低成本高集成一体化测发控系统设计研究

王 旭 ,荣 刚 ,常 曦 ,姜 悦 ,麦 吉

(1.中国运载火箭技术研究院,北京 100076;2.北京航天计量测试技术研究所,北京 100076)

1 引言

一般运载器测发控系统的任务是接收各系统指令并传输至运载器上,在发射场对运载器进行测试、发射和控制。运载型号往往系统复杂、流程繁琐,需要在发射前进行大量的、长时间的测试来保证发射成功率。传统的测发控系统存在着功能复杂、资源浪费、成本较高、集成化低、信息传递效率低等问题[1],因此根据实际需求,提出了一种低成本且集成化度更高的一体化测发控系统,将自动测试和健康管理集成于一体,大幅提升了测试效率并降低了研制及维护成本,可用于多次通用发射任务中。

2 测发控系统总体架构设

传统地面测发控系统设计一般按照需求层、功能层、物理层三个层级开展,完成需求分解后,以系统功能、单机组成与实现来开展地面测发控系统设计,导致系统共性技术途径脉络不突出,无法体现影响系统本质实现的核心技术特征,造成不同型号、不同系统设计不统一。

为规范地面测发控系统的设计,理清影响适应多种型号的一体化测发控系统实现的关键技术脉络,提出了基于“架构-平台”的地面测发控系统总体设计理念[2],包括以下两点:

(1)分系统架构是分系统主要属性集合,包括根据功能需求划分的功能组成,以及功能模块间的接口关系、功能模块提取出的共性技术特征等。

(2)分系统平台是架构约束下分系统的具体解决方法,包括对架构层功能组成、功能接口和共性技术特征的细化,约束系统设计的流程、准则和通用化要求。

根据确定的划分原则,将一体化测发控系统功能分为供配电、测试及通信、数据处理和健康检测四个功能模块,以架构为核心,形成了低成本高集成一体化测发控系统架构,如图1 所示。

图1 一体化测发控架构图Fig.1 Integrated testing and control architecture diagram

利用该架构,器上通过无线和有线PCM(Pulse Code Modulation,脉冲编码调制)流将器上测试数据传输至地面,使用无线信道时,通过发射机将器上数据传至测量系统地面检测站,使用有线信道时将器上数据经器地脱拔接口通过RS422 协议传输至地面遥测检测站PCM 有线接口,实现传统的测量系统遥测功能。前端地面检测站通过网线连接至前端交换机上,前后端交换机通过光纤实现远距离连接,所有器上遥测数据经前端交换机通过光纤传输至后端交换机分发至各系统接收设备,完成大容量数据传输。

该种测试架构适用于各类测试现场及靶场,配套设备可通过市购型号满足使用要求,作为地面设备,无需完成大量级的高低温、振动等试验,节约了研制成本,同时该架构可通过检修维护完成设备功能检测,确保产品的重复使用,从源头上实现系统的低成本设计。

3 系统硬件设计

3.1 统一供配电

一般器上由电源系统实现统一供配电,其产品包括器上电池、机电配电器和28 V 配电器,地面设备由28 V 地面电源主备、160 V 地面电源主备和RS422 -以太网转换器主备组成。地面电源采用主备冗余设计,通过以太网接口连接前端网络交换机,后端通过主控计算机和后端网络交换机实现远端控制和监测。地面测试时,通过一体化测发控软件经以太网给电源系统发送加断电指令,通过控制地面电源的开关完成器上加电、转电和断电功能。指令使用TCP(Transmission Control Protocol,传输控制协议)三遍重传的方式提高以太网可靠性,确保指令准确发送。

3.2 地面有线测试

器上的遥测信号经脱拔有线传输至地面检测站,检测站经以太网通过UDP(User Datagram Protocol,用户数据报协议)分发至各终端。各系统可在后端各终端上通过一体化测发控软件判读器上数据。

在地面有线测试期间,可根据测试项目的不同来配置各测试项目专属的自动流程。在流程设计器里通过拖拽、移动、连线等便捷方式完成流程活动先后关系的配置,并将设计完毕的流程以xaml 文件形式存储,打开流程文件时自动解析xaml 文件,完成该测试项目的流程在一体化测发控软件中的加载过程,试验开始时点击“执行”即可实现流程的自动执行,不需要在繁琐的指令中挑选该测试项目需要的指令。自动流程配置过程如图2 所示。

图2 自动流程配置图Fig.2 Automatic process configuration diagram

3.3 地面无线测试

飞行器脱拔断开后,器上遥测数据经发射机通过无线信道传输至地面检测站接收天线,天线通过射频电缆将接收到的器上遥测数据传入地面检测站遥测处理组合,组合将收到的无线信号解调发送至上位机软件,最终经网络传输至后端显示终端供各系统判读。

3.4 数据处理及判读

遥测数据传输至后端终端后,将数据源码存储在服务器本地,一体化测发控软件可支持实时解析和事后解析两种模式,在试验过程中可利用实时解析模式判读测试数据,大幅提高试验效率。对于存储的数据源码,可在事后完成对源码的解析。实时解析模式采用准确度较高但速率较慢的单线程解析,事后数据处理采用基于数据分解的多线程解析算法,其解析准确度为100%,且其在单CPU 八核电脑上算法加速比达到50%。

3.5 健康管理功能

一体化测发控软件通过前后端网络获取飞行器各部件的运行参数,经过数据处理后成为健康状态诊断所需要的特征信息;通过融合各种特征信息,实现对飞行器的状态监控、故障诊断和预测等,产生维护和决策可用的健康状态评估信息;最终结合可用的维护资源信息和决策信息产生管理信息,指导后勤保障和任务决策。

健康管理功能体系结构设计遵循机械信息管理开放标准联盟出版的支持基于状态维护的开发系统架构(Open System Architecture for Condition Based Maintenance,OSA-CBM)标准ISO13374,主要包含数据获取、数据处理、状态监测、健康诊断、预测评估和决策支持这六个主要功能模块[3],各模块在信息流下的层次关系及组成如图3 所示。

图3 健康实时诊断与决策支持功能图Fig.3 Functional diagram of real-time health diagnosis and decision support

4 测发控系统方案设计

4.1 硬件设计

网络交换机用于组建测发控系统的地面局域网络。在该系统中选用市购交换机,包含24 个千兆自适应网口和4 个千兆光口。在总控网硬件架构中,为保证主干网络通信的可靠性,前后端主干网采用冗余拓扑结构,两台交换机通过堆叠方式保障网络可靠性,双网卡通过TEAM(服务器网卡组)技术绑定同一个IP 地址,绑定模式选择容错模式。两网口分别连接到两台交换机上,以实现整个总控网系统中通信线路冗余设计,当链路或设备发生故障时,系统会自动地进行链路切换。前后端通过交换机光口连接,连接方式如图4 所示。

图4 前后端硬件架构连接图Fig.4 Front and rear hardware architecture connection diagram

4.2 软件设计

4.2.1 软件总体架构设计

一体化测发控软件架构如图5 所示,按功能模块分为信息配置工具软件、数据处理及健康诊断软件、组态化显示终端软件及全寿命周期数据管理软件。

图5 软件总体架构图Fig.5 Overall software architecture diagram

4.2.2 信息配置工具软件设计

信息配置工具软件完成参数、帧协议、故障诊断策略、界面等信息配置工作,将配置结果输入给数据处理及诊断软件和显示终端使用。信息配置工具主要有组态化界面配置工具、测试流程配置工具和通用信息配置工具三大工具,其中组态化界面配置工具完成各系统终端界面的配置,测试流程配置工具完成试验所有测试流程、指令时序配置、流程判据配置以及流程执行调试功能,通用信息配置工具完成遥测参数配置、通信协议配置、公式、故障诊断策略、用户管理及权限配置功能,所有配置信息以XML 文件进行存储。

4.2.3 数据处理及健康诊断软件设计

数据处理及健康诊断软件完成测试数据的自动解析、判读、分发、存储和后处理工作,同时基于指令的指挥控制工作,完成飞行器的健康诊断与评估。主要包括完成接收网络数据、发送指令数据、故障诊断及通信连接管理[4];接收到数据后,根据帧协议、参数等配置文件,完成数据存储、帧格式检查、帧类型判断、帧解析、公式转换、自动判读和编排网络帧,同时完成解析后的数据和接收的指令实时存储。通过接收到的器上数据实现对飞行器的故障检测、诊断定位和健康状态评估,并根据产品全生命周期和健康状态信息,制定检修策略,为地面人员提供辅助决策支持。软件架构如图6 所示。

图6 健康诊断软件架构图Fig.6 Health diagnosis software architecture diagram

健康管理的原理及架构如下:

(1)健康诊断与评估软件主要接收测发控网络发送的遥测数据,首先经数据处理模块解析为可识别的物理量数据并进行判读,再将判读结果交由推理机模块进行健康诊断和故障定位,给出推理结果、测试结果和故障告警等,试验完毕后可以生成诊断报告以及对故障进行重新推演。

(2)信息配置工具软件主要完成健康诊断及辅助决策所需的数据处理信息及故障诊断策略的配置,以供其它软件使用。

其中,故障诊断策略由电源系统、GNC 系统、结构系统、测控系统、动力系统、起落架系统等各系统通过FMEA(Failure Mode and Effects Analysis,失效模式与影响分析)获得,整理成包括参数的判据和触发条件、参数与测点的映射关系、测点与故障模式的映射关系以及故障应急措施等。

(3)全寿命周期信息管理软件主要完成试验数据管理、飞行器寿命管理和配置管理、健康诊断结果数据管理、飞行器寿命统计、飞行器设备扫码入库、更换记录功能,以及对存储数据的检索和浏览。

(4)综合维护决策支持软件主要具备故障诊断结果的显示,并从实物3D 飞行器模型中定位具体对应的位置,提供综合维护决策支持的功能,根据识别的故障类型,提供检修、维护等策略辅助决策支持。

4.2.4 全寿命周期数据管理软件设计

全寿命周期数据管理软件主要完成试验数据管理、飞行器寿命管理和配置管理、健康诊断结果数据管理、飞行器寿命统计、飞行器设备扫码入库、更换记录功能,以及对存储数据的检索和浏览。全寿命周期数据管理软件原理及架构如图7 所示。

图7 数据管理软件原理及架构Fig.7 Principle level architecture of data management software

4.3 快速维护方法

由于所提到的一体化测发控系统能适应多种型号的发射工况,若在短时间内多次使用,则其检修维护变得至关重要。由于一体化测发控系统的软件将各功能集成于一体,除简单的软件功能测试外不需要进行特殊维护,因此检修维护主要体现在硬件的管理上。

运载器的系统分划固定,不需要每次为各系统配备新增硬件设备,因此硬件的检修维护主要包含连接电缆的维护和硬件设备功能及配置的检查两部分。电缆的维护主要包括交换机的光纤清洁和维护以及网线的通断性检查,硬件设备功能及配置包括交换机的配置检查和计算机网卡冗余设置检查。上述项目在每次系统试验前的准备工作中均可验证到,且检修维护成本较低,仅需做简单测试,可高效复用在同一运载型号上。

5 试验验证

一体化测发控系统的试验验证需要对指令延时、数据丢包、帧计数连续程度和健康管理决策正确率等关键参数进行统计和判断。本系统选择的两次试验均为在实际发射流程中的测试结果。其中,指令延时为指令从后端经以太网传输至前端的延时,数据丢包为测量系统的遥测地面检测站传输至总控网的数据丢包记录,帧计数为测量系统帧计数,用来表征器上数据的连续性和正确性,健康管理对器上数据进行决策和判读,统计其对各参数判读的准确率表征其工作准确度。测试结果如表1所示。

表1 测试结果Tab.1 Test results

6 结束语

测发控系统是运载型号中地面测发和控制的重要一环。低成本高集成一体化测发控系统在保证传输可靠性的同时,优化了系统结构,提高了系统集成度,降低了研制和维护成本,同时增加了地面健康管理功能,经多次试验验证其工作正常、性能可靠[5]。该系统已配合运载型号成功完成多次发射任务,系统集成性和可靠性高,不仅为数据从器上至地面的传输及分发过程提供了可靠保障,也通过快速灵活的数据解析软件和健康管理软件大幅提高了试验人员对试验数据判读的效率和准确率。