能板卡的统一调度和管理，同时具备总线上任意功能板卡节点的动态重组的能力，满足了集成化测控设备针对不同运载火箭在综合试验、出厂测试、部段级测试以及地面测发各阶段下的功能重组要求。

2.3.4 嵌入式软件设计

通用测控终端采用嵌入式软件通过机内总线调度设备内功能板卡协同完成测控动作。通用测控终端的每个独立的功能模块均具备健康监测功能，对模块自身的工作状态进行实时监测，并通过健康管理总线将信息上报。通用测控终端可依据各模块的健康监测情况，进行模块的综合调度，实现冗余控制、故障切换以及主从热备冗余等功能。

嵌入式软件可辅助测控终端完成智能化控制[9]，主从冗余切换，以及远程指令控制。嵌入式设备工作模式简单，加电自主运行，可满足运载火箭地面测试前端长时无人值守的使用要求。

2.3.5 典型使用模式

通用测控终端依据具体的测试控制资源需求，配备具体的功能模块，如模拟量采集模块、开关量输入模块等。每个终端均采用同一结构构架，若单个终端内功能模块不能满足测控需求，可对通用测控终端进行级联，拓展测试资源。

通用测控终端依据被测对象的测试需求进行分布，终端间通过地面测控网络与后端智能测控中心进行连接。通过智能测控中心的指挥控制软件的指挥控制，通用测控终端依据指令执行具体的测控动作，终端间协同配合，完成独立测试或并行测试。

2.4 智能测控中心设计

2.4.1 使用需求

根据新一代火箭测试任务的多样性和复杂性，智能测控中心的建设应满足以下需求：

a）测发流程控制：能够实现对各测控终端设备控制、过程控制、状态测量等功能；

b）信息应用功能：能够满足各项测试业务、各类数据的高效存储和管理，能够按照数据的特征进行自动生命周期管理，具备良好的容灾能力，保障数据的安全性。

2.4.2 智能测控中心功能构成

后端智能测控中心信息应用功能硬件主要为商用服务器、瘦客户机和移动终端，此部分功能设计在现有成熟功能构成的基础上，进行集成优化设计。

测发控系统后端信息应用功能软件与后端指挥控制与数据处理功能相对应。测发控系统后端信息应用功能集成设计是将传统模式下控制系统发控台、测量系统后端综合控制台、动力系统指挥控制台、各系统数据库服务器、各系统虚拟显示计算机以及总控网的指控计算机整合为一体，称为智能测控中心。智能测控中心主要由“操作终端＋多个监测终端＋服务器组合”及其软件构成。

2.4.3 指挥控制功能软件一体化设计

地面测试系统的指挥控制功能软件对传统地面测试、测量、动力、发射支持系统的控制与测试进行统一管理，整合部段测试、整箭测试、网络拓扑配置、多系统信息规划及数据分析管理等功能，完成地面测试的功能调度。指挥控制软件架构采用开放的架构体系和接口，便于未来进行差异化需求定制与扩展。

2.5 远程保障支持子系统

远程保障支持子系统可以实现测试现场与设计中心的信息连通，满足测试数据在不同测试现场之间的数据交互需求。在火箭正常测试过程中，实现远程设计中心对测试数据的智能监测、判读、故障诊断，以及多测试场地的大数据应用和趋势分析；在火箭排故过程中，为前后端专家提供沟通交流的音视频通路，以及数据分析（包括本次及历史测试数据）、技术资料（设计文件、应急预案、履历信息、故障案例等）等支撑。

3 测试与验证

针对上述地面测试系统的设计方案，针对适应分布式部段级测试需求的关键功能进行原型系统搭建以及测试验证。主要针对通用测控终端的级联重构，以及一体化指挥控制功能软件的部段级并行测试功能进行验证。

3.1 通用测控终端级联重构

地面测试系统的具体测控功能通过前端通用测控终端实现，同时通用测控终端也是实现分布式部段测试的重要组成部分。通用测控终端通过模块化、智能化设计，具备级联拓展以及动态重构功能，其重构功能的实现是整个地面测试系统功能实现的关键。通过 2台通用测控终端，对终端级的级联重构功能进行了测试验证如图4所示。

图4 通用测控终端级联重构测试 Fig.4 The Prototype System of Reconfiguration Testing

多设备级时，其中1台作为主控，其他作为扩展设备（没有主控模块），通过机内总线节点进行级联。在逻辑上，扩展设备内的模块和主控设备内部的模块没有区别，可直接通过上位机调度2个设备进行具体的功能测试。

该功能的实现，为地面测试系统满足部段级、全箭级地面功能测试奠定了基础。通过测试验证，通用测控终端可通过通用接口快速完成独立测试以及级联拓展，可满足快速部署，灵活适配不同测试需求要求。

3.2 部段级并行测试

依据新一代火箭部段级测试的功能需求，按照上述系统方案设计，搭建了地面测试系统原型系统。针对不同的测试需求，可通过测发指挥控制软件对测控流程进行快速配置和调整，同时可进行2个测试项目的并行测试。

该功能的实现，验证了地面测控流程的通用模块配置方案的可行性，为后续快速进行测试流程调度，以及多系统部段级并行测试的最终实现进行了有益的尝试。

4 结束语

运载火箭地面测试系统已经由分步独立流程测试向集成自动测试和部段级并行测试转变。其设计原则和功能需求也向着通用化、智能化不断发展。本文针对新一代运载火箭的地面测试需求，设计了一种分布式地面测试系统，通过灵活可重构的通用测试终端，可以通过相同的单元架构满足运载火箭不同测试工况的使用需求。原理验证试验不仅验证了前端测试资源可扩展重构，也验证了后端测控流程的快速配置以及并行自动测试能力。分布式、智能化的通用测控终端提高了前端测试设备的智能化、可靠性水平，后端智能测控中心和远程支持系统方案，拓展了测控系统的异地并行测试能力，为新一代运载火箭减员增效以及无人值守奠定了基础，也为部段级测试提供了一种可行的方案。