运载火箭地面测发控系统信息流设计与优化.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）运载火箭地面测发控系统信息流设计与优化欧阳李青1，兰旭东1，高飞1，赵新航1，谢望1，于宸轩2（1.上海航天电子技术研究所，上海 201109；2.上海闵行区协和双语教科学校，上海 201102）摘要:运载火箭地面测试与发射控制系统（简称测发控系统）是火箭测试发射过程中火箭与地面信息交互的重要枢纽，系统信息流可分为控制类、测量类和箭地通讯信息流。测发控系统主要经历了 3化设备、一体化、新型一体化这 3个阶段，不同阶段系统信息流各具特点，不断优化。分析影响系统信息传递效率因素，梳理系统信息流设计的关键要素以及技术要点，并对系统信息流优化方向进行展望，为后续运载火箭全箭试验数据整合、火箭健康管理、远程测试发射等应用的实现提供参考。关键词:运载火箭；测发控系统；信息流；数据传输中图分类号:V 19；TP 274 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.017Design and Optimization of Information Flow for Ground Test and Launch Control System of Launch VehicleOUYANG Liqing1，LAN Xudong1，GAO Fei1，ZHAO Xinhang1，XIE Wang1，YU Chenxuan2（1.Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109，China；2.Shanghai United International School Jiaoke Campus，Shanghai 201102）Abstract:The launch vehicle ground test and launch control system（hereinafter referred to as the test launch control system）plays an important role in information interaction between the rocket and the ground in the rocket test and launch process.The system information flow can be divided into control information flow，measurement information flow，and rocket ground communication information flow.The test，launch and control system has been developed in three stages：the three equipment，the integration，and the new integration.The systems information flow in different stages has respective characteristics and is optimized constantly.This study has analyzed the factors that affect the efficiency of system information transmission；then sorted out the key elements and technical points of system information flow design；and proposed the expectation for the optimization direction of system information flow.This paper thus has provided a reference for the implementation of subsequent applications such as full rocket test data integration，rocket health management，remote test launch，etc.Key words:launch vehicles；test and launch control system；information flow；data transmission0引言 在运载火箭测试发射过程中，地面测发控系统是试验人员与火箭进行信息交互的重要枢纽。作为信息上传下达的沟通桥梁，系统不仅需要精准可靠地将控制指令传达给火箭，同时还负责收集、存储、应用与管理全箭试验数据，对试验流程、试验状态以及试验数据等信息进行实时传输、处理并呈现给各系统指挥以及专业的判读人员。测发控系统网络原来仅需完成控制指令和测试结果的数据传输功能，随着运载火箭测试技术的发展，大量箭地测试数据在网络中转发处理，通讯数据量成几何增长，系统网络节点由几个增加到数十个节点。如何高效准确地传递、整合、解析并展示全箭试验数据，优化系统信息流，进而提高数据传输效率与可靠性，一直是地面测发控系统重点研究的课题，对适应高密度发射、缩短判读时间、实现收稿日期：20230413；修回日期：20230609作者简介：欧阳李青（1996），女，硕士，工程师，主要研究方向为运载火箭地面测发控系统软件设计。122第 40 卷 2023 年第 s1 期欧阳李青，等：运载火箭地面测发控系统信息流设计与优化快速测发等方面具有重要意义。1运载火箭地面测发控系统简介 地面测发控系统作为火箭各阶段测试及发射控制的重要组成部分，完成对运载火箭各系统箭上电气产品的控制和测试，并与发射场相关系统配合，完成对火箭的测试、加注以及点火发射任务，系统组成框如图 1 所示。系统按前后端布局，通过一体化网络完成前后端信息交互，实现远距离一体化测发。前端设备主要负责信号采集、控制和供配电输出等功能，后端主要负责测发控流程控制、信息处理判读以及火箭状态监视等功能。一体化测发控系统担负着控制、外安、遥测、动力、电爆电路监测、电磁阀测试和 C3I系统等所有测试数据和指令的传递，与动力、瞄准、卫星、C3I、时统和发射场塔勤等其他系统有机结合。系统信息流按传输信息类型分类，可分为控制类、测量类及箭地通讯信息流。1.1控制类信息流控制类信息主要包括地面电源的供配电，箭上的各系统单机的供配电，脱落、点火指令等。信息流上的数据是决定主控软件的测试流程是否进行的关键，直接反映火箭测试状态，此类数据流量较少，通讯可靠性要求高。通信采用回令再继续的握手串行控制模式，确保通信的可靠性，具体信息流途径如图 2所示。控制信息流上数据的产生由主控计算机发出采样、控制命令到指定的前置终端，前置终端根据命令内容执行后把结果再按照信息原路径返回到主控计算机中，主控计算机根据执行结果决定后续的进程，指令与回令信息同时也会转发至流程屏、状态屏等各个终端上进行显示。前置终端实现的功能包括模发信号发出、时串接收、箭机脉冲接收、计时等。1.2测量类信息流测量类数据主要分为无线测量数据和有线测量数据，无线测量数据有遥测无线、外安综测数据等，有线测量数据有 PLC 循检、前置采集以及电磁阀采集数据等，此类数据流量较大，通讯网络传输带宽要求高。无线测量数据转发至各个显示与判读终端，进行实时显示与数据判读。有线测量数据发送到前置计算机，由数据实时诊断软件按照主控软件的测试要求，将信号进行挑选并经过诊断后，加上合格标记再转发给主控软件，具体信息流途径如图 3所示。图 1一体化测发控系统框Fig.1Block diagram of an integrated test and launch control system图 2控制类信息流Fig.2Control information flow diagram图 3测量类信息流Fig.3Information flow diagram for measurement123第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）1.3箭地通讯信息流运载火箭的箭载计算机与地面测发控系统的数据交互一般通过 RS 422 总线实现。箭载计算机的自检、飞行程序装订、诸元计算、瞄准控制等均通过该 RS 422 总线实现上传、下传，因此该通路十分重要。为保证 RS 422通讯的可靠性，系统内设置一台 运 行 监 视 终 端，实 时 监 视 箭 地 之 间 的 上 下 行 422数据，监视终端通过 422电缆设计保证仅具有数据接收功能。RS 422通讯链路包括主机与箭机、捷机与捷联地测终端之间的通讯，具体信息流如图 4所示。2地面测发控系统信息流发展历程 2.1三化设备阶段在测发控系统三化设备阶段，测试信息由前置VXI测试计算机进行采集，通过前后端以太网光端机和 TCP/IP通讯方式传递给主控微机。发控信息由主控微机通过以太网 UDP/FINS 通讯格式向后端发控台的 PLC 给出自动发控的各项操作和控制指令。箭地信息由主控微机通过 RS 422 方式与箭上计算机通讯，进行测试程序、飞行程序装订和测试控制字的发送。运载火箭地面通用总体测试信息网（简称总体网）完成火箭内部各分系统上网微机的联网以及和C3I系统之间的通信。总体网收集并提供火箭各分系统的测试信息和发射场指挥监视系统的指挥信息，进行数据处理和必要的自动判读，实现火箭总体以及各分系统之间的信息共享，该阶段测发控信息流如图 5所示。2.2一体化阶段一体化阶段控制信息流主要由主控软件发送测试流程控制指令和执行端的控制、测试回令信息；测量信息流主要由遥测采集数据、PLC 循环检测数据和各前置计算机循环、单次采集数据构成；箭地通讯信息流上设置箭地通讯监测计算机实时监视箭机、捷机箭地通讯过程中的上下行数据，系统信息流如图 6 所示。一体化测发控系统应用了PLC、局域以太网技术、光通信技术、PCI 测控技术等技术构建分布式综合系统。采用基于以太网通信模块与 RS 422通讯模块的通讯方式1，取代传统的通过独立、专用的 RS 422 光端机、RS 422 光纤进行箭地通讯的方法，不仅降低系统的成本，同时减少各种设备间的连接关系复杂度以及误码率，有效提升数据传输可靠性。可配置信息流管理方法的应用2，适应运载火箭测试控制系统的终端动态变化，有效简化测试控制环节的信息流管理工作，减少了设计人员后期维护的工作量，并提高了信息流管理的效率和灵活性。自动判读的能力进一步提图 4RS422信息流Fig.4RS422 information flow diagram图 5三化设备阶段测发控信息流Fig.5Information flow diagram of a test and launch control system of three chemical equipment124第 40 卷 2023 年第 s1 期欧阳李青，等：运载火箭地面测发控系统信息流设计与优化高，除测试数据判读外，增加了对流程执行结果正确性的判读。2.3新型一体化阶段新型一体化测发控系统采用通用化设计，能够同时满足长四长二两型运载火箭测试、发射及控制需求，系统信息流如图 7所示。前端数据采集使用 PXI测试技术、基于以太网的嵌入式板卡设计技术等新技术，提高了系统的灵活性；后端采用服务器集群，实现后端计算机资源整合管理；前后端信息交互采用基于标准 TCP/IP 协议栈的 TCP/UDP 方式替代传统的RS 485通讯传输提升数据传输的鲁棒性以及系统可靠性3。串口服务器的应用优化了箭地通讯 RS 422接口的管理，将串口数据转换成以太网数据，不仅降低了硬件线路连接的复杂度，同时提高了串口配置的灵活性。相比上一阶段，配置项功能进行整合优化，软件集成度提高，软件间的信息交互节点大幅减少，优化简化了信息流传输路径。3地面测发控系统信息流深化研究 3.1信息传递效率因素分析要实现全箭试验信息的上传下达，有信息采集、传输、处理、呈现等环节，实现过程由测发控系统各个子系统协作完成，实现技术涉及多个专业，数据类型、传输环节、处理规则等因素都影响着信息传递的效率。深入分析一体化测发控系统信息传递的过程，总结归纳出影响系统信息传递效率的7个主要因素，因果分析如图 8所示。1）数据源类型多。全箭试验数据源分散、数据结构复杂、数据量大且数据种类多。按专业系统分为控制系统、遥测系统、外安系统、动力系统数据等；按数据性质分为有线数据和无线数据；按功能类型分为控制类数据和测量类数据；按通讯协议分为串口、TCP 和 UDP 数据。不同设备采集数据的频率、转发数据的形式、存储数据的格式各不相同，建立标准化的数据字典，规范、优化和简化火箭与地面系统的技术接口，能够有效提高箭地一体化设计与发射水平以及数据利用效率4。2）数据交互节点多。由于采集数据源分散，不同类型数据的传输方式各不相同，数据从前端采集到后端呈现需要经过多个环节，存在多个数据传输交互节点，包括数传网络节点和软件交互节点，减少数据网络数据传输以及系统内软件数据交互节点，能够有效提高数据传输效率与可靠性。3）实时传输数据量大。随着电子信息技术的图 6一体化测发控系统信息流Fig.6Information flow diagram of an integrated test and launch control system125第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）不断发展，数据采集设备的采样频率不断提高，其不仅提高了对实时网络传输要求，也使实现所有数据实时显示判读的难度随之加大。如果显示判读终端每接收到一包网络实时数据后都要完成解算、处理、判读、评估、显示等工作，整个处理周期耗时较长，必然影响下一包数据的接收。如何智能高效地提取关键有效数据，从源头上筛选有效信息完成数据的预处理，能够有效减轻网络传输压力以及显示判读终端处理压力。4）数据处理规则各异。全箭涉及专业众多，不同专业关注的试验数据各不相同，对不同参数有特定的处理规则，数据处理的效率是影响数据呈现效率重要因素之一，数据处理的准确性也直接影响着数据判读及决策结果。5）状态变化多。随着箭上产品状态变化，数据采集、数据处理规则等也会随之变化，为适应不同状态变化，归纳整理常用数据处理规则，并尽可能采用配置化设计，但不可避免的会存在个性化处理要求，这不仅增加了沟通成本，同时也提高了软件设计、维护以及配置项管理的难度。6）呈现方式多样。测试覆盖性的要求越来越严格，综合试验的测试数据量会越来越大，对测试全过程数据进行前台渲染呈现需要的时间较长。不同数据信息呈现方式不同，状态指示、曲线、图表，定制化要求较多。7）数据整合管理难度大。数据源类型、数据存储的格式、数据处理的规则以及箭上状态的变化直接影响着数据整合管理的难度，设计结构化通用的全箭数据管理模式，能够有效提高事后数据判读的效率以及数据利用率。图 7新型一体化测发控系统信息流Fig.7Information flow diagram of new integrated test and launch control system图 8影响效率因素分析因果Fig.8Causal diagram of factors affecting efficiency analysis126第 40 卷 2023 年第 s1 期欧阳李青，等：运载火箭地面测发控系统信息流设计与优化3.2信息流优化展望一体化测发控系统负责火箭测试数据的收集、整合、处理、存储、发布及应用，该过程需要测控、数传、软件等各个分系统相互协作完成，结合各专业发展趋势，对信息流优化方向进行展望。1）测控部分。测控分系统实现的技术要素主要包括测控设备标准、测控模式、配电控制等，随着VXI、PXI等各种标准的测试模件广泛使用，测控设计集成度、便携度提高，减少部分设备种类，降低维护成本，简化信息流数据源类型。随着测试测量技术的发展，数据采样频率以及测量的精确度越来越高，产生的数据量也越来越大，实现所有数据实时数据传输与呈现的难度加大，变频采样技术成为研究方向5-6。2）数传网络部分。测发控系统数传分系统主要实现前后端远距离网络通信以及与发射场的数据传输，目前基于云计算的服务器集群技术实现整体资源集中管理，可以做到按需分配，RDP 技术消耗较少 CPU 资源，有效避免硬件资源浪费，并且能够支持兼容不同的操作系统、应用程序架构、开发环境7。未来的地面测发控系统须将发射场地面测控网络与异地远程发射支持网络一体化整合，实现多地协同测试发射，完成异地远程发射支持，这将增加试验数据的传输与交互环节，也对数据远程传输提出了更高的要求。根据网络数据的关键程度、实时性要求进行传输通路选择，采用实时以太网、标准以太网和无线网络的多网融合方案，是测发控通信网络未来发展趋势8。3）软件部分。测发控系统的软件众多，集成测试难度大，系统软件按功能可分为数据采集类、数据管理类、数据处理与呈现类以及流程控制类软件。数据采集类软件负责将前端设备与一体化网络之间的数据交互；数据管理类软件作为一体化网络内软件之间数据传递枢纽，负责通信数据传输管理；数据处理与呈现类软件是数据传输与交互终端，负责将接收到的一体化网络内数据直观地呈现给各系统指挥与判读人员；流程控制类软件负责发送、传递、执行测试发射指令。软件间信息传递采用统一的标准化数据传输协议，通过不同配置项组合能够满足不同测试流程的需求。后续测发控系统软件将瞄准通用化、智能化、国产化、中台化等方向9-10，在国产操作系统下，采用统一平台架构，设计结构化配置文件以适应不同型号及任务的差异化需求，搭建中台化测发平台灵活快速应对状态变化，避免重复建设，提高一体化、集成化程度。4结束语 本文对一体化测发控系统信息流进行梳理，回顾系统信息流发展历程，深入分析影响系统信息传递效率因素，结合信息流设计关键要素以及技术要点，展望系统信息流优化方向，为运载火箭信息传递、全箭试验数据整合等相关应用实现提供参考。参考文献1 徐昕，徐玮，吴睫，谢芳.一种运载火箭地面测试、发射与控制的通讯系统 P.上海：CN202841175U，2013-03-27.2 朱飞翔，庄玮，顾海林，等.运载火箭测试控制系统的可配置信息流管理方法P.上海市：CN111262729A，2020-06-09.3 谢芳，卢逸斌，吴睫，等.新型运载火箭的测试、发射和控制系统 P.上海：CN204142106U，2015-02-04.4 肖士利，郭振，谢志丰，等.中国运载火箭地面系统发展方向研究 J.宇航总体技术，2020，4（2）：25-32.5 任月慧，张宏德，彭越，等.运载火箭测发控技术未来发展与展望 J.计算机测量与控制，2021，29（6）：1-4，24.6 韩亮，张宏德，彭越.运载火箭地面一体化测发控系统设计 J.计算机测量与控制，2021，29（6）：5-8，34.7 吕跃鹏，刘俊阳，杨喆.基于虚拟化的火箭测发控软件冗余技术 J.航天控制，2020，38（3）：61-68.8 张晨光，吕明，刘巧珍.基于云计算一体化测试发控系统设计与分析J.导弹与航天运载技术，2018（3）：114-118.9 王子瑜，范瑞祥，程堂明，等.中国新一代中型运载火箭地面测发控系统架构及发展方向 J.导弹与航天运载技术，2022（2）：91-97.10 孙宝亮，王毅，薛凯，等.基于中标麒麟的测发控类软件一体化设计J.计算机测量与控制，2021，29（12）：145-149，155.127