长征四号系列运载火箭测发控系统技术发展与展望.pdf

第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）长征四号系列运载火箭测发控系统技术发展与展望李波，张海波，欧阳李青，兰旭东，谢望（上海航天计算机技术研究所，上海 201109）摘要:地面测发控系统是运载火箭系统工程中重要的组成部分，随着科技的不断进步，以及高密度发射、快速性测试和低成本运营的迫切要求，为满足可靠、智能、高效、经济的目标而不断发展。本文回顾了长征四号系列运载火箭测发控系统的发展历程，对历代测发控系统产品和技术路线进行了分析，总结存在的主要问题，提出了电气动力一体化测发技术、远程测发技术、全箭综合健康管理技术和快速测发技术等关键技术作为未来测发控技术研究方向和应用模式，为地面测发控系统的后续发展提供参考。关键词:长征四号；测发控系统；发展历程；展望中图分类号:TP 274 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.015Development and Prospect of Testing and Launch Control System Technology for Long March-4 Series Launch VehicleLI Bo，ZHANG Hai Bo，OUYANG Liqing，LAN Xudong，XIE Wang（Shanghai Aerospace Computer Technology Institute，Shanghai 201109，China）Abstract:Ground testing and launch control system are critical components of launch vehicle system engineering.With the continuous progress of technology and the urgent requirements of high-density launching，rapid testing and low-cost operation，it is necessary to meet the goals of reliability，intelligence，efficiency and economy.This article has first reviewed the development of the Long March-4 series launch vehicle testing and control systems；then analyzed the products and technical routes of previous testing and control systems；and summarized the main problems.In the end，this study proposed key technologies such as electrical and power integration testing and launch technology，remote testing and launch technology，comprehensive health management technology for the entire rocket，and rapid testing and launch technology which can be the future research directions and application models for test and control technology，thus providing a reference for the subsequent development of ground testing and control systems.Key words:long march-4 series；testing and launch control system；development process；prospect0引言 长征四号系列运载火箭是 3级常温液体推进剂运载火箭，各级推进剂均采用四氧化二氮和偏二甲肼，具有性能优良、可靠性高、适用性广和发射费用合理等优点，主要用于发射太阳同步轨道卫星任务，也用于承担倾斜圆轨道卫星等发射任务，是我国目前中低轨卫星发射的主力运载火箭之一。运载火箭测发控系统1是对运载火箭进行射前测试并实施火箭发射控制的系统总称。其主要功能是对火箭各系统进行分系统测试和全系统总检查测试流程控制，对箭上仪器进行功能测试和发射过程中供配电、点火与发射控制、地面网络通信和信息处理，测发控系统还承担着火箭测试发射应急操作的重要任务。收稿日期：20230413；修回日期：20230609作者简介：李 波（1981），男，硕士，高级工程师，主要从事运载火箭测发控系统设计与研究。108第 40 卷 2023 年第 s1 期李波，等：长征四号系列运载火箭测发控系统技术发展与展望测发控系统作为运载火箭的核心支持系统，是保证任务发射可靠的重要技术手段，随着航天技术的发展和任务要求的不断提高，测发控系统技术也经历了多轮次发展和迭代。本文通过对长四系列运载火箭历代测发控系统设备和技术进行梳理，结合当前测试技术发展现状，总结测发控技术存在的主要问题，提出未来测发控技术应用模式和研究方向。长征四号系列测发控系统技术发展现状 长征四号系列测发控系统随着长四系列运载火箭的不断发展而进步，先后承担了长征四号甲、长征四号乙和长征四号丙等运载火箭的测试和发射任务，自上世纪七十年代至今，长四系列测发控系统已经历了四代产品的发展和迭代，完成了超过百发火箭的测试发射任务，如图 1所示。1.1第一代测发控系统长四系列第一代测发控系统产品主要服役于长征四号甲运载火箭，该套设备在国内首次采用CAMAC（Computer Automatic Measurement and Control），如图 2 所示，测试总线实现自动化测试功能。CAMAC 总线是一种以大规模快速数据采集与处理为初始背景的计算机标准接口系统，一般使用单元是 CAMAC 机箱和模块，每个机箱有 25 个站，计算机通过机箱控制器与 CAMAC 接口连接，实现数据的互通。自上世纪七十年代至二十世纪初共完成 11次火箭飞行试验任务。1.2第二代测发控系统长征四号系列第二代测发控系统产品主要服役于长征四号乙和长征四号丙运载火箭，也称为长四乙 02 批一体化测发控系统，如图 3 所示。该图 1路线发展Fig.1Route development map图 2CAMAC总线设备Fig.2CAMAC bus device109第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）套设备在当时攻克了多项技术难关，其中一体化测试发射控制技术2在国内首次实现了系统的高度集成，解决了以往测试透明度低、周期长、操作多、可靠性差等瓶颈；在系统信息共享度、实时自动判读能力、抗干扰性能和测试可靠性等方面有突破性提高。该套系统为分布式综合系统，在系统集成中应用 了 可 编 程 逻 辑 控 制 技 术（Programming Logic Control，PLC）、VXI 总线测试技术、局域以太网技术、光通信技术、PC测控技术等技术，采取火箭控制系统、遥测系统、外测安全系统、动力电磁阀（即三级姿控发动机、三级发动机、增压输送系统的电磁阀）一体化供配电、控制、测试的方案，实现对火箭一体化、远距离测试发射；同时灰机测试过程中有线、无线遥测数据，进行实时全程自动判读、比对和显示。该系统以自动化测试、发射为主，同时具备紧急情况下可应急控制能力。一体化测发控系统的成功研制创造了全新的靶场火箭测试发射指挥模式，实现了运载火箭测试发射控制的实时化、数字化、网络化、信息化。此外，一体化测发控系统研制成果的成功应用，使我国的运载火箭测试发射水平取得了新的进步和提高，为我国新一代运载火箭提出的地面一体化测发控 技 术 的 实 现 打 下 了 技 术 基 础。该 套 系 统 自 2003年开始研制至 2013年退役，在太原卫星发射中心和酒泉卫星发射中心共完成 20 多发火箭的测试和发射任务。1.3第三代测发控系统长征四号系列第 3代测发控系统产品服役于长征四号乙和长征四号丙运载火箭，在继承原有测试设备“一体化”模式、远距离测发和自动化数据判读等成熟技术的基础上，采用了集中流程控制与采集的模式。国内首次采用分布式仿真系统作为产品等效器实现仿真功能，采用分布式采集设备完成非流程测试功能，首次实现发控 PLC 系统级双冗余，实现过程中虚拟操控。中频电源采用逆变电源的方式，为型号首次使用；测试部分采用 PCI+PLC 的数据采集模式，使用双冗余高精度测试设备进行模拟量测试，测试数据实时自动化显示、判读、比对，具备测试结束后半小时内完成数据汇总，输出所有测试结果的能力，如图 4所示。该套系统为分布式综合系统，在系统集成中应用了 PLC 技术、PCI/PC104 总线测试技术、局域以太网技术、光通信技术、PC 测控技术等技术，自2011 年开始研制至 2022 年退役，在太原卫星发射、酒泉卫星发射、西昌卫星发射中心这三大内陆发射场共完成 40多发火箭的测试和发射任务。1.4第四代测发控系统长征四号系列第四代测发控系统产品为统型测发控系统，服役于长征二号丁、长征四号乙和长征四号丙三型运载火箭，为国内首套投入使用的统型测发控系统，能够满足三型火箭多种箭上技术状态的测试发射需求，可以适应在酒泉、太原、西昌等发射场的测试发射条件。图 3系统组成Fig.3System composition diagram110第 40 卷 2023 年第 s1 期李波，等：长征四号系列运载火箭测发控系统技术发展与展望统型测发控系统按照一体化的设计理念，根据发射场布局，使用前后端远距离通讯方式，与 C3I、时统、发射场塔勤等系统有机结合，完成对火箭性能的自动测试与控制，配合完成火箭加注，实施地面点火，同时具有紧急情况下的应急控制功能，如图 5 所示。统型测发控系统在充分继承现有设备PLC 技术、光通信技术等成熟技术的基础上，开展了服务器虚拟化集群、冗余网络。基于以太网的嵌入式测试设备、PXI总线设备、小型化程控电源、耐高温电缆的研究，实现了测发控系统的小型化、自动化和无人值守等技术特点。统型测发控系统在研制过程中完成了以下技术创新与关键技术，并在系统中得到应用。1）高可靠冗余网络技术。数传网络分系统采用冗余网络通讯架构，去除所有光端机，把光端机功能集成到交换机中完成，减少故障环节，通过交换机端口聚合和堆叠的方式，实现高可靠冗余通讯网络。端口聚合可以将多物理连接当做一个单一的逻辑连接进行处理，其允许两个交换机之间或交换机与终端之间通过多个端口并行连接，以提供更高的带宽、更大的吞吐量和可恢复性的技术传输数据，从而以较低的成本提高可靠性和带宽。2）服务器虚拟化集群技术。数传网络分系统创建高性能刀片服务器集群，结合高可靠冗余网络，一旦出现物理数组服务器宕机或软件故障可以迅速实现切换。主控计算机和判读显示终端采用瘦客户端模式，对现有的物理机架构改成虚拟化架构，以此提高物理机使用效率，达到合理利用资源，为各型号间数传通用化及易于横向扩展提供便捷性，并使数传网络分系统的各个节点成为冗余设计架构。3）小型化冗余程控电源技术。系统使用的直流电源在满足系统功能和性能的前提下，主副机在结构上采用插箱组合的形式，与原有测发控系统地面电源整体机柜方式相比，体积减少为原来的三分之一，便于设备展开及维护工作，实现小型化设计要求。电源运行参数通过传感器将模拟量信号转换为数字量信号，通过以太网组播形式向上位机发送信息，与原设备相比，减少了 PLC 采集环节，简化了发控设备电路设计。电源主副机均可以通过网络控制及电压调节，同时也保留了手动控制与调节的能力，可以作为冗余备保措施。4）基于 SOC 的高可靠嵌入式系统设计技术。电爆电路及电磁阀测试仪采用基于可编程逻辑阵列（FPGA）与嵌入式处理器一体化的 SOC 系统，有效减少单板和分立器件使用数量，降低潜在发生问题的可能性，很大提高了设备的可靠性和数据传输图 4系统组成Fig.4System composition diagram111第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）效率。同时将原有机箱结构进行了优化，减少机箱内的线缆转接环节，并将体积变小，可安装在标准机柜中，实现小型化、产品化和通用化。同时基于LINUX 的双网口冗余机制代替现有地面测试设备，在高可靠性和核心技术可控等方面的优势相当明显。双网口冗余机制区别于现有地面时序测试设备，具备关键器件双冗余备份，使得一个关键器件发生故障的情况下能够使另一个器件替代主份器件继续工作，使测试设备的可靠性得到保障。双网口冗余机制建立在开源嵌入式 LINUX 操作系统上，对比现有基于 Windows 开发的测试设备，其开源特性对操作系统层面的可控性更强。同时单机可实现本地数据存储的功能，避免因通讯环节故障导致测试数据丢失。统型测发控系统于 2019 年开始研制并投入使用至今已完成 3个型号 3大发射场共计 30多发火箭的测试和发射任务。1.5小结自上世纪七十年代至今，长征四号系列测发控系统已经历了 50多年的发展，测发布局由发射工位前端近控模式升级至前后端远程测发模式，发控子系统由双冗余、三选二冗余模式取代原单一配置模式；测试 子 系 统 经 历 了 CAMAC 总 线、VXI 总 线、PCI/PC104总线、PXI总线等技术的不断发展；数传通讯子系统由服务器集群、云平台等虚拟化系统取代实体计算机系统；地面直流电源由小型化程控电源取代原机柜式直流电源，中频电源由逆变电源取代原控制屏+电机的模式；数据判读由人工纸带判读发展为软件自动显示判读比对并生成报告和文档，测发控系统的应用模式和技术特征在不断的进步与发展。2测发控技术需求分析 国内航天领域对测发控技术虽有一定的相关研究和发展，但与体系化、成熟化、实用化的工程应用仍有一定的距离，为了实现“可靠、智能、高效、经济”的一体化地面测发控系统设计目标，对传统测发控系统存在的主要问题分析如下：1）通用化3程度欠缺，需要从顶层开展策划。国内运载火箭测发控系统目前已实现远距离自动图 5系统组成Fig.5System composition diagram112第 40 卷 2023 年第 s1 期李波，等：长征四号系列运载火箭测发控系统技术发展与展望测发和数据自动判读功能，但长期以来测发控系统作为各型火箭的重要地面设备进行独立研制，不同型号火箭的测发控系统均为个性化设计，不具备通用化条件。相同的发射场，相同的发射工位，发射不同的火箭需要重新配置相对应的测发设备，并进行展开、维护、调试，需要投入大量的人力物力和时间，且由于设备的个性化设计，发射场测试发射任务对于设计人员的保障存在着很高的依赖性。为适应高密度高强度航天发射任务，对测发控系统设备的要求不再是仅仅满足性能指标，完成试验任务的目标，还应当包括指标、接口、性能统一、测试设备操作简单可靠、维修保养便捷、型号之间通用化程度高、状态固化等，实现测发控系统通用化、系列化和组合化（模块化）的“三化”建设需求。通用化作为“三化”之首，是表现标准化技术性的主要内容之一。通用化是“三化”工作的基础和前提，没有通用化就没有系列化和组合化（模块化）。因此，测发控系统通用化技术研究是运载领域“三化”工作和运载火箭测试发射发展的需要，对于运载火箭测试设备装备化，参试人员由操作型向试验工程型转变，加快人才培养，对提高发射场综合试验能力和发射成功率具有十分重要的意义，通用化将是运载火箭测发控系统的发展趋势。2）技术保障人员众多，智能化程度有限。虽然测发控系统已几乎实现了测试流程“一键”操控4和数据自动判读，但地面测试流程仍依赖人工干预，测试数据分析和射前状态监测也需要人工判读，导致需要技术保障人员众多，尤其是动力系统在发射场有大量操作和测试工作，消耗很多人力资源。数据自动判读能在短时间内判别出运载火箭状态是否正常，提高了工作效率，但在自动化程度、故障诊断、健康预测和辅助决策等方面功能有限，无法满足无人值守和快速测发的需求。3）操作测试流程复杂，测发任务周期长5。为满足测试覆盖性以及各项操作检查到位，导致操作测试流程6-7复杂，发射准备时间长，并增加了人为差错的可能。目前测发控研制阶段未能从系统角度进行软硬件设计，无法实现全面、智能的测试要求，测试流程优化受到局限，3种总检查测试项目的设置已使用了几十年，制约了型号任务快速发射的能力。4）测发控全寿命周期管理能力不强。一套地面测发控系统设计研制后，一般要使用 10 年左右。作为地面设备的支持一直都比较有限，因此在测发控系统寿命的中后期容易出现各种质量问题和缺陷，与高质量保成功的要求不符，应从顶层策划建立运载火箭测发控系统全寿命周期使用维护规范，在规范中明确测发控系统使用和维护要点，根据维护要求按时开展设备更新维护工作，确保测发控系统在全寿命周期能够正常运转。同时，技术上研究建立测发控系统健康管理与失效预测平台，通过基于模型和人工智能的方法开展测发控系统设备健康状态评估，以信息化的方式提升测发控设备使用维护保障。3测发控技术发展建议 测发控技术发展日新月异，不断追求快速、智能、便捷、经济的研制目标，结合当前测发控技术状态与需求现状，对未来的测发控技术研究提出了更高的要求。1）电气动力一体化测发技术。随着新一代低温推进剂运载火箭的研发和工程应用，动力测发控系统的规模和测试设备数量大幅提升，包括供配气、抽真空、直测、辅助动力加温和加泄连接器等，涉及电、气、液、机械等多种专业；同时箭上电气系统推行总线制之后，地面设备随后取消了大量的采集和测试设备，测发控专业重点转移至总线数据的解析、显示和判读。针对新一代运载火箭电气测发流程与动力加注流程的特点，开展统一信息融合技术、多任务并行测发控技术8、动力电气一体化综合布线技术、多信号测试综合复用技术等关键技术研究，实现利用一套一体化模式的测发控系统同时完成火箭电气系统和动力系统的测发控功能。通过电气动力一体化测发技术的研究，可以实现动力测发控与电气测发控系统共同规划信息流与前后端信息传输链路，电气与动力这两大体系不再重复配置各自的发控台、地面电源、数传通讯等设备，使得系统规模精简、功能完整、利用率充分、信息全面、传输可靠，不仅使测发控系统的资源配置得到优化，也使得系统的功能发挥最大化，使控制、测试、加注的信息更加完整，更有利于测试发射现场的指挥决策。2）远程测发技术。为适应高密度与低成本发射113第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）任务带来的压力，开展运载火箭远程测发技术研究非常有必要。通过建设运载火箭远程支持中心和远程支持网络，与各大发射场与总装厂建立网络连接和信息交互，实施运载火箭远程测试发射控制。远程测发技术通过计算机网络将前方的保障人员与后方的技术专家和指挥控制人员紧密联系起来，实现运载火箭远程测试、发射控制、远程自动判读和故障诊断定位，并为前方操作人员提供及时、准确的技术指导和决策支持。前方保障人员在遇到故障时，通过远程支持网络将现场的图像、声音和技术参数等信息传输给后方的技术专家，协同排故；后方技术专家进行分析研究后，迅速做出建议，并通过网络对前方的工作进行实时指导，协助前方人员迅速、准确地排除故障，完成任务。3）火箭综合健康管理技术（Integrated Vehicle Health Monitoring，IVHM）9。运载 IVHM 技术是减少火箭测试周期，降低发射成本，减少进场人员数量的有效途径之一。随着我国在健康管理领域研究的不断深入，未来有望在火箭测试和发射中全面应用。建立以故障诊断为核心的火箭综合健康管理技术，针对远程测发过程中诊断知识分散、专家经验孤立、诊断过程复杂等问题，将专家经验及知识进行收集、整理、汇总，建立专家知识库，使后方技术人员实时监测型号测发过程，支持对数据进行远程分析，充分利用资源协同前方对故障进行分析，更好地给出故障处理意见和辅助前方决策，提高测试与监测效率。4）快速测发技术10。运载火箭测发效率是衡量火箭先进性的重要因素，也是解决新时期快速进入空间的前提条件。运载火箭快速测发技术是提高火箭测发效率的有效途径。针对当前运载火箭在测发工作流程复杂，射前工序繁多，测试周期长等现状，研究运载测试模式改进、测发流程优化，测试智能化提升等方法，提高测试效率和测试覆盖律，满足火箭快速测发需求。为了提高测发效率，可以从火箭的测发准备阶段、测发流程阶段和测后处理阶段这 3 个阶段顶层策划。首先测发准备阶段可以考虑火箭进场后状态即为发射状态，箭地连接后即可测试和发射；其次可以进一步优化测发流程，包括测试项目整合和测试内容融合；测后处理可以通过人工智能软件实施无人化自动测试结果评估，正常可快速进入下一测试项目，异常情况下可自动给出故障诊断结果，快速故障处置。4结束语 本文回顾了长征四号系列运载火箭测发控系统的历史和发展，对历代测发控系统产品和技术路线进行了分析和总结，结合当前测试技术发展现状，总结测发控技术存在的主要问题，提出未来测发控技术研究方向和应用模式，为地面测发控系统的后续发展提供参考，不断提高长征四号系列运载火箭的技术水平和竞争力。参考文献1 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）：5-8.2 高松涛.运载火箭电气系统一体化测试方案构想 J.导弹与航天运载技术，2021（4）：1-5.3 张学英，易航，汪洋等.运载火箭测发控系统通用化设计 J.导弹与航天运载技术，2012（4）：15-19.4 宋征宇.新一代航天运输系统测发控技术发展的方向J.航天控制，2013.31（4）：3-9.5 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）：1-4.6 史会涛，古艳峰，王玉平，等.长征四号乙系列运载火箭去任务化模式的探索与实践 J.上海航天，2020.37（S2）：44-48.7 钟文安，张俊新，李智斌，等.某大型运载火箭测试发射流程优化策略J.导弹与航天运载技术，2021（5）：85-88.8 向军，蔡珂，魏永国.运载火箭一体化测发系统的并行测试研究 J.计算机测量与控制，2017.25（6）：1-4.9 伯伟，蔡远文，同江，等.IVHM 对我国运载火箭及测试发控系统的影响分析 J.兵工自动化，2009.28（1）：78-80.10 徐昕，高飞，韩秀利，等.快速机动发射运载火箭测发控系统的设计分析和展望 J.计算机测量与控制，2020，28（10）：120-124.114