李 刚，金志超，韩 峰

（北京航天自动控制研究所，北京，100076）

0 引 言

长三甲系列运载火箭自1994年2月8日成功发射夸父一号/实践四号卫星以来，已累计完成100次发射，并以约98%（部分成功按0.5计算）的成功率给人类宇航发射历史留下了浓墨重彩的一笔，是中国当之无愧的金牌主力火箭。本文将对长三甲系列运载火箭测试发射控制技术发展历程进行总结，分析不同阶段的技术特点，并结合未来测试发射控制技术的发展需求提出几个迫切需求的发展方向，为将来系统设计提供借鉴。

1 测试发射控制系统发展

长三甲系列运载火箭服役25年以来，地面测试发射控制系统共经历了3个发展阶段：近距离测试发射控制系统；第1代远控“三化”测试发射控制系统；第2代远控更新改造测试发射控制系统。

1.1 近距离测试发射控制系统

长三甲系列运载火箭测试发射控制系统可以追溯到20世纪八、九十年代，它是在长征二号系列和长征三号测试发射控制系统的基础上，采用当时较为先进的技术和设计思想，进行了重新研发和设计生产，最终在90年代初形成了长三甲系列运载火箭近距离测试发射控制系统（简称近控系统，相对于后续远控系统命名）。

近距离测试发射控制系统原理如图 1所示。前端设备安装在发射塔架附近，后端设备安装在发射区的控制大厅内，实现了百米级别的近距离测试、发射、控制功能。

受通信技术和操作系统技术水平的限制，近距离测试发射控制系统的计算机操作系统采用DOS系统，且不支持多线程工作模式。为解决测试发射流程控制线程与显示线程冲突的问题，采用控、显分开的独立控制方式，主控微机仅执行测试发射流程控制，实现控制指令和采集指令的发出，显示微机通过RS422总线接收测试数据信息并实现与主控计算机流程同步显示。

图1 长三甲系列运载火箭近距离测试发射控制系统原理Fig.1 Block Diagram of the Short-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

近控系统中的发控台功能和逻辑极为复杂，它具有部分自动发控与完全手动发控功能、点火控制功能、遥测量接收功能、状态显示功能、电源遥控功能和平台瞄准功能；通过转接组合实现控制指令的传递实施；模拟测试装置根据测试信号的变化在坐标纸上画出模拟量的变化情况。随着计算机操作系统和网络通信技术的不断发展，近控系统在2001年增加了显示微机，采用更加友好的操作系统和以太网通信技术接收总体网发送的遥测数据并进行实时显示，进一步扩大了系统可监测范围。

近控测试发射控制系统的缺点主要为：体积庞大、集成化程度低、自动化程度低、操作逻辑复杂，但该系统对当时来说具备一定的先进性，其中的一些先进设计思想和工程经验延用至今：

a）发控台内部各单机首次采用插箱式设计，提高系统的配置灵活性，方便组装、具备射前组合插箱应急更换维修的条件；

b）采用通用化、模块化的设计思想，对继电器板和点火控制组合首次进行了通用化设计，极大方便快速排故和维修，提高了继电器的快速测试性，该设计思想延用至今；

c）进一步提升主控测试流程的自动化程度，一定程度上减少了人为操作过程，并有效提高了测试效率。

1.2 第1代远程测试发射控制系统

2006年，为进一步降低发射风险、提高发射安全性，提出了远程测试与发控的构想和要求。在充分继承原有长三甲系列运载火箭近距离测试发射控制系统的基础上，借鉴长征二号F远控模式的设计思路，合理采用计算机技术、信息处理与通信等先进技术，开展系统级冗余设计，提高测试发射控制系统的测试性能、执行效率和可靠性、安全性，以适应更高的系统需求。

长三甲系列运载火箭第 1代远程测试发射控制系统原理如图2所示。与近控相比最大的变化是，采用轻质高可靠单模光纤物理介质进行远距离通信。

所有计算机采用更加友好的操作系统，支持多线程工作模式，主控实现测控流程指令的控制和流程显示；第1代远控系统改造中对发控台进行了“瘦身”，将近控系统发控台中的点火控制功能、电源控制功能、状态显示功能、自动发控功能分别在图2中的前端进行实现。为了更好适应箭上的“平台-惯组”、“惯组-平台”、“双激光惯组”的系统级冗余控制体制。系统测试功能采用触发时间更加严格的测试系统和数字笔录仪，通过以太网将测试结果送到后端，大大提高了系统的监测范围，为操作手决策提供了更多信息，大幅降低了操作风险。

图2 长三甲系列运载火箭第1代远程测试发射控制系统原理Fig.2 Block Diagram of the First Generation Long-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

现在来看，第 1代远控测试发射控制系统仍然存在系统体积大、冗余度不高，应急通道数余量不足的缺点，但实现了从近控到远控的模式突破。通过采用新技术和新思路，提高了系统的自动化程度，使得系统组成与布局更加合理：

a）首次将新的通讯控制模式应用在正式型号上，采用“一控二同步”模式，实现前端自动发控组合的热备冗余，提高系统可靠性；

b）首次采用重要信号集中发控方式，发控台为动力、利用系统提供多路控制开关，减少其他系统的后端控制设备，提高地面设备集成度；

c）采用集中应急控制方式，为控制、动力、遥测等系统提供应急控制通道；

d）地面电源由线性电源更改为轻便的开关电源，减小电源体积和质量，方便安装。

1.3 第2代远控更新改造测试发射控制系统

在第1代远程测试发射控制系统退役之际，为确保后续高密度发射任务完满完成，2013年在充分继承第1代远程测试发射控制系统技术的基础上，着重开展单点排查、冗余设计，对部分设备进行功能整合，提高设备数字化和产品化程度；在满足“零窗口”的要求下，进一步优化系统拓扑结构，开展了面向无人介入式的全自动测试、发射、控制流程研制工作，形成了简洁、可靠的第2代远控更新改造测试发射控制系统。

在设计原理上，第2代远控更新改造测试发射控制系统可以实现全部发射场测试、发射、控制流程的“无人化”自动发控，通过规划好的测试路径开展自动测试、自动判读、自动状态监测、自动发出系统关键控制指令。使控制系统在进入发射流程后，可实现“一键启动”并自动完成全部的系统测试、状态确认、转电控制等操作，全套应急预案也转为自动流程，仅保留人工的点火和应急通道控制功能。但同时，为了保持与第1代远控测试发射控制系统的使用延续性、便于发射场指挥员和指挥系统的口令接口协调，控制系统封闭了主控微机测试发射控制程序的部分功能、设置了相应的人工介入断点环节。正是由于具备这样较为强大的功能实现和适应能力，在后来提出的发射场流程优化、射前无人值守等要求时，测试发射控制系统未进行研制更改，仅通过一些测试准备阶段的工作调整和已有测试流程的常规组合，便具备了射前-2 h无人值守的能力。

长三甲系列运载火箭第2代远程测试发射控制系统原理如图3所示。由图3可以看出，整体拓扑结构上与第1代相差不大，但部分功能关联或相近的单机进行了整合与功能调整优化。

图3 长三甲系列运载火箭第2代远程测试发射控制系统原理Fig.3 Block Diagram of the Second Generation Long-range Test Launch Control System of the Long March 3A Series Launch Vehicle

第2代远控测试发射控制系统除了设备简化合并之外，还进行了性能提升设计：

a）为实现精准点火，考虑环境影响，优化了点火时序，大幅提高了自动点火控制的精度；

b）发射使用的全套测试发射控制系统硬件电路均为全冗余状态，无单点；

c）箭机通讯通道由手动切换改为自动切换，提高系统箭地通信自动化程度；

d）优化系统测试流程，进一步提高自动化程度，测试过程几乎无手动操作；

d）增加应急通道数，提高整机集成度，使得整机通道增加后体积减少1/3；

e）测试覆盖性提高，对部分难监测、难自动测试的电路进行了改进，并在测试流程中增加针对性的测试项目，使覆盖性得以提升，元器件实现国产化；

f）主控软件基于通用框架，采用数据库技术对测试流程进行配置，提高了可靠性；

g）电源模拟量的采集，实现了全数字化接口，与系统间的信号数量大幅降低。

h）采用产品化时序测试仪系统，对飞行时序进行准确测试和自动判读，产品化程度高，判读时间更精准。

与以前相比，目前的系统体积更小，电路更简洁，信号流更清晰，可靠性得到了大幅提高，但仍有可以提高的空间，如可以通过软件智能平台替代发控台功能，增加自学习的判读软件等。

2 运载火箭测试发射控制系统发展展望

随着BIT技术[1]、综合电子技术[2]、互联网技术、故障诊断技术[3]等的不断发展，未来箭上设备智能化程度也将逐步提升，对地面测试发射控制系统的测试能力需求将逐步减弱，靶场保障与发射支持人员也将逐步减少。地面测试发射控制系统将借助强大的数据处理能力对海量测试数据和状态信息进行综合处理，诊断系统健康状态，并根据给定原则或预案自动执行处理措施，大幅提高系统智能化程度，实现智慧管控、敏捷测发，下面将对未来运载火箭测试发射控制技术发展中可能应用到的部分关键技术进行介绍。

2.1 远程发射支持系统

目前，中国现役运载火箭在发射场执行测试及发射任务时，为提高发射任务保障能力、及时分析处理并形成技术决策，需要大量设计人员赴现场进行技术支持与保驾。以长三甲系列运载火箭为例，每发任务期间发射场技术保障队伍庞大；火箭发射场测试发射流程复杂，造成测试与发射准备时间较长，部分设计人员主要工作内容是判读，因此在靶场的有效工作时间较短。总的来看，测试发射控制系统智能化程度不高、灵活性不强，需要较多的人为保障和支撑。

随着计算机网络技术、视频会议技术发展，运载火箭靶场测试和发射过程不再局限于本地实施。通过高速远程异地协同网络[4]，建立数字化的测试监测及信息应用系统，在远程实现对现场测试数据、图像信息的完整映射，远程再现发射场实况，使设计人员（发射保驾人员）能够实时远程监测运载火箭状态，完成运载火箭的测试发射及技术决策工作。图4为高速远程发射支持系统原理示意。

图4 高速远程发射支持系统原理示意Fig.4 Schematic Diagram of High-speed Remote Launch Support System

该技术可以有效减少发射场人员，充分利用远程软硬件资源与专家智力资源，提高测试发射效率，在远程实现运载火箭的快速响应[5]。同时，也可以使有限的测试人员兼顾多发次火箭的测试发射任务。

远程异地协同网络将运载火箭与现场安装操作、技术状态等相关的各种图像、音/视频信息和测试状态及结果信息通过网络传递到远程支持系统，实现状态确认、远程判读、故障诊断和快速决策等工作；另一方面，现场和远程通过视频会议协商工作，讨论决定靶场测试工作规划、加注前评审等工作，实现前后方协作的远程智能测试发射支持工作模式。

2.2 敏捷测试与发射技术

现役运载火箭的测试模式已无法满足未来运载火箭的超高密度、敏捷测发的需求，商业发射市场竞争愈来愈激烈，为缩短发射周期、提高发射效率、降低发射成本，基于云服务的一体化通用测试发射控制系统将是运载火箭测试和发控系统发展方向。

图5为基于云服务的一体化通用测试发射控制系统架构。

为实现快速测试与发射必须突破以下关键技术。

2.2.1 基于云服务的一体化通用测试发射控制技术

长三甲系列运载火箭目前仍然保持控制、测量、利用系统独立运行状态，设备与接口差距较大，技术状态复杂、风险大，容易发生多种质量问题，影响型号发射计划进度。靶场在引入新型火箭发射任务时，需要提前派遣指挥员学习，在初次测试发射过程中容易引发操作带来的系统问题，影响发射进度。未来将集成控制、测量和利用系统，形成基于云服务的一体化通用测试发射控制系统，解决测试发射控制系统分散、型号间不通用影响发射进度的问题。

a）云服务技术。

随着BIT测试技术的发展，箭测成为运载火箭测试发展的趋势，基于硬件IO的控制和测试方式将迅速减少，测试发射控制系统规模将进一步减小，智能化程度将进一步提升，这为测试发射控制系统网络云化[6]提供了条件。电气系统的设计资料、测试信息和测试结果等资源全部集中在云服务器中，各系统通过网络终端与云服务器交互，根据功能需求在云服务器上开辟硬件资源、获取系统信息，完成既定功能。访问权限只跟账户有关，与物理终端无关，物理终端可以开放也可以在各系统内部管理，实现灵活配置。

图5 基于云服务的一体化通用测试发射控制系统示意Fig.5 Schematic Diagram of Integrated Universal Test Launch Control System Based on Cloud Service

b）一体化技术。

转变设计思路，由“分系统组建系统”方式转变为“功能模块组建系统”方式，提出以云服务为核心的一体化测试发射控制系统架构[7]，梳理全箭各系统电气功能需求，形成一体化设计方案，弱化甚至取消原有的分系统概念，最终形成电气和动力测试发射控制系统。

c）通用化技术。

在以云服务为核心的一体化测试发射控制系统架构下，设计具有标准统一接口的电源配电、状态控制、数据采集、数据通信、应急控制、信息处理、点火控制、无线测量、时序测量等通用功能模块，建立通用化硬件基础，软件采用通用系统架构，时序更改算法应用程序即可满足多型号需求，降低系统操作难度。

2.2.2 电气系统并行测试发射控制技术

传统的串行测试模式使得工作协调与测试配合等消耗了大量的时间和精力，为缩短测试流程、提高测试效率，需要转变测试观念，各系统仅在互斥性测试流程步进行串行测试，在互不影响的情况下采用并行测试方案[7,8]。

在具体实施过程中要对电气系统测试信息流进行集中规划，设置测试任务调度管理器，防止测试冲突的发生。图6为并行测试示意。

如图 6所示，利用多线程编程技术对主控测试流程进行设计，在同一时间段开启多个线程实现多系统并行测试。不同线程的测试任务在接口转换开关处形成任务队列，按照非互斥原则和优先级原则通过自动测试对目标对象进行测试，并将测试结果原路径反馈。

图6 并行测试示意Fig.6 Parallel Test Schematic

出于方便实现、容易扩展和通用化考虑，将并行测试软件进行模块化设计。图 7为并行测试软件结构示意。如图 7所示，软件按照功能模块进行划分，各功能模块通过接口适配器与软件总线相连，根据测试任务需求配置测试线程；每条线程从测试项目数据库中提取测试内容，构建测试流程；对外通信接口与测试驱动程序配合，实施测试；测试结果存储在数据库中，供查询和分析使用。

图7 并行测试软件结构示意Fig.7 Parallel Test Software Structure Diagram

2.3 基于数据驱动的故障诊断技术

目前，长三甲系列运载火箭采用的基于阈值判别机制的故障诊断方法更多地依赖信号处理，不需要被诊断对象的数学模型，能够直接提取信息中的特征信息，快速判别，该方法简单、方便、存储空间小，但存在以下问题：

a）当信号处于连续变化时，很难有效地表示一个时变的阈值，如惯组输出脉冲量，很难实现有效的故障检测。若采用一致性判别方法，又难以区分共因失效问题。对闭环反馈控制系统还存在故障传播问题，即系统输入条件的变化导致输出的改变，从而改变了系统的状态，进而又影响了输入信号的变化，使得整个闭环环节中各类信号均与预先设计值不符，这会对故障诊断产生干扰。

b）该方法仅仅利用了显性化信息，对于系统结构、系统内部的变化没有进行深度挖掘。出现故障后，仍需要专家对问题进行定位，因而故障诊断的范围和模式还有待提高。

目前来看，将来能够应用于快速智能判断的故障诊断技术有基于数据驱动的故障诊断技术和基于模型的故障诊断技术：

a）基于数据驱动的故障诊断技术[9]基于智能异常检测算法和深度学习算法，对已知样本数据集的深度学习，自动建立从系统状态特征向量到内部故障源的映射关系，通过将大量的系统正常运行数据集与异常数据集作为训练样本进行自学习，如神经网络方法、决策树方法等。基于数据驱动的故障诊断方法优点是不需要详细了解系统内部的逻辑关系，利用机器学习原理能够自适应地对某些未知故障做出正确预判，实现较为简单；具有高度非线性、高度容错和联想记忆等优势，能接受、处理不精确的和随机的信息。

b）基于模型的故障诊断方法既可解决知识获取的瓶颈问题和知识库维护困难的问题，又能提高诊断的精确性。基于模型的知识表示方法有利于缓解航天器系统在故障诊断方面历史经验不足的困难。它的优点是可以诊断未预知的故障，不需要历史的经验知识；缺点是由于使用系统仿真模型，模型较为复杂庞大，对模型精度的依赖性较强，只要实际系统和所建立的数学模型稍有不同，在检测条件下的任何模型的不确定性因素都可能导致错误的诊断报警。由于运载火箭电气系统设备种类众多、物理和逻辑结构关系复杂，大部分部组件还未实现国产化，缺乏准确的原理模型，而且各模型类型不统一、不匹配，因此很难全面获得统一完整的故障模型，因此基于模型的故障诊断系统在短期内较难在运载火箭控制系统中展现出良好的应用效果。

相比而言，长三甲系列运载火箭经历了100发飞行试验、综合试验和出厂测试，积累了大量的测试数据，为基于数据驱动的故障诊断系统提供了丰富而真实的学习资料，而且随着任务的增加和测试结果的增加，系统的故障诊断能力将进一步增强，因此基于数据驱动的故障诊断系统最方便应用于该型号的测试发射控制系统中。图8为数据驱动故障诊断原理。

以惯性器件为例，总体方案中，首先针对惯性器件输出数据进行经验模态分解，获得其不同模态分量，再对各分量进行特征提取，构造特征向量。通过大量样本数据，获得相应的特征向量，在此基础上，利用概率神经网络PNN进行故障学习，从而获得故障诊断网络。

图8 基于经验模态分解的故障诊断原理Fig.8 Fault Diagnosis Schematic Diagram Based on Empirical Mode Decomposition

2.4 预埋式预案实施技术

运载火箭是一个复杂的功能体，测试发射控制系统在综合试验、总装出厂测试和靶场对该功能体进行全面测试和发射控制，这两个复杂的系统结合起来难以避免地在测试过程中会出现一些突发质量问题。为了处理突如其来的异常状态，工程师在设计阶段以人员和系统最低损害为前提，对系统可能的故障模式给出合理的处理预案，并在后期的试验过程中对该预案进行补充和修正，确认预案的有效性和可操作性。

测试发射控制系统预案目前以文本形式呈现，在靶场测试阶段组织学习，当出现故障时操作手通过查找预先打印好的预案手册采取相应的处理方式，这种处理方式能够处理紧急性不强的故障，但对于及时性要求比较高或处理操作流程复杂的故障可能难以使用，因此需要采用预埋式预案实施方式，根据故障诊断结果定位故障位置，并根据预案处理流程或重要原则自动给出处理措施并自动实施，提高预案的执行效率和系统智能化程度，降低系统的损害程度，提高测试安全性。

3 结束语

本文对长三甲系列运载火箭地面测试发射控制系统技术发展进行了总结，分析了各个阶段系统技术特点，总结出可供其他运载飞行器测试系统借鉴的设计思想。针对运载火箭未来测试发射控制技术发展需求，研究了超远距离多部门协同的工作系统平台、快速敏捷测试一键式发射技术和智能故障诊断技术发展方向，可供下一代运载飞行器测试发射控制系统设计参考。