低成本高集成一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

王 旭 ,榮 剛 ,常 曦 ,姜 悅 ,麥 吉

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京 100076;2.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所,北京 100076)

1 引言

一般運(yùn)載器測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的任務(wù)是接收各系統(tǒng)指令并傳輸至運(yùn)載器上,在發(fā)射場(chǎng)對(duì)運(yùn)載器進(jìn)行測(cè)試、發(fā)射和控制。運(yùn)載型號(hào)往往系統(tǒng)復(fù)雜、流程繁瑣,需要在發(fā)射前進(jìn)行大量的、長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試來保證發(fā)射成功率。傳統(tǒng)的測(cè)發(fā)控系統(tǒng)存在著功能復(fù)雜、資源浪費(fèi)、成本較高、集成化低、信息傳遞效率低等問題[1],因此根據(jù)實(shí)際需求,提出了一種低成本且集成化度更高的一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng),將自動(dòng)測(cè)試和健康管理集成于一體,大幅提升了測(cè)試效率并降低了研制及維護(hù)成本,可用于多次通用發(fā)射任務(wù)中。

2 測(cè)發(fā)控系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)

傳統(tǒng)地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般按照需求層、功能層、物理層三個(gè)層級(jí)開展,完成需求分解后,以系統(tǒng)功能、單機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)來開展地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),導(dǎo)致系統(tǒng)共性技術(shù)途徑脈絡(luò)不突出,無法體現(xiàn)影響系統(tǒng)本質(zhì)實(shí)現(xiàn)的核心技術(shù)特征,造成不同型號(hào)、不同系統(tǒng)設(shè)計(jì)不統(tǒng)一。

為規(guī)范地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì),理清影響適應(yīng)多種型號(hào)的一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)脈絡(luò),提出了基于“架構(gòu)-平臺(tái)”的地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)理念[2],包括以下兩點(diǎn):

(1)分系統(tǒng)架構(gòu)是分系統(tǒng)主要屬性集合,包括根據(jù)功能需求劃分的功能組成,以及功能模塊間的接口關(guān)系、功能模塊提取出的共性技術(shù)特征等。

(2)分系統(tǒng)平臺(tái)是架構(gòu)約束下分系統(tǒng)的具體解決方法,包括對(duì)架構(gòu)層功能組成、功能接口和共性技術(shù)特征的細(xì)化,約束系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程、準(zhǔn)則和通用化要求。

根據(jù)確定的劃分原則,將一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)功能分為供配電、測(cè)試及通信、數(shù)據(jù)處理和健康檢測(cè)四個(gè)功能模塊,以架構(gòu)為核心,形成了低成本高集成一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)架構(gòu),如圖1 所示。

圖1 一體化測(cè)發(fā)控架構(gòu)圖Fig.1 Integrated testing and control architecture diagram

利用該架構(gòu),器上通過無線和有線PCM(Pulse Code Modulation,脈沖編碼調(diào)制)流將器上測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸至地面,使用無線信道時(shí),通過發(fā)射機(jī)將器上數(shù)據(jù)傳至測(cè)量系統(tǒng)地面檢測(cè)站,使用有線信道時(shí)將器上數(shù)據(jù)經(jīng)器地脫拔接口通過RS422 協(xié)議傳輸至地面遙測(cè)檢測(cè)站PCM 有線接口,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)遙測(cè)功能。前端地面檢測(cè)站通過網(wǎng)線連接至前端交換機(jī)上,前后端交換機(jī)通過光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離連接,所有器上遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)前端交換機(jī)通過光纖傳輸至后端交換機(jī)分發(fā)至各系統(tǒng)接收設(shè)備,完成大容量數(shù)據(jù)傳輸。

該種測(cè)試架構(gòu)適用于各類測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)及靶場(chǎng),配套設(shè)備可通過市購(gòu)型號(hào)滿足使用要求,作為地面設(shè)備,無需完成大量級(jí)的高低溫、振動(dòng)等試驗(yàn),節(jié)約了研制成本,同時(shí)該架構(gòu)可通過檢修維護(hù)完成設(shè)備功能檢測(cè),確保產(chǎn)品的重復(fù)使用,從源頭上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低成本設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 統(tǒng)一供配電

一般器上由電源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一供配電,其產(chǎn)品包括器上電池、機(jī)電配電器和28 V 配電器,地面設(shè)備由28 V 地面電源主備、160 V 地面電源主備和RS422 -以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器主備組成。地面電源采用主備冗余設(shè)計(jì),通過以太網(wǎng)接口連接前端網(wǎng)絡(luò)交換機(jī),后端通過主控計(jì)算機(jī)和后端網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端控制和監(jiān)測(cè)。地面測(cè)試時(shí),通過一體化測(cè)發(fā)控軟件經(jīng)以太網(wǎng)給電源系統(tǒng)發(fā)送加斷電指令,通過控制地面電源的開關(guān)完成器上加電、轉(zhuǎn)電和斷電功能。指令使用TCP(Transmission Control Protocol,傳輸控制協(xié)議)三遍重傳的方式提高以太網(wǎng)可靠性,確保指令準(zhǔn)確發(fā)送。

3.2 地面有線測(cè)試

器上的遙測(cè)信號(hào)經(jīng)脫拔有線傳輸至地面檢測(cè)站,檢測(cè)站經(jīng)以太網(wǎng)通過UDP(User Datagram Protocol,用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議)分發(fā)至各終端。各系統(tǒng)可在后端各終端上通過一體化測(cè)發(fā)控軟件判讀器上數(shù)據(jù)。

在地面有線測(cè)試期間,可根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的不同來配置各測(cè)試項(xiàng)目專屬的自動(dòng)流程。在流程設(shè)計(jì)器里通過拖拽、移動(dòng)、連線等便捷方式完成流程活動(dòng)先后關(guān)系的配置,并將設(shè)計(jì)完畢的流程以xaml 文件形式存儲(chǔ),打開流程文件時(shí)自動(dòng)解析xaml 文件,完成該測(cè)試項(xiàng)目的流程在一體化測(cè)發(fā)控軟件中的加載過程,試驗(yàn)開始時(shí)點(diǎn)擊“執(zhí)行”即可實(shí)現(xiàn)流程的自動(dòng)執(zhí)行,不需要在繁瑣的指令中挑選該測(cè)試項(xiàng)目需要的指令。自動(dòng)流程配置過程如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)流程配置圖Fig.2 Automatic process configuration diagram

3.3 地面無線測(cè)試

飛行器脫拔斷開后,器上遙測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)發(fā)射機(jī)通過無線信道傳輸至地面檢測(cè)站接收天線,天線通過射頻電纜將接收到的器上遙測(cè)數(shù)據(jù)傳入地面檢測(cè)站遙測(cè)處理組合,組合將收到的無線信號(hào)解調(diào)發(fā)送至上位機(jī)軟件,最終經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至后端顯示終端供各系統(tǒng)判讀。

3.4 數(shù)據(jù)處理及判讀

遙測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至后端終端后,將數(shù)據(jù)源碼存儲(chǔ)在服務(wù)器本地,一體化測(cè)發(fā)控軟件可支持實(shí)時(shí)解析和事后解析兩種模式,在試驗(yàn)過程中可利用實(shí)時(shí)解析模式判讀測(cè)試數(shù)據(jù),大幅提高試驗(yàn)效率。對(duì)于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)源碼,可在事后完成對(duì)源碼的解析。實(shí)時(shí)解析模式采用準(zhǔn)確度較高但速率較慢的單線程解析,事后數(shù)據(jù)處理采用基于數(shù)據(jù)分解的多線程解析算法,其解析準(zhǔn)確度為100%,且其在單CPU 八核電腦上算法加速比達(dá)到50%。

3.5 健康管理功能

一體化測(cè)發(fā)控軟件通過前后端網(wǎng)絡(luò)獲取飛行器各部件的運(yùn)行參數(shù),經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后成為健康狀態(tài)診斷所需要的特征信息;通過融合各種特征信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測(cè)等,產(chǎn)生維護(hù)和決策可用的健康狀態(tài)評(píng)估信息;最終結(jié)合可用的維護(hù)資源信息和決策信息產(chǎn)生管理信息,指導(dǎo)后勤保障和任務(wù)決策。

健康管理功能體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遵循機(jī)械信息管理開放標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟出版的支持基于狀態(tài)維護(hù)的開發(fā)系統(tǒng)架構(gòu)(Open System Architecture for Condition Based Maintenance,OSA-CBM)標(biāo)準(zhǔn)ISO13374,主要包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康診斷、預(yù)測(cè)評(píng)估和決策支持這六個(gè)主要功能模塊[3],各模塊在信息流下的層次關(guān)系及組成如圖3 所示。

圖3 健康實(shí)時(shí)診斷與決策支持功能圖Fig.3 Functional diagram of real-time health diagnosis and decision support

4 測(cè)發(fā)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)用于組建測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的地面局域網(wǎng)絡(luò)。在該系統(tǒng)中選用市購(gòu)交換機(jī),包含24 個(gè)千兆自適應(yīng)網(wǎng)口和4 個(gè)千兆光口。在總控網(wǎng)硬件架構(gòu)中,為保證主干網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性,前后端主干網(wǎng)采用冗余拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),兩臺(tái)交換機(jī)通過堆疊方式保障網(wǎng)絡(luò)可靠性,雙網(wǎng)卡通過TEAM(服務(wù)器網(wǎng)卡組)技術(shù)綁定同一個(gè)IP 地址,綁定模式選擇容錯(cuò)模式。兩網(wǎng)口分別連接到兩臺(tái)交換機(jī)上,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)總控網(wǎng)系統(tǒng)中通信線路冗余設(shè)計(jì),當(dāng)鏈路或設(shè)備發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地進(jìn)行鏈路切換。前后端通過交換機(jī)光口連接,連接方式如圖4 所示。

圖4 前后端硬件架構(gòu)連接圖Fig.4 Front and rear hardware architecture connection diagram

4.2 軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 軟件總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

一體化測(cè)發(fā)控軟件架構(gòu)如圖5 所示,按功能模塊分為信息配置工具軟件、數(shù)據(jù)處理及健康診斷軟件、組態(tài)化顯示終端軟件及全壽命周期數(shù)據(jù)管理軟件。

圖5 軟件總體架構(gòu)圖Fig.5 Overall software architecture diagram

4.2.2 信息配置工具軟件設(shè)計(jì)

信息配置工具軟件完成參數(shù)、幀協(xié)議、故障診斷策略、界面等信息配置工作,將配置結(jié)果輸入給數(shù)據(jù)處理及診斷軟件和顯示終端使用。信息配置工具主要有組態(tài)化界面配置工具、測(cè)試流程配置工具和通用信息配置工具三大工具,其中組態(tài)化界面配置工具完成各系統(tǒng)終端界面的配置,測(cè)試流程配置工具完成試驗(yàn)所有測(cè)試流程、指令時(shí)序配置、流程判據(jù)配置以及流程執(zhí)行調(diào)試功能,通用信息配置工具完成遙測(cè)參數(shù)配置、通信協(xié)議配置、公式、故障診斷策略、用戶管理及權(quán)限配置功能,所有配置信息以XML 文件進(jìn)行存儲(chǔ)。

4.2.3 數(shù)據(jù)處理及健康診斷軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理及健康診斷軟件完成測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)解析、判讀、分發(fā)、存儲(chǔ)和后處理工作,同時(shí)基于指令的指揮控制工作,完成飛行器的健康診斷與評(píng)估。主要包括完成接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、發(fā)送指令數(shù)據(jù)、故障診斷及通信連接管理[4];接收到數(shù)據(jù)后,根據(jù)幀協(xié)議、參數(shù)等配置文件,完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、幀格式檢查、幀類型判斷、幀解析、公式轉(zhuǎn)換、自動(dòng)判讀和編排網(wǎng)絡(luò)幀,同時(shí)完成解析后的數(shù)據(jù)和接收的指令實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。通過接收到的器上數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器的故障檢測(cè)、診斷定位和健康狀態(tài)評(píng)估,并根據(jù)產(chǎn)品全生命周期和健康狀態(tài)信息,制定檢修策略,為地面人員提供輔助決策支持。軟件架構(gòu)如圖6 所示。

圖6 健康診斷軟件架構(gòu)圖Fig.6 Health diagnosis software architecture diagram

健康管理的原理及架構(gòu)如下:

(1)健康診斷與評(píng)估軟件主要接收測(cè)發(fā)控網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的遙測(cè)數(shù)據(jù),首先經(jīng)數(shù)據(jù)處理模塊解析為可識(shí)別的物理量數(shù)據(jù)并進(jìn)行判讀,再將判讀結(jié)果交由推理機(jī)模塊進(jìn)行健康診斷和故障定位,給出推理結(jié)果、測(cè)試結(jié)果和故障告警等,試驗(yàn)完畢后可以生成診斷報(bào)告以及對(duì)故障進(jìn)行重新推演。

(2)信息配置工具軟件主要完成健康診斷及輔助決策所需的數(shù)據(jù)處理信息及故障診斷策略的配置,以供其它軟件使用。

其中,故障診斷策略由電源系統(tǒng)、GNC 系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等各系統(tǒng)通過FMEA(Failure Mode and Effects Analysis,失效模式與影響分析)獲得,整理成包括參數(shù)的判據(jù)和觸發(fā)條件、參數(shù)與測(cè)點(diǎn)的映射關(guān)系、測(cè)點(diǎn)與故障模式的映射關(guān)系以及故障應(yīng)急措施等。

(3)全壽命周期信息管理軟件主要完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、飛行器壽命管理和配置管理、健康診斷結(jié)果數(shù)據(jù)管理、飛行器壽命統(tǒng)計(jì)、飛行器設(shè)備掃碼入庫(kù)、更換記錄功能,以及對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的檢索和瀏覽。

(4)綜合維護(hù)決策支持軟件主要具備故障診斷結(jié)果的顯示,并從實(shí)物3D 飛行器模型中定位具體對(duì)應(yīng)的位置,提供綜合維護(hù)決策支持的功能,根據(jù)識(shí)別的故障類型,提供檢修、維護(hù)等策略輔助決策支持。

4.2.4 全壽命周期數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)

全壽命周期數(shù)據(jù)管理軟件主要完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理、飛行器壽命管理和配置管理、健康診斷結(jié)果數(shù)據(jù)管理、飛行器壽命統(tǒng)計(jì)、飛行器設(shè)備掃碼入庫(kù)、更換記錄功能,以及對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的檢索和瀏覽。全壽命周期數(shù)據(jù)管理軟件原理及架構(gòu)如圖7 所示。

圖7 數(shù)據(jù)管理軟件原理及架構(gòu)Fig.7 Principle level architecture of data management software

4.3 快速維護(hù)方法

由于所提到的一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)能適應(yīng)多種型號(hào)的發(fā)射工況,若在短時(shí)間內(nèi)多次使用,則其檢修維護(hù)變得至關(guān)重要。由于一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的軟件將各功能集成于一體,除簡(jiǎn)單的軟件功能測(cè)試外不需要進(jìn)行特殊維護(hù),因此檢修維護(hù)主要體現(xiàn)在硬件的管理上。

運(yùn)載器的系統(tǒng)分劃固定,不需要每次為各系統(tǒng)配備新增硬件設(shè)備,因此硬件的檢修維護(hù)主要包含連接電纜的維護(hù)和硬件設(shè)備功能及配置的檢查兩部分。電纜的維護(hù)主要包括交換機(jī)的光纖清潔和維護(hù)以及網(wǎng)線的通斷性檢查,硬件設(shè)備功能及配置包括交換機(jī)的配置檢查和計(jì)算機(jī)網(wǎng)卡冗余設(shè)置檢查。上述項(xiàng)目在每次系統(tǒng)試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作中均可驗(yàn)證到,且檢修維護(hù)成本較低,僅需做簡(jiǎn)單測(cè)試,可高效復(fù)用在同一運(yùn)載型號(hào)上。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證需要對(duì)指令延時(shí)、數(shù)據(jù)丟包、幀計(jì)數(shù)連續(xù)程度和健康管理決策正確率等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和判斷。本系統(tǒng)選擇的兩次試驗(yàn)均為在實(shí)際發(fā)射流程中的測(cè)試結(jié)果。其中,指令延時(shí)為指令從后端經(jīng)以太網(wǎng)傳輸至前端的延時(shí),數(shù)據(jù)丟包為測(cè)量系統(tǒng)的遙測(cè)地面檢測(cè)站傳輸至總控網(wǎng)的數(shù)據(jù)丟包記錄,幀計(jì)數(shù)為測(cè)量系統(tǒng)幀計(jì)數(shù),用來表征器上數(shù)據(jù)的連續(xù)性和正確性,健康管理對(duì)器上數(shù)據(jù)進(jìn)行決策和判讀,統(tǒng)計(jì)其對(duì)各參數(shù)判讀的準(zhǔn)確率表征其工作準(zhǔn)確度。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

6 結(jié)束語

測(cè)發(fā)控系統(tǒng)是運(yùn)載型號(hào)中地面測(cè)發(fā)和控制的重要一環(huán)。低成本高集成一體化測(cè)發(fā)控系統(tǒng)在保證傳輸可靠性的同時(shí),優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提高了系統(tǒng)集成度,降低了研制和維護(hù)成本,同時(shí)增加了地面健康管理功能,經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證其工作正常、性能可靠[5]。該系統(tǒng)已配合運(yùn)載型號(hào)成功完成多次發(fā)射任務(wù),系統(tǒng)集成性和可靠性高,不僅為數(shù)據(jù)從器上至地面的傳輸及分發(fā)過程提供了可靠保障,也通過快速靈活的數(shù)據(jù)解析軟件和健康管理軟件大幅提高了試驗(yàn)人員對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)判讀的效率和準(zhǔn)確率。