航天外测安全系统快速测试发射控制系统设计

廖梁兵 李军

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

航天外测安全系统完成运载火箭的高精度轨道参数测量和安全控制，系统由地面测控站、箭载外测安全系统单机和测试发射控制系统（下文简称“测发控系统”）组成。

外测安全测发控系统主要完成箭载单机单元测试、等效测试、分系统测试与控制系统、遥测系统、利用系统、故障诊断系统和动力系统等的匹配测试以及各项大系统测试[1]。上述测试数据将作为火箭工作状态判定的依据。

近年来，我国航天发射任务趋于密集，这对测发控系统提出了更高的要求，实现航天外测安全系统的快速展开、快速撤收和全自动快速测试迫在眉睫。在此大背景下，本文设计了一种全自动快速测发控系统，该系统基于野战包装箱进行设计，采用全数字化和网络化[2]技术，实现了外测安全系统测试的全自动化及快速化，极大地提高了测试效率及可靠性，为航天高密度发射任务的完成提供了有力支撑。

1 运载火箭外测安全测发控系统研究现状

1.1 测试项目

外测安全系统需要完成如下测试项目。

（1）箭载单机单元测试。箭载单机包括连续波体制应答机、脉冲体制应答机、安控体制设备、卫星通信设备、控制器和配电器等。对上述单机的单元测试项目包括：工作频段、发射功率、接收灵敏度、动态范围、误码率、状态上报信息等。

（2）等效测试。箭载单机单元测试完成后，外测安全系统将参加分系统及后续大系统测试，为确保测发控系统工作正常，需要用等效器模拟单机进行测试，确保流程执行正常。

（3）分系统测试。保证箭载单机指标满足系统要求后，外测安全分系统以模拟系统零时信号为基准，在统一流程时序的控制下，各单机完成加电、信号发射、信号接收、信号判读等工作，确保分系统满足大系统的使用要求。

（4）匹配测试。大系统测试需要各分系统在统一的时序下协同工作，外测安全分系统与控制系统、遥测系统、利用系统、故障诊断系统和动力系统等存在通信接口，需要完成与上述分系统的接口匹配测试，保证大系统测试流程的顺利执行。

（5）大系统测试。分系统测试及匹配测试完成后，为全面检验运载火箭发射状态，需要进行各项大系统测试。外测安全分系统根据大系统流程，执行规定动作，配合完成火箭发射状态全面检验。

1.2 测发控系统功能需求

测发控系统需要完成箭载单机单元测试、等效测试、分系统测试、匹配测试及大系统测试。现阶段，测发控系统普遍采用分立系统架构，即每一种箭载单机采用单独的测试设备和标准仪器进行测试，每一种单机均需要独立的操作人员，测试及流程协调较为复杂。单机测试数据独立，对测试结果查询、分析、保存也带来诸多不便[3]。

图1 传统测发控系统设备组成

为解决上述问题，对测发控系统提出了以下需求。

1.2.1 传统分立设备向一体化集成架构演进的需求

传统分立测试采用分立的测试设备，测试速度慢、测试流程复杂、数据处理难度大、和数据中心数据共享不便，难以满足航天高密度发射要求。采用一体化集成架构，将原分立测试设备通过网络和光链路组成一个有机整体，完成包含单元、等效、分系统、匹配及大系统测试在内的全流程测试[4]。采用一体化集成架构的测发控系统，功能及设备集成度高、配置灵活，便于计算机系统灵活控制。

1.2.2 自动化、快速测试需求

航天外测系统单机种类繁多，单机指标较多，每一种单机都需要配备专门的测试人员。运载火箭测试流程须按照严格的时序关系，对测试人员的专业水平提出了很高的要求，同时测试过程和事后数据判读都需要耗费大量时间，难以适应航天高密度发射需求，急需实现测试的自动化和快速化[5]。

1.2.3 快速部署需求

目前，我国航天发射密度不断提高，部分型号要求具备野战能力，这就对火箭出厂、靶场测试速度和可靠性都提出了更高的要求，航天外测系统需要具备快速部署能力，即测发控系统运输方便，能适应各种运输场景，同时展开和撤收速度快，系统可靠性高。

2 全自动快速测发控系统设计

2.1 系统架构设计

针对航天外测安全系统全自动测试、快速部署测试需求，测发控系统采用先进的计算机测试技术作为核心，配合网络技术、射频光传输技术、测试模板设计技术、高集成度设计技术、野战包装技术，构建全自动测试系统。

快速测发控系统由中心测控计算机、光传输系统、供配电设备、单机综合测试设备组成。测控计算机是系统控制处理中心，完成流程的编制、加载和下发。单机综合测试设备包括单脉冲体制综合测试设备、双频体制综合测试设备、安控指令接收机综合测试设备、卫星通信综合测试设备和等效器等。

图2 全自动快速测发控系统架构

2.2 全自动测试流程设计

测发控系统首先需要完成单元测试和等效测试，随后需要严格按照火箭发射时序完成分系统测试、匹配测试和全系统测试。同时，为了满足系统排查故障等需求，需要实现流程可装订。

快速测发控系统设计了高效的测试流程。用户首先输入认证用户和密码，认证通过后即可开始测试。用户可对单元测试、分系统测试、匹配测试和全系统测试流程进行装订，装订好的流程会自动生成配置文件，测试过程完全按照装订好的流程进行，测试完成后会自动生成测试报告，判断参数超差，并据此进行故障诊断。

2.3 快速部署测发控架构设计

随着航天发射密度的提高，特别是部分型号提出了野战的需求，对测发控系统测试速度和可靠性都提出了更高的要求。在实现全自动测试的同时，还要求测发控系统运输方便、展开和撤收迅速。

针对上述需求，测发控系统进行了快速部署设计，具体措施包括以下内容。

（1）测发控系统各组成设备均采用小型化设计。对各设备内部模块及整机进行小型化设计，缩小体积，降低重量。

（2）根据设备功能划分安装机箱，对设备进行总体优化设计。对接口联系紧密的设备，安装在同一个野战机箱内，该机箱重量轻，滚轮可拆卸。机箱进行减震设计，可适应飞机空投、铁路、公路、水运等运输场景。

（3）同一个机箱内部设备的电缆均锁定，系统展开时，只需要连接机箱间的少量电缆，大大提高展开和拆收速度。

由于设计了快速测发控架构，系统展开和撤收时间均缩短为10分钟，为未来更高层次的应用奠定了基础。

2.4 可靠性设计

由于测发控系统集成度和自动化程度大大提高，同时具备快速部署能力，对系统的可靠性提出了更高的要求。在设计中，为提高可靠性，主要采取如下措施。

（1）根据系统可靠性指标，进行单机指标分配，对于关键插箱、电路、元器件，进行冗余设计。

（2）元器件厂家及型号严格在选用目录中选取，并采用相应的筛选规范。

（3）为适应各个应用场景，将机箱、设备、电路板进行加固、减震和三防设计。

3 系统关键技术分析

3.1 先进的数字化综合测试架构

测发控系统测试单机采用先进的数字化综合测试架构，能完整地对单机指标进行测试，且测试流程实现了自动化。数字化综合测试设备覆盖了连续波体制应答机、脉冲体制应答机、安控指令接收机、卫星通信设备等单机。传统的单机测试采用分立架构，使用独立的发射机、接收机、校零设备、测试台及标准仪器，测试效率较低，测试流程复杂，数据分析和处理不便。数字化综合测试设备采用基于工业总线设计的先进测试架构，实现了全自动化测试，大大提高了测试效率、降低了系统复杂度，便于大批量生产[6]。

3.2 基于光信号的远距离传输技术

靶场测试分为技术厂区和发射阵地两个部分，对于航天外测系统的发射阵地测试中，设备布局在后端测试间和火箭前端测试间，两个测试间的距离经常在1.3公里以上。在传统的测发控系统中，后端和前端信号通过高频电缆进行连接，高频电缆数量多、信号损耗大、时延大，导致电缆网复杂，可靠性不高，高频电缆对信号的损耗常常限制了设备的灵活部署和应用。全自动测发控系统用先进的光设备进行信号传输，大大简化了系统连接，极大地加快了部署速度，提高了系统的可靠性和灵活性。

4 结语

快速测试发射控制系统可满足运载火箭工厂及靶场的测试需求，通过设计快速部署测发控架构、先进数字化综合测试架构、光信号传输系统和全自动化测试模板，大大提高了测试效率和可靠性。全自动快速测发控系统在我国多个重点型号的运载火箭发射测试任务中工作正常，实现了预期目标。