新一代航天运输系统测发控技术发展的方向

宋征宇

北京航天自动控制研究所，北京 100854

运载火箭是用于发射服务的，因此测发控技术是设计火箭需要重点考虑的内容。长期以来火箭测发控技术一直定位于对箭上产品性能的测试及确保射前箭上产品功能正常，而忽略它的使用和服务特性，使得测发控技术的发展一直冠有“专家系统”的名声，即只有专家才能操作的系统。

为提高使用性，控制系统经过多年的努力，自动化水平已提升，包括自动化的测试和判读。目前测发控工作早已不是火箭各系统工作的短限，例如，控制系统分系统测试在不考虑惯组加温的情况下仅需不到2h就可完成；总检查的流程控制已自动化，几乎实现了“一键”操控；原本依靠人工对测试数据进行统计，绘制曲线分析趋势等需要多人工作2～3天的时间，目前采用基于特征点的数据自动判读比对，仅需不到5min时间，且能自动生成报表和文档。但技术的进步带来了要求的提高，而要求的提高又暴露出测发控系统的不足，本文将就如何解决这些问题展开讨论。

1 当前测发控技术存在的主要问题

简化测发控操作，减少发射准备时间，精简现场保障人员；同时提高测试覆盖性，缩短天地差异性，加强设备通用性，这些看似矛盾的需求，是当前对测发控系统的新要求[1]。而传统测发控系统存在以下不足：

1)现场技术保障人员较多

主要体现在需要众多专业人士在前后方为火箭的发射“保驾护航”，尤其是数据分析工作，增加了设计方人力成本。虽然采取了一些方法，如将测试数据传送到设计单位，可以减少现场保障人员，但后方仍需要较多人员。又如采用有限状态的静态测试，有利于制定判读准则，实现自动判读，将设计人员解脱出来，但这是以牺牲测试覆盖性为代价的。

2)现场人工操作多

尽管控制系统的人工操作与现场总装工作相比不算多，但只要有操作就会带来许多连锁反应，如插拔一个插头，需配置岗位人员，也带来了误操作的风险；为消除误操作，增加了双岗以及状态检查和汇报等工作，进一步耗费了资源、发射准备时间和人员精力。尤其在发射区，人工操作具有影响产品安全性和人身安全性的双重隐患。如果能够取消或减少人工操作，将带来诸多好处。

3)测试方案效率低

现有的测试方案已经使用了几十年，固定为3种状态的总检查，难以覆盖飞行中的各种工况。而增加测试状态，带来状态转换的诸多不便以及对测试分析人员要求的进一步提高，这都限制了测试方案的改进。虽然仿真试验等能一定程度弥补上述缺陷，但系统总检查仍是最接近真实状态的测试。同时，固化的测试用例，尤其是开环测试的设计，降低了测试有效性，也无法适应迭代制导等闭路制导方法对测试的需求。

4)发射准备工作多

由于上述3方面的不足，以及临射前的诸元准备及测试工作，使得发射准备稍显复杂。

目前关于测发控技术的研究一直延续原有的设计思路，考虑问题的出发点没有根本改变，因此研究内容也集中在测试系统的具体实现上[2]，如采用什么样的测控总线和模件，地面测控系统的体系架构，与测试相关的软件技术、虚拟仪表技术等。对上述不足，单纯从测发控系统自身已无法彻底解决，渐进式改进难以大幅提升性能，必须改变设计理念，从源头重新规划，即将箭上控制系统的设计与测发控的需求结合起来统筹考虑。本文将智能、全面、便捷作为新一代测发控技术的发展方向，其中：

① 智能：以减少专业保障人员为目的，实现数据分析和判读的智能化，并能适应不同测试状态的需求；

② 全面：以提高测试覆盖性、天地一致性为目的，用闭环测试取代开环测试，实现从功能测试到功能与性能并重测试的提升；

③ 便捷：以简化发射场操作为目的，争取实现发射区无人上箭值守操作，具备箭上实时自主生成诸元的能力，提高火箭的使用性和适应性。

2 智能——从自动测试到智能判读

通过自动判读来减少现场专业保障人员的研究早有开展[3]。针对时变信号，目前比较有效的手段是提取特征点的方法。特征点选在网络参数变化的时刻、转级控制的时刻、分离和关机时刻、施加测试激励的时刻等，针对每种测试状态的特征点制定判读准则，自动但不智能，适应性不足。

如果地面测发控系统能够获取箭上控制系统所有输入输出参数和中间计算结果，这将为判读带来很大的便利。一些型号已经意识到了这一点，利用专用分析软件对遥测数据进行离线计算，并与箭上计算结果进行比对，有效地增强了分析的深度和广度。但遥测录取数据经过了各种转化，与原始参数存在偏差；遥测记录与控制计算周期的不同造成了量化误差，箭地数据处理的不同步性进一步增大了误差。采用以下方法将弥补上述不足，进而实现智能化判读。

2.1 总线窃听技术

地面测发控系统获取箭上各类参数，必须满足高速、大容量以及不影响主任务等特性。考虑到箭载计算机是火箭控制系统的主控设备，对其数据总线的检测相当于获取了箭上所有传感器以及控制指令信号，因此将数据监测点设置在箭载计算机的机内总线端；同时为避免对飞行软件的影响，这些检测应全部自动实现；检测到的数据通过箭地高速总线下传至测发控系统。本文将这种设计称作“总线窃听”技术，其原理框图如图1所示。

总线监控器能够实时监控所有挂接在主处理器上的外围设备，按指定状态提取存储空间和I/O空间操作地址及其数据，采用2块发送缓冲相互切换从而实现总线监控的无间断采集。整个过程不需要飞行控制软件的参与。为便于箭地主动通讯，设计单独的用户邮箱。

由于要监听大量的箭上数据，从传输速率和传输距离上考虑，采用LVDS总线[4]。传输速率降额设计为20Mbps，通信距离可达200m。为避免总线信号在高速远距离传输时发生较大衰减，采用自适应均衡器解决信号衰减问题，发送端增加驱动，接收端进行补偿，使传输的串行信号能够恢复其发送时的原有特性。

2.2 智能判读

地面测发控系统主要录取3类数据，即各智能单元的输入数据、计算结果和输出数据(并非所有的计算结果均产生输出)。为了获取上述信息，采用2种技术途径：

1)飞行控制软件本身需要采样的数据，以及其产生的输出控制信号，能够直接被监测到。这些信息主要是主处理器录取的惯组数据、速率陀螺数据，以及其发送的各种指令；

2)非飞行软件直接采样的数据，可以将其封装成遥测量，箭机作为BC转发给遥测系统，利用此过程进行监测。这些数据主要是其他智能单机的输入输出数据和计算结果，以及飞行控制软件自身重要的中间计算结果等。

除此之外，由于箭地计算的起点和运行周期不可能完全同步，箭地计算存在采样量化误差，尤其当数据处于较快变化率时，会对包括滤波算法等在内的计算结果产生较大影响，因此需要增加一些用于辅助地面同步运算的信息。由于飞行遥测数据分析也需要这些信息，因此可以打包在遥测信号内进行处理。

地面利用这些数据，进行2方面分析，实现了分析的全面性：

1)判断控制系统在接收到输入数据后的处理是否准确。采用与箭上各智能单机同样的算法进行计算，并比对计算结果。当然地面的解算必须与箭上各智能单机的解算独立设计，否则失去了判读的意义；

2)判断控制系统收到的输入数据是否准确。根据各传感器的任务书计算在当前测试状态下的理论输出，与传感器实际输出值的差应在任务书规定的误差范围内。

第1方面的分析是依据箭上所录取的数据进行的，它对测试状态变化不敏感；而第2方面的分析能根据当前状态计算传感器的理论输出，二者相互结合，具备了对不同测试状态的适应性，不再需要编制固定的判读标准，体现了智能性。

3 全面——从开环静态测试到闭环动态测试

现有的控制系统总检查原理简图如图2(a)，从惯性测量组合到伺服的测试是开环的。在地面总检查进行模拟飞行测试时，会事先设计出供测试用的程序角，并设计关机时间等效的模飞弹道对其进行验证，关机方程的系数、关机量均是根据理论飞行时间以及在该段时间内惯组随地球自转的输出等综合决定的。

对摄动制导而言，上述测试方案较好地满足了系统综合试验的需要，因为摄动本身也是开环的。但这种开环的测试不能对迭代制导进行验证，主要体现在以下2个方面：1)因为采用迭代制导的火箭入轨点是实时计算的，它能够根据火箭飞行状态调整飞行程序角，选择合适的入轨点，但是在总检查测试中惯性器件处于静置状态，失去了通过迭代制导调整飞行轨迹的前提条件；2)不管模拟飞行的程序角如何变化，惯性器件的输出也不会随之变化，因此无法模拟箭体对迭代的响应，迭代制导的“自适应性”也无从验证。

图2 开环及闭环总检查简图

在采用迭代制导技术前，闭环的综合试验[5]一直是系统设计人员追求的目标之一，因为这更符合真实的飞行情况。开环静态测试使得系统综合试验成为仅是功能性的接口匹配性测试，测试的强度、覆盖性均不够，而其他类型的试验项目，如仿真试验等，不适合发射现场实施，且系统构成也不完整。要实现闭环，必须实时测量箭上执行机构的响应，然后通过箭体仿真计算得出惯性器件的实时响应，并反馈到飞行控制软件，用于下一周期的计算。在地面测发控系统中，对执行机构摆角的测量通过VXI/PXI等传统模件进行，采样开关的转换、信号的采样处理及传输等满足不了20ms计算的要求。

本文提出的闭环测试如图2(b)[6]所示。箭上伺服控制器采用自测试技术，每个运算周期(2ms)采样伺服机构的摆角并编入总线遥测信息，飞行软件每20ms通过总线进行录取，借助于第2节介绍的总线窃听技术，地面将能检测到当前摆角，由此可以启动仿真运算。地面计算出的惯性器件输出仍可以借助箭地高速总线，通过邮箱主动发送到飞行控制软件。

但如果飞行软件全部采用邮箱录取到的仿真数据，真实惯组的输出将无法参与运算，系统测试变成了“数学仿真”，失去了系统测试的作用，为此采取如下措施：1)地面计算机将仿真出的惯组信息wi扣除被测惯组随地球自转的理论输出ws后通过邮箱发送；2)箭机同时录取惯组输出w和邮箱数据。惯组在静置状态下的输出为w，由2部分组成：ws，根据标定的均值计算出的随地球自转产生的输出；δ，惯性器件的随机误差，因此w=ws+δ。则箭机采样到的信号为：wi-ws+w=wi-ws+ws+δ=wi+δ，由此将随机误差引入计算。

如果惯组标定参数错误或惯组发生了故障，其输出值远超过理论值或随机误差增大，都将导致闭路模飞中程序角和关机时间与理论值的不符，从而起到对惯性器件质量的把关作用。

由于没有对系统状态进行任何改变，这样的测试适合在靶场和总装厂实施。由于具备了闭环测试的条件，在地面仿真软件中可以设置不同的干扰状态，从而产生不同的测试用例(但并没有改变硬件的状态)，增大了测试的覆盖性。而通过前文介绍的智能判读技术，数据的分析全部自动进行，也没有增加分析判读人员和工作量。

测试中飞行软件要录取惯组和邮箱信息，而在飞行中仅需惯组信息，要避免飞行中软件状态错乱，解决这一问题已有相当成熟的实践经验。例如，姿控系统设计“消抖网络”来避免火箭在竖立状态测试时因自激振荡产生的抖动，而在飞行中无需该网络。二者可以采用相同的措施来保证测试与飞行状态的正确，本文不再赘述。

4 便捷——减少操作内容，降低操作难度

总结靶场控制系统需要人工参与的箭上操作，主要包括以下方面：1)由于测试状态的变化，导致箭上设备以及箭地连接插头存在一些插拔操作；2)火工品短路插头的连接、解保以及回路阻值测试工作；3)射前连接电池；4)火工品及电磁阀等效器的相关操作。其中，进入发射区主要的操作是第2)和3)项，如果能够减少这方面的操作甚至取消操作，将为简化发射流程创造便利的条件。

4.1 从保留人工操作到争取无人值守

在测试准备阶段，为避免火工品的误爆，需将各火工品正负端短路，一般通过连接短路插头来实现，同时在发射前需人工取下。这部分均属于临射前的上箭操作，风险较高。另一项工作是在火工品连入系统后，为避免误接和漏接，进行火工品通路的检测，同时也是对线路的功能性测试，检查是否存在限流电阻开路、短路以及其他不满足设计要求的情况，这项测试比较费时。

采用下文介绍的设计，将上述工作从手动变为自动，并有可能做到前端无人值守。

4.1.1 火工品自动短路/解保控制及在线自动测试

如图3所示，在电阻盒内将火工品两端并接上继电器触点，当触点闭合时，对火工品进行短路保护；发射前将触点断开，解除保护。

图3 火工品短路保护电路示意图

1K和2K分别表示2个磁保持继电器，A和B表示继电器的2组触点。采取并串联电路，能在一度故障的情况下确保可靠断开，从而不影响飞行中的控制功能；而在需要保护的情况下是否真正短路，可以利用下节介绍的技术进行检测来确认。

磁保持继电器存在2个激励线圈，用测试继电器T1K和T2K表示当前线圈激励状态。在各激励线圈上并联由继电器常闭触点构成的锁定电路，当需要激励时，必须首先断开线圈的短路控制，这能有效避免干扰信号误触发电磁继电器动作而造成状态的不可控。

采用箭上配置1台综合测控器进行自动测试，代替外接专用测试仪手动测试的方案。事实上，这种测试方案在导弹武器[7]及卫星上已得到了应用。本文提出的方案可参考图3，测控器每次将恒定小电流I1施加到被测火工品回路，恒流源流过火工品桥丝(Rh)与限流电阻(Rx)时建立起电压，测量通路电压Vh，折算出阻值。对比图3可以看出，当火工品被短路保护时，相当于Rh的阻值为0，这样测得的阻值为限流电阻Rx的阻值；当电阻盒解保时，测得火工品和限流电阻串联的总阻值，将其减去Rx可以计算出火工品电阻值Rh。通过对阻值的判断，也可以确认此时处于火工品短路保护状态还是解保状态。

综合利用保护电路及回路阻值测试功能，工作流程如图4所示。功能A确保在连接火工品之前短路保护功能处于短路状态，从而起到保护作用；功能B确保在起飞前处于解保状态，不影响飞行使用。由于采用了并串联设计，在解保状态下单点故障不会造成误短路，保证了飞行的正常引爆。

采用上述设计后，火工品的解保可以延迟到起飞前某一时刻，从而进一步增强射前人员与产品的安全性。

图4 短路保护与解保控制流程

4.1.2 采用可重复使用的电池

箭上控制系统普遍采用锌银蓄电池，由于其循环周次有限，在地面测试采用地面电源替代其供电，但至少采用真电池进行一次总检查，由此带来了一系列测试状态转换和人工操作的情况。射前将重新充满电的电池安装、连接，因此需要箭上有人值守以及增加状态检查工作量。如果有可靠的重复使用电池，则无论地面测试还是飞行均可直接由其供电，采用这种设计有以下益处：

1)减少了箭地供电电缆，尤其是在箭地只有脱拔连接的情况下，大大减轻了电缆的重量，提高了运载能力；

2)测试状态更接近真实情况，不再需要模拟电缆，每一次模飞测试均与飞行保持供电状态的一致，加强了测试的覆盖性和真实性；

3)减少了测试状态的转换，每一次总检查都是“真转电”模飞，从而减少了人工操作。电池可以在火箭转场前安装上，在发射区不再需要与电池有关的安装、拆卸工作，简化了发射流程；

4)提高了用电的可靠性。前端设备安置在活动发射平台内，每次发射都会承受冲击等环境，且平台内空间紧张，设备越多安装越困难。采用本方案，可以节省前端设备，进而节省了经费。

采用本方案有一些前提条件，例如，伺服机构在飞行中无需箭上电池供电，否则每次总检查测试后电池要频繁充电；紧急关机的电流由箭上电源提供，否则地面仍需专配地面电源；电池容量要大，充电要快，测试阶段电源负载很小，一次充电后应能满足多次测试的需要，否则需要频繁充电。由于一次充电后不可能完成所有靶场的测试，所以电池不用下箭就可以直接对其充电是所追求的目标。但会增加众多箭地连接的充电电缆，需要权衡是否合适。即使存在有限次取下电池充电的操作，也至少可以将发射区的工作减至最低，前提是需要容量大、可靠性高、周次长、充电快的可重复使用电池。

4.2 从预先准备诸元到实时解算诸元

对发射卫星的运载火箭而言，有足够的时间用于准备诸元并进行测试，因为卫星的目标轨道早就确定，控制系统最迟也可以提前20多天得到相关参数，因此火箭的诸元均是预先准备的。至交会对接任务，为避免提前预报误差太大，一般希望将临近火箭发射时刻的测轨信息用于飞船的目标轨道，但太接近发射，火箭系统准备时间不足，因此采取了射前4h明确目标轨道的方案，火箭控制系统在4h的时间内完成诸元准备、测试以及软件生产、评审、归档和向箭上装载等工作，这增加了现场工作的紧迫性。

如果将诸元准备工作由飞行软件自主完成，将有效减少地面工作量，也有助于简化发射流程。迭代制导的应用为这项工作带来了便利，因为迭代制导需要的诸元从传统摄动制导的整条标准弹道参数减少为仅5个轨道根数，转换的算法以及计算量进一步减少，其转换工作如图5所示。

图5 诸元转换过程

将这部分功能由飞行软件自主实现，并未增加太多软件的复杂性，对可靠性几乎没有影响。同时转换工作安排在射前完成，也不影响飞行后的计算时间。

另一方面，借助于网络和信息技术，可以放宽对测轨时刻的限制，对目标轨道可以边测量边传输，借助于测发控网络和箭地通讯，将测轨结果实时传输到箭载计算机。由于箭地通讯一直持续到转电前，因此上述工作也可以持续到转电前，其结果比4h前更接近当前实际情况。甚至在起飞后，只要在接入迭代制导前，仍可以通过可信的无线传输，如北斗短消息等，对测轨的结果进行修正。通过实时的有线或无线传输和飞行软件自主的诸元准备，将极大提升火箭的适应性。

通过本节的介绍可以看出：采用自动的火工品短路保护与解保设计，结合箭上检控器实现回路阻值的测试，可以将发射区与火工品保护和测试相关的人工操作替代；采用可重复使用电池用于地面测试和发射，仅保留“真转电”一种测试状态，取消模拟电缆，这些都有助于减少靶场的人工操作。2种手段的结合，有可能实现发射区无人上箭值守操作，在简化发射流程的同时，简化了发射区的勤务塔设计。通过实时解算诸元，进一步减轻了射前工作压力，简化了操作。还兼有提高测试覆盖性、充分性、运载能力和适应性的效果。

5 结束语

地面测发控技术的发展，离不开箭上系统的发展和牵引。例如，如果仍采用开环制导，那么系统联试状态下的闭环制导测试就无从谈起。同时，射前准备的诸元众多，也难以将这部分转换工作移至箭上软件中。如果火工装置仍采用传统的设计方案，全箭设有众多的引爆桥丝，通过继电器触点短路来进行保护的设计就显得不够经济。

技术的进步促进了测发控系统的发展，例如，受到1553B总线监听的启发而设计的窃听技术，在箭地之间搭建了高速信息通道，地面得以在不干扰箭上设备工作、不占用箭上处理器机时的情况下同步录取所有原始参数，从而自然地联想到在地面推演箭上设备的处理过程，使得数据的分析具备了智能性；同时，箭地传输的实时性增强，使得仿真技术得以在综合试验条件下应用，满足了对闭环控制考核的力度，并能开展各种偏差仿真，增大了测试用例的丰富性和考核力度；而推演式的数据分析恰能以“不变应万变”的方式解决由于测试状态多而对传统判读带来的瓶颈。此外，随着民用尤其是电动汽车领域电池技术的发展，可重复使用的电池必将有成熟之日并运用到测发控系统中。

当然，可靠性仍是所有因素之外需首要考虑的因素，上述相关技术还需要通过大量的工程应用来提高成熟度。同时，经济性也是不可忽视的另一重要因素。本文将“智能，全面，便捷”作为新一代航天运输系统测发控技术发展的方向，其追求的目标最终可以归纳为：用较少的人员、时间和操作，实现更加“真实”的测试和更加“自由”的发射。

参 考 文 献

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