小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)構(gòu)建

付偉達 張士峰 張銳 姬云龍 任光杰

（1 國防科技大學航天與材料工程學院，長沙 410073）（2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

1 引言

衛(wèi)星測控的自動測試系統(tǒng)就是用計算機代替人工按照預定的程序，控制和管理測控分系統(tǒng)所有相關(guān)的地面儀器設(shè)備，對衛(wèi)星測控測試的信號激勵、信號采集、信號測量實施控制，進行測試信息處理、判讀和記錄，并給出測試結(jié)果報告［1-2］。

目前，我國現(xiàn)有的測控自動測試系統(tǒng)大多是自成一體的封閉式體系結(jié)構(gòu)，無統(tǒng)一標準，通用性差，制造成本高，使用生命周期短，不利于不同衛(wèi)星型號測試和測試系統(tǒng)的更新?lián)Q代。如發(fā)生測試狀態(tài)或測試項目變化，則需要不斷地更新其測試程序，大大增加更新維護工作量和對更改后測試程序的測試工作量。

近期，美國國防部完成了下一代自動測試系統(tǒng)研制［3］，其基于“開放系統(tǒng)”的設(shè)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(jié)構(gòu)。美國下一代自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括2個標準框架和1個協(xié)議［4］：①基于VPP（VXI Plug＆Play）的測試系統(tǒng)儀器接口和服務(wù)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故障診斷方面遵循IEEE P1232 標 準AI-ESTATE（Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Environment），在構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)綜合測試系統(tǒng)時遵循TCP／IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。美國國防部希望通過下一代自動測試系統(tǒng)的研制，達到改善測試系統(tǒng)儀器互換性，擴大自動測試系統(tǒng)應(yīng)用范圍，方便地實現(xiàn)信息共享和交互。同時，該自動測試系統(tǒng)能實現(xiàn)測試系統(tǒng)組件間、不同測試系統(tǒng)間、與外部環(huán)境間信息的共享和無縫交互能力。

針對現(xiàn)有衛(wèi)星測控測試系統(tǒng)無法適應(yīng)不同型號測試、無法與外部進行信息交互等問題，同時參考美國下一代自動測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［3］，本文提出“開放式模塊化”小衛(wèi)星測控的自動測試系統(tǒng)，采用開放式測試體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過開放式硬件環(huán)境與模塊化軟件設(shè)計，使系統(tǒng)具有很好的可移植性和互操作性。同時，測控自動測試系統(tǒng)完善的對外接口設(shè)計，可以方便地實現(xiàn)測試信息共享和交互，能滿足測試系統(tǒng)間、與外部環(huán)境間信息的共享和無縫交互需求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)研制，基于“開放式模塊化”的設(shè)計思想，首先規(guī)劃自動測試系統(tǒng)的模塊化軟硬件結(jié)構(gòu)，采用開放的商業(yè)標準，確定自動測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)［5］。在該體系結(jié)構(gòu)框架下開發(fā)自動測試系統(tǒng)，可為新測試設(shè)備有效插入、軟件模塊升級擴展提供相關(guān)策略，達到減少設(shè)備復雜性、縮短開發(fā)周期、降低成本的目的。

2．1 開放式硬件環(huán)境

每個自動測試系統(tǒng)的核心部件都是計算機，使用計算機平臺的一個重要優(yōu)點就是可以與測試系統(tǒng)中各種各樣的儀器進行連接和通信［6］。在小衛(wèi)星測控自動測試系統(tǒng)中，控制計算機便是測試控制管理中心、測試數(shù)據(jù)處理中心和測試通信中心，通過局域網(wǎng)（LAN）接口與接收機微波矩陣開關(guān)、頻率計和頻譜儀等測試設(shè)備用于提供上行和下行射頻鏈路、協(xié)同完成衛(wèi)星測控分系統(tǒng)級的性能測試和指標測試，如圖1所示。衛(wèi)星測控自動測試系統(tǒng)采用開放式的架構(gòu)，其設(shè)備控制接口為LAN 接口，可以任意接入和剔除系統(tǒng)中具有LAN 的硬件。按照不同性能測試和指標測試要求，通用硬件模塊靈活配置，動態(tài)重構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)的可變規(guī)模。

同時，為了有效地與外部環(huán)境實現(xiàn)測試信息的共享和交互，增加測試系統(tǒng)間的互操作性，小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)具有多種外部接口設(shè)計，包括與數(shù)據(jù)庫接口、與總控接口和與數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)接口等。

圖1 測控自動測試系統(tǒng)硬件組成框圖Fig．1 Block diagram of automatic test systems hardware for TT＆C

2．2 模塊化的軟件設(shè)計

2．2．1 系統(tǒng)軟件功能組成

為了滿足不同衛(wèi)星型號測試的需求，小衛(wèi)星測控自動測試系統(tǒng)采用模塊化軟件設(shè)計，其功能模塊如圖2所示，包括系統(tǒng)管理、配置管理、測試流程管理、控制臺、測試任務(wù)管理和測試結(jié)果處理6個模塊。

（1）系統(tǒng)管理模塊：包括用戶管理和用戶權(quán)限管理。用戶管理包括了對用戶名稱、部門等基本情況的管理；用戶權(quán)限管理實現(xiàn)對用戶與相關(guān)功能的配置。

（2）配置管理模塊：根據(jù)不同衛(wèi)星型號可以完成對測試序列配置的修改，可以添加相應(yīng)測試序列，刪除相應(yīng)序列，對于測試序列中的相關(guān)屬性進行配置。

（3）測試流程管理模塊：測試流程管理模塊根據(jù)測試項目的需求自定義測試流程模板，其具有圖形化的流程模板定制功能，用戶可自定義測試流程階段和測試流程活動。

（4）控制臺模塊：在測控分系統(tǒng)測試序列時，實際上是通過改變測試設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)來實現(xiàn)星上狀態(tài)改變的，這就需要對測控分系統(tǒng)涉及到的測控設(shè)備進行統(tǒng)一的控制管理。

（5）測試任務(wù)管理模塊：系統(tǒng)的“任務(wù)管理”可以實現(xiàn)對需要測試衛(wèi)星的基本內(nèi)容的管理，比如衛(wèi)星名稱、代號、負責人等基本情況，并且實現(xiàn)對某一個衛(wèi)星型號中測試序列和測試序列組的完成情況的管理。

（6）測試結(jié)果處理模塊：根據(jù)用戶的實際需求，對測試序列的測試過程進行監(jiān)控。如在測控測試中對應(yīng)答機的輸入功率采集，采樣周期可由用戶設(shè)定。

圖2 測控自動測試系統(tǒng)軟件功能模塊圖Fig．2 Function block diagram of automatic test systems software for TT＆C

測控自動測試系統(tǒng)軟件功能的模塊化設(shè)計，可以滿足不同衛(wèi)星型號對自動測試系統(tǒng)的需求，節(jié)省重新研制的經(jīng)費和時間。同時，系統(tǒng)軟件功能的標準化、系列化，大幅度提高了系統(tǒng)的可靠性和擴展性。

2．2．2 軟件體系架構(gòu)

軟件體系架構(gòu)包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)處理層、中間層和應(yīng)用層，各層之間存在相互的制約與合作關(guān)系，如圖3所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層構(gòu)成系統(tǒng)的IT 基礎(chǔ)架構(gòu)，描述了地面測控系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)的運行環(huán)境，包括對硬件、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的規(guī)定。

（2）數(shù)據(jù)處理層對來自基礎(chǔ)設(shè)施層的數(shù)據(jù)進行一些基本運算，為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)存儲和處理服務(wù)。如利用編程語言構(gòu)建數(shù)字低通濾波器，對采集的信號進行數(shù)值平均來消除噪聲［7］。

（3）中間層包含了應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述，系統(tǒng)與用戶的接口工具包，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組件化，以及系統(tǒng)的編譯運行工具與環(huán)境。

（4）應(yīng)用層是整個系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)的核心。應(yīng)用層是系統(tǒng)的用戶與系統(tǒng)的交互層，通過人機交互組件與用戶操作界面，完成用戶與系統(tǒng)之間的指令傳遞與指令執(zhí)行結(jié)果返回的過程定義。

圖3 測控自動測試系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理圖Fig．3 Function diagram of automatic test systems for TT＆C

3 應(yīng)用效果

依據(jù)上文提出的開放式網(wǎng)絡(luò)接口硬件設(shè)計、多模塊軟件功能設(shè)計和對外數(shù)據(jù)交換接口設(shè)計，構(gòu)建了具有基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)處理層、中間層和應(yīng)用層的平臺體系架構(gòu)，研制出小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)。此系統(tǒng)運行在測試局域網(wǎng)上，主要采用客戶端／服務(wù)器模式，由用戶運行客戶端程序，實現(xiàn)系統(tǒng)操作。客戶端程序包括測試序列管理、測控信號參數(shù)測量、測試設(shè)備參數(shù)設(shè)置和測試設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視等功能顯示和操作按鍵。

測控自動測試系統(tǒng)執(zhí)行保信道測試序列的運行界面如圖4所示，通過該界面還可進行測試設(shè)備參數(shù)設(shè)置、遙測參數(shù)范圍設(shè)置和信號頻譜截圖等操作。

目前，小衛(wèi)星測控自動測試系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個衛(wèi)星型號的測試。作為小衛(wèi)星測試系統(tǒng)的重要部分，與原有測試系統(tǒng)能夠很好地兼容。從實際應(yīng)用情況看：①適應(yīng)了不同衛(wèi)星型號的測試需求，完成了若干衛(wèi)星型號的測控測試任務(wù)；②能夠與數(shù)據(jù)庫、總控和數(shù)據(jù)判讀系統(tǒng)進行很好的數(shù)據(jù)交換，衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)做到共享；③大幅提高了衛(wèi)星測試效能，節(jié)約30%測試時間，減少50%人力資源投入。

例如，某新研衛(wèi)星的狀態(tài)變換較多，增加了許多新的測試項目，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)需要不斷地更新其測試程序。小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)只重新配置了測試流程管理模塊，便可滿足新型號衛(wèi)星的需求，使用效果良好。

圖4 測控自動測試系統(tǒng)軟件運行界面Fig．4 Operation interface of automatic test systems for TT＆C

通過與衛(wèi)星判讀系統(tǒng)的接口，可以將測試數(shù)據(jù)共享，判讀系統(tǒng)能夠及時準確地監(jiān)測遙測參數(shù)，如果出現(xiàn)非正常變化，會自動報警，并將處理結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中。某衛(wèi)星測試時，發(fā)現(xiàn)在測距通道鎖定正常的情況下，出現(xiàn)了距離測量值抖動現(xiàn)象，會隨機出現(xiàn)約200ns的跳變，判讀系統(tǒng)記錄下了該微小變化量。

相比較我國傳統(tǒng)衛(wèi)星測控自動測試系統(tǒng)，小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)具有互操作性、可移植性、新技術(shù)的可插入性、可重復使用性等特點。從長遠角度分析，自動測試將會減少不客觀因素的出現(xiàn)，提高測試的整體質(zhì)量水平［8］。

4 結(jié)束語

針對現(xiàn)有封閉式自動測控測試系統(tǒng)無法適應(yīng)不同衛(wèi)星型號測試、無法與外部進行信息交換等問題，本文建立了一套小衛(wèi)星測控的模塊化自動測試系統(tǒng)，通過開放性硬件設(shè)計、模塊化軟件設(shè)計、信息共享和交互的接口設(shè)計等，實現(xiàn)了適應(yīng)不同衛(wèi)星型號測試需求，具備了與外部進行數(shù)據(jù)共享的功能。同時，此自動測試系統(tǒng)，能夠節(jié)約30%測試時間，減少50%人力資源，使用過程中取得了良好效果。該研究對于構(gòu)建小衛(wèi)星測控模塊化自動測試系統(tǒng)具有一定參考價值。

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