我國航天自動測試系統(tǒng)體系結構研究

蔡遠文， 同 江， 姚靜波， 程 龍

（裝備學院 航天裝備系，北京101416）

航天技術的研究和發(fā)展都需要自動測試技術的定性、定量驗證和檢驗。因此，自動化測試技術水平在很大程度上決定了航天型號的整體水平，甚至關系到航天系統(tǒng)在戰(zhàn)時的生存問題，是保證現(xiàn)代裝備系統(tǒng)實際性能指標的極其重要的手段［1］。隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡通信技術、測試技術的飛速發(fā)展，航天各系統(tǒng)、設備的復雜程度日益提高，傳統(tǒng)測試模式的弊端逐漸暴露出來。我國從20世紀80年代開始針對運載火箭開展自動化測試系統(tǒng)的研制，但目前各型號運載火箭都有獨立的地面測試發(fā)射控制設備，通用性不強，加大了設備操作、檢修、維護的難度與費用，嚴重制約了發(fā)射場綜合測試能力的提高。進一步提高自動測試系統(tǒng)的結構通用性、儀器互換性、軟件移植性和系統(tǒng)之間的互操作性，提升測試裝備資源的利用率，關鍵在于對自動化測試系統(tǒng)的體系結構進行深入的研究，構建一種通用的、標準的測試系統(tǒng)體系結構。

1 目前我國航天自動測試體系結構

我國航天型號自動測試系統(tǒng)從20世紀80年代初開始研制至今主要經(jīng)歷了CAMAC（comput－er automated measurement and control）自 動 測試系統(tǒng)和VXI（VME bus eXtensions for instrumentation）自動測試系統(tǒng)2代。開發(fā)出的相應測試系統(tǒng)主要包括：衛(wèi)星控制系統(tǒng)、衛(wèi)星整星自動測試系統(tǒng)、遙測測試系統(tǒng)、運載火箭測試系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)等。目前，我國航天發(fā)射場已經(jīng)全面實現(xiàn)了遠距離測試發(fā)射控制［2］?；赩XI的遠距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 基于VXI的遠距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)結構

圖1中虛框內(nèi)為測試部分，主要以VXI總線測試設備為主體，包括主控計算機、光纖傳輸系統(tǒng)和VXI機柜，在主控計算機測試管理程序的控制下，完成箭上控制系統(tǒng)測試時自動供配電、箭上設備加激勵信號、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、飛行軟件裝訂及配合發(fā)射控制系統(tǒng)完成火箭的點火發(fā)射。由VXI儀器與計算機構成的集數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理為一體的網(wǎng)絡化系統(tǒng)，是當今航空、航天與自動化測試技術領域的主導系統(tǒng)。VXI測試體制主要利用VXI總線測試設備標準化、模塊化、互換性好的特點，來滿足我國的航天試驗測試任務要求。但它存在體積較大、可擴展能力有限、不具有自主產(chǎn)權等缺點。為彌補VXI體制的不足，提高測試設備國產(chǎn)化程度，探索能夠更好滿足我國航天發(fā)射場信息化建設的路子，經(jīng)多家科研院所的努力，現(xiàn)已研制出了功能集成度高、信息化程度高的新型國產(chǎn)測試系統(tǒng)，如CZ－XX系列運載火箭多路測試信息采集處理系統(tǒng)和新一代運載火箭數(shù)字化箭地信息檢測分析系統(tǒng)。

CZ－XX系列運載火箭多路測試信息采集處理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對運載火箭控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能進行監(jiān)測，實時顯示波形和記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)分析，是我國CZ－XX系列運載火箭的“三化”地面設備核心產(chǎn)品［3－4］。自2003年來，在航天科技集團及某衛(wèi)星發(fā)射中心等單位開始工程應用，自動化程度高、數(shù)據(jù)存儲和分析處理能力強、可擴展性好、適應性強。新一代運載火箭數(shù)字化箭地信息檢測分析系統(tǒng)實現(xiàn)對新一代運載火箭箭上信息的多路并行采集、實時遠程傳輸、監(jiān)測處理、判讀分析以及信息的實時響應與分發(fā)。系統(tǒng)對箭上信息獲取全面（包括模擬信號、時序時串、脈沖計數(shù)等，完全取代了VXI），功能集成度高，體積小，成本低，將解決現(xiàn)有測試設備存在的很多問題。另外，系統(tǒng)具有強大的信息判讀分析功能，可為將來相關的智能信息化系統(tǒng)（如專家系統(tǒng)、設施信息綜合管理系統(tǒng)、遠程故障診斷系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)等）提供支持。

2 國外先進自動測試系統(tǒng)體系結構

2.1 “NxTest”自動測試系統(tǒng)體系結構

從20世紀90年代中后期開始，在美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，美國陸、海、空、海軍陸戰(zhàn)隊與工業(yè)界聯(lián)合開展命名為“NxTest”的下一代自動測試系統(tǒng)的研究工作，并于1996年提出了體系結構［5］，如圖2所示。

下一代自動測試系統(tǒng)研制，基于“開放系統(tǒng)”的設計思想，首先規(guī)劃自動測試系統(tǒng)嚴格的外部和內(nèi)部接口，采用開放的商業(yè)標準和事實標準，確定自動測試系統(tǒng)體系結構，在該體系結構框架下開發(fā)若干演示、驗證系統(tǒng)，最終將下一代自動測試系統(tǒng)的設計思想和技術用于延長過時系統(tǒng)的壽命和開發(fā)新的系統(tǒng)。該體系結構可以方便地實現(xiàn)信息共享和交互，能滿足測試系統(tǒng)組件間、不同測試系統(tǒng)間、測試系統(tǒng)與外部環(huán)境間信息的共享和無縫交互能力［6］。從圖2可以看出，下一代自動測試系統(tǒng)體系結構主要包括2個標準框架和1個協(xié)議：①基于VPP（VXI plug＆play）的測試系統(tǒng)儀器接口和服務接口框架；②基于IEEE P1226 ABBET（a broad－based environment for test）的測試信息交換框架；③在構成分布式網(wǎng)絡綜合測試系統(tǒng)時遵循TCP／IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。下一代自動測試系統(tǒng)涉及的主要關鍵技術包括并行測試技術、合成儀器技術、公共測試接口、測試軟件開發(fā)技術（軟件體系結構與ABBET標準、儀器可互換技術與IVI系列規(guī)范、TPS可移植與互操作技術、AI－ESTATE標準與ATML）。

圖2 NxTest自動測試系統(tǒng)體系結構框圖

2.2 LXI和“AXLe”測試體系結構

2.2.1 LXI測試體制

LXI（LAN eXtentions for instrumentation）是基于著名的工業(yè)標準以太網(wǎng)（ethernet）技術，擴展了儀器需要的語言、命令和協(xié)議等內(nèi)容。它集合了4種總線的優(yōu)點：GPIB的高性能，VXI、PXI的小尺寸和LAN的高吞吐率特性。它是2004年出現(xiàn)的新型儀器總線規(guī)范，符合下一代自動測試系統(tǒng)體系結構標準。

LXI測試系統(tǒng)主要有如下特點：①高精度的時鐘同步能力，采用IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議，使不同測試點之間的同步精度可以達到亞微秒級甚至于納秒級，比VXI毫秒級的精度有很大程度的提高；②網(wǎng)絡化的測試模式，針對測發(fā)設備種類繁多、位置分布比較分散的特點，非常適合于組建網(wǎng)絡化分布式測試系統(tǒng)；③強大的兼容性，我國發(fā)射場發(fā)展至今，形成了多套、多類型的地面測試設備，LXI可以把現(xiàn)有的總線測試設備都容納進來，提高測試效率，節(jié)約測試資源。

2.2.2 AXLe測試體制

2009年11月，安捷倫科技有限公司、艾法斯公司和Test Evolution公司聯(lián)合成立了AXIe（the advancedTCA extensions for instrumentation）聯(lián)盟，旨在開發(fā)和推廣AXIe系列標準。2010年6月，AXIe聯(lián)盟發(fā)布了AXIe 1.0基礎體系結構標準和AXIe 3.1半導體測試擴展技術。

AXIe是一種分層體系結構，建立在AdvancedTCA（telecom computing architecture）標準（PICMG 3.0和3.4）的基礎上，可提供大型電路板、LAN、PCIe和系統(tǒng)管理等特性［7］。AXIe能夠充分地利用機架空間，提供更高的性能、更強大的可擴展性、更出色的模塊性和靈活性，可輕松與PXI、LXI和IVI進行集成并顯著減少開發(fā)和部件的成本。AXIe包 括PCIe（PCI express）和LAN2種接口，是LXI和PXI標準的最佳補充。AXIe測試體系結構如圖3所示。

圖3 AXIe體系結構

3 基于先進混合總線技術的航天測試體系結構

3.1 硬件體系結構

基于先進混合總線技術的航天測試體系結構采用C／S（client／sever）和B／S（browser／sever）混合架構，基于LXI、PXI和CPCI等總線型儀器構建網(wǎng)絡化分布式測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為2個部分：測試過程和測試信息利用。測試過程主要完成數(shù)據(jù)采集功能，包括：激勵源、被測單元、測試系統(tǒng)、服務器；測試信息的綜合利用主要包括故障診斷和遠程信息瀏覽、查詢等。測試系統(tǒng)主要由主控計算機、測試客戶端、接口適配器、測量模塊（LXI、CPCI等總線型儀器）、時鐘同步觸發(fā)模塊、故障診斷模塊、信號隔離與調(diào)理模塊、瀏覽器端等組成。系統(tǒng)硬件體系結構如圖4所示［8－14］。

C／S模式部分主要由主控計算機、測量設備等組成。主要完成被測單元信號的采集、傳輸、存儲、分析等工作，采用TCP／IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。B／S模式部分主要由主控計算機、瀏覽器端、遠程監(jiān)測和診斷設備等組成。主要完成測量數(shù)據(jù)的本地或遠程瀏覽、測試過程的遠程控制、測量結果發(fā)布、故障診斷等功能，該模式采用HTTP協(xié)議。

圖4 基于先進混合總線的航天測試系統(tǒng)硬件體系結構

3.2 軟件體系結構

軟件體系結構建模是研究航天自動測試系統(tǒng)軟件體系結構的重要手段和方法。根據(jù)建模的側重點不同，軟件體系結構模型主要分為4種：結構模型、框架模型、過程模型和功能模型。本文將通過構建基于先進混合總線的航天自動測試系統(tǒng)框架模型和功能模型來研究其軟件體系結構。

基于先進混合總線的航天自動測試系統(tǒng)軟件體系結構框架模型如圖5所示。該模型將借鑒國際上先進的ABBET標準，將測試軟件分為設備描述層、測試策略和需求層、測試程序層、測試資源管理層和儀器控制層5個層次，采用IEEE1641標準建立測試資源模型［15］。通過建立虛擬資源向真實資源的映射機制，實現(xiàn)TPS在不同配置的測試系統(tǒng)上運行，從而實現(xiàn)測試軟件與測試系統(tǒng)硬件、軟件運行平臺的無關性，達到測試軟件可移植、重用與互操作的目的。

圖5 先進混合總線測試系統(tǒng)軟件體系結構框架模型

基于先進混合總線的航天自動測試系統(tǒng)軟件體系結構功能模型主要包括5個功能模塊：用戶管理、測試管理、數(shù)據(jù)管理、故障診斷和時鐘同步管理。

4 主要關鍵技術分析

4.1 測試系統(tǒng)軟件建模與分析方法研究

航天自動測試系統(tǒng)測試軟件的質量直接關系到航天測試任務能否順利地完成。為了提高這些軟件以及系統(tǒng)的復用性、可維護性、可擴展性，借助建模語言和工具對軟件的結構進行分析已成為提高軟件質量的重要技術手段。UML具有在自動測試系統(tǒng)形式化描述方面的優(yōu)勢，但UML本身不具備對所構建模型的分析與驗證能力。而Petri網(wǎng)以其嚴格的數(shù)學基礎支持模型的分析驗證和優(yōu)化，可以為描述和研究復雜系統(tǒng)提供強有力的分析手段。因此，使用UML和Petri網(wǎng)模型相結合的方法，對航天自動測試系統(tǒng)軟件進行建模與分析，可以有效地提高系統(tǒng)測試軟件的質量。首先，通過構建系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)UML模型對系統(tǒng)進行描述；然后，根據(jù)模型轉換規(guī)則，將UML動態(tài)模型（狀態(tài)圖和活動圖）轉化成相應的Petri網(wǎng)模型，并對其活性、有界性、可逆性等性質進行分析。

4.2 測試資源配置優(yōu)化方法研究

隨著測試技術的不斷發(fā)展，航天自動測試系統(tǒng)可選的測試資源種類不斷豐富，系統(tǒng)組建的靈活性大大增加，這就為測試資源和路徑提供了許多選擇。另外，由于應急測試發(fā)射任務的需求，對于目前的航天測試模式提出了很大的挑戰(zhàn)，并行測試技術的引入勢在必行。因此，測試資源的最佳配置問題就成為組建航天自動測試系統(tǒng)的關鍵問題。即在滿足測試時序約束的條件下，對多個并發(fā)執(zhí)行的測試任務分配有限的測試資源，從而使測試時間與測試精度達到最優(yōu)。通過研究可以實現(xiàn)測試資源優(yōu)化配置，提高測試效率。首先，建立航天自動測試系統(tǒng)任務調(diào)度問題的數(shù)學描述，對航天測試任務分解策略和影響任務調(diào)度質量的因素進行分析；其次，建立基于賦時Petri網(wǎng)的航天自動測試系統(tǒng)并行測試任務調(diào)度模型，在測試資源已知的條件下，以測試時間最短、測量精度最優(yōu)等指標為測試任務調(diào)度目標，通過相關智能算法得出時間最優(yōu)測試序列，實現(xiàn)測試資源最優(yōu)配置。

4.3 測試系統(tǒng)時鐘同步技術研究

高精度的時鐘同步能力是保證測試結果完整性和有效性的重要手段?；谙冗M混合總線技術的航天自動測試系統(tǒng)將采用分布式、網(wǎng)絡化的測試方案，解決監(jiān)測點多而且分散在不同測試場所的問題。測試儀器種類多（如LXI、VXI、CPCI總線儀器等），各測試節(jié)點之間通過網(wǎng)絡連接在一起。如何統(tǒng)一各個測試節(jié)點之間的時鐘，保證測試過程的時序一致性，就成為航天自動測試系統(tǒng)研究的一個關鍵問題。因此，引入IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議勢在必行。首先，研究IEEE1588協(xié)議的體系結構和同步原理，深入分析影響IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議精度的主要因素，并給出了相應的提高方法；其次，提出基于IEEE1588協(xié)議的航天自動測試系統(tǒng)時鐘同步方案，對不支持IEEE1588協(xié)議的設備，通過增加時間戳模塊實現(xiàn)對該協(xié)議的支持；最后，通過實驗和仿真驗證系統(tǒng)的同步精度。

5 結 束 語

隨著我國航天發(fā)射場信息化建設的不斷推進，以及我國應急發(fā)射任務的迫切需求，傳統(tǒng)的航天測試模式已經(jīng)明顯不能滿足航天任務在快速性、可靠性和高自動化程度等方面的需求，測試新技術、新體系的引入勢在必行。本文在深入分析了我國目前航天測試技術現(xiàn)狀的基礎之上，結合國際上正在開展的“NxTest”和“AXLe”2種體系結構研究，提出了一種基于先進混合總線的航天測試體系結構，分析了該結構涉及的主要關鍵技術。該研究將對于構建更加快速、通用、高效的航天自動測試系統(tǒng)具有一定的理論參考價值和實踐借鑒意義。

（

）

［1］孟漢城.航天測試與測試體系結構［J］.測控技術，1998，17（2）：1－3.

［2］楊樂平.測試技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002：2.

［3］蔡遠文，張迎新，陳勝，等.運載火箭多路測試信息采集處理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.導彈與航天運載技術，2004（6）：12－15.

［4］蔡遠文，余國浩.運載火箭測試方法研究［J］.裝備指揮技術學院學報，2005，16（4）：61－65.

［5］ROSS W A.The impact of next generation test technology on aviation maintenance［R］.Anaheim，CA，USA：2003 IEEE Autotestcon，2003：2－9.

［6］于勁松，李行善.美國軍用自動測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢［J］.測控技術，2001，20（12）：1－3.

［7］AXLe 1.0 Specification［EB／OL］.［2012－05－11］.http：／／www.axiestandard.org.

［8］李巖，蔡遠文.基于PXI總線技術的運載火箭測試發(fā)射控制系統(tǒng)研究［J］.航天控制，2005，23（4）：64－69.

［9］李巖，蔡遠文.基于1553B總線的新型運載火箭測試技術研究［J］.計算機測量與控制，2005，13（9）：964－966.

［10］王華，蔡遠文，首俊明.航天ATS快速測試體系結構研究［J］.航天控制，2007，25（4）：72－76.

［11］任江濤，蔡遠文.新一代總線技術LXI在航天測試領域的應用［J］.航天控制，2007，25（5）：79－83.

［12］同江，蔡遠文.基于LXI總線技術的運載火箭測試系統(tǒng)研究［J］.測試技術學報2008，22（6）：18－21.

［13］同江，蔡遠文.LXI總線在運載火箭測試中的應用［J］.導彈與航天運載技術，2009（2）：45－47.

［14］同江，蔡遠文.LXI總線儀器接口設計方法［J］.兵工自動化，2010，29（9）：64－66.

［15］同江，蔡遠文，邢曉辰.下一代自動測試系統(tǒng)在我國航天測試體系結構中的應用［J］.航天控制，2011，29（2）：75－80.