长征四号系列运载火箭控制系统综合测试技术优化方法的应用.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控制系统综合测试技术优化方法的应用涂演，夏立宇，朱天宇，陈川，张卓政，石华云，高飞雄（上海航天控制技术研究所，上海 201109）摘要:为满足长征四号系列火箭快速增长的任务量和高密度发射的需求，首先提出去任务化设计方案，通过改进火箭控制系统产品的软硬件设计，统一产品状态，并实现去任务化综合测试方案。然后根据去任务化设计，对试验流程进行标准化统型，通过统型的测试技术提高软件开发的效率。最后为提高综合测试数据自动判读覆盖率，对实时监测系统进行技术迭代。长征四号系列火箭经一系列的综合测试技术优化，提高了试验效率，降低了人力成本，满足高密度发射态势下的任务需求。关键词:控制系统；综合测试技术；去任务化；流程标准化；实时监测系统；自动判读中图分类号:V 249.332 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.s1.021Application of Integrated Testing Technology Optimization method for Long March 4 Launch Vehicles Control SystemTU Yan，XIA Liyu，ZHU Tianyu，CHEN Chuan，ZHANG Zhuozheng，SHI Huayun，GAO Feixiong（Shanghai Aerospace Control Technology Institute，Shanghai 201109）Abstract:To meet the demand for high-speed increasing tasks and high-frequent space launching activities of the Long March 4 Launch Vehicles，firstly，a decommissioning design scheme was proposed，which can be achieved by improving the software and hardware design of the rocket control system，unifying the state of the product，and realizing the decommissioning integrated testing scheme.Then，the test process was standardized according to the decommissioning design，and the efficiency of software designing would be improved by standardized testing technology.Finally，to improve the coverage of the automatic interpretation of the integrated testing data，the technology iteration of a real-time monitoring system was carried out.Through a series of integrated technology optimization experiments，the Long March 4 Launch Vehicles have improved test efficiency，reduced labour costs and successfully met the mission requirements under high-frequent space launches.Key words:control system；integrated testing technology；decommissioning；process standardization；real-time monitoring system；automatic data interpretation0引言 近年来，运载火箭控制系统研制生产要求日益增高1-3。一方面，运载火箭发射任务密度增大，控制系统研制周期缩短、工作量增大；另一方面，不同型号的横向产品不完全通用，单一型号纵向状态不断更新，导致控制系统研制、生产管理的复杂度提升；同时，不断出现的质量问题对控制系统可靠性也提出了更高的要求4-5。因此，需改进火箭控制系统的软、硬件设计，统一产品状态，提高通用产品的使用率，优化控制系统研制流程，实现火箭控制系统研制的“去任务化”。同时，考虑调整优化测试流程和测试项目内收稿日期：20230603；修回日期：20230609作者简介：涂 演（1992），男，工程师，硕士研究生，主要研究方向为运载火箭控制系统综合设计。148第 40 卷 2023 年第 s1 期涂演，等：长征四号系列运载火箭控制系统综合测试技术优化方法的应用容，对控制系统的综合测试，通过顶层测试方案，改进并引入基于流程驱动的标准化测试管理，有效提高试验效率，降低出错率，减少管理成本。完成统型后固化测试流程，进而实现标准化测试。为适应长征四号系列运载火箭控制系统的新状态和新需求，进一步提高控制系统测试的覆盖率，结合模拟量采集、数字量采集、实时以太网、数据自动识别判读等技术，设计实时监测系统软硬件，实现对控制系统测试参数的实时、连续监测记录和自动化判读，进一步提高控制系统综合测试的效率。基于去任务化的控制系统测试法 运载火箭控制系统研制是一个较大的系统工程，系统复杂、牵扯面广，总体和系统、控制系统和外系统、系统和子系统、系统和单机之间需相互协调的内容较多，存在多向交错关系，目前较多的设计工作是迭代过程。所以控制系统“去任务化”需从软、硬件设计和测试 3个维度展开，“去任务化”即统型和通用化。1.1硬件产品的去任务化设计长征四号系列运载火箭控制系统配套产品见表 1。除电子程序指令配电器、电阻盒和电缆网外，其他产品可完全与任务属性解耦，通过对时序配电子系统的去任务化设计，可实现电子程配、电阻盒和电缆网的通用化。去任务化前，时序配电子系统需根据任务状态更改子系统技术状态。如在双星任务中，需重新设计电阻盒 3，易造成技术状态较多，生产周期难以满足高密发射，增加管理成本。去任务化的主要目标是按现有可预计的总体要求，对时序配电子系统进行最大化设计，形成统一的构型，仅电阻盒输出端电缆根据不同状态配置，其他技术状态全部统一。通过去任务化，时序子系统的电阻盒和配电器统一状态。长征四号系列运载火箭统一配置 2台程配、5 个电阻盒，以及通用和专用电缆网，确保火箭的通用化产品使用率高于 95%。1.2软件产品的去任务化设计控制系统软件实现数据段和代码段分离，各发任务的代码段统一状态，实现去任务化，而数据段输入的装订数据仍需根据每发任务要求进行姿控、制导和时序设计。因此，软件的去任务化即是装订数据的去任务化。为实现综合试验的去任务化，制导、稳定、时序子系统分别针对长征四号的一次、二次启动；多星分离等状态考虑设计参数的最大化，完成对各子系统的通用化设计，提出通用技术参数和通用时序要求。对装订数据的通用化和最大化设计，可实现控制系统软件的去任务化，为实现每发综合试验的状态统一及更加便于测试数据的判读和比对奠定了基础。1.3综合测试的去任务化方法设计及应用去任务化后，控制系统的综合测试流程如图 1所示。具体去任务化措施如下。1）交付综合试验的电缆网为通用化状态；2）通用化后的模拟飞行装订数据只对部分单机参数进行替换并验收；3）提交的电子程配，按最大化状态烧录装订数据；4）将控制系统综合测试与任务需求剥离开。按照去任务化设计思路，控制系统设计了去任务化综合测试方案，具体内容如下。1）综 合 测 试 方 位 角 固 化，不 根 据 任 务 需 求表 1控制系统产品配套表Tab.1Product list of control system主要状态和功能惯组 A/B箭机速率陀螺仪一、二、三级检波功率放大器单、双相电源一、二级电子程序指令配电器一、二、三级伺服机构一、二 级 控 制 系 统 电 缆网+附属电气组件三级控制系统电缆网+附属电气组件电阻盒 1、2、4电阻盒 3、5级耗关传感器电池 1、2、3每发任务相关性统一统一统一统一统一更改统一统一定制统一更改统一统一备注更改设计，状态统一无法统一更改设计，状态统一149第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）变化；2）稳定测试软件测试数据固化，仅更改惯组相关参数；3）时序程序固化，不根据任务需求变化；4）模飞装订数据根据去任务化要求更改并固化。经多发去任务化综合测试，对箭上去任务化软硬件产品进行有效考核，有效提高了综合测试的效率。2基于流程驱动的控制系统综合测试方案 长征四号系列运载火箭是现役火箭成熟型号，每年均执行十余次发射任务。随着近几年去任务化研制模式6-8的推进，控制系统通用部分每发不变，专用部分根据任务需求更改，在一定程度上保证了综合试验项目的稳定性和延续性。目前，长征四号系列运载火箭控制系统技术状态处于“单十表”状态9，制导、姿控和时序 3个子系统适应性更改，部分单机适应性更改；基于此开展的综合试验也具有一定的继承性。在试验形式上，先将单机产品与地面测发设备连接组网，通过运行预定的测试程序，测试人员在测试中、测试后分别对测试数据判读确认，得出测试结论；试验内容有针对特定单机的单项功能性测试和综合性模飞考核项目，具体考察单机软硬件工作的匹配性和协调性、冗余控制系统的故障诊断和决策功能、测发系统及箭上产品的匹配性，与测发软件的匹配性、系统工作的稳定性、各设备相互之间的抗干扰性、电磁兼容性等10；在试验项目数量上，存在多轮次的试验需求，包括调试轮、正式轮和验收轮。因此，通过顶层方案设计与改进实现测试技术、测试指导文件的统型，整合、改进和固化测试流程，实现型号测试流程标准化统一化，具有长期的执行场景。2.1现行测试流程原本的测试主要考虑以单一功能的覆盖性测试为主，未统筹考虑测试流程和项目的规划，导致试验操作岗位人员通用性低，人员利用率低。为保证控制系统测试的覆盖性，试验增加了对各项技术进行考核的单项试验，导致加电次数多，但单次加电的时间短，且小单项试验的工作时长占一轮综合试验工作时长的 20%以上，其工作效率有待优化。综合试验测试项目情况见表 2。表 2长征四号系列运载火箭控制系统综合试验测试项目Tab.2Items of comprehensive test for Long March 4B series launch vehicle control system测试项目测试项目 1（单项）/min测试项目 2（单项）/min测试项目 3（单项）/min测试项目 4（单项）/min测试项目 5（单项）/min测试项目 6（单项）/min测试项目 7/min测试项目 8/min测试项目 9/min测试项目 10/min测试项目 11/min测试项目 12/min测试项目 13/min参数值374542473231104112107118104105110图 1控制系统综合测试流程Fig.1System test flow chart of the control system150第 40 卷 2023 年第 s1 期涂演，等：长征四号系列运载火箭控制系统综合测试技术优化方法的应用2.2标准化测试流程设计对现有测试项目展开分析，考虑调整优化测试流程和测试项目内容，确定统型后固化的测试流程。优化的原则有以下几项。1）充分合并试验测试项目中的小项目，实现一次加电完成多个单项测试。2）将试验过程中需转台动作的项目集中，分离需转台动作与不需要转台动作的试验项目。3）试验前期，完成在整个过程中仅需做一次的试验项目。根据优化的原则，长征四号测试项目优化的具体措施如下。1）在自动配电测试项目中，增加一级伺服机构首次启动流程，该流程采用伺服开环启动、闭环停止状态，也可在发射测试项目或其他伺服机构未停止在零位状态时使用；2）重新拆分并组合速率通道测试与惯组通道测试，配套新单十表地面测试设备后，控制系统测试参数采样速率可满足姿态角通道和姿态角速率通 道 与 一、二、三 级 伺 服 机 构 启 动 时 间 匹 配 的要求；3）将姿态角通道和姿态角速率通道合并在一个测试项目中，将剩余的小项目合并为单项测试；4）移出控制系统综合测试中的惯组正负合成精度测试子项目，将其放在单项测试项目中执行；5）将试验过程中需转台动作的项目集中，分离需要转台动作与不需要转台动作的试验项目；6）将统型后的试验项目按固定的测试流程固化，优化测试项目前的状态准备工作，并对部分测试项目进行自动化测试。2.3试验流程标准化应用对比长征四号系列运载火箭控制系统综合试验测试流程标准化前后的试验效率，得到如下结果。1）相较于统型前，测试方案统型后的测试项目个数明显减少，长四型号测试项目个数由之前的 14项减少至 11项，见表 3。2）测试项目经充分整合，测试时间占比较大的小项目个数和试验时间均明显减少，标准化后，小项目个数由 6 个减少至 3 个，试验时间由 3.9 h 减少至 1.4 h。3）试验方案经标准化后，测试项目统型率由54.5%提升至 81.8%。整合小项目，使得试验项目减少 21.4%，每轮试验至少节约 3 次重复通断电时间和软件装订时间，有效提高试验效率。3提高综合测试数据自动判读覆盖率 长征四号系列运载火箭控制系统通过去任务化，以及综合测试流程标准化，实现综合测试试验去任务化，提高了测试项目统型率和试验效率。但随着任务量的增加，试验及数据判读增多，人工判读和部分数据的自动化表格判读已不适应现在的发展模式，急需采取智能化手段实现对综合测试数据的全面自动化判读。续表 2长征四号系列运载火箭控制系统综合试验测试项目Continue tab.2 Items of comprehensive test for Long March 4B series launch vehicle control system测试项目测试项目 14/min一轮试验总时长/min单项时长/min单项占比/%参数值 1081 102 23421.2表 3长征四号系列运载火箭控制系统综合试验测试项目统型前后对比Tab.3Comparison of integrated test items before and after type for Long March 4B series launch vehicle control system统型前测试项目测试项目1（单项）/min测试项目2（单项）/min测试项目3（单项）/min测试项目4（单项）/min测试项目5（单项）/min测试项目6（单项）/min测试项目 7/min测试项目 8/min测试项目 9/min测试项目 10/min测试项目 11/min测试项目 12/min测试项目 13/min测试项目 14/min一轮试验总时长参数值3745424732311041121071181041051101081 102统型后测试项目测试项目1（单项）/min测试项目2（单项）/min测试项目3（单项）/min测试项目4（单项）/min测试项目5（单项）/min测试项目6（单项）/min测试项目 7/min测试项目 8/min测试项目 9/min测试项目 10/min测试项目 11/min测试项目 12/min测试项目 13/min测试项目 14/min一轮试验总时长参数值243128919298100899110194839151第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）结合上述新状态和新需求，设计控制系统综合实时监测系统。该系统基于面向仪器系统的 PCI扩展（PCI extensions for instrumentation，PXI）总线通用规范11，在控制系统综合测试过程中，实现对系统技术参数的实时、连续监测记录和全面自动化判读，进一步提高试验效率，减少数据的错判、漏判率。3.1实时监测系统方案设计长征四号系列运载火箭为三级液体火箭，整箭电 气 系 统 为“模 拟 量 信 号”+“数 字 量 信 号”模式12。为实现对过程数据的全面自动化判读，结合箭上特点，设计了一套用于实时监测火箭控制系统的监测设备。该套系统由系统硬件和软件组成。系统硬件主要有 PXI计算机、信号接口箱、信号调理箱、交换机、电缆网络、服务器、显示终端等，其中 PXI计算机为核心设备。PXI计算机是以定义局部总线的标准（peripheral component interconnect，PCI）和 总 线 接口标准（compact peripheral component interconnect，CPCI）为基础，融入 PXI特有信号组合而成的架构，与 PCI 和 CPCI 相比，其增加了多板同步触发和参考时钟，可用于精准定时，星形触发总线及相邻卡槽间的高速通信13-16。该套系统主要功能如下。1）通过箭上产品的遥测接口获得采样信息；2）隔离箭上信号与采集设备，确保箭上产品安全；3）确保多路信号数据的同时和连续性，并实时采集；4）存贮、传输和共享大容量的数据；5）在线实时显示数据；6）全面自动化判读数据，并生成报告。3.2实时监测系统软件方案设计实时监测系统测试软件，实现对测试数据的融合、存储、处理、判读等功能。按照功能划分，该套系统软件可分为 4种软件，分别为前端采集软件、服务器解析软件、实时显示及回放软件、自动判读软件，4种软件之间的接口传输关系如图 3所示.3.3自动化判读的应用基于实时监测系统，接收和处理试验数据，待测试结束后自动生成判读报告。应用实时监测系统用，丰富了综合测试技术的测量方法，提高了试验测试数据自动化判读的覆盖率，综合测试数据自动化判读覆盖率由 63.1%提高到 97.2%。4结束语 对于运载火箭研制模式，长征四号系列运载火箭控制系统研制去任务化是“以产品设计改进为基础、以管理模式转变为关键”的重要变革。经优化，火箭的通用化产品使用率超过 95%，实现了综合测试试验去任务化，标准化试验流程被应用于长征四号系列运载火箭控制系统综合测试试验。统型的测试技术可减少软件开发人员工作量，降低操作人员的培训成本。同时标准化的测试流程更易实现自动化判读，促进综合测试技术的优化，进一步提升综合测试试验效率，满足高密度发射态势下的任务需求。参考文献1 王德志，白景彬，戴钦，等.运载火箭制造工艺装备的现状与发展趋势 J.装备制造技术，2020，（10）：247-250.2 胡海峰，吕新广，宋征宇，等.长征系列运载火箭控制系统划代研究 J.航天控制，2016，34（6）：15-25.3 龙乐豪.我国航天运输系统发展展望 J.航天制造技术，2010（3）：5-10.4 徐延万.弹道导弹、运载火箭控制系统设计与分析M.北京：中国宇航出版社，1989.5 宋征宇.高可靠运载火箭控制系统设计 M.北京：中国宇航出版社，2014：1-17.6 史会涛，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（增刊 2）：44-48.（下转第 158页）数据库格式DAT格式实时显示及回放软件后端计算机自动判读软件后端计算机解析软件服务器前端采集软件前端计算机服务器接口协议 图 2软件接口传输关系Fig.2Software interface transmission relationship152第 40 卷 2023 年第 s1 期上海航天（中英文）AEROSPACE SHANGHAI（CHINESE&ENGLISH）回顾和展望 J.导弹与航天运载，2003，263（3）：25-30.5 MICHAEL T，BORELLI，CARROLLSTANLEY N.Advance control system for the Saturn V Launch vehicleC.AIAA 67-951.6 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