衛(wèi)星并行測試中測控前端通用化設(shè)計(jì)

李文霽 曾鴻 任光杰 韓立明

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

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衛(wèi)星并行測試中測控前端通用化設(shè)計(jì)

李文霽 曾鴻 任光杰 韓立明

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

為了提高衛(wèi)星測試效率、降低衛(wèi)星測試成本，提出了一種并行測試的衛(wèi)星測控前端通用化設(shè)計(jì)方案。衛(wèi)星測控前端采用通用化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可滿足多顆不同衛(wèi)星并行建立獨(dú)立數(shù)據(jù)流的需求；采用通用數(shù)據(jù)處理流程和通用的模塊化接口封裝方法，同類功能模塊采用統(tǒng)一接口，數(shù)據(jù)處理流程通過動態(tài)選擇相應(yīng)的功能模塊完成不同測試狀態(tài)下的衛(wèi)星測試工作。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，衛(wèi)星測控前端通用化設(shè)計(jì)在多顆不同衛(wèi)星并行測試過程中，能有效降低設(shè)備成本，減少人員數(shù)量需求。

衛(wèi)星并行測試；測控前端；通用化設(shè)計(jì)

1 引言

多類型、小批量、并行生產(chǎn)、密集發(fā)射已經(jīng)成為衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的重要趨勢，傳統(tǒng)的衛(wèi)星測試方式已經(jīng)無法滿足“一箭多星”、衛(wèi)星組網(wǎng)等批量被測衛(wèi)星(Satellite Under Test，SUT)的測試需要。為了有效降低成本、減少測試時(shí)間，衛(wèi)星并行測試技術(shù)受到了普遍關(guān)注。

1996年，在美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局(DoD ATS EAO)的協(xié)調(diào)下，美軍與工業(yè)界聯(lián)合提出了下一代自動測試系統(tǒng)Nx-Test的體系結(jié)構(gòu)，并行測試技術(shù)被列為關(guān)鍵技術(shù)之一。經(jīng)過多年發(fā)展，并行測試技術(shù)已經(jīng)突破了長周期和多次數(shù)測試的局限，具備了滿足衛(wèi)星批量化研制生產(chǎn)的能力。國內(nèi)的衛(wèi)星并行測試技術(shù)起步較晚，文獻(xiàn)[1]作為早期的并行測試研究之一，主要探討并行測試的總體要求和發(fā)展方向。文獻(xiàn)[2-6]中分別對并行測試的典型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?shù)據(jù)協(xié)議約束和相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理方法、任務(wù)調(diào)度算法等方面進(jìn)行了研究。

我國衛(wèi)星領(lǐng)域的地面綜合測試系統(tǒng)是借鑒歐洲航天局(ESA)的歐洲測試操作語言(European Test Operational Language，ETOL)系統(tǒng)的理念自行設(shè)計(jì)形成的，與國外測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)基本相似。衛(wèi)星測試大多以傳統(tǒng)衛(wèi)星測試團(tuán)隊(duì)的形式開展，每顆衛(wèi)星有著固定的測試人員，造成了大量的人員浪費(fèi)。衛(wèi)星測控前端作為地面綜合測試系統(tǒng)與衛(wèi)星的主要數(shù)據(jù)接口之一，負(fù)責(zé)測控?cái)?shù)據(jù)的采集和預(yù)處理。其通用化設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星并行測試中測控崗位的集中化操作管理，能有效降低設(shè)備成本，減少測試人員數(shù)量需求。目前，國內(nèi)針對測控前端的通用化研究還比較少，且僅集中在對測控硬件設(shè)備的改進(jìn)設(shè)計(jì)上[7-8]。

本文提出了一種適應(yīng)衛(wèi)星并行測試的通用化測控前端設(shè)計(jì)方案(不含基帶設(shè)備)，與國內(nèi)傳統(tǒng)測控前端進(jìn)行了比較分析，提出了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通用化、數(shù)據(jù)處理流程通用化、數(shù)據(jù)處理接口通用化的設(shè)計(jì)方法，并在實(shí)際應(yīng)用中驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)在衛(wèi)星并行測試中的優(yōu)勢。

2 通用化測控前端與傳統(tǒng)測控前端的對比

測控前端的基本功能是接收基帶設(shè)備遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)相關(guān)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)送至實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，以及接收主測試計(jì)算機(jī)(MTP)遙控指令，根據(jù)相關(guān)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并發(fā)送至基帶設(shè)備。在傳統(tǒng)測控前端設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種通用化測控前端，進(jìn)行了通用化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和通用化數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計(jì)。圖1給出了通用化測控前端和傳統(tǒng)測控前端的設(shè)備對比示意，傳統(tǒng)測控前端的主要功能模塊是針對特定衛(wèi)星及特定測試設(shè)備設(shè)計(jì)的，每顆衛(wèi)星測試要配備一個(gè)特定的測控前端，很難適應(yīng)其他測試狀態(tài)(如不同的遙控加密方式、遙測解密方式和地面測試設(shè)備等)。通用化測控前端采用通用化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理流程，兼容了種類繁多的測試設(shè)備和不同的衛(wèi)星數(shù)據(jù)協(xié)議，并能將不同測試狀態(tài)下的功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一接口封裝(如圖1中“加解密模塊1～n4”)，根據(jù)測試狀態(tài)需要動態(tài)選擇各個(gè)功能模塊，適用于現(xiàn)有的所有衛(wèi)星測試。另外，通用化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)引入衛(wèi)星模塊，使通用化測控前端能夠同時(shí)應(yīng)用于多顆衛(wèi)星的并行測試工作中。通過上述設(shè)計(jì)，測控崗位人員在衛(wèi)星并行測試中可以對多個(gè)衛(wèi)星測試工作進(jìn)行集中化操作管理，有效地降低了對人員數(shù)量的需求和對設(shè)備數(shù)量的需求，提高了不同衛(wèi)星測試之間測試設(shè)備的可調(diào)配性。

注：n1～n4分別為衛(wèi)星模塊、通信協(xié)議模塊、數(shù)據(jù)解析模塊和加解密模塊數(shù)量。圖1 通用化測控前端與傳統(tǒng)測控前端結(jié)構(gòu)對比Fig.1 Comparative analysis between universal structure and traditional structer for TT&C front-end

3 通用化測控前端設(shè)計(jì)方案

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通用化

樹是最常用的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[9]，具有結(jié)構(gòu)簡單、層次清晰等優(yōu)點(diǎn)。樹通常采用遞歸的方法定義，由樹根節(jié)點(diǎn)及若干個(gè)子樹節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)子樹節(jié)點(diǎn)也可以有若干個(gè)自己的子樹節(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)不存在自己的子樹節(jié)點(diǎn)時(shí)，被稱為葉節(jié)點(diǎn)，存在子樹節(jié)點(diǎn)的則被稱為枝節(jié)點(diǎn)。為了滿足圖1中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)通用化特性，屏蔽不同衛(wèi)星之間的參數(shù)差異，本文設(shè)計(jì)了一種針對衛(wèi)星測控的通用樹型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用來存儲衛(wèi)星測試所覆蓋的所有遙測前端參數(shù)、遙控前端參數(shù)和實(shí)例。在多顆不同衛(wèi)星并行測試時(shí)，這種設(shè)計(jì)能夠有效建立若干條獨(dú)立數(shù)據(jù)流，非常適用于并行測試。如圖2所示，樹型結(jié)構(gòu)中各節(jié)點(diǎn)如下。

(1)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)：葉節(jié)點(diǎn)，存儲衛(wèi)星的所有可變遙測遙控參數(shù)；

(2)基帶設(shè)備節(jié)點(diǎn)：葉節(jié)點(diǎn)，存儲基帶設(shè)備的所有可變參數(shù)；

(3)MTP節(jié)點(diǎn)：葉節(jié)點(diǎn)，存儲MTP的所有可變參數(shù)；

(4)策略節(jié)點(diǎn)：枝節(jié)點(diǎn)，包含衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、基帶設(shè)備節(jié)點(diǎn)、MTP節(jié)點(diǎn)各一個(gè)，用于存儲一顆衛(wèi)星測試所需要的所有參數(shù)、各類所需實(shí)例；

(5)策略組節(jié)點(diǎn)：枝節(jié)點(diǎn)，包含一組策略節(jié)點(diǎn)，用于存儲單個(gè)測試任務(wù)中所有衛(wèi)星的參數(shù)和各類所需實(shí)例；

(6)測試任務(wù)節(jié)點(diǎn)：枝節(jié)點(diǎn)，包含一個(gè)策略組節(jié)點(diǎn)，存儲該測試任務(wù)所有信息、實(shí)例；

(7)測試任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)：根節(jié)點(diǎn)，包含一組測試任務(wù)節(jié)點(diǎn)，用于管理所有測試任務(wù)信息。

圖2 通用化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹狀圖Fig.2 Tree of universal data structure

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)存儲了一顆衛(wèi)星所有可變遙測參數(shù)和遙控參數(shù)，任何衛(wèi)星可以根據(jù)此衛(wèi)星的數(shù)據(jù)規(guī)范文件配置出合適的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，從而屏蔽不同衛(wèi)星之間的參數(shù)差異；類似的，基帶設(shè)備節(jié)點(diǎn)、MTP節(jié)點(diǎn)分別用于屏蔽不同基帶設(shè)備、MTP所產(chǎn)生的差異。

每個(gè)策略節(jié)點(diǎn)聚合一個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、一個(gè)基帶設(shè)備節(jié)點(diǎn)和一個(gè)MTP節(jié)點(diǎn)，策略實(shí)例提供衛(wèi)星的對外操作接口；策略組節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)策略節(jié)點(diǎn)，而一個(gè)測試任務(wù)節(jié)點(diǎn)聚合一個(gè)策略組節(jié)點(diǎn)，用于支持單個(gè)測試任務(wù)下的多星并行測試；測試任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)包含多個(gè)測試任務(wù)節(jié)點(diǎn)，從而滿足多測試任務(wù)并行測試的需要。測試任務(wù)節(jié)點(diǎn)實(shí)例還可以實(shí)現(xiàn)星座模式的對外接口，從而支持星座模式下的測試工作。

3.2 數(shù)據(jù)處理流程通用化

不同衛(wèi)星測試所采用的基帶設(shè)備類型、加解密方式等測試狀態(tài)都可能存在較大差異，這些測試狀態(tài)差異導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理方法有著很大的不同，圖1中采用了通用數(shù)據(jù)處理模塊屏蔽這些差異。通用化數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)，主要針對所有衛(wèi)星類型和所有測試狀態(tài)類型的測控前端數(shù)據(jù)處理過程和數(shù)據(jù)傳輸過程，提取通用的數(shù)據(jù)處理流程，并不涉及具體的數(shù)據(jù)處理方式。

數(shù)據(jù)處理流程的通用化設(shè)計(jì)，主要針對遙測數(shù)據(jù)處理流程和遙控?cái)?shù)據(jù)處理流程。遙測數(shù)據(jù)處理通用流程如圖3(a)所示，測控前端軟件首先從基帶設(shè)備中接收原始遙測數(shù)據(jù)；然后對原始遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性分析，并丟棄不合法的遙測數(shù)據(jù)；隨后提取遙測數(shù)據(jù)幀，并對遙測數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解密；最后過濾掉其他衛(wèi)星測試產(chǎn)生的串?dāng)_數(shù)據(jù)，并向總控網(wǎng)進(jìn)行廣播。遙控?cái)?shù)據(jù)處理流程如圖3(b)所示，測控前端軟件首先從MTP接收原始指令，并判斷指令的有效性，過濾掉不合法指令；然后對原始指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并進(jìn)行指令加密；隨后向基帶設(shè)備發(fā)送最終指令，并等待基帶設(shè)備的指令發(fā)送成功反饋信息；最后向MTP反饋指令發(fā)送成功信息。

不同基帶設(shè)備發(fā)出的原始遙測數(shù)據(jù)格式和需要接收的遙控指令格式、數(shù)據(jù)處理方法有著明顯區(qū)別，加密方式、解密方式的不同也嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)處理方法。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理流程通用化設(shè)計(jì)，在任意測試狀態(tài)下都只須根據(jù)測試狀態(tài)參數(shù)選擇具體的數(shù)據(jù)處理方法類型，并不會影響數(shù)據(jù)處理流程的通用性，因此該設(shè)計(jì)在任意測試狀態(tài)下都具備通用性和可復(fù)用性。

圖3 數(shù)據(jù)處理通用化流程Fig.3 Flow of universal data processing

3.3 數(shù)據(jù)處理接口通用化

數(shù)據(jù)處理通用化流程在調(diào)用具體數(shù)據(jù)處理接口時(shí)，需要同類數(shù)據(jù)處理接口能夠以統(tǒng)一的對外接口暴露。數(shù)據(jù)處理接口通用化設(shè)計(jì)是對圖1中各類數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行規(guī)范性設(shè)計(jì)，以避免不同測試狀態(tài)導(dǎo)致的接口不一致。對于數(shù)據(jù)處理接口的通用化，本文采用設(shè)計(jì)模式中經(jīng)典的工廠模式和策略模式的組合方式，利用工廠模式提供統(tǒng)一對外接口，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理接口的可復(fù)用性，降低了數(shù)據(jù)處理通用化流程中分支結(jié)構(gòu)的使用率；利用策略模式實(shí)現(xiàn)不同測試狀態(tài)下所需的數(shù)據(jù)處理方法，并具有高效的擴(kuò)展性，能夠快速適應(yīng)新的測試狀態(tài)。對于數(shù)據(jù)處理方法的通用化，主要采用數(shù)據(jù)解析、遙控指令加密、遙測數(shù)據(jù)解密3個(gè)模塊，均以動態(tài)鏈接庫(dll)的形式對外暴露，因此對新數(shù)據(jù)處理方法的擴(kuò)展僅僅更換dll，而并不必更改可執(zhí)行文件(exe)，可有效提高測控前端軟件的可維護(hù)性。表1列出了3個(gè)模塊所需要提供的主要接口和相關(guān)功能說明。

表1 通用化數(shù)據(jù)處理方法的主要接口

4 在并行測試中的應(yīng)用

8顆衛(wèi)星并行測試的崗位分布情況如圖4所示，與傳統(tǒng)測試模式相比，通用化測控前端使測控前端崗位擺脫了原來僅局限在某單一衛(wèi)星測試的嚴(yán)格約束。在采用通用化測控前端設(shè)計(jì)后，測控前端的各種設(shè)備可以統(tǒng)一放置到機(jī)房，測控前端崗位人員在測控電測間對測控前端軟件進(jìn)行操作，完成衛(wèi)星的測試設(shè)備參數(shù)設(shè)置和測試鏈路建立。在并行測試中，此設(shè)計(jì)有效地降低了測試成本，使測控崗位所需人數(shù)從原有的至少8人下降到2～3人，測控前端計(jì)算機(jī)需求從之前的8臺下降到1臺。

由于通用化測控前端適用于任何衛(wèi)星測試，測控前端人員可以僅通過一個(gè)測控前端人機(jī)交互軟件建立多個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，完成同項(xiàng)目中多顆衛(wèi)星的測試鏈路建立，也可以建立多個(gè)策略節(jié)點(diǎn)，完成多項(xiàng)目中每顆衛(wèi)星的測試鏈路建立，因此有效地減少了測試準(zhǔn)備工作，提高了測試效率。

通用化測控前端設(shè)計(jì)能夠?yàn)闇y控設(shè)備集中放置創(chuàng)造條件，有利于測試間進(jìn)一步規(guī)范化建設(shè)，為今后完整實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星批量測試奠定了必要的基礎(chǔ)。隨著并行測試技術(shù)的不斷發(fā)展，各測試崗位將能夠從獨(dú)立的衛(wèi)星測試中脫離出來，實(shí)現(xiàn)真正意義的衛(wèi)星批量測試。

圖4 多星并行測試崗位分布示意Fig.4 Distribution of multi-satellite parallel test

5 結(jié)束語

為了滿足衛(wèi)星批量化生產(chǎn)、測試的發(fā)展需要，本文提出了一種衛(wèi)星并行測試的測控前端通用化設(shè)計(jì)方法。通用化測控前端軟件已經(jīng)成功應(yīng)用到衛(wèi)星測試和發(fā)射任務(wù)中，完全滿足并行測試的需要，產(chǎn)生了非常明顯的效益：①不受衛(wèi)星數(shù)量限制，測控崗位能夠?qū)崿F(xiàn)集中化測試操作和設(shè)備管理，降低對測試人員、測試設(shè)備的需求量；②適用于國內(nèi)所有在用基帶設(shè)備類型，實(shí)現(xiàn)了不同衛(wèi)星之間不同類型基帶設(shè)備的可調(diào)配性。

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(編輯：夏光)

TT&C Front-end Universal Design for Satellite Parallel Test

LI Wenji ZENG Hong REN Guangjie HAN Liming

(DFH Satellite Co. Ltd.,Beijing 100094,China)

To improve efficiency and reduce the cost for satellite test,this paper provides a TT&C front-end universal design for satellite parallel test，designs a universal data structure to meet the needs of establishing independent data stream for different satellites parallel test，and gives a universal data processing flow and a universal method to package interfaces.Similar function modules adopt unified interfaces,and the data processing flow dynamically selects appropriate modules to achieve test items in different test states.Practical application result shows that the design reduces device cost and personnel needs for different multi-satellites parallel test.

satellite parallel test； TT&C front-end； universal design

2014-12-25；

2015-04-07

李文霽，男，博士，工程師，從事衛(wèi)星測試、測試系統(tǒng)研制工作。Email:liwenji1986@126.com。

V416.8

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.06.019