運載火箭一體化綜合測控技術(shù)研究

(1.北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044；2.火箭軍駐燕山電子設(shè)備廠 軍代室，北京 100076)

0 引言

隨著火箭規(guī)模的不斷發(fā)展，以及對快速、智能以及無人值守等測試要求的不斷提高，原有的專用型、集中型測控系統(tǒng)架構(gòu)將被一體化多信息綜合的測控系統(tǒng)取代。依托于先進(jìn)實時總線和網(wǎng)絡(luò)，以及更加靈活的網(wǎng)絡(luò)組合方式，把分布在不同地理位置的具有獨立功能的測控單元連接起來，以達(dá)到測控資源管理、協(xié)同工作、分散操作、集中管理、測量過程監(jiān)控和設(shè)備診斷等目的。在該架構(gòu)下，測控系統(tǒng)的信息流控制以及綜合信息應(yīng)用方式將直接影響測控系統(tǒng)的實際工作。地面測控一體化系統(tǒng)演示驗證試驗將結(jié)合地面測控一體化設(shè)計及信息綜合應(yīng)用系統(tǒng)，對測控系統(tǒng)的控制、監(jiān)測、信息交互以及故障診斷等信息應(yīng)用方式進(jìn)行研究驗證，并完成原理性驗證試驗，為后續(xù)型號應(yīng)用提供理論依據(jù)。

考慮到原有型號地面測控系統(tǒng)劃分為動力、測量、控制等多個分系統(tǒng)，每個系統(tǒng)自成一套體系，并且在測試的不同階段，由于被測對象的需求不同、地點各異，采用不同的測試系統(tǒng)和測試軟件，這造成了極大的硬件設(shè)備重復(fù)投入和人員浪費，并且由于各個分系統(tǒng)之間、系統(tǒng)內(nèi)部各個測試階段的數(shù)據(jù)無法做到互聯(lián)互通，也使得數(shù)據(jù)資源利用率極低。為了改進(jìn)這些缺點，提出了分布式測控技術(shù)，并對其進(jìn)行研究。

1 地面綜合測控系統(tǒng)

為實現(xiàn)高效而精確地模擬、檢測飛行器產(chǎn)生的信號，并提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、分析、記錄、評估的自動化、智能化程度[1]，提出了一種基于軟件模擬以及實驗驗證的地面綜合測控系統(tǒng)。

地面測控一體化技術(shù)主要有地面測控系統(tǒng)節(jié)點遠(yuǎn)程控制，應(yīng)可對地面測控系統(tǒng)的節(jié)點設(shè)備進(jìn)行配置及控制、并對節(jié)點設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行采集，完成對節(jié)點間的信息交互與協(xié)同配合，并采用多網(wǎng)融合技術(shù)構(gòu)建測控網(wǎng)絡(luò)，對地面測控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置管理的功能，可針對地面測控系統(tǒng)應(yīng)用特點[2]，以及測試數(shù)據(jù)管理特點，完成數(shù)據(jù)流規(guī)劃以及數(shù)據(jù)分析管理工作，可對火箭部段級進(jìn)行測試。

對地面綜合測控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了分布式綜合測控技術(shù)，并對信息交互的實時性進(jìn)行研究，在測試過程中提出了火箭部段級的單獨測試與并行測試的兼容，并且進(jìn)行了軟件模擬與試驗驗證。

2 分布式綜合測控技術(shù)的應(yīng)用

2.1 地面綜合測控技術(shù)的分布式控制

針對原有型號飛行器集中式控制的缺點，本課題提出了分布式地面綜合測控技術(shù)研究，因此對飛行器地面綜合測控技術(shù)進(jìn)行研究和驗證，將動力、測量、控制等多個分系統(tǒng)以及分布于全國各地的組件和部段測試系統(tǒng)都統(tǒng)一到本系統(tǒng)中，實現(xiàn)地面綜合測控系統(tǒng)從體系到硬件、軟件的一體化設(shè)計。采用大數(shù)據(jù)云服務(wù)方式構(gòu)建分布式地面綜合測控系統(tǒng)。分布式地面綜合測控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 分布式地面綜合測控系統(tǒng)

與原有型號的集中式地面綜合測控技術(shù)相比，采用分布式地面綜合測控技術(shù)可節(jié)省硬件資源，在對分布式地面綜合測控技術(shù)做研究時，節(jié)點與主控系統(tǒng)實時性要強(qiáng)，以及各節(jié)點之間系統(tǒng)時間同步作為本課題攻克的難點以及創(chuàng)新點，節(jié)點之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性為本課題分布式地面綜合測控技術(shù)的關(guān)鍵部分。

2.2 公用數(shù)據(jù)的實時性提高

為了提高各節(jié)點與主控系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性[3]，采用了合理地進(jìn)行子系統(tǒng)分割這種方法，采用遞階控制結(jié)構(gòu)[4-5]，把地面綜合測控系統(tǒng)分為主控系統(tǒng)和若干個節(jié)點子系統(tǒng)。

圖2 各節(jié)點協(xié)調(diào)工作框架圖

從圖2可以看出各節(jié)點協(xié)調(diào)工作框架圖。

設(shè)地面綜合測控系統(tǒng)的狀態(tài)方程[5]為：

(1)

其中:X(t)為狀態(tài)向量，U為控制向量，Y為輸出向量，A、B、C為常數(shù)。

設(shè)地面綜合測控系統(tǒng)的總目標(biāo)函數(shù)為J：

(2)

(3)

假定除A陣之外，其它矩陣：B、C、Q、R均為對角陣。則可把地面一體化系統(tǒng)分解為若干節(jié)點子系統(tǒng)，各節(jié)點子系統(tǒng)只通過狀態(tài)變量相互關(guān)聯(lián)。

(4)

通過設(shè)置主控系統(tǒng)的狀態(tài)方程，把主控系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)J分解為i個子目標(biāo)函數(shù)：

(5)

(6)

3 部段級測試的模擬

3.1 部段級流程單獨測試與并行測試的實現(xiàn)

地面測控系統(tǒng)的新型測發(fā)模式就是以火箭待發(fā)段的模擬測發(fā)流程為主線，對正常情況下整個地面測控系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動演示，包括前端無人值守、后端統(tǒng)一測發(fā)及后方遠(yuǎn)程支持等。綜合利用后方軟硬件資源，實現(xiàn)對部段級的單獨測試以及并行測試模式的兼容是最關(guān)鍵的部分。

在進(jìn)行部段級測試時，如何實現(xiàn)流程可配置性是實現(xiàn)單獨測試和并行測試的首要解決問題，在此基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)化描述性語言，可實現(xiàn)測試流程的可配置性，最終能夠完成部段級流程的單獨測試與并行測試。

隨著分布式技術(shù)的逐步成熟，已知如何提高地面綜合測控技術(shù)的協(xié)同性、可擴(kuò)展性以及信息完整性是部段級測試面對的重大挑戰(zhàn)[7-9]，為了實現(xiàn)單獨測試和并行測試這兩個目標(biāo)，必須要將測試數(shù)據(jù)信息描述格式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的交換和共享，以此為基準(zhǔn)，提出了結(jié)構(gòu)化描述性語言。采用樹形結(jié)構(gòu)描述測試信息，將整個地面綜合測試平臺作為根節(jié)點，該測試平臺包含n個子節(jié)點，每個子節(jié)點包含有測試環(huán)境、測試平臺、測試過程、測試環(huán)境、測試結(jié)果，將節(jié)點作為標(biāo)記語言的基本元素，根據(jù)節(jié)點之間的隸屬關(guān)系定義語法體系，可以遵循一定規(guī)律定義一個測試項的配置文件。圖3為結(jié)構(gòu)化描述性語言的框架。

圖3 結(jié)構(gòu)化描述性語言框架

如圖4所示，為測試項進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之后的語言，可包含所測試的信息，將該信息轉(zhuǎn)化成我們所需求的語言，通過該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之后，可在測試系統(tǒng)里面直接配置該信息，實現(xiàn)測試項的可配置。

圖4 測試項標(biāo)準(zhǔn)化

通過結(jié)構(gòu)化描述性語言[10]的提出，可實現(xiàn)部段級測試流程的可配置性，能夠通過配置測試項實現(xiàn)部段級測試的單獨測試和并行測試。通過配置標(biāo)準(zhǔn)測試項文件，可實現(xiàn)全箭和部段級的單獨測試以及并行測試[11]。

3.2 部段級測試過程中的流程動態(tài)配置

在已有型號的各個分系統(tǒng)中，大部分測試系統(tǒng)已經(jīng)能實現(xiàn)一定程度的自動化測試，但系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議、軟件測試流程和結(jié)果判讀方式都是固化的，一旦測試系統(tǒng)部署后很難進(jìn)行改變，也無法在緊急情況下調(diào)整測試流程。

采用基于結(jié)構(gòu)化描述的測發(fā)控系統(tǒng)動態(tài)配置技術(shù)，將測試系統(tǒng)硬件平臺、通信接口、測試流程、判讀方式等信息均采用結(jié)構(gòu)化描述的方式進(jìn)行配置，底層采用標(biāo)準(zhǔn)化語言方式描述，確保各分系統(tǒng)之間的信息無縫交換。

為了方便對標(biāo)準(zhǔn)化描述語句的編輯，本課題另外開發(fā)了測試信息配置工具，該工具可以以圖形化拖拽方式對標(biāo)準(zhǔn)化描述語言字段進(jìn)行編輯，以此實現(xiàn)對測試信息的圖形化配置?？墒孪韧ㄟ^模板編輯模式將常用的硬件描述、測試項目、測試流程、判讀方式、應(yīng)急測試流程等信息編輯保存，在需要更改測試信息時可通過拖拽組合迅速生成新的測試系統(tǒng)或測試流程。

如圖5可知，通過此動態(tài)配置方式可獲得如下優(yōu)勢：

1)快速配置一套測試系統(tǒng)或應(yīng)急測試流程，很大程度上提高了開發(fā)和使用效率；

2)無需手動修改代碼，使工作人員精力集中于系統(tǒng)功能和流程的正確性上，降低了對系統(tǒng)開發(fā)和使用人員的要求；

3)采用圖形化拖拽方式編輯，避免因直接寫代碼造成的程序缺陷或人為失誤。

圖5 測試項動態(tài)配置

4 軟件設(shè)計

4.1 模擬軟件的設(shè)計

該模擬軟件主要有指揮控制服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、指揮控制客戶端、實時交換機(jī)、基礎(chǔ)級外系統(tǒng)各測控危機(jī)、射前質(zhì)量監(jiān)測服務(wù)器、前端等效接口設(shè)備等7個部分組成。如圖6所示，數(shù)據(jù)服務(wù)器主要用于存儲部段級測試數(shù)據(jù)表，基礎(chǔ)級外系統(tǒng)各測控微機(jī)主要用于模擬測試流程，實時交換機(jī)用于與主控軟件與節(jié)點設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸與通信，并且控制前端等效設(shè)備。所有測試數(shù)據(jù)都通過質(zhì)量健康監(jiān)測軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。

圖6 指揮控制軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2 軟件實現(xiàn)

如圖7所示，工作人員先進(jìn)行管理員登錄進(jìn)入指揮控制軟件，該UI有導(dǎo)航面板和部段級測試和全箭測試，導(dǎo)航面板有測試狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)和單點控制，點擊測試狀態(tài)按鈕可模擬火箭部段級測試和全箭測試，進(jìn)行全箭測試時，先采用流程配置工具進(jìn)行測試項的流程配置，配置完成之后進(jìn)入測試UI。

圖7 軟件實現(xiàn)流程圖

測試主要包括火箭的部段級測試以及全箭的測試，在測試過程當(dāng)中，可對部段級以及全箭的測試項進(jìn)行配置，可根據(jù)需求進(jìn)行相應(yīng)的測試，在測試過程中，服務(wù)器端存儲采用MySQL數(shù)據(jù)庫，將測試信息保存在數(shù)據(jù)庫中[12]，包括有全箭和部段級測試信息，測試信息如表1所示。

配置好測試信息之后，配置好測試信息之后，可雙擊未測試的測試項，進(jìn)入基本信息錄入界面，進(jìn)行測試時間、測試地點、測試名稱的錄入，錄入好信息之后，進(jìn)行相應(yīng)的流程配置，點擊流程配置可進(jìn)入組態(tài)軟件，根據(jù)已配好的測試項可進(jìn)行拖拽式配置測試流程，測試人員可靈活更改。

表1 部件級數(shù)據(jù)庫表

當(dāng)進(jìn)行芯一級等部段級或者全箭測試時，選擇所要測試的部段級或全箭，可進(jìn)入配置界面，可以認(rèn)為進(jìn)行相應(yīng)的測試配置，如可配置測試時間、測試次數(shù)、測試狀態(tài)是未通過還是已測試，這樣避免了繁瑣的測試程序，一些不需要測試的測試項可以人為的將它取消。在測試過程當(dāng)中，可以通過配置測試表，進(jìn)行火箭部段級和全箭的單獨測試或者并行測試。測試流程如圖8所示。

5 仿真與驗證

對部段級測試進(jìn)行了研究，編寫了地面綜合測控軟件，通過軟件進(jìn)行多次模擬。

全箭進(jìn)行實時分布式測試[13]由部段級測試系統(tǒng)(客戶端)、服務(wù)器、實時網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點設(shè)備、氣路系統(tǒng)等組成，為節(jié)省資源提高效率系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，各客戶端對各部段級及全箭進(jìn)行測試，測試完成后將測試結(jié)果上傳至服務(wù)器中，同時各客戶端可查看各部段級和全箭測試進(jìn)度及測試狀態(tài)，實時分布系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 實時分布式系統(tǒng)

由圖9可知，測試系統(tǒng)由測試人員、測試系統(tǒng)、實時網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點設(shè)備、服務(wù)器、被測系統(tǒng)等組成。

服務(wù)器端存儲采用MySQL數(shù)據(jù)庫，各客戶端測試流程及測試結(jié)果更新和統(tǒng)計流程如圖10所示。

圖10 分布式測試流程

各測試系統(tǒng)完成相應(yīng)測試后將測試結(jié)果上傳至數(shù)據(jù)庫中，同時各系統(tǒng)均可查看各測試項的進(jìn)度及測試結(jié)果。如圖11所示，在測試過程中測試狀態(tài)可進(jìn)行上報及統(tǒng)計結(jié)果。

圖11 測試狀態(tài)上報及統(tǒng)計原理圖

該模擬軟件可實現(xiàn)地面測控系統(tǒng)的分布式控制。能夠?qū)y試信息進(jìn)行實時地采集，并且能夠提高準(zhǔn)確性，由圖12可知，可對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并且能夠?qū)崿F(xiàn)曲線的繪制，進(jìn)行趨勢分析。通過結(jié)構(gòu)化描述性語言的提出，通過軟件模擬，語言可進(jìn)行配置，通過配置測試項，能夠?qū)崿F(xiàn)部段級的單獨測試和并行測試。

圖12 測試數(shù)據(jù)顯示

綜上，針對原有型號火箭的控制缺點，提出了地面一體化綜合測控技術(shù)，該技術(shù)主要包括有針對地面綜合測控系統(tǒng)的分布式控制，以及在控制過程當(dāng)中公用數(shù)據(jù)的實時性以及準(zhǔn)確性的提高，還實現(xiàn)了飛行器部段級測試過程當(dāng)中的測試流程的并行測試和單獨測試，以此提出了結(jié)構(gòu)化描述性語言，實現(xiàn)了測試項的標(biāo)準(zhǔn)化以及測試項的可配置性，通過軟件的模擬和實驗的驗證，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)上述功能，并且能夠進(jìn)行模擬采集綜合測控系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制和趨勢分析，能夠?qū)崿F(xiàn)火箭的一體化測試。