航天器真空熱試驗測控系統(tǒng)應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張景川，謝吉慧，王奕榮，裴一飛

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器真空熱試驗是航天器研制過程中狀態(tài)最復雜、耗資最大、耗時最長的試驗項目，是提高航天器在軌運行可靠性的一種有效、必要的手段[1-5]。

在航天器真空熱試驗中，測控系統(tǒng)分為流程測控系統(tǒng)與試驗測控系統(tǒng)兩部分。流程測控系統(tǒng)以PLC為控制中樞，通過對現(xiàn)場儀表、閥門和設備的控制，實現(xiàn)環(huán)模設備真空、低溫背景的建立與維持。該系統(tǒng)是典型工業(yè)控制系統(tǒng)，依靠市場上成熟的工控軟件，可以定制一套完善的軟硬件平臺解決方案。試驗測控系統(tǒng)承擔著試件狀態(tài)測量、空間外熱流模擬、航天器溫度控制、航天器內(nèi)部儀器熱耗模擬和試驗支架溫度跟蹤控制等任務，包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及熱流模擬與溫度控制系統(tǒng)兩部分。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成試件狀態(tài)數(shù)據(jù)（溫度、電流、電壓、熱電勢等）的測量任務；熱流模擬與溫度控制系統(tǒng)通過程控電源輸出電流的大小控制加熱器的輻射熱流，在熱平衡試驗中進行多種控制模式的外熱流模擬，在熱真空試驗時對航天器進行控溫，實現(xiàn)溫度循環(huán)。試驗測控系統(tǒng)以計算機系統(tǒng)為控制中樞，通過對程控電源、數(shù)據(jù)采集儀器的控制，實現(xiàn)對航天器的外熱流模擬與溫度控制。（本文提及的測控系統(tǒng)特指試驗測控系統(tǒng)。）

測控系統(tǒng)是航天器真空熱試驗的核心操作系統(tǒng)，其測控精度與速度直接影響對航天器熱設計正確性與星上儀器設備考核正確性的判斷，其可靠性直接關系著試驗的成敗。

1 航天器真空熱試驗測控系統(tǒng)現(xiàn)狀

20世紀90年代末，隨著試驗需求的不斷增加，以及試驗設備技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術和通信技術水平的提高，世界各國宇航機構(gòu)對其試驗設備和測控系統(tǒng)進行了升級和改造。例如，美國戈達德空間飛行中心（GSFC）于1996年對其熱真空數(shù)據(jù)系統(tǒng)（TVDS）進行改造[6]，1998年進一步升級該系統(tǒng)，2000年升級初步完成[7]。德國工業(yè)設備管理公司（IABG）于1995年至2000年間，對其4個真空熱試驗設備測控系統(tǒng)進行改造，并通過2003年的二期改造項目實現(xiàn)了全部設備的自動化。法國宇航環(huán)境工程實驗中心（INTESPACE）于2001年對其大型空間環(huán)境模擬設備 SIMMER的測控系統(tǒng)進行改造，以實現(xiàn)為不同熱試驗提供一種通用的、滿足實時要求的解決方案[8]。加拿大太空總署佛羅里達州實驗室（DFL）對其真空熱試驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（TVDS）進行改造，構(gòu)建了實時多任務多用戶試驗操作系統(tǒng)，可同時監(jiān)控1 000個通道的數(shù)據(jù)點[9-12]。歐洲航天技術中心（ESTEC）為大型空間模擬器（LSS）研發(fā)了一種高精度多通道的溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（TEMPDAS）[13]。國家空間實驗室（NLR）設計制造的兩套數(shù)據(jù)單元使TEMPDAS能夠同時測量 864路熱電偶信號。休斯空間通信公司通過SCADA系統(tǒng)控制熱真空容器系統(tǒng)[14]。

國外使用的外熱流設備主要是以太陽模擬器、熱沉調(diào)溫技術進行航天器真空熱試驗，國內(nèi)則主要使用紅外燈陣、紅外加熱籠、薄膜加熱器進行吸收熱流模擬和分區(qū)溫度控制，在使用的設備、控溫模式與控溫算法以及管理運行模式上均有較大的不同。國外文獻集中于環(huán)模設備的介紹，而針對其試驗測控系統(tǒng)的資料由于保密需要則未見報道。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的真空熱試驗水平代表了國內(nèi)先進水平。目前該所航天器真空熱試驗測控系統(tǒng)已具有相當規(guī)模，擁有多種較先進的數(shù)據(jù)采集儀表（共5 000多測量通道）和1 000多臺不同型號的程控電源，分別組建成KM3和KM4試驗測控局域網(wǎng)、KM6試驗測控局域網(wǎng)、KM6水平艙試驗測控局域網(wǎng)、KM7試驗測控局域網(wǎng)。并針對不同的數(shù)據(jù)采集儀器開發(fā)出不同的數(shù)據(jù)采集軟件；針對不同的程控電源開發(fā)出不同的熱流模擬控溫軟件、溫度控溫軟件，以及通用的試驗數(shù)據(jù)監(jiān)視分析軟件。通過配置不同的運行參數(shù)，測量軟件能滿足不同類型、數(shù)量溫度傳感器的測量需求；控溫軟件能滿足多種不同控溫模式的控溫需求。試驗測控系統(tǒng)能在KM3、KM4、KM6主容器、KM6水平艙等空間環(huán)境模擬器內(nèi)執(zhí)行常規(guī)的航天器真空熱試驗任務。

2 國內(nèi)航天器真空熱試驗測控系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

隨著航天器生產(chǎn)的批量化與新型航天器研制進程的加快，對測控系統(tǒng)的可靠性提出了更高要求，集中反映在以下幾方面。

2.1 多型號、多任務同時異地并行試驗需求

航天器真空熱試驗越加頻繁，要求多型號、多任務在不同空間環(huán)模設備同時異地并行試驗，或在同一環(huán)模設備內(nèi)完成多個試件并行試驗。現(xiàn)有測控軟件是針對單一環(huán)模設備、單一試件，基于不同語言平臺編寫的多個獨立程序，功能分散，不具備集中管理功能，無法實現(xiàn)多型號、多任務同時異地并行試驗。如果不針對各類航天器真空熱試驗測控任務特點，研究多型號、多任務同時異地并行試驗的工作模式，依據(jù)測控工作流程，構(gòu)建高可用集群測控系統(tǒng)，而只是簡單集成現(xiàn)有測控程序，將無法有效優(yōu)化人力資源配置，減輕人員勞動強度，反而會降低測控系統(tǒng)的可靠性，增大試驗過程風險。

2.2 提高真空熱試驗自動化水平的需求

現(xiàn)有測控軟件需要大量人工操作（熱平衡試驗工況溫度平衡判據(jù)，工況轉(zhuǎn)移條件，工況轉(zhuǎn)移；熱真空試驗溫度穩(wěn)定判據(jù)，熱/冷浸時間，高低溫度交變），效率低下，且易出錯，尤其是在同一環(huán)模設備內(nèi)完成多個試件并行試驗時，增加了試驗狀態(tài)調(diào)整的復雜性，控溫模式切換頻繁，導致試驗人員勞動強度增加，試驗出錯概率增大。

2.3 真空熱試驗測控系統(tǒng)高可靠性需求

航天器真空熱試驗必須要求測控系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，保證試驗順利完成。目前，在處理系統(tǒng)故障時，需要人工分析、處理故障，這種處理方式一般耗時較長，且存在很大的不確定性；對一些需要在短時間內(nèi)處理的故障，喪失了挽救時機，導致試件超溫或損壞；在系統(tǒng)故障期，數(shù)據(jù)備份和測控程序進程完全中斷，無法進行正常的試驗任務，會對產(chǎn)品安全造成重大危害。

2.4 瞬變熱流模擬及高控溫精度的需求

航天器真空熱試驗常有瞬變熱流模擬要求。美國軍用標準MIL-STD-1540規(guī)定，除非飛行器外部溫度隨時間的變化不大，否則宜進行飛行器熱環(huán)境的動態(tài)飛行模擬。在一個運行軌道周期中，熱流模擬的實際值與設定值的平均偏差不應超過±10%。為了精確地模擬航天器表面吸收的熱流值，一般采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。航天器瞬變熱流控制系統(tǒng)是一個多輸入多輸出的閉環(huán)控制系統(tǒng)，熱流的控制精度要求很高，提高控制精度的手段之一是縮短控制周期。大量的部組件試驗及高精度的控溫算法要求測控周期達到秒量級，現(xiàn)有測控周期為1 min，難以滿足快速測控要求。

2.5 試驗數(shù)據(jù)管理需求

現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)存儲仍采用20世紀70和80年代的文件模式，導致數(shù)據(jù)安全性低，丟失后無法恢復；試驗數(shù)據(jù)包信息不完整（大量試驗中間過程數(shù)據(jù)未存儲），沒有嚴格定義試驗數(shù)據(jù)之間的邏輯相關性，難以全面、快捷地追溯歷史數(shù)據(jù)，無法實現(xiàn)試驗狀態(tài)的精準在線判讀和離線分析；數(shù)據(jù)通用性差，若溫度數(shù)據(jù)或電流、電壓數(shù)據(jù)存儲格式有變化則需要編制新的轉(zhuǎn)換程序進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；分析效率低、易用性差，要分析某試驗的數(shù)據(jù)，如進行同類型試驗配置信息的對比，溫度及電流、電壓數(shù)據(jù)的對比等分析工作需先進行手工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（試驗數(shù)據(jù)量大則轉(zhuǎn)換時間較長），再在電子表格中對數(shù)據(jù)進行手工處理分析；目前試驗證明書的輸出、各種相關部門需要的試驗統(tǒng)計報表、查詢記錄都是通過人工錄入輸出，工作繁瑣且易出錯，缺少自動進行試驗數(shù)據(jù)包提取、數(shù)據(jù)發(fā)布、報表生成、高級數(shù)據(jù)判讀、文件管理等重要功能；由于當前系統(tǒng)缺乏數(shù)據(jù)庫技術支撐，所有的試驗配置數(shù)據(jù)需要在多張Excel表單間進行人工配置、調(diào)整及校驗，配置工作量大，且很多信息在不同程序中重復配置，容易出現(xiàn)配置錯誤，增大了試驗出錯風險。

2.6 系統(tǒng)兼容性和擴展性需求

當前測控系統(tǒng)已擁有不同品牌、不同接口儀器多達十余種，隨著工業(yè)技術的發(fā)展，程控電源、數(shù)據(jù)采集儀器等測控硬件設備不斷升級換代，真空熱試驗將來還會使用到更多種類儀器設備；同一個試驗中含有不同種類的加熱裝置（紅外燈、紅外加熱籠），不同控溫模式（開環(huán)模式與閉環(huán)模式、光照－陰影控溫、周期熱流控溫和乒乓控溫等）和控制算法。

目前單個測控軟件只能適應特定的一種加熱裝置、一種程控儀器和一種控溫模式，配置運行多個測控軟件才能滿足不同的試驗要求，系統(tǒng)的靈活性和易用性大打折扣。因此，需要測控系統(tǒng)具有很強的軟、硬件兼容性和可擴展性，以滿足多型號、多任務同時異地并行試驗的需求。

2.7 航天器真空熱試驗市場需求

航天器真空熱試驗是航天器研制過程中耗資最大且必不可少的試驗項目。隨著航天器生產(chǎn)的批量化與新型航天器研制進程的加快，真空熱試驗越來越頻繁，國際宇航企業(yè)、國內(nèi)單位都在建造各型空間環(huán)境模擬設備，其相應配套的熱試驗軟件更是核心產(chǎn)品。

北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所的航天器真空熱試驗方法、管理運行模式處于國內(nèi)領先水平，將現(xiàn)有試驗方法與管理運行模式進行提煉，形成具有統(tǒng)一風格的高可靠性測控系統(tǒng)，不僅可以提升自身熱試驗自動化水平，有效緩解熱試驗人力資源壓力，而且可以形成拳頭產(chǎn)品，大幅提升環(huán)模設備研制的技術含量和產(chǎn)品附加值，收獲巨大的社會和經(jīng)濟效益。

2.8 軟件系統(tǒng)不斷升級的需求

目前的測控軟件缺點比較明顯：測控人員根據(jù)不同的數(shù)據(jù)采集儀器和程控電源開發(fā)不同的數(shù)據(jù)采集程序和電源控制程序，軟件通用性差；功能分散，根據(jù)試驗的測控工作流程需運行多個程序，存在配置的重復性工作，容易出現(xiàn)配置不一致，可靠性降低；自動化程度低，控制算法與控制模式及設備驅(qū)動沒有分模塊進行程序設計，導致更改困難，使用不靈活，試驗中需要大量的人工操作；設備的驅(qū)動方式落后，導致控制周期長，控制精度降低，無法實現(xiàn)準確的溫度速率控制，且控溫超調(diào)量大；數(shù)據(jù)交互與存儲模式落后，相對落后的軟件系統(tǒng)制約著新一代測試儀器高速度、高精度、高可靠性的發(fā)揮。因此，亟需搭建全新的高可靠快速航天器真空熱試驗集群測控系統(tǒng)。

3 航天器真空熱試驗測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

隨著信息技術、計算機技術與網(wǎng)絡技術的發(fā)展，具備智能化、網(wǎng)絡化、開放性、交互性和高可靠性的測控系統(tǒng)，正在成為新一代測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

3.1 建模技術

模型在現(xiàn)代軟件開發(fā)過程中扮演著越來越重要的角色，對測控軟件系統(tǒng)進行建模能更好地理解整個系統(tǒng)，采用合適的建模方法則可以更準確地捕捉試驗測控系統(tǒng)需求，把握測控軟件的行為，明確軟件結(jié)構(gòu)[15]。采用統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）對熱試驗測控軟件系統(tǒng)的功能、結(jié)構(gòu)和信息活動進行建模，便于測控軟件分析人員、軟件設計人員、軟件開發(fā)人員及測控系統(tǒng)用戶之間的相互交流。這些模型的建立可以驗證軟件系統(tǒng)架構(gòu)的可行性，有助于迅速開發(fā)可靠的測控軟件系統(tǒng)，減少開發(fā)成本，對于提高軟件的開發(fā)效率、可擴展性和易維護性等具有重要的意義。

3.2 高可用多節(jié)點集群技術

系統(tǒng)的可用性是指，要求某些執(zhí)行關鍵使命的計算機系統(tǒng)能夠長時間穩(wěn)定運行，即具備 365 d× 24 h不停頓運行的能力。對于這類系統(tǒng)，即使是短時間的停機都會導致數(shù)據(jù)的丟失和災難性的后果。高可用（high availability）系統(tǒng)的目的就是為終端用戶提供持續(xù)性的穩(wěn)定服務。當今，在高可用研究領域，最可靠有效的方法是采用計算機集群技術，利用計算機軟、硬件的冗余，通過設置合理的管理策略，實現(xiàn)當集群中一個節(jié)點出現(xiàn)故障后，運行在該服務器上的所有程序資源將整體遷移到另外一個備援的服務器上，以便有效防止因單點故障造成系統(tǒng)停機，保證服務器對外服務的持續(xù)運行，極大提高系統(tǒng)的可用性[16]。

3.3 并行通用化技術

目前試驗測控系統(tǒng)的儀器驅(qū)動方式采用的是串行驅(qū)動方式，程序的執(zhí)行效率比較低；要實現(xiàn)儀器的快速驅(qū)動就必須對程序進行并行設計。并行驅(qū)動主要是通過多進程（multiple processes）和多線程（multiple threads）技術來實現(xiàn)。

通用性技術同時涉及硬件資源和軟件資源。硬件資源的通用性要求構(gòu)成測控系統(tǒng)的接口標準化（包括信號接口和硬件接口）、測試儀器可互換、測試通道可配置等。軟件資源的通用性主要指構(gòu)成測控系統(tǒng)的測控程序可以方便地移植到另一個系統(tǒng)完成相關的測試和故障診斷，即應用程序的設備無關性，以及針對不同的測控系統(tǒng)，測控軟件的快速移植能力。

IVI技術是測控系統(tǒng)真正實現(xiàn)與硬件無關性、儀器可互換性的關鍵技術，其目的是允許用戶把標準的IVI組件集成到不同的軟、硬件系統(tǒng)中。該技術的采用能夠支持儀器互換，降低系統(tǒng)成本，改進系統(tǒng)運行性能和配置能力[17-18]。

3.4 智能故障診斷技術

航天器真空熱試驗過程中，可能會出現(xiàn)硬件設備工作異常、某些工作參數(shù)設置錯誤等問題，需要通過數(shù)據(jù)的異常監(jiān)測來發(fā)現(xiàn)。但是，依靠試驗人員對試驗數(shù)據(jù)進行人工判斷、分析存在較大的困難，當試驗數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化時，由于數(shù)據(jù)量龐大，缺乏有效的分析工具，這些異常情況往往很難被及時發(fā)現(xiàn)，導致喪失挽救時機。隨著信息處理技術的發(fā)展，測控系統(tǒng)可以引入數(shù)據(jù)挖掘技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術、支持向量機技術及專家?guī)旒夹g，開展試驗數(shù)據(jù)的降噪預處理方法、特征提取方法以及異常數(shù)據(jù)識別方法研究，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)異常變化的自動判斷及預警，防患于未然[19-20]。

3.5 自動真空熱試驗技術

隨著國內(nèi)熱試驗技術和熱模擬計算技術的發(fā)展，工況判據(jù)與工況轉(zhuǎn)換條件已經(jīng)非常明確，具備實現(xiàn)真空熱試驗自動化的基礎，因此，急需創(chuàng)建新型航天器真空熱試驗高可用集群測控系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗準備（試驗要求、試驗對象和試驗輸入條件）、試驗工況運行（熱平衡試驗工況溫度平衡判據(jù)，熱真空試驗溫度穩(wěn)定判據(jù)，工況轉(zhuǎn)移條件，工況轉(zhuǎn)移）、試驗狀態(tài)實時分析（外熱流模擬效果、試驗故障狀態(tài)診斷）、試驗結(jié)果分析及試驗品質(zhì)評價整個試驗流程的自動化，以縮短試驗周期，降低試驗出錯風險，提高熱試驗質(zhì)量。

4 結(jié)束語

綜上所述，新型航天器真空熱試驗中的溫度測量和熱流模擬任務對現(xiàn)有熱試驗測控精度、測控速度、測控模式以及軟件系統(tǒng)提出了更高要求。為了更好地完成試驗任務，進一步增強試驗時測控系統(tǒng)的可靠性、易用性和可擴展性，需搭建一個全新的高可靠快速航天器真空熱試驗集群測控系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗測控精度、測控速度的提高；采用高可用集群技術保障整個測控系統(tǒng)持續(xù)地對外服務；搭建具有開放性和可維護性的測控系統(tǒng)軟件架構(gòu)，設計更友好的人機界面，配置強大的實時數(shù)據(jù)處理分析和監(jiān)視報警功能，以縮短試驗準備周期，減輕試驗人員勞動強度，降低試驗出錯風險，有效緩解熱試驗人力資源壓力，提高熱試驗質(zhì)量。

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