新一代运载火箭一体化供电测控系统设计

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(1.北京宇航系统工程研究所，北京 100076；2.北京航天测控技术有限公司，北京 100041)

新一代运载火箭一体化供电测控系统设计

(1.北京宇航系统工程研究所，北京100076；2.北京航天测控技术有限公司，北京100041)

新一代运载火箭测量系统承担获取射前和飞行过程中遥外测数据和实施火箭飞行安控的重要任务，在执行发射任务时，测量系统不仅要对火箭关键参数进行长时间的不间断监测，还要对测量系统地面测控设备进行状态监测，实现加注阶段前端“无人值守”；对地面测控系统人员保障及人员对设备的操控提出了很高要求；为此，文章提出了一体化供电测控系统，介绍了系统组成及技术革新，采用定制与运行自动测控流程，实现指令执行的实时性和精确性，提高了测试效率，通过故障监测和应用切换实现同步跟踪和无缝切换设计，融合了以太网技术、1553B总线技术、光纤技术等多标准复合架构通信技术的一体化测控系统经过了新一代运载火箭首飞考核，得到了充分的试验验证。

新一代；自动流程；一体化；供电测控

0 前言

新一代运载火箭在执行发射任务时，测量系统要对射前加注和紧急关机时多路关键参数进行采集和监测，要求测量系统可实现长时间的不间断加电测试。同时，测量系统测试人员还要对多台测量系统供电测控设备进行控制和状态监测，保证地面测试设备工作正常，且实现液氢加注后前端“无人值守”，对地面测控系统设备及人员保障提出了很高要求。因此有必要开发一套自动化测试流程，由自动化测试设备实时监控测控设备状态并响应指挥命令，控制操作。

为解决上述问题，测量系统设计并实现了一种地面一体化测控方案，该方案中，测量系统综合控制台通过网络和控制电路对前后端各地面测试设备进行控制和设备状态采集、监测，不仅大大节约了人力成本，还实现了总体对液氢加注后前端“无人值守”的要求；同时，通过对测试过程中各项操作进行流程化处理，由综合控制台响应总控系统指挥口令并执行相应操作，完全实现了测量系统射前自动化测试，提高了测试效率和精确性，降低了测试人员发生误操作的可能性。

1 一体化供电测控系统组成及工作原理

1.1 硬件组成

一体化供电测控系统构架见图1。系统可分为箭上和地面两部分，箭地间通过脱拔将总线电缆、传输电缆、控制及供电电缆进行连接。箭上设备分为一级和二级测试设备，分别由各级配电器完成箭上供电测控功能，为各级箭上设备进行统一或分路供电；地面设备分为前端设备和后端设备，前端主要由配电控制组合、PXI自动测控组合、地面电源等设备协同完成地面分路或统一供电控制和箭地参数采集功能，后端主要由测量系统综合控制台完成指令的下发和箭地参数的监控，前后端之间有两个连接通道进行交互，手动控制信号通过光传输设备和光纤直连，网络信号通过总控网连接[1]。

图1 供电测控系统硬件组成

硬件设计中，前后端设备均设计为设备级或板卡级热备冗余方式，网络连接设备通过双网卡绑定方式接入网络，1553B总线以AB总线模式连接，光传输设备通过a、b光链路互连，单台设备或单片板卡故障将不影响系统正常运行，极大提高了系统的可靠性。

1.2 软件组成

一体化供电测控系统软件主要由后端综合测控软件和供配电前置测控软件组成。

为满足远距离测控一体化设计的要求，在后端综合测控计算机上运行的综合测控软件作为系统集中控制核心，通过网络(包括本地局域网和光纤远程网)实现对各测控设备的监控。因此，系统设计了通用、高可靠、可扩展通信协议，约定与各测控设备间的数据、指令通信接口。根据通信协议约定，完成与各个测控设备间的通信数据交互，通信内容包括指令发送、指令确认数据接收、测试数据接收、测试数据转发总体网、接收总体网数据、总体网指令接收、总体网回令发送等。

供配电前置测控软件是PXI自动测控组合的中心控制软件，完成PXI各模件的配置管理、供电测控、数据处理、故障检测、故障判断、冗余切换和网络通信等任务。供配电前置测控软件通过TCP连接(监听端)接收综合测控软件发送的控制指令，能够同时接收不少于2个TCP端口向其发送的指令，缓存后串行执行；软件通过1553B模块发送供电控制指令，同时接收总线远程终端传来的测试数据信息，编码后通过网络接口发回给综合测控软件。

2 一体化测控系统关键技术设计

2.1 自动测控流程的定制与运行

测试过程中，为实现指令执行的实时性和精确性，提高测试效率，对不同测试阶段的各项指令操作进行流程化处理，实现了测试流程自动化。由综合控制台加载所选测试流程，确认相应流程步骤，实现了测量系统测试阶段及射前自动化测试。

根据系统在不同测试阶段对测控流程的条件、状态和步骤的不同需求，综合测控软件设计遥测指令动作、总体网指令动作、提示询问动作、条件等待动作、等待动作、总体网指令等待动作等6类测试动作，作为形成测试流程的基本元素，进而支持各类试验流程文件的定制。软件实现流程文件的加载和自动执行，实现自动化流程测试。自动化测试流程如图2所示。

图2 流程自动执行流程图

软件编程实现方法如下：

While(ilt;n) do

SendCommand(i)

If ReplyCommand(i)=True

Then ilt;-i+1

Else

If SendCommandAgain=True

Then ilt;-i

Else

If SendNextCommand=True

Then ilt;-i+1

Else

ilt;-n

EndIf

EndIf

EndIf

End

在自动化测试流程中，软件加载流程后加载下一动作为当前流程动作，加载成功后执行当前动作，当前动作执行后，动作指令通过网络发送给相应测试设备，测试设备执行动作并发送回令给综合测控软件，软件接收指令执行设备发送的回令并判断指令执行是否成功：1)若执行成功，则继续加载下一动作为当前指令动作并执行；2)若指令执行失败，人工决策是否重新执行该指令直至流程执行结束。

2.2 同步跟踪和无缝切换设计

一体化供电测控系统中PXI自动测控组合采用热备冗余设计，PXI主机和PXI从机采用对等设计原则，具有完全相同配置。主从设备均部署同步监测软件，从机通过双冗余以太网卡实时监测获取主机状态信息。PXI同步跟踪和无缝切换软件体系结构框架如图3所示。[2]

图3 同步监测软件体系结构框图

PXI热备冗余设计系统中，设计有互相分离的应用层和热备层，两层共同构建应用系统。应用层位于系统上层，负责实际功能实现和业务处理功能。热备层位于系统下层，负责实现应用层程序的同步处理功能。其中热备层按照功能实现又可细分为同步层和传输层。同步层负责实现热备冗余系统的实时同步处理，从机设备由同步层获取主机设备相关实时变量因素，通过实时运算进行冗余机制的一致性处理，实现热备冗余系统主从设备同步处理结果的一致性。传输层位于同步层下层，负责主从设备间底层的链路通信，主从设备通过基于TCP/IP协议的以太网通信。

同步跟踪和无缝切换过程主要通过故障监测和应用切换两部分来完成。故障监测通过互为冗余的两台PXI间以“检查点检测+心跳检测”方式实现，主从PXI以10 Hz频率检测对方的固有检查点，同时，每10 Hz互相发送心跳信息包，固有检查点发送数据包含本机PXI控制器及各模块监测点状态信息，监测点信息如果发生异常或“心跳”监听异常，启动应用切换功能。命令执行实行双队列请求机制：主机正常运行时使用工作队列接收命令请求和实现命令处理，预备队列为空闲状态；从机输入指针指向预备队列，不进行命令相关业务处理。在收到应用切换指令后：主机将输入指针指向预备队列，后续接收到的命令请求将缓存到预备队列，工作队列执行命令请求直至队列为空；从机将输入指针由预备队列指向工作队列，处理指针指向工作缓冲，开始处理命令请求。

2.3 多标准架构通信技术

一体化供电测控系统通信控制采用了以太网技术(TCP/IP、数据组播)、1553B总线技术、光纤技术等多标准复合架构通信技术，实现控制指令的发送和箭地测试信号采集功能，拓扑结构如图1所示。

在总线控制指令传送过程中，供配电控制指令上行信号通过综合测控软件由后端的综合控制台发出，通过网络由总控网前后端交换机传输到前端PXI自动测控组合，PXI自动测控组合将接收到的网络指令信息转换为相应的总线供配电控制指令，作为总线控制器(BC)通过1553B总线传送给配电控制组合和箭上配电器，配电控制组合和箭上配电器作为远程终端(RT)接收BC指令，将总线指令信号转换为电信号，驱动其内部相应继电器完成配电任务，从而实现供配电指令控制功能。[3]

应急手动控制指令信号由综合控制台内部手动控制盒发出，电信号输入后端视频光传输设备转变为光信号，光信号通过测量系统独立的前后端光纤通路传输至前端视频光传输设备，转换为电信号后输出给配电控制组合，驱动配电控制组合内部继电器动作，实现紧急情况下综合控制台对前端配电控制组合和箭上配电器的供电控制。

图4 供配电控制指令信号流向图

箭上供配电数据通过配电器1553B总线接口发送给PXI自动测控组合，完成箭上配电器参数的传递，地面各测试设备状态信息通过测试电缆发送给测控信号转换装置，由其进行信号的隔离、调理后发送给PXI自动测控组合，PXI自动测控组合将采集到的箭地参数回送给综合控制台，完成箭地信号采集功能。

图5 供配电测试信号流向图

综合测控台上运行的综合测控软件通过TCP连接方式向前端PXI自动测控组合发送控制指令，控制指令通信帧格式见表1，指令接收设备在收到指令并执行成功后需向综合测控软件发送回令确认信息执行情况。

表1 控制指令及回令通信帧格式

PXI自动测控组合测试软件将其测试数据和软硬件状态通过网络向综合测控软件发送。测试数据的上传通过组播方式进行，测试数据帧格式见表2。

表2 测试数据帧格式

后端视频光传输设备光发送模块接收到综合测控台手动控制部分发送的指令上行信号后，对信号进行电平转换，并通过信号生成模块生成a、b两路相同的编码复用信号，信号生成后调制成光信号并通过外部光纤传送至前端视频光传输设备。前端视频光传输设备中光接收模块接收两路光信号，通过所对应的下行光链路向后端视频光传输设备反馈确认信号，后端设备接收到确认信号后，从相应上行链路再次发送与上次相同的上行指令信号。前端光接收模块接收到第二次上行指令信号后，与第一次所接收信号进行对比，若两次指令信号数据相同，则完成信号接收过程，确认上行指令信号有效。

指令信号上行过程中，a、b链路同时进行并相互独立。当前端光接收模块分别判断a、b两路信号有效后，对a、b两组指令进行比对。若两组指令信号比对一致，则前端输出该指令信号并完成此次信号传输过程，等待下一次指令信号输入；若比对结果不一致，则向后端反馈使后端重新进行指令发送和反馈确认。当前端光接收模块判断a、b两组链路中仅有一组为有效信号，则前端输出该指令信号并完成此次信号传输过程，等待下一次指令信号输入；若两组链路均判断传输错误，则向后端反馈使后端重新进行指令发送和反馈确认。

3 结束语

本文对新一代运载火箭一体化供电测控系统进行了介绍，一体化供电测控系统通过使用通过综合控制台对测量系统地面测试设备进行控制和监测，实现了操作人员的简化；使用自动测试流程，使得系统实现了较高的智能化，提高了测试精确性。

[1]王清利.新型运载火箭遥测供配电系统设计与实现途径[J]．导弹与航天运载技术，2000，(04)：5-12.

[2]郭恩全,卢君明.PXI总体体系结构[J]．国外电子测量技术,1998,(3):28-30.

[3]祝 伟,张金刚.基于1553B总线的运载火箭供电测控系统设计[J].计算机测量与控制,2016,(5):21-24.

DesignofanIntegratedPowerSupplyandMonitoringSystemforNewGenerationLaunchVehicle

Zhang Jianing1, Wu Yanru1, Zhu Wei1, Zhu Li2

(1.Beijing Aerospace System Engineering Research Institute, Beijing 100076, China；2.Beijing Aerospace Measurement amp; Control Technology Co.，Ltd., Beijing 100041, China)

Measurement System in new generation launch vehicle system undertake the task to obtain the telemetry data and implement security control task during the flight mission. Measurement System will monitor the key parameter of launch vehicle and testing equipment for a long time to ensure unattended operation during the filling. That requires more for personnel security and operation. In this article, an integrated power supply and monitoring system is proposed to satisfy the higher requirement of new generation launch vehicle, it introduce the system composition and technical innovation. The customization and operation of automatic control process are used to achieve real-time and accurate instruction execution which improves test efficiency. Synchronization and seamless handover are designed by adopting fault monitoring and application switching. This system which integrated multi-standard and composite architecture communication technology, including Ethernet technology, 1553B bus technology, and optical fiber technology, experienced the flight experiment and has been verified.

new generation; automatic; integrated; power supply

2017-04-23；

2017-06-20。

张佳宁(1988-)，男，河北衡水人，硕士，工程师，主要从事测量系统供配电与地面测控系统设计方向的研究。

1671-4598(2017)09-0039-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.011

TM93

A