長三甲系列運(yùn)載火箭測試發(fā)射控制技術(shù)

李 剛，金志超，韓 峰

（北京航天自動控制研究所，北京，100076）

0 引 言

長三甲系列運(yùn)載火箭自1994年2月8日成功發(fā)射夸父一號/實踐四號衛(wèi)星以來，已累計完成100次發(fā)射，并以約98%（部分成功按0.5計算）的成功率給人類宇航發(fā)射歷史留下了濃墨重彩的一筆，是中國當(dāng)之無愧的金牌主力火箭。本文將對長三甲系列運(yùn)載火箭測試發(fā)射控制技術(shù)發(fā)展歷程進(jìn)行總結(jié)，分析不同階段的技術(shù)特點(diǎn)，并結(jié)合未來測試發(fā)射控制技術(shù)的發(fā)展需求提出幾個迫切需求的發(fā)展方向，為將來系統(tǒng)設(shè)計提供借鑒。

1 測試發(fā)射控制系統(tǒng)發(fā)展

長三甲系列運(yùn)載火箭服役25年以來，地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)共經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)；第1代遠(yuǎn)控“三化”測試發(fā)射控制系統(tǒng)；第2代遠(yuǎn)控更新改造測試發(fā)射控制系統(tǒng)。

1.1 近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)

長三甲系列運(yùn)載火箭測試發(fā)射控制系統(tǒng)可以追溯到20世紀(jì)八、九十年代，它是在長征二號系列和長征三號測試發(fā)射控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用當(dāng)時較為先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)計思想，進(jìn)行了重新研發(fā)和設(shè)計生產(chǎn)，最終在90年代初形成了長三甲系列運(yùn)載火箭近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)（簡稱近控系統(tǒng)，相對于后續(xù)遠(yuǎn)控系統(tǒng)命名）。

近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)原理如圖 1所示。前端設(shè)備安裝在發(fā)射塔架附近，后端設(shè)備安裝在發(fā)射區(qū)的控制大廳內(nèi)，實現(xiàn)了百米級別的近距離測試、發(fā)射、控制功能。

受通信技術(shù)和操作系統(tǒng)技術(shù)水平的限制，近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)的計算機(jī)操作系統(tǒng)采用DOS系統(tǒng)，且不支持多線程工作模式。為解決測試發(fā)射流程控制線程與顯示線程沖突的問題，采用控、顯分開的獨(dú)立控制方式，主控微機(jī)僅執(zhí)行測試發(fā)射流程控制，實現(xiàn)控制指令和采集指令的發(fā)出，顯示微機(jī)通過RS422總線接收測試數(shù)據(jù)信息并實現(xiàn)與主控計算機(jī)流程同步顯示。

圖1 長三甲系列運(yùn)載火箭近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)原理Fig.1 Block Diagram of the Short-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

近控系統(tǒng)中的發(fā)控臺功能和邏輯極為復(fù)雜，它具有部分自動發(fā)控與完全手動發(fā)控功能、點(diǎn)火控制功能、遙測量接收功能、狀態(tài)顯示功能、電源遙控功能和平臺瞄準(zhǔn)功能；通過轉(zhuǎn)接組合實現(xiàn)控制指令的傳遞實施；模擬測試裝置根據(jù)測試信號的變化在坐標(biāo)紙上畫出模擬量的變化情況。隨著計算機(jī)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近控系統(tǒng)在2001年增加了顯示微機(jī)，采用更加友好的操作系統(tǒng)和以太網(wǎng)通信技術(shù)接收總體網(wǎng)發(fā)送的遙測數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時顯示，進(jìn)一步擴(kuò)大了系統(tǒng)可監(jiān)測范圍。

近控測試發(fā)射控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)主要為：體積龐大、集成化程度低、自動化程度低、操作邏輯復(fù)雜，但該系統(tǒng)對當(dāng)時來說具備一定的先進(jìn)性，其中的一些先進(jìn)設(shè)計思想和工程經(jīng)驗延用至今：

a）發(fā)控臺內(nèi)部各單機(jī)首次采用插箱式設(shè)計，提高系統(tǒng)的配置靈活性，方便組裝、具備射前組合插箱應(yīng)急更換維修的條件；

b）采用通用化、模塊化的設(shè)計思想，對繼電器板和點(diǎn)火控制組合首次進(jìn)行了通用化設(shè)計，極大方便快速排故和維修，提高了繼電器的快速測試性，該設(shè)計思想延用至今；

c）進(jìn)一步提升主控測試流程的自動化程度，一定程度上減少了人為操作過程，并有效提高了測試效率。

1.2 第1代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)

2006年，為進(jìn)一步降低發(fā)射風(fēng)險、提高發(fā)射安全性，提出了遠(yuǎn)程測試與發(fā)控的構(gòu)想和要求。在充分繼承原有長三甲系列運(yùn)載火箭近距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借鑒長征二號F遠(yuǎn)控模式的設(shè)計思路，合理采用計算機(jī)技術(shù)、信息處理與通信等先進(jìn)技術(shù)，開展系統(tǒng)級冗余設(shè)計，提高測試發(fā)射控制系統(tǒng)的測試性能、執(zhí)行效率和可靠性、安全性，以適應(yīng)更高的系統(tǒng)需求。

長三甲系列運(yùn)載火箭第 1代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)原理如圖2所示。與近控相比最大的變化是，采用輕質(zhì)高可靠單模光纖物理介質(zhì)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。

所有計算機(jī)采用更加友好的操作系統(tǒng)，支持多線程工作模式，主控實現(xiàn)測控流程指令的控制和流程顯示；第1代遠(yuǎn)控系統(tǒng)改造中對發(fā)控臺進(jìn)行了“瘦身”，將近控系統(tǒng)發(fā)控臺中的點(diǎn)火控制功能、電源控制功能、狀態(tài)顯示功能、自動發(fā)控功能分別在圖2中的前端進(jìn)行實現(xiàn)。為了更好適應(yīng)箭上的“平臺-慣組”、“慣組-平臺”、“雙激光慣組”的系統(tǒng)級冗余控制體制。系統(tǒng)測試功能采用觸發(fā)時間更加嚴(yán)格的測試系統(tǒng)和數(shù)字筆錄儀，通過以太網(wǎng)將測試結(jié)果送到后端，大大提高了系統(tǒng)的監(jiān)測范圍，為操作手決策提供了更多信息，大幅降低了操作風(fēng)險。

圖2 長三甲系列運(yùn)載火箭第1代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)原理Fig.2 Block Diagram of the First Generation Long-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

現(xiàn)在來看，第 1代遠(yuǎn)控測試發(fā)射控制系統(tǒng)仍然存在系統(tǒng)體積大、冗余度不高，應(yīng)急通道數(shù)余量不足的缺點(diǎn)，但實現(xiàn)了從近控到遠(yuǎn)控的模式突破。通過采用新技術(shù)和新思路，提高了系統(tǒng)的自動化程度，使得系統(tǒng)組成與布局更加合理：

a）首次將新的通訊控制模式應(yīng)用在正式型號上，采用“一控二同步”模式，實現(xiàn)前端自動發(fā)控組合的熱備冗余，提高系統(tǒng)可靠性；

b）首次采用重要信號集中發(fā)控方式，發(fā)控臺為動力、利用系統(tǒng)提供多路控制開關(guān)，減少其他系統(tǒng)的后端控制設(shè)備，提高地面設(shè)備集成度；

c）采用集中應(yīng)急控制方式，為控制、動力、遙測等系統(tǒng)提供應(yīng)急控制通道；

d）地面電源由線性電源更改為輕便的開關(guān)電源，減小電源體積和質(zhì)量，方便安裝。

1.3 第2代遠(yuǎn)控更新改造測試發(fā)射控制系統(tǒng)

在第1代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)退役之際，為確保后續(xù)高密度發(fā)射任務(wù)完滿完成，2013年在充分繼承第1代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，著重開展單點(diǎn)排查、冗余設(shè)計，對部分設(shè)備進(jìn)行功能整合，提高設(shè)備數(shù)字化和產(chǎn)品化程度；在滿足“零窗口”的要求下，進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開展了面向無人介入式的全自動測試、發(fā)射、控制流程研制工作，形成了簡潔、可靠的第2代遠(yuǎn)控更新改造測試發(fā)射控制系統(tǒng)。

在設(shè)計原理上，第2代遠(yuǎn)控更新改造測試發(fā)射控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)全部發(fā)射場測試、發(fā)射、控制流程的“無人化”自動發(fā)控，通過規(guī)劃好的測試路徑開展自動測試、自動判讀、自動狀態(tài)監(jiān)測、自動發(fā)出系統(tǒng)關(guān)鍵控制指令。使控制系統(tǒng)在進(jìn)入發(fā)射流程后，可實現(xiàn)“一鍵啟動”并自動完成全部的系統(tǒng)測試、狀態(tài)確認(rèn)、轉(zhuǎn)電控制等操作，全套應(yīng)急預(yù)案也轉(zhuǎn)為自動流程，僅保留人工的點(diǎn)火和應(yīng)急通道控制功能。但同時，為了保持與第1代遠(yuǎn)控測試發(fā)射控制系統(tǒng)的使用延續(xù)性、便于發(fā)射場指揮員和指揮系統(tǒng)的口令接口協(xié)調(diào)，控制系統(tǒng)封閉了主控微機(jī)測試發(fā)射控制程序的部分功能、設(shè)置了相應(yīng)的人工介入斷點(diǎn)環(huán)節(jié)。正是由于具備這樣較為強(qiáng)大的功能實現(xiàn)和適應(yīng)能力，在后來提出的發(fā)射場流程優(yōu)化、射前無人值守等要求時，測試發(fā)射控制系統(tǒng)未進(jìn)行研制更改，僅通過一些測試準(zhǔn)備階段的工作調(diào)整和已有測試流程的常規(guī)組合，便具備了射前-2 h無人值守的能力。

長三甲系列運(yùn)載火箭第2代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)原理如圖3所示。由圖3可以看出，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上與第1代相差不大，但部分功能關(guān)聯(lián)或相近的單機(jī)進(jìn)行了整合與功能調(diào)整優(yōu)化。

圖3 長三甲系列運(yùn)載火箭第2代遠(yuǎn)程測試發(fā)射控制系統(tǒng)原理Fig.3 Block Diagram of the Second Generation Long-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

第2代遠(yuǎn)控測試發(fā)射控制系統(tǒng)除了設(shè)備簡化合并之外，還進(jìn)行了性能提升設(shè)計：

a）為實現(xiàn)精準(zhǔn)點(diǎn)火，考慮環(huán)境影響，優(yōu)化了點(diǎn)火時序，大幅提高了自動點(diǎn)火控制的精度；

b）發(fā)射使用的全套測試發(fā)射控制系統(tǒng)硬件電路均為全冗余狀態(tài)，無單點(diǎn)；

c）箭機(jī)通訊通道由手動切換改為自動切換，提高系統(tǒng)箭地通信自動化程度；

d）優(yōu)化系統(tǒng)測試流程，進(jìn)一步提高自動化程度，測試過程幾乎無手動操作；

d）增加應(yīng)急通道數(shù)，提高整機(jī)集成度，使得整機(jī)通道增加后體積減少1/3；

e）測試覆蓋性提高，對部分難監(jiān)測、難自動測試的電路進(jìn)行了改進(jìn)，并在測試流程中增加針對性的測試項目，使覆蓋性得以提升，元器件實現(xiàn)國產(chǎn)化；

f）主控軟件基于通用框架，采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對測試流程進(jìn)行配置，提高了可靠性；

g）電源模擬量的采集，實現(xiàn)了全數(shù)字化接口，與系統(tǒng)間的信號數(shù)量大幅降低。

h）采用產(chǎn)品化時序測試儀系統(tǒng)，對飛行時序進(jìn)行準(zhǔn)確測試和自動判讀，產(chǎn)品化程度高，判讀時間更精準(zhǔn)。

與以前相比，目前的系統(tǒng)體積更小，電路更簡潔，信號流更清晰，可靠性得到了大幅提高，但仍有可以提高的空間，如可以通過軟件智能平臺替代發(fā)控臺功能，增加自學(xué)習(xí)的判讀軟件等。

2 運(yùn)載火箭測試發(fā)射控制系統(tǒng)發(fā)展展望

隨著BIT技術(shù)[1]、綜合電子技術(shù)[2]、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、故障診斷技術(shù)[3]等的不斷發(fā)展，未來箭上設(shè)備智能化程度也將逐步提升，對地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)的測試能力需求將逐步減弱，靶場保障與發(fā)射支持人員也將逐步減少。地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)將借助強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力對海量測試數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進(jìn)行綜合處理，診斷系統(tǒng)健康狀態(tài)，并根據(jù)給定原則或預(yù)案自動執(zhí)行處理措施，大幅提高系統(tǒng)智能化程度，實現(xiàn)智慧管控、敏捷測發(fā)，下面將對未來運(yùn)載火箭測試發(fā)射控制技術(shù)發(fā)展中可能應(yīng)用到的部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)

目前，中國現(xiàn)役運(yùn)載火箭在發(fā)射場執(zhí)行測試及發(fā)射任務(wù)時，為提高發(fā)射任務(wù)保障能力、及時分析處理并形成技術(shù)決策，需要大量設(shè)計人員赴現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)支持與保駕。以長三甲系列運(yùn)載火箭為例，每發(fā)任務(wù)期間發(fā)射場技術(shù)保障隊伍龐大；火箭發(fā)射場測試發(fā)射流程復(fù)雜，造成測試與發(fā)射準(zhǔn)備時間較長，部分設(shè)計人員主要工作內(nèi)容是判讀，因此在靶場的有效工作時間較短。總的來看，測試發(fā)射控制系統(tǒng)智能化程度不高、靈活性不強(qiáng)，需要較多的人為保障和支撐。

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、視頻會議技術(shù)發(fā)展，運(yùn)載火箭靶場測試和發(fā)射過程不再局限于本地實施。通過高速遠(yuǎn)程異地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)[4]，建立數(shù)字化的測試監(jiān)測及信息應(yīng)用系統(tǒng)，在遠(yuǎn)程實現(xiàn)對現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、圖像信息的完整映射，遠(yuǎn)程再現(xiàn)發(fā)射場實況，使設(shè)計人員（發(fā)射保駕人員）能夠?qū)崟r遠(yuǎn)程監(jiān)測運(yùn)載火箭狀態(tài)，完成運(yùn)載火箭的測試發(fā)射及技術(shù)決策工作。圖4為高速遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)原理示意。

圖4 高速遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)原理示意Fig.4 Schematic Diagram of High-speed Remote Launch Support System

該技術(shù)可以有效減少發(fā)射場人員，充分利用遠(yuǎn)程軟硬件資源與專家智力資源，提高測試發(fā)射效率，在遠(yuǎn)程實現(xiàn)運(yùn)載火箭的快速響應(yīng)[5]。同時，也可以使有限的測試人員兼顧多發(fā)次火箭的測試發(fā)射任務(wù)。

遠(yuǎn)程異地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)將運(yùn)載火箭與現(xiàn)場安裝操作、技術(shù)狀態(tài)等相關(guān)的各種圖像、音/視頻信息和測試狀態(tài)及結(jié)果信息通過網(wǎng)絡(luò)傳遞到遠(yuǎn)程支持系統(tǒng)，實現(xiàn)狀態(tài)確認(rèn)、遠(yuǎn)程判讀、故障診斷和快速決策等工作；另一方面，現(xiàn)場和遠(yuǎn)程通過視頻會議協(xié)商工作，討論決定靶場測試工作規(guī)劃、加注前評審等工作，實現(xiàn)前后方協(xié)作的遠(yuǎn)程智能測試發(fā)射支持工作模式。

2.2 敏捷測試與發(fā)射技術(shù)

現(xiàn)役運(yùn)載火箭的測試模式已無法滿足未來運(yùn)載火箭的超高密度、敏捷測發(fā)的需求，商業(yè)發(fā)射市場競爭愈來愈激烈，為縮短發(fā)射周期、提高發(fā)射效率、降低發(fā)射成本，基于云服務(wù)的一體化通用測試發(fā)射控制系統(tǒng)將是運(yùn)載火箭測試和發(fā)控系統(tǒng)發(fā)展方向。

圖5為基于云服務(wù)的一體化通用測試發(fā)射控制系統(tǒng)架構(gòu)。

為實現(xiàn)快速測試與發(fā)射必須突破以下關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.1 基于云服務(wù)的一體化通用測試發(fā)射控制技術(shù)

長三甲系列運(yùn)載火箭目前仍然保持控制、測量、利用系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)，設(shè)備與接口差距較大，技術(shù)狀態(tài)復(fù)雜、風(fēng)險大，容易發(fā)生多種質(zhì)量問題，影響型號發(fā)射計劃進(jìn)度。靶場在引入新型火箭發(fā)射任務(wù)時，需要提前派遣指揮員學(xué)習(xí)，在初次測試發(fā)射過程中容易引發(fā)操作帶來的系統(tǒng)問題，影響發(fā)射進(jìn)度。未來將集成控制、測量和利用系統(tǒng)，形成基于云服務(wù)的一體化通用測試發(fā)射控制系統(tǒng)，解決測試發(fā)射控制系統(tǒng)分散、型號間不通用影響發(fā)射進(jìn)度的問題。

a）云服務(wù)技術(shù)。

隨著BIT測試技術(shù)的發(fā)展，箭測成為運(yùn)載火箭測試發(fā)展的趨勢，基于硬件IO的控制和測試方式將迅速減少，測試發(fā)射控制系統(tǒng)規(guī)模將進(jìn)一步減小，智能化程度將進(jìn)一步提升，這為測試發(fā)射控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)云化[6]提供了條件。電氣系統(tǒng)的設(shè)計資料、測試信息和測試結(jié)果等資源全部集中在云服務(wù)器中，各系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)終端與云服務(wù)器交互，根據(jù)功能需求在云服務(wù)器上開辟硬件資源、獲取系統(tǒng)信息，完成既定功能。訪問權(quán)限只跟賬戶有關(guān)，與物理終端無關(guān)，物理終端可以開放也可以在各系統(tǒng)內(nèi)部管理，實現(xiàn)靈活配置。

圖5 基于云服務(wù)的一體化通用測試發(fā)射控制系統(tǒng)示意Fig.5 Schematic Diagram of Integrated Universal Test Launch Control System Based on Cloud Service

b）一體化技術(shù)。

轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，由“分系統(tǒng)組建系統(tǒng)”方式轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮δ苣K組建系統(tǒng)”方式，提出以云服務(wù)為核心的一體化測試發(fā)射控制系統(tǒng)架構(gòu)[7]，梳理全箭各系統(tǒng)電氣功能需求，形成一體化設(shè)計方案，弱化甚至取消原有的分系統(tǒng)概念，最終形成電氣和動力測試發(fā)射控制系統(tǒng)。

c）通用化技術(shù)。

在以云服務(wù)為核心的一體化測試發(fā)射控制系統(tǒng)架構(gòu)下，設(shè)計具有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一接口的電源配電、狀態(tài)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、應(yīng)急控制、信息處理、點(diǎn)火控制、無線測量、時序測量等通用功能模塊，建立通用化硬件基礎(chǔ)，軟件采用通用系統(tǒng)架構(gòu)，時序更改算法應(yīng)用程序即可滿足多型號需求，降低系統(tǒng)操作難度。

2.2.2 電氣系統(tǒng)并行測試發(fā)射控制技術(shù)

傳統(tǒng)的串行測試模式使得工作協(xié)調(diào)與測試配合等消耗了大量的時間和精力，為縮短測試流程、提高測試效率，需要轉(zhuǎn)變測試觀念，各系統(tǒng)僅在互斥性測試流程步進(jìn)行串行測試，在互不影響的情況下采用并行測試方案[7,8]。

在具體實施過程中要對電氣系統(tǒng)測試信息流進(jìn)行集中規(guī)劃，設(shè)置測試任務(wù)調(diào)度管理器，防止測試沖突的發(fā)生。圖6為并行測試示意。

如圖 6所示，利用多線程編程技術(shù)對主控測試流程進(jìn)行設(shè)計，在同一時間段開啟多個線程實現(xiàn)多系統(tǒng)并行測試。不同線程的測試任務(wù)在接口轉(zhuǎn)換開關(guān)處形成任務(wù)隊列，按照非互斥原則和優(yōu)先級原則通過自動測試對目標(biāo)對象進(jìn)行測試，并將測試結(jié)果原路徑反饋。

圖6 并行測試示意Fig.6 Parallel Test Schematic

出于方便實現(xiàn)、容易擴(kuò)展和通用化考慮，將并行測試軟件進(jìn)行模塊化設(shè)計。圖 7為并行測試軟件結(jié)構(gòu)示意。如圖 7所示，軟件按照功能模塊進(jìn)行劃分，各功能模塊通過接口適配器與軟件總線相連，根據(jù)測試任務(wù)需求配置測試線程；每條線程從測試項目數(shù)據(jù)庫中提取測試內(nèi)容，構(gòu)建測試流程；對外通信接口與測試驅(qū)動程序配合，實施測試；測試結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中，供查詢和分析使用。

圖7 并行測試軟件結(jié)構(gòu)示意Fig.7 Parallel Test Software Structure Diagram

2.3 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷技術(shù)

目前，長三甲系列運(yùn)載火箭采用的基于閾值判別機(jī)制的故障診斷方法更多地依賴信號處理，不需要被診斷對象的數(shù)學(xué)模型，能夠直接提取信息中的特征信息，快速判別，該方法簡單、方便、存儲空間小，但存在以下問題：

a）當(dāng)信號處于連續(xù)變化時，很難有效地表示一個時變的閾值，如慣組輸出脈沖量，很難實現(xiàn)有效的故障檢測。若采用一致性判別方法，又難以區(qū)分共因失效問題。對閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)還存在故障傳播問題，即系統(tǒng)輸入條件的變化導(dǎo)致輸出的改變，從而改變了系統(tǒng)的狀態(tài)，進(jìn)而又影響了輸入信號的變化，使得整個閉環(huán)環(huán)節(jié)中各類信號均與預(yù)先設(shè)計值不符，這會對故障診斷產(chǎn)生干擾。

b）該方法僅僅利用了顯性化信息，對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)部的變化沒有進(jìn)行深度挖掘。出現(xiàn)故障后，仍需要專家對問題進(jìn)行定位，因而故障診斷的范圍和模式還有待提高。

目前來看，將來能夠應(yīng)用于快速智能判斷的故障診斷技術(shù)有基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷技術(shù)和基于模型的故障診斷技術(shù)：

a）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷技術(shù)[9]基于智能異常檢測算法和深度學(xué)習(xí)算法，對已知樣本數(shù)據(jù)集的深度學(xué)習(xí)，自動建立從系統(tǒng)狀態(tài)特征向量到內(nèi)部故障源的映射關(guān)系，通過將大量的系統(tǒng)正常運(yùn)行數(shù)據(jù)集與異常數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行自學(xué)習(xí)，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、決策樹方法等?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法優(yōu)點(diǎn)是不需要詳細(xì)了解系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯關(guān)系，利用機(jī)器學(xué)習(xí)原理能夠自適應(yīng)地對某些未知故障做出正確預(yù)判，實現(xiàn)較為簡單；具有高度非線性、高度容錯和聯(lián)想記憶等優(yōu)勢，能接受、處理不精確的和隨機(jī)的信息。

b）基于模型的故障診斷方法既可解決知識獲取的瓶頸問題和知識庫維護(hù)困難的問題，又能提高診斷的精確性?；谀Ｐ偷闹R表示方法有利于緩解航天器系統(tǒng)在故障診斷方面歷史經(jīng)驗不足的困難。它的優(yōu)點(diǎn)是可以診斷未預(yù)知的故障，不需要?dú)v史的經(jīng)驗知識；缺點(diǎn)是由于使用系統(tǒng)仿真模型，模型較為復(fù)雜龐大，對模型精度的依賴性較強(qiáng)，只要實際系統(tǒng)和所建立的數(shù)學(xué)模型稍有不同，在檢測條件下的任何模型的不確定性因素都可能導(dǎo)致錯誤的診斷報警。由于運(yùn)載火箭電氣系統(tǒng)設(shè)備種類眾多、物理和邏輯結(jié)構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，大部分部組件還未實現(xiàn)國產(chǎn)化，缺乏準(zhǔn)確的原理模型，而且各模型類型不統(tǒng)一、不匹配，因此很難全面獲得統(tǒng)一完整的故障模型，因此基于模型的故障診斷系統(tǒng)在短期內(nèi)較難在運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)中展現(xiàn)出良好的應(yīng)用效果。

相比而言，長三甲系列運(yùn)載火箭經(jīng)歷了100發(fā)飛行試驗、綜合試驗和出廠測試，積累了大量的測試數(shù)據(jù)，為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷系統(tǒng)提供了豐富而真實的學(xué)習(xí)資料，而且隨著任務(wù)的增加和測試結(jié)果的增加，系統(tǒng)的故障診斷能力將進(jìn)一步增強(qiáng)，因此基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷系統(tǒng)最方便應(yīng)用于該型號的測試發(fā)射控制系統(tǒng)中。圖8為數(shù)據(jù)驅(qū)動故障診斷原理。

以慣性器件為例，總體方案中，首先針對慣性器件輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，獲得其不同模態(tài)分量，再對各分量進(jìn)行特征提取，構(gòu)造特征向量。通過大量樣本數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)的特征向量，在此基礎(chǔ)上，利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PNN進(jìn)行故障學(xué)習(xí)，從而獲得故障診斷網(wǎng)絡(luò)。

圖8 基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的故障診斷原理Fig.8 Fault Diagnosis Schematic Diagram Based on Empirical Mode Decomposition

2.4 預(yù)埋式預(yù)案實施技術(shù)

運(yùn)載火箭是一個復(fù)雜的功能體，測試發(fā)射控制系統(tǒng)在綜合試驗、總裝出廠測試和靶場對該功能體進(jìn)行全面測試和發(fā)射控制，這兩個復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)合起來難以避免地在測試過程中會出現(xiàn)一些突發(fā)質(zhì)量問題。為了處理突如其來的異常狀態(tài)，工程師在設(shè)計階段以人員和系統(tǒng)最低損害為前提，對系統(tǒng)可能的故障模式給出合理的處理預(yù)案，并在后期的試驗過程中對該預(yù)案進(jìn)行補(bǔ)充和修正，確認(rèn)預(yù)案的有效性和可操作性。

測試發(fā)射控制系統(tǒng)預(yù)案目前以文本形式呈現(xiàn)，在靶場測試階段組織學(xué)習(xí)，當(dāng)出現(xiàn)故障時操作手通過查找預(yù)先打印好的預(yù)案手冊采取相應(yīng)的處理方式，這種處理方式能夠處理緊急性不強(qiáng)的故障，但對于及時性要求比較高或處理操作流程復(fù)雜的故障可能難以使用，因此需要采用預(yù)埋式預(yù)案實施方式，根據(jù)故障診斷結(jié)果定位故障位置，并根據(jù)預(yù)案處理流程或重要原則自動給出處理措施并自動實施，提高預(yù)案的執(zhí)行效率和系統(tǒng)智能化程度，降低系統(tǒng)的損害程度，提高測試安全性。

3 結(jié)束語

本文對長三甲系列運(yùn)載火箭地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)，分析了各個階段系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)，總結(jié)出可供其他運(yùn)載飛行器測試系統(tǒng)借鑒的設(shè)計思想。針對運(yùn)載火箭未來測試發(fā)射控制技術(shù)發(fā)展需求，研究了超遠(yuǎn)距離多部門協(xié)同的工作系統(tǒng)平臺、快速敏捷測試一鍵式發(fā)射技術(shù)和智能故障診斷技術(shù)發(fā)展方向，可供下一代運(yùn)載飛行器測試發(fā)射控制系統(tǒng)設(shè)計參考。