新一代运载火箭数据处理子系统设计

王晓君，梁宇坤，高玲玲

新一代运载火箭数据处理子系统设计

王晓君，梁宇坤，高玲玲

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

为了提高运载火箭测试发射的可靠性，测量系统将获取的箭上测试数据通过有线和无线两种方式下传到地面，在地面完成数据的实时和事后处理、存储、发布、分析和判读等，实现了火箭各系统对工作状态的实时监测。概述了长征八号等新一代运载火箭测量系统数据处理子系统总体架构，该子系统针对应用对象的特点，对数据采取不同的处理方法，提高了测试数据的实时性、交互性和可溯性。

测量系统；数据处理；可靠性

0 引 言

为了对运载火箭电气系统的技术状态进行充分考核验证，在研制过程中需要完成综合试验、匹配试验、总装测试和靶场测试。遥测数据的处理和分析作为测试流程中的关键环节之一，是火箭各系统进行功能检查、系统测试评价和火箭整体性能评估的重要手段[1]。数据处理子系统用于完成箭地测试数据的处理，并将结果以数值、图形、曲线等方式进行全面直观的呈现，以便于各系统在用户终端上判读使用。

新一代运载火箭各系统对数据处理的实时性和精度要求越来越高[2-3]，因此数据处理子系统在设计时针对数据类型和应用需求采取不同的处理方法，本文对长征八号运载火箭数据处理子系统的组成和关键技术进行了研究。

1 系统组成

1.1 硬件组成

运载火箭数据处理子系统主要由各类计算机组成，通过以太网技术构成局域网，将处理的结果实时传输给各用户终端[4]。设备主要包括数据库服务器、实时处理服务器、实时监测与判读服务器、通信服务工作站、数据挑路工作站、液位参数处理工作站、浏览终端、判读终端等，系统组成如图1所示。其中，数据服务器和工作站均采用双机热备的方式，避免测试过程中的单点故障。

图1 数据处理子系统设备组成

1.2 软件组成

数据处理子系统软件平台基于分布式架构，包括数据实时处理与发布软件、测量信息管理软件、网上判读软件、通信服务软件、实时监测与判读软件、实时挑路与发布软件、液位数据处理软件等，完成遥测参数的处理、存储和发布，处理结果以数值、曲线、条图、虚拟表头和指示灯等多种方式显示，并通过网络将数据发送给总控网等外系统，软件平台结构关系见图2。

图2 软件平台模块结构关系

遥测检测站将遥测原码数据帧以每包两帧的频率组包，通过网络组播以25 次/秒。实时处理与发布软件对实时接收到的原码数据进行解析，根据要求对不同类型（遥测数据，1553B总线数据，422数据和485数据等）的参数进行处理，并将处理结果保存到关系数据库中。通过实时监测与判读软件，对遥测数据处理结果及遥测原码数据帧进行监测、自动判读和报警，是系统人员实时查找和分析数据的手段。通信服务软件将收到的组播数据以UDP单播方式发送给总控网等其他系统[5-7]。

在火箭试验测试中，可依据存储在测量系统关系数据库中的当前或历史试验数据、参数判据等信息完成数据的浏览、比对分析和自动判读，同时对判读结果进行存储和管理。

2 数据处理方法设计

新一代运载火箭相较于传统运载火箭的数据处理子系统主要是增加了遥测参数分类处理功能、总线数据处理功能和液位参数处理功能等功能模块。同时，在新一代运载火箭上，普遍采用了高清摄像装置实现对飞行过程中关键位置和动作的实时监测。

2.1 遥测参数分类处理

长征八号运载火箭箭上遥测参数包括总体参数、力学环境参数、热环境参数、动力系统参数、控制系统参数和测量系统参数等，总计594个。测量系统将测试数据通过无线和有线方式下传到地面后，将根据参数性质的不同分别进行处理和传输，从接收到遥测数据帧到解算出遥测参数值，平均延迟时间不超过 20 ms。

在进行数据处理时，将遥测数据分为速变、缓变、指令、控制计算机字、1553B总线参数、二次计算参数、RS485/422参数、计算机字、缓变滤波、图像和液位参数等不同的类型进行处理。其中，速变参数包括高低频振动、噪声、冲击、过载和脉动压力等，缓变参数包括电压、温度、压力、热流和液位参数等。处理的结果数据以起飞触点接通为0 s，起飞触点接通以前的时间为负值，起飞触点接通后的时间为正值[5]。

数据处理子系统完成遥测原码数据的接收解析，基于在信息管理软件中装订的参数处理公式，对原码数据进行分析和运算，得出相应的物理量结果，将结果保存在数据库中，同时发送给网络中其他使用终端。下面以指令参数、缓变参数和1553B总线参数为例，对数据处理的功能进行说明。

a）指令参数：从原码数据帧中提取指令参数原码，通过实时数据库获取指令参数及波道信息，由波道信息得到参数对应的原码数据，根据处理信息计算出指令参数状态及其发生的时刻。指令状态变化的判别通常进行连续帧的判断，如果连续帧均为同一状态，则认为此状态为真实指令发生状态，且以收到指令变化的第1帧作为该指令发生的时刻，并将处理结果发送至数据库服务器中。

b）缓变参数：从原码数据中提取缓变参数原码，通过实时数据库获取缓变参数及波道信息，由波道信息得到参数对应的原码数据，根据处理信息还原缓变参数的实测物理量数值。如果参数需要查表计算或需要进行均值滤波，则将计算结果在对应数据表中进行查找结果或对当前个数据进行均值计算，并将处理结果发送到数据库服务器中。

c）1553B总线参数：根据1553B总线数据块所在遥测帧波道位置获取1553B总线原码，根据1553B原码解析配置项中的信息解析所有的1553B消息，分别对总线中包含的缓变、指令、时序码、计算机字、复用、复用指令和特殊计算机字等7类数据进行处理，并能进行总线消息的跨帧处理，将处理结果和1553B原码存入数据库服务器中。

2.2 液位参数处理

与常温运载火箭不同，新一代运载火箭在加注发射阶段，需对火箭各级贮箱的低温推进剂的液位、温度和压力等关键参数进行长时间实时监测，由测量系统将处理出的液位参数等实时传输给动力和总控网等系统，保障加注工作的顺利开展。测量系统根据贮箱结构和推进剂的特点，在燃箱和氧箱分别配套了相应的液位测量传感器。系统将传感器采集到的参数编入遥测数据帧中下传到地面，经过地面处理液位数据，通过网络发送给其他系统。

液位参数处理流程如图3所示。实时挑路和发布软件根据配置的接收和发送的地址、端口信息，通过以太网接收遥测检测站发送来的原码数据，并根据遥测帧格式和液位参数的波道信息，提取出液位参数原码发送给液位参数处理软件。

图3 液位参数处理软件数据流向示意

液位参数处理软件采用UDP协议、以组播方式每40 ms接收和发送1个一级液位参数数据包和1个二级液位参数参数包，软件总延时不大于1 s。贮箱液位测量传感器的特征参数、遥测原码与贮箱液位之间的转换关系均可通过软件的参数装订功能完成。

软件要处理的液位参数包括加注液位和剩余液位。加注液位分为点式液位和连续液位，为了提高液位的控制精度，在加注过程中可以利用点式液位对连续液位进行修正。以长征八号运载火箭为例，自贮箱前底向下分别设置V、IV、III、II、I 5个液位点。将I液位作为减速加注的信号点，在I液位之上设置II液位，在I、II液位之间转入小流量加注；II液位后加注停止，进入停放阶段；IV液位为达到加注量的液位；在IV液位之下和之上分别设置III液位、V液位，III液位作为即将达到加注量的提示信号，V液位作为溢出警示点。助推器和芯一级氧箱剩余液位参数需要处理提供“4 m3液位”特征点，用以进行预冷加注时控制。

2.3 图像参数处理

为了对火箭飞行中的关键位置和动作进行可视化监测，通常由测量系统配套一个或多个摄像装置。箭上实时采集的图像数据经过抽帧、下采样、编码、压缩及编帧后传输给遥测系统数据综合器，通过遥测信道实时下传到地面。运载火箭图像解码机完成对图像压缩原码数据的解码、图像复合视频编码和输出显示，并能将箭上接收到的起飞信号进行解析处理，显示终端实时显示更新遥测飞行时间[8-9]，数据流向如图4所示。当箭上配套多个摄像装置时，地面图像处理显示终端需要对各路图像按照时序进行切换，实现飞行过程中对箭上不同位置的监测。

以长征八号运载火箭某发任务为例，箭上设计了1路摄像装置，用于观察星箭分离动作。摄像装置安装在卫星支架上，在星箭分离阶段，地面通过实时解码出的图像数据清楚地观察到了多颗卫星的分离动作。

图4 图像处理软件数据流向示意

3 结束语

本文针对新一代运载火箭的应用，给出了数据处理子系统的设计思路和组成架构，实现了大量测试数据的高可靠性实时处理存储，大幅提高了型号各阶段的测试效率。

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Design of Data Processing Subsystem for New Generation Launch Vehicle

WANG Xiaojun, LIANG Yukun, GAO Lingling

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing, 100076)

In order to improve the reliability of the launch vehicles testing and launching, the test data acquired by the measurement system is transmitted to the ground through wired and wireless methods, through real-time and post processing, storage, release, analysis and interpretation of data on the ground, realizing the rocket systems to monitor their working status in real time. The overall architecture of the data processing subsystem is outlined, which is a part of the measurement system of the new generation launch vehicles, such as Long March 8. Different methods of data processing are adopted which is directed against the characteristics of application objects, and it improves the real-time, interactivity and traceability of test data.

measurement system; data processing; reliability

2097-1974(2023)02-0122-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230224

V475.1

A

2022-11-29；

2023-03-14

王晓君（1986-），女，工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

梁宇坤（1989-），男，工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。

高玲玲（1981-），女，高级工程师，主要研究方向为运载火箭测量通信与测控系统设计。