CZ-2F運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王之平，黃 晨，王銘瑤，穆 暉，劉 烽

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

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)射可靠性，需要大量設(shè)計(jì)人員赴現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)支持與服務(wù)，造成設(shè)計(jì)人力資源浪費(fèi)。傳統(tǒng)的本地測試模式已經(jīng)不能適應(yīng)未來運(yùn)載火箭高密度發(fā)射的任務(wù)需求，急需研制運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)。遠(yuǎn)程測試是指被測對象與測試人員和測試設(shè)備處于不同的地域，它們之間少則相距幾千米，多則相距幾百上千千米。測試中的激勵和響應(yīng)數(shù)據(jù)均通過特定的鏈路來傳輸。運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)能夠使得火箭測試人員在后方完成數(shù)據(jù)判讀、數(shù)據(jù)分析、發(fā)射支持等之前只能在發(fā)射場完成的工作，極大地減少火箭測發(fā)隊(duì)伍規(guī)模。另外，基于后方強(qiáng)大的專家團(tuán)隊(duì)和服務(wù)資源，能夠進(jìn)一步提升測試的準(zhǔn)確性和問題的排查效率。

目前遠(yuǎn)程測試已經(jīng)成為了運(yùn)載火箭測發(fā)技術(shù)的一個重要方向，本文首先介紹了國內(nèi)外遠(yuǎn)程測試技術(shù)的發(fā)展，然后詳細(xì)描述了CZ-2F運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 發(fā)展情況

1.1 國外發(fā)展情況

a）SpaceX公司。

美國SpaceX公司的獵鷹-9火箭在設(shè)計(jì)之初即考慮了遠(yuǎn)程測試的需求，通過采用自動測試和遠(yuǎn)程測試技術(shù)，獵鷹-9火箭最大化地減少了測試項(xiàng)目，從而實(shí)現(xiàn)了16.5天的快速發(fā)射。

美國SpaceX公司將自動化、信息流、工作地點(diǎn)與團(tuán)隊(duì)配合進(jìn)行綜合考慮，實(shí)現(xiàn)了前后方人員的優(yōu)化配置和發(fā)射任務(wù)的快速響應(yīng)，保持了工作能力的可持續(xù)性。獵鷹-9火箭每次發(fā)射任務(wù)在發(fā)射場的工作人員約為三、四十人，工作地點(diǎn)位于發(fā)射區(qū)外部附近的發(fā)射控制中心。另外，絕大部分員工（包括火箭的設(shè)計(jì)和制造隊(duì)伍）在加州公司總部的任務(wù)控制中心工作，負(fù)責(zé)獵鷹火箭發(fā)射過程中的遙控與運(yùn)行管理。這種測試模式使后方技術(shù)人員能夠快捷地獲取火箭的數(shù)據(jù)信息，減少了發(fā)射場人員數(shù)量，提高了技術(shù)人員的研發(fā)和任務(wù)保障能力，促進(jìn)了公司資源的有效協(xié)調(diào)利用。SpaceX發(fā)射控制中心布局如圖1所示。

圖1 SpaceX發(fā)射控制中心布局Fig.1 SpaceX Launch Control Center Layout

b）艾普斯龍火箭。

2013年9月，日本艾普斯龍發(fā)射成功，艾普斯龍為日本新一代智能火箭，通過采用遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)，通過兩臺筆記本即完成了火箭自動化測試發(fā)射。另外，遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)還將傳統(tǒng)需要上百人才能完成的出廠測試和發(fā)射場測試，簡化為數(shù)十人即可完成的工作。

日本艾普斯龍火箭為三級固體小型火箭，長24 m、直徑2.6 m、質(zhì)量91 t，能夠?qū)?200 kg的有效載荷送入250 km×500 km的近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）。艾普斯龍火箭設(shè)置了遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)，在發(fā)射場的后端測控系統(tǒng)可以通過遠(yuǎn)程高速網(wǎng)絡(luò)得到發(fā)射場控制中心、遙測通信站以及工業(yè)設(shè)計(jì)部門技術(shù)人員的實(shí)時數(shù)據(jù)支持。

c）其他。

2008年2月10日，國際空間站的哥倫布（Columbus）艙發(fā)射成功。哥倫布艙由歐洲航天局承擔(dān)研制，在研制過程中采用了遠(yuǎn)程測試技術(shù)，包括前端測試設(shè)備與后端客戶端。前端測試設(shè)備位于哥倫布艙附近，用于對艙段進(jìn)行測試，通過網(wǎng)絡(luò)將測試數(shù)據(jù)發(fā)送至后端客戶端，后端專家完成測試數(shù)據(jù)的分析和故障排查。哥倫布艙遠(yuǎn)程測試技術(shù)由法國Alcatel公司提供。

圖2 艾普斯龍火箭遠(yuǎn)程發(fā)射支持系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic Diagram of the Epsilon Rocket Long-range Launch Support System

1.2 中國發(fā)展情況

中國在遠(yuǎn)程測試技術(shù)已有多年實(shí)踐應(yīng)用，在電力、通信日檢維修已實(shí)現(xiàn)工程實(shí)施。神舟九號飛船任務(wù)期間，通過遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)射場關(guān)鍵數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程判讀和發(fā)射場工作的遠(yuǎn)程支持，有力地保障了首次載人交會對接任務(wù)的圓滿成功，也建成了一體化集成測試平臺和發(fā)射場遠(yuǎn)程測試平臺。運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程測試中心于2018年正式投入使用，保障了多次發(fā)射任務(wù)。

1.3 小 結(jié)

縱觀國內(nèi)外遠(yuǎn)程輔助測試技術(shù)的發(fā)展，均是圍繞著實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測以及依托后方工業(yè)部門的強(qiáng)大資源實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)深度分析這兩個目標(biāo)進(jìn)行的建設(shè)。遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)通過打通前后方的信息通路，使得后方設(shè)計(jì)保障隊(duì)伍能夠獲得與前方隊(duì)伍等同的信息，在依托遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。通過大數(shù)據(jù)分析，對同一發(fā)次、不同階段的數(shù)據(jù)、同一型號、不同發(fā)次的數(shù)據(jù)、不同型號間的相似數(shù)據(jù)進(jìn)行橫縱向比對，實(shí)現(xiàn)對故障先兆的深入挖掘。此外，考慮到運(yùn)載火箭數(shù)據(jù)有一定的保密性要求，數(shù)據(jù)及信息傳輸?shù)陌踩L(fēng)險(xiǎn)也是需要考慮的問題。

2 遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能及組成

CZ-2F運(yùn)載火箭所使用的遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)功能示意如圖3所示，主要包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)、信息傳輸及管理系統(tǒng)和信息安全系統(tǒng)3部分。

圖3 遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)功能Fig.3 Remote Auxiliary Test System Function

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)主要包括數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)和電話網(wǎng)絡(luò)3部分。其中數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要功能為完成前方入網(wǎng)設(shè)備與后方遠(yuǎn)程測試大廳設(shè)備間數(shù)據(jù)信息的交互；音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要功能為完成前后方音視頻信息的交互；電話網(wǎng)絡(luò)的主要功能為實(shí)現(xiàn)前后方電話通信。

考慮到遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)需要盡量不改變目前運(yùn)載火箭前方設(shè)備的狀態(tài)，因此需要通過配置前方數(shù)據(jù)管理工作站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，前方數(shù)據(jù)管理工作站通過瀏覽交換機(jī)獲取火箭測試網(wǎng)的測試數(shù)據(jù)，然后通過防火墻發(fā)送至后方。用于連接前方需要新增的管理設(shè)備和安全類設(shè)備等。同時需要做到數(shù)據(jù)傳輸、音視頻傳輸和電話網(wǎng)絡(luò)的分離。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)如圖4所示。

圖4 整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.4 Overall Network Topology

因此，對于運(yùn)載火箭前方測試系統(tǒng)，需要新增的硬件設(shè)備包括前方加解密機(jī)、防火墻、遠(yuǎn)程測試網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、數(shù)據(jù)管理工作站、安全隔離區(qū)、入侵檢測設(shè)備、音視頻設(shè)備、音視頻交換機(jī)、音視頻工作站及電話等。后方采用以多臺服務(wù)器集群形成的、具有一定規(guī)模的云服務(wù)器為主，特定功能的服務(wù)器作為補(bǔ)充的實(shí)現(xiàn)方式，另外還需要包括后方加密機(jī)、交換機(jī)、防火墻等。

為方便布置與管理，從設(shè)計(jì)上減少耦合因素的影響，前方網(wǎng)絡(luò)在接入加密機(jī)之前，將數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)分離，進(jìn)入后方網(wǎng)絡(luò)后，采用不同的服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。電話網(wǎng)絡(luò)采用專用電話線，獨(dú)立于數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和音視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.3 信息傳輸及管理設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)傳輸信息，主要包括火箭測試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以及發(fā)射場音視頻及環(huán)境參數(shù)和會議信息等，為火箭測發(fā)過程提供支持。

信息傳輸及管理主要包括數(shù)據(jù)傳輸軟件和數(shù)據(jù)管理軟件兩部分。由于專用網(wǎng)絡(luò)與民用網(wǎng)絡(luò)之間涉及安全隔離區(qū)及其他保密要求，前方測試數(shù)據(jù)無法直接通過即有接口進(jìn)行傳遞，只允許通過UDP單播形式將前方測試數(shù)據(jù)傳回北京，因此將數(shù)據(jù)傳輸軟件部署在前方，將前方實(shí)時測試的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳回后方遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)。數(shù)據(jù)管理軟件部署在后方服務(wù)器云平臺上，包括服務(wù)端與客戶端，軟件同時接收各型號前方測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并提供數(shù)據(jù)超差告警提示、歷史數(shù)據(jù)趨勢分析、火箭測試數(shù)據(jù)判讀等分析服務(wù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多型號火箭測試數(shù)據(jù)的并行監(jiān)測。

音視頻傳輸目的是實(shí)現(xiàn)對于發(fā)射場現(xiàn)場的音視頻覆蓋。在高清畫面的支撐下，可以實(shí)現(xiàn)綜合展示、故障定位、分析、研討及排故，完成視頻會議與發(fā)射場監(jiān)控的融合。具備在發(fā)射場全程任何工位快速采集信息并在發(fā)射場會議大廳、后端會議大廳同時召開現(xiàn)場視頻會議的能力，視頻會議的召開同時可以將任何一個現(xiàn)場操作工位和相關(guān)數(shù)據(jù)、視頻、音頻等信息通過快速現(xiàn)場視頻會議部署系統(tǒng)傳遞至后方視頻會議大廳。同時實(shí)現(xiàn)前方發(fā)射場已有的視頻會議系統(tǒng)與后方會議大廳的視頻會議功能，供后方設(shè)計(jì)師及專家在后方會議大廳指導(dǎo)、監(jiān)控現(xiàn)場工位及操作流程。為了后方同步監(jiān)測前方各項(xiàng)視頻信息，將發(fā)射場測試大廳終端桌面信息及各系統(tǒng)桌面信息以及發(fā)射場監(jiān)視信息進(jìn)行匯總，發(fā)送到后端大廳供專家判斷決策使用。為避免音視頻數(shù)據(jù)處理對火箭測試數(shù)據(jù)的傳輸造成影響，后方對測試數(shù)據(jù)和音視頻數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理和存儲。

2.4 信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保信息安全，遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)采用了3層安全保密設(shè)計(jì)，分別為加密機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密、入侵檢測設(shè)備實(shí)現(xiàn)對非法接入的預(yù)警、安全隔離區(qū)實(shí)現(xiàn)對前后方網(wǎng)絡(luò)的物理隔離。信息安全系統(tǒng)組成見 圖5。

圖5 信息安全系統(tǒng)組成框圖Fig.5 Block Diagram of Information Security System

前后方加密機(jī)采用專用KEY進(jìn)行身份識別，配套使用，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密和解密。前方在交換機(jī)上部署入侵檢測設(shè)備，實(shí)時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，入侵檢測設(shè)備是一種集成化的終端安全管理平臺，旁路接入前方瀏覽網(wǎng)絡(luò)，無需對前方網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行更改。入侵檢測設(shè)備具有威脅展示、流量統(tǒng)計(jì)、日志報(bào)表等功能模塊，能夠幫助用戶查看、處理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)受到的威脅，顯示系統(tǒng)各個引擎的流量信息，允許管理員自行配置日志報(bào)表并查看等。入侵檢測設(shè)備與前方網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)部署的防病毒系統(tǒng)、物理防火墻設(shè)備共同支撐起了前方網(wǎng)絡(luò)的信息安全屏障，能夠滿足測發(fā)網(wǎng)絡(luò)防控病毒、控制數(shù)據(jù)流向、檢測網(wǎng)絡(luò)威脅的安全需求。安全隔離區(qū)由兩個網(wǎng)閘和中間的服務(wù)器組成，網(wǎng)閘通過通斷控制，同一時刻僅允許一個服務(wù)器與一個方向的網(wǎng)絡(luò)連通，實(shí)現(xiàn)前后方網(wǎng)絡(luò)的物理隔離。

3 遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)的應(yīng)用

目前采用該方案的CZ-2F運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)已經(jīng)于酒泉發(fā)射場初步建設(shè)完成，有力地保障了CZ-2F Y12、Y13載人發(fā)射任務(wù)的圓滿成功。主要實(shí)現(xiàn)了以下應(yīng)用：

a）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測。

實(shí)時監(jiān)測火箭各系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)，包括測試項(xiàng)目、測試狀態(tài)、測試參數(shù)量和測試模擬量及遙測數(shù)據(jù)等信息。對測試信息進(jìn)行層次化和結(jié)構(gòu)化顯示，實(shí)現(xiàn)對各型號各系統(tǒng)測試信息的直觀判斷。

b）數(shù)據(jù)實(shí)時判讀。

實(shí)時根據(jù)各參數(shù)判據(jù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)超差報(bào)警提示；根據(jù)不同測試階段、不同測試狀態(tài)自動設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)判據(jù)且提供多門限判讀；能夠?qū)Ω餍吞柛黜?xiàng)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化顯示。

c）信息管理。

對火箭測試發(fā)射過程中的各種信息進(jìn)行集中管理。提供實(shí)時測試數(shù)據(jù)存檔功能；分類保存每一次測試期間的全部測試信息，供測試結(jié)束后查詢使用。

d）進(jìn)程監(jiān)測功能。

完成型號總檢查、發(fā)射測試狀態(tài)下，遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)大屏數(shù)據(jù)的顯示。具備按照當(dāng)前測試發(fā)射流程自動切換顯示頁面以及監(jiān)測顯示的內(nèi)容。

e）原始數(shù)據(jù)存儲功能。

將初始接收、發(fā)送的數(shù)據(jù)包存儲為二進(jìn)制源碼。接收到數(shù)據(jù)后，即刻存儲為二進(jìn)制格式文件；發(fā)出數(shù)據(jù)后，同樣即刻存儲為二進(jìn)制格式文件。每次測試后，信息發(fā)送方，將發(fā)送到同一個信宿的數(shù)據(jù)，保存一個文件。存盤文件提供給各接收方進(jìn)行比對。

4 遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)后續(xù)升級建設(shè)規(guī)劃

在目前實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)回傳及自動判讀的基礎(chǔ)上，CZ-2F運(yùn)載火箭遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)后續(xù)將按照規(guī)劃逐步完成前后方網(wǎng)絡(luò)可靠性升級、天地鏡像仿真系統(tǒng)、遠(yuǎn)程可視化協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)等，不斷提高遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)在火箭測發(fā)過程中的作用。

前后方網(wǎng)絡(luò)可靠性升級主要是通過采用網(wǎng)絡(luò)自愈技術(shù)、增加前后方冗余網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、增加前后方冗余通信鏈路等，實(shí)現(xiàn)前后方信息通信的可靠性提升，確保前后方網(wǎng)絡(luò)在一度故障下仍能夠正常工作。

天地鏡像仿真系統(tǒng)是一種基于數(shù)字孿生的沙盤系統(tǒng)，是建立在數(shù)字世界的、可反映物理系統(tǒng)真實(shí)性的數(shù)字模型，建立在對全箭的機(jī)械、電氣和動力等領(lǐng)域系統(tǒng)全面、綜合、真實(shí)的描述能力的基礎(chǔ)上，具備對全箭全生命周期的映射能力，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)的飛行段箭體的功能、實(shí)時狀態(tài)及演變趨勢，從而對全箭的飛行段故障預(yù)測提供有力的分析決策支持。

遠(yuǎn)程可視化協(xié)調(diào)調(diào)度系統(tǒng)通過AR/VR技術(shù)，高清音視頻傳輸技術(shù)，高延遲補(bǔ)償技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)能夠在任意工位快速部署，實(shí)現(xiàn)音頻、視頻、數(shù)據(jù)采集并實(shí)時傳送至?xí)h大廳，動態(tài)收集實(shí)施問題信息。同時后方的專家能夠通過AR設(shè)備實(shí)時指導(dǎo)前方人員操作，同時圖紙、文檔等信息也能夠?qū)崟r同步到前方測試現(xiàn)場。

5 結(jié)束語

隨著遠(yuǎn)程輔助測試系統(tǒng)的不斷完善，運(yùn)載火箭全生命周期的生產(chǎn)工作、測試工作、發(fā)射工作必將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)作與異地協(xié)同，系統(tǒng)數(shù)據(jù)全局把控，故障遠(yuǎn)程診斷，全面提升研制效率，降低生產(chǎn)成本建設(shè)，對運(yùn)載火箭全生命周期的研制產(chǎn)生重要影響。