新一代運載火箭數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計

王曉君，梁宇坤，高玲玲

新一代運載火箭數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)計

王曉君，梁宇坤，高玲玲

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

為了提高運載火箭測試發(fā)射的可靠性，測量系統(tǒng)將獲取的箭上測試數(shù)據(jù)通過有線和無線兩種方式下傳到地面，在地面完成數(shù)據(jù)的實時和事后處理、存儲、發(fā)布、分析和判讀等，實現(xiàn)了火箭各系統(tǒng)對工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。概述了長征八號等新一代運載火箭測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)總體架構(gòu)，該子系統(tǒng)針對應(yīng)用對象的特點，對數(shù)據(jù)采取不同的處理方法，提高了測試數(shù)據(jù)的實時性、交互性和可溯性。

測量系統(tǒng)；數(shù)據(jù)處理；可靠性

0 引 言

為了對運載火箭電氣系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)進行充分考核驗證，在研制過程中需要完成綜合試驗、匹配試驗、總裝測試和靶場測試。遙測數(shù)據(jù)的處理和分析作為測試流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，是火箭各系統(tǒng)進行功能檢查、系統(tǒng)測試評價和火箭整體性能評估的重要手段[1]。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)用于完成箭地測試數(shù)據(jù)的處理，并將結(jié)果以數(shù)值、圖形、曲線等方式進行全面直觀的呈現(xiàn)，以便于各系統(tǒng)在用戶終端上判讀使用。

新一代運載火箭各系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理的實時性和精度要求越來越高[2-3]，因此數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)在設(shè)計時針對數(shù)據(jù)類型和應(yīng)用需求采取不同的處理方法，本文對長征八號運載火箭數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

1 系統(tǒng)組成

1.1 硬件組成

運載火箭數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要由各類計算機組成，通過以太網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成局域網(wǎng)，將處理的結(jié)果實時傳輸給各用戶終端[4]。設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、實時處理服務(wù)器、實時監(jiān)測與判讀服務(wù)器、通信服務(wù)工作站、數(shù)據(jù)挑路工作站、液位參數(shù)處理工作站、瀏覽終端、判讀終端等，系統(tǒng)組成如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)服務(wù)器和工作站均采用雙機熱備的方式，避免測試過程中的單點故障。

圖1 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)設(shè)備組成

1.2 軟件組成

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)軟件平臺基于分布式架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)實時處理與發(fā)布軟件、測量信息管理軟件、網(wǎng)上判讀軟件、通信服務(wù)軟件、實時監(jiān)測與判讀軟件、實時挑路與發(fā)布軟件、液位數(shù)據(jù)處理軟件等，完成遙測參數(shù)的處理、存儲和發(fā)布，處理結(jié)果以數(shù)值、曲線、條圖、虛擬表頭和指示燈等多種方式顯示，并通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給總控網(wǎng)等外系統(tǒng)，軟件平臺結(jié)構(gòu)關(guān)系見圖2。

圖2 軟件平臺模塊結(jié)構(gòu)關(guān)系

遙測檢測站將遙測原碼數(shù)據(jù)幀以每包兩幀的頻率組包，通過網(wǎng)絡(luò)組播以25 次/秒。實時處理與發(fā)布軟件對實時接收到的原碼數(shù)據(jù)進行解析，根據(jù)要求對不同類型（遙測數(shù)據(jù)，1553B總線數(shù)據(jù)，422數(shù)據(jù)和485數(shù)據(jù)等）的參數(shù)進行處理，并將處理結(jié)果保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。通過實時監(jiān)測與判讀軟件，對遙測數(shù)據(jù)處理結(jié)果及遙測原碼數(shù)據(jù)幀進行監(jiān)測、自動判讀和報警，是系統(tǒng)人員實時查找和分析數(shù)據(jù)的手段。通信服務(wù)軟件將收到的組播數(shù)據(jù)以UDP單播方式發(fā)送給總控網(wǎng)等其他系統(tǒng)[5-7]。

在火箭試驗測試中，可依據(jù)存儲在測量系統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的當前或歷史試驗數(shù)據(jù)、參數(shù)判據(jù)等信息完成數(shù)據(jù)的瀏覽、比對分析和自動判讀，同時對判讀結(jié)果進行存儲和管理。

2 數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計

新一代運載火箭相較于傳統(tǒng)運載火箭的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要是增加了遙測參數(shù)分類處理功能、總線數(shù)據(jù)處理功能和液位參數(shù)處理功能等功能模塊。同時，在新一代運載火箭上，普遍采用了高清攝像裝置實現(xiàn)對飛行過程中關(guān)鍵位置和動作的實時監(jiān)測。

2.1 遙測參數(shù)分類處理

長征八號運載火箭箭上遙測參數(shù)包括總體參數(shù)、力學(xué)環(huán)境參數(shù)、熱環(huán)境參數(shù)、動力系統(tǒng)參數(shù)、控制系統(tǒng)參數(shù)和測量系統(tǒng)參數(shù)等，總計594個。測量系統(tǒng)將測試數(shù)據(jù)通過無線和有線方式下傳到地面后，將根據(jù)參數(shù)性質(zhì)的不同分別進行處理和傳輸，從接收到遙測數(shù)據(jù)幀到解算出遙測參數(shù)值，平均延遲時間不超過 20 ms。

在進行數(shù)據(jù)處理時，將遙測數(shù)據(jù)分為速變、緩變、指令、控制計算機字、1553B總線參數(shù)、二次計算參數(shù)、RS485/422參數(shù)、計算機字、緩變?yōu)V波、圖像和液位參數(shù)等不同的類型進行處理。其中，速變參數(shù)包括高低頻振動、噪聲、沖擊、過載和脈動壓力等，緩變參數(shù)包括電壓、溫度、壓力、熱流和液位參數(shù)等。處理的結(jié)果數(shù)據(jù)以起飛觸點接通為0 s，起飛觸點接通以前的時間為負值，起飛觸點接通后的時間為正值[5]。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)完成遙測原碼數(shù)據(jù)的接收解析，基于在信息管理軟件中裝訂的參數(shù)處理公式，對原碼數(shù)據(jù)進行分析和運算，得出相應(yīng)的物理量結(jié)果，將結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中，同時發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中其他使用終端。下面以指令參數(shù)、緩變參數(shù)和1553B總線參數(shù)為例，對數(shù)據(jù)處理的功能進行說明。

a）指令參數(shù)：從原碼數(shù)據(jù)幀中提取指令參數(shù)原碼，通過實時數(shù)據(jù)庫獲取指令參數(shù)及波道信息，由波道信息得到參數(shù)對應(yīng)的原碼數(shù)據(jù)，根據(jù)處理信息計算出指令參數(shù)狀態(tài)及其發(fā)生的時刻。指令狀態(tài)變化的判別通常進行連續(xù)幀的判斷，如果連續(xù)幀均為同一狀態(tài)，則認為此狀態(tài)為真實指令發(fā)生狀態(tài)，且以收到指令變化的第1幀作為該指令發(fā)生的時刻，并將處理結(jié)果發(fā)送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

b）緩變參數(shù)：從原碼數(shù)據(jù)中提取緩變參數(shù)原碼，通過實時數(shù)據(jù)庫獲取緩變參數(shù)及波道信息，由波道信息得到參數(shù)對應(yīng)的原碼數(shù)據(jù)，根據(jù)處理信息還原緩變參數(shù)的實測物理量數(shù)值。如果參數(shù)需要查表計算或需要進行均值濾波，則將計算結(jié)果在對應(yīng)數(shù)據(jù)表中進行查找結(jié)果或?qū)Ξ斍皞€數(shù)據(jù)進行均值計算，并將處理結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

c）1553B總線參數(shù)：根據(jù)1553B總線數(shù)據(jù)塊所在遙測幀波道位置獲取1553B總線原碼，根據(jù)1553B原碼解析配置項中的信息解析所有的1553B消息，分別對總線中包含的緩變、指令、時序碼、計算機字、復(fù)用、復(fù)用指令和特殊計算機字等7類數(shù)據(jù)進行處理，并能進行總線消息的跨幀處理，將處理結(jié)果和1553B原碼存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。

2.2 液位參數(shù)處理

與常溫運載火箭不同，新一代運載火箭在加注發(fā)射階段，需對火箭各級貯箱的低溫推進劑的液位、溫度和壓力等關(guān)鍵參數(shù)進行長時間實時監(jiān)測，由測量系統(tǒng)將處理出的液位參數(shù)等實時傳輸給動力和總控網(wǎng)等系統(tǒng)，保障加注工作的順利開展。測量系統(tǒng)根據(jù)貯箱結(jié)構(gòu)和推進劑的特點，在燃箱和氧箱分別配套了相應(yīng)的液位測量傳感器。系統(tǒng)將傳感器采集到的參數(shù)編入遙測數(shù)據(jù)幀中下傳到地面，經(jīng)過地面處理液位數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給其他系統(tǒng)。

液位參數(shù)處理流程如圖3所示。實時挑路和發(fā)布軟件根據(jù)配置的接收和發(fā)送的地址、端口信息，通過以太網(wǎng)接收遙測檢測站發(fā)送來的原碼數(shù)據(jù)，并根據(jù)遙測幀格式和液位參數(shù)的波道信息，提取出液位參數(shù)原碼發(fā)送給液位參數(shù)處理軟件。

圖3 液位參數(shù)處理軟件數(shù)據(jù)流向示意

液位參數(shù)處理軟件采用UDP協(xié)議、以組播方式每40 ms接收和發(fā)送1個一級液位參數(shù)數(shù)據(jù)包和1個二級液位參數(shù)參數(shù)包，軟件總延時不大于1 s。貯箱液位測量傳感器的特征參數(shù)、遙測原碼與貯箱液位之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系均可通過軟件的參數(shù)裝訂功能完成。

軟件要處理的液位參數(shù)包括加注液位和剩余液位。加注液位分為點式液位和連續(xù)液位，為了提高液位的控制精度，在加注過程中可以利用點式液位對連續(xù)液位進行修正。以長征八號運載火箭為例，自貯箱前底向下分別設(shè)置V、IV、III、II、I 5個液位點。將I液位作為減速加注的信號點，在I液位之上設(shè)置II液位，在I、II液位之間轉(zhuǎn)入小流量加注；II液位后加注停止，進入停放階段；IV液位為達到加注量的液位；在IV液位之下和之上分別設(shè)置III液位、V液位，III液位作為即將達到加注量的提示信號，V液位作為溢出警示點。助推器和芯一級氧箱剩余液位參數(shù)需要處理提供“4 m3液位”特征點，用以進行預(yù)冷加注時控制。

2.3 圖像參數(shù)處理

為了對火箭飛行中的關(guān)鍵位置和動作進行可視化監(jiān)測，通常由測量系統(tǒng)配套一個或多個攝像裝置。箭上實時采集的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過抽幀、下采樣、編碼、壓縮及編幀后傳輸給遙測系統(tǒng)數(shù)據(jù)綜合器，通過遙測信道實時下傳到地面。運載火箭圖像解碼機完成對圖像壓縮原碼數(shù)據(jù)的解碼、圖像復(fù)合視頻編碼和輸出顯示，并能將箭上接收到的起飛信號進行解析處理，顯示終端實時顯示更新遙測飛行時間[8-9]，數(shù)據(jù)流向如圖4所示。當箭上配套多個攝像裝置時，地面圖像處理顯示終端需要對各路圖像按照時序進行切換，實現(xiàn)飛行過程中對箭上不同位置的監(jiān)測。

以長征八號運載火箭某發(fā)任務(wù)為例，箭上設(shè)計了1路攝像裝置，用于觀察星箭分離動作。攝像裝置安裝在衛(wèi)星支架上，在星箭分離階段，地面通過實時解碼出的圖像數(shù)據(jù)清楚地觀察到了多顆衛(wèi)星的分離動作。

圖4 圖像處理軟件數(shù)據(jù)流向示意

3 結(jié)束語

本文針對新一代運載火箭的應(yīng)用，給出了數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的設(shè)計思路和組成架構(gòu)，實現(xiàn)了大量測試數(shù)據(jù)的高可靠性實時處理存儲，大幅提高了型號各階段的測試效率。

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Design of Data Processing Subsystem for New Generation Launch Vehicle

WANG Xiaojun, LIANG Yukun, GAO Lingling

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

In order to improve the reliability of the launch vehicles testing and launching, the test data acquired by the measurement system is transmitted to the ground through wired and wireless methods, through real-time and post processing, storage, release, analysis and interpretation of data on the ground, realizing the rocket systems to monitor their working status in real time. The overall architecture of the data processing subsystem is outlined, which is a part of the measurement system of the new generation launch vehicles, such as Long March 8. Different methods of data processing are adopted which is directed against the characteristics of application objects, and it improves the real-time, interactivity and traceability of test data.

measurement system; data processing; reliability

2097-1974(2023)02-0122-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230224

V475.1

A

2022-11-29；

2023-03-14

王曉君（1986-），女，工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設(shè)計。

梁宇坤（1989-），男，工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設(shè)計。

高玲玲（1981-），女，高級工程師，主要研究方向為運載火箭測量通信與測控系統(tǒng)設(shè)計。