一體化小衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計

何銘俊，洪 雷，曹麗君，曾 鴻

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

?

一體化小衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計

何銘俊，洪 雷，曹麗君，曾 鴻

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

在衛(wèi)星的研制測試過程中，現(xiàn)有的測試設(shè)備通用性不強、開放性和靈活性不夠、設(shè)備集成化程度低、自動化和智能化程度不高；通過提出一種小型化、一體化的綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計方法，并結(jié)合現(xiàn)有的資源進行了具體的項目開發(fā)，為未來的小衛(wèi)星提升測試效率，降低系統(tǒng)成本，縮減系統(tǒng)規(guī)模探索出一條新路；實踐表明，該方案在滿足現(xiàn)有測試要求的情況下，在研制成本、系統(tǒng)體積、組建時間和無故障運行方面等均有較大改善。

一體化；小衛(wèi)星；測試系統(tǒng)

0 引言

隨著對航天產(chǎn)品需求的增加，我國航天事業(yè)飛速發(fā)展，小衛(wèi)星已經(jīng)成為了我國軍用航天裝備體系和民用航天服務(wù)體系的重要力量，目前在小衛(wèi)星綜合測試方面，已經(jīng)形成了獨具小衛(wèi)星特色的自動化測試系統(tǒng)，有力地支撐了目前各類衛(wèi)星的研制測試任務(wù)。然而，隨著未來小衛(wèi)星領(lǐng)域新型號的規(guī)劃、新技術(shù)的應(yīng)用、型號數(shù)量的急劇增加、任務(wù)復(fù)雜度的不斷增長等，給未來小衛(wèi)星測試帶來了任務(wù)數(shù)量和技術(shù)難度的雙重挑戰(zhàn)，對綜合電性能測試環(huán)節(jié)提出了更高的要求，而目前小衛(wèi)星測試在通用性、開放性和靈活性、集成化程度、自動化和智能化程度方面還遠遠不足。如何提高測試效率，提高測試可靠性，進一步提高測試智能化水平，形成支持衛(wèi)星全生命周期的測試技術(shù)，成為影響和制約系統(tǒng)級測試乃至小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的突出問題[1-4]。

為此，開發(fā)小型化、一體化地面綜合測試系統(tǒng)，用于衛(wèi)星單機及整星各個測試階段，為未來的小衛(wèi)星提升測試效率、縮短測試時間與降低系統(tǒng)成本，縮減系統(tǒng)規(guī)模探索出一條新路。

1 一體化綜合測試系統(tǒng)的設(shè)計

小型化一體化地面測試系統(tǒng)的開發(fā)需要兼顧現(xiàn)有衛(wèi)星測試需求和未來快速響應(yīng)小衛(wèi)星和批量生產(chǎn)小衛(wèi)星的綜合測試需求。以現(xiàn)有衛(wèi)星測試需求為基礎(chǔ)，以快速響應(yīng)小衛(wèi)星的測試需求為階段目標(biāo)，開發(fā)適用于平臺測試的小型化、一體化地面測試系統(tǒng)。

PXI(PCI Extension for Instrumentation)是由美國NI公司于1997年推出的測控儀器總線標(biāo)準(zhǔn)。它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)[5]。而一體化綜合測試系統(tǒng)正是采用PXI總線技術(shù)、虛擬儀器以及NI公司的LabView軟件開發(fā)平臺。

一體化綜合測試系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1所示，一體化綜合測試系統(tǒng)劃分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分，其中硬件部分是以標(biāo)準(zhǔn)PXI機箱和機箱控制器為系統(tǒng)核心，通過各類PXI板卡實現(xiàn)供配電、測控通信、接口適配等各項功能，各模塊在電氣、結(jié)構(gòu)等方面符合PXI總線規(guī)范[6]。該系統(tǒng)與常規(guī)綜合測試系統(tǒng)最大的不同是采用工業(yè)級板卡替代現(xiàn)有大型測試設(shè)備，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)，使得系統(tǒng)中的各個模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的集中控制。

一體化綜合測試系統(tǒng)軟件分為硬件控制相關(guān)軟件和一體化綜合測試集中控制軟件兩大類。其中硬件控制相關(guān)軟件與各階段功能模塊密切相連,一般選用NI公司的LabVIEW 軟件進行軟件系統(tǒng)的開發(fā)。一體化綜合測試集中控制軟件主要為綜合測試系統(tǒng)上層應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

衛(wèi)星與一體化綜合測試系統(tǒng)通過星地接口適配器建立連接，實現(xiàn)能源流和信息流的交互。

圖1 一體化綜合測試系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 一體化綜合測試系統(tǒng)的組成

2.1 硬件組成

典型的綜合測試系統(tǒng)根據(jù)功能可以分為4個模塊：衛(wèi)星供電控制模塊，星地測控通信模塊，星地接口適配器部分和其他擴展模塊。為滿足一體化測試系統(tǒng)高度集成、集中控制、小型化、可重構(gòu)、可擴展、模塊化備份等要求，該系統(tǒng)采用統(tǒng)一PXI總線集成的方式[7]。一體化綜合測試系統(tǒng)同時支持?jǐn)?shù)傳、姿控和載荷等設(shè)備的擴展，與其他分系統(tǒng)設(shè)備一樣，統(tǒng)一采用PXI/PXI-e體系結(jié)構(gòu)。對于個別分系統(tǒng)設(shè)備要求板卡比較多的情況，該系統(tǒng)可以支持使用多個PXI機箱，從而適應(yīng)了更好的擴展需求及系統(tǒng)的靈活性。

綜合測試系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

圖2 一體化綜合測試系統(tǒng)硬件組成圖

該系統(tǒng)是以標(biāo)準(zhǔn)PXI機箱和機箱控制器為系統(tǒng)核心，通過各類PXI板卡實現(xiàn)供配電、測控通信、接口適配等各項功能。該系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)最大的不同是采用工業(yè)級板卡替代現(xiàn)有大型測試設(shè)備，廣泛采用虛擬儀器技術(shù)，使得系統(tǒng)中的各個模塊能夠?qū)崿F(xiàn)自動化的集中控制。

系統(tǒng)機箱采用PXIe-1065，標(biāo)準(zhǔn)機柜寬度，與PXI、PXI Express、CompactPCI和Compact PCI Express模塊兼容。該機箱具有較高性能，每插槽高達1GB/s的專用帶寬和超過3GB/s的系統(tǒng)帶寬。零槽控制器采用NI PXI-8133嵌入式控制器，其具有Intel core i7-820QM四核處理器，時鐘頻率達到1.73GHz，可以選用Windows XP系統(tǒng)或者Windows7 32位操作系統(tǒng)，支持Labview、Labwindows CVI、C/C++和microsoft Visual studio.NET等產(chǎn)品，可用于測試測量和控制應(yīng)用。

2.1.1 供配電控制模塊

一體化綜合測試系統(tǒng)供配電分系統(tǒng)采用MAC Panel公司生產(chǎn)SCOUT大規(guī)模互聯(lián)機構(gòu)來實現(xiàn)星地接口適配器以及設(shè)備內(nèi)部信號的自由分配，最終完成整體的供配電系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和軟硬件功能。供配電模塊主要由模擬量采集卡、數(shù)字量采集卡、數(shù)字量控制卡、太陽能分陣模擬器、穩(wěn)壓源、電子負載等設(shè)備構(gòu)成，可以實現(xiàn)供配電模擬量和數(shù)字量的采集、控制量的輸出、完成模擬器和穩(wěn)壓源實時工作電壓電流的采集、分陣自檢等功能。

PXI繼電器模塊根據(jù)接收到控制器發(fā)送的控制輸出指令，將控制電信號通過星地連接電纜發(fā)送至衛(wèi)星，進而控制衛(wèi)星上蓄電池的通斷以及控制分系統(tǒng)的加斷電。PXI采集模塊根據(jù)接收到的模擬量和狀態(tài)量采集指令，對衛(wèi)星上單機設(shè)備輸出的模擬量和狀態(tài)量進行采集，并將狀態(tài)量根據(jù)高低電壓處理成1或0以及將模擬量根據(jù)衛(wèi)星上單機設(shè)備物理量的處理方式進行相應(yīng)變換處理。

2.1.2 測控模塊

一體化綜合測試系統(tǒng)測控模塊主要由變頻器插卡、基于FPGA的中頻信號處理單元及中頻信號模擬單元構(gòu)成，分別對應(yīng)上變頻模塊、下變頻模塊、解調(diào)基帶處理模塊、調(diào)制基帶處理模塊?？梢詫崿F(xiàn)測控上下行鏈路，完成遙測信號的下變頻、解擴、解調(diào)、解碼，遙控數(shù)據(jù)的編碼、調(diào)制、擴頻、上變頻，實現(xiàn)對衛(wèi)星的遙控調(diào)制和遙測解調(diào)功能。

下變頻模塊接收輸入的S頻段射頻信號，下變頻到中頻信號。解調(diào)基帶處理模塊對中頻信號進行采樣，在數(shù)字域完成擴頻捕獲跟蹤、載波同步、幀同步、解碼等工作。調(diào)制基帶處理模塊，對輸入的遙控數(shù)據(jù)，進行加擾、編碼、碼型變化、擴頻等運算，在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)載波調(diào)制，然后送給DAC，完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，輸出中頻信號送給上變頻模塊或直接輸出待測設(shè)備。上變頻模塊接收調(diào)制基帶處理模塊輸出的中頻信號，上變頻到對應(yīng)的S頻點射頻信號。

2.1.3 接口適配器

接口適配器采用Mac Panel公司生產(chǎn)的SCOUT家族的SCOUTxt系列來完成通用平臺接口方案，包含了數(shù)字、模擬、功率、射頻、功率等信號。系統(tǒng)信號路由結(jié)構(gòu)圖如下圖3所示。

圖3 系統(tǒng)信號路由結(jié)構(gòu)圖

適配器包括板卡適配器和機箱適配器，板卡適配器根據(jù)PXI板卡型號進行選擇，機箱適配器根據(jù)機箱尺寸選擇，主要完成PXI各類接口板與衛(wèi)星所需要的后面板航空插頭之間的轉(zhuǎn)接。

2.2 軟件組成

一體化綜合測試系統(tǒng)軟件的主要任務(wù)是實現(xiàn)對被測對象的快速自動化測試能力，因此系統(tǒng)軟件應(yīng)該具備對各硬件模塊的集中監(jiān)控能力，提供測試數(shù)據(jù)服務(wù)，同時進行測試數(shù)據(jù)的深度挖掘分析利用，完成測試流程的自動執(zhí)行等功能。系統(tǒng)軟件分為硬件控制相關(guān)軟件和一體化綜合測試集中控制軟件兩部分。

硬件控制相關(guān)軟件主要負責(zé)設(shè)備硬件相關(guān)模擬量、狀態(tài)量的采集和開關(guān)量的控制。用戶在界面上實時的監(jiān)視各模塊功能的當(dāng)前數(shù)據(jù)，以曲線的方式顯示數(shù)據(jù)趨勢并保存到數(shù)據(jù)庫。同時用戶在軟件界面上完成對綜合測試系統(tǒng)硬件設(shè)備的控制以及各設(shè)備參數(shù)的設(shè)置。用戶還可以查詢已經(jīng)保存到數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)并以表格或曲線的方式呈現(xiàn)。采集到的實時數(shù)據(jù)通過廣播的方式發(fā)送給總控地面測試設(shè)備。

一體化綜合測試集中控制軟件按照功能模塊劃分，實現(xiàn)了通用化的測試程序[8]，隨著不同衛(wèi)星任務(wù)的開發(fā)，當(dāng)可調(diào)用的模塊化程序逐漸豐富后，新的測試程序的開發(fā)相當(dāng)于不同功能模塊的組合和調(diào)用，只需為某些特定的功能單獨開發(fā)專用程序，可通過更換功能模塊達到通用化的效果[9]，并且這些專用程序也可以打包被后續(xù)項目使用。目前一體化綜合測試集中控制軟件主要分為數(shù)據(jù)通信模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊和任務(wù)調(diào)度模塊。一體化綜合測試系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 一體化綜合測試系統(tǒng)軟件組成圖

1)數(shù)據(jù)通信模塊。主要負責(zé)綜合測試軟件和星載測試單元、一體化設(shè)備硬件功能模塊SCOE、MTP和數(shù)據(jù)庫之間的通信。例如接收星上或SCOE傳遞的符合某種通信協(xié)議格式的測試數(shù)據(jù)流，解析出參數(shù)數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)管理模塊進行存儲，完成測試數(shù)據(jù)的接收等。

2)數(shù)據(jù)管理模塊。本模塊采用一體化的實時-關(guān)系數(shù)據(jù)庫來管理兩類不同的數(shù)據(jù)：星上下傳遙測參數(shù)等以實時數(shù)據(jù)進行存儲，而衛(wèi)星基礎(chǔ)信息、參數(shù)描述信息、判據(jù)信息等信息以關(guān)系數(shù)據(jù)進行存儲。數(shù)據(jù)管理模塊與功能及與其他模塊的交互見如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)管理模塊交互圖

3)數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊。數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊是一體化綜合測試系統(tǒng)面向測試過程中的主要軟件部分，具體可以分為實時監(jiān)視軟件、查詢統(tǒng)計分析軟件、趨勢分析軟件及智能總控等部分。實時監(jiān)視軟件主要是對數(shù)據(jù)管理模塊的數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，查詢統(tǒng)計分析軟件主要是存儲、管理、查詢和統(tǒng)計數(shù)據(jù)點的歷史數(shù)據(jù)，趨勢分析軟件主要是以圖形化的界面對測試數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)進行分析處理，智能總控主要完成星地之間的上行通道的交互。

4)任務(wù)調(diào)度模塊。任務(wù)調(diào)度模塊主要負責(zé)維護基礎(chǔ)測試信息，將指令序列和各遙測參數(shù)的判據(jù)準(zhǔn)則打包成上注數(shù)據(jù)塊。同時該模塊也負責(zé)測試序列調(diào)度。

3 試驗結(jié)果與分析

小型化一體化綜合測試設(shè)備完成之后， 對其進行了驗收試驗，試驗結(jié)果見表1。

表1 一體化綜合測試設(shè)備驗收結(jié)果簡表

續(xù)表

序號項目類別項目名稱實測結(jié)果8硬件、軟件聯(lián)試脫離衛(wèi)星等效器情況下的測試控制量、模擬量、狀態(tài)量、手動控制功能均正常接入衛(wèi)星等效器情況下的測試控制量、模擬量、狀態(tài)量、手動控制功能均正常與總控軟件遠程通訊監(jiān)測通訊正常9電纜導(dǎo)通絕緣檢查對模塊間連接電纜和系統(tǒng)間電纜進行導(dǎo)通絕緣檢查指標(biāo)正常10連接衛(wèi)星等效器檢查連接衛(wèi)星等效器之后對軟硬件復(fù)測指標(biāo)正常

在對小型化一體化綜合測試設(shè)備驗收試驗后，進行了桌面聯(lián)試試驗，通過聯(lián)試，對上行遙控鏈路，下行遙測鏈路，設(shè)備監(jiān)視狀態(tài)，CAN總線數(shù)據(jù)接收，CAN總線數(shù)據(jù)的解析等項目進行了驗證，試驗結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

在后續(xù)的衛(wèi)星型號測試過程中，通過對關(guān)鍵遙測/通道測量統(tǒng)計、比對，應(yīng)答機AGC曲線標(biāo)定，多普勒頻偏，指令連發(fā)、遙測誤碼判讀等測試結(jié)果表明測控分系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能完備，與整星接口匹配。通過對供配電模擬量、狀態(tài)量采集驗證、控制量輸出驗證、歸檔數(shù)據(jù)查詢、報警記錄查詢、系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置等測試，結(jié)果表明供配電分系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能完備，與整星接口匹配。在整星測試過程中，系統(tǒng)各項功能正常，各項性能指標(biāo)符合整星測試要求。

4 結(jié)論

通過采用一體化衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)，測試過程中系統(tǒng)除了具備現(xiàn)有衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)的功能和性能特點之外，與傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)相比，在研制成本、系統(tǒng)體積、組建時間和無故障運行方面均有較大改善，比較結(jié)果如圖6所示。

小衛(wèi)星小型化、一體化地面測試設(shè)備所代表的技術(shù)路線符合小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展對衛(wèi)星測試的技術(shù)需求，對于后續(xù)衛(wèi)星測試技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。

圖6 一體化測試設(shè)備與現(xiàn)有設(shè)備比較示意圖

[1] 李培華，陳逢田，等.小衛(wèi)星測試技術(shù)發(fā)展與展望[A]．航天東方紅衛(wèi)星有限公司.小衛(wèi)星技術(shù)交流會優(yōu)秀論文集[C].北京：航天東方紅衛(wèi)星有限公司,2011:100-107

[2] 趙光權(quán)，徐 輯，張毅剛，等.小衛(wèi)星測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制,2011,19(3):503-505.

[3] 曹 暉，畢建峰.基于PXI總線的實時綜合測試系統(tǒng)研究 [J]．上海航天，2011，03:64-68.

[4] 林言，劉文定，岳世鋒，等.基于PXI的多功能卡在衛(wèi)星測試系統(tǒng)中的研究 [J]．測控技術(shù)，2012，31(7):54-57.

[5] 楊樂平，李海濤，肖 凱，等．虛擬儀器技術(shù)概論[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2003．

[6] 張黎明，孫 寧，等.基于PXI的衛(wèi)星綜 合測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制，2008，16(1):27-29.

[7] 王慶成,主編.航天器電測技術(shù)[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,2007．

[8] 劉 洋，李家琦，李宗德，等. 基于數(shù)據(jù)格式庫的衛(wèi)星通用測試軟件設(shè)計[J]．計算機測量與控制，2014，22(8):2680-2683.

[9] 趙光權(quán)，徐 彝，張毅剛，等.小衛(wèi)星測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．計算機測量與控制，2011，19(3):503-505.

Design of Integrated Test System for Small Satellite

He Mingjun,Hong Lei,Cao Lijun,Zeng Hong

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

During the development and testing process of satellite,the existing test equipments are not universal, lack of open and flexibility, low integration degree of equipment, not high in automation and intelligent level; This paper presents a method to design miniaturized, integrated test system, and developed by the specific project combined with the existing resources, exploring a new way with enhancing testing efficiency, reducing costs, reducing the system size for the future. Practice shows that the scheme to meet the test requirements, the development cost, the volume of the system, the formation of the time and trouble free operation and other aspects are greatly improved.

integrated; small satellite; test system

2016-03-14；

2016-04-19。

何銘俊(1979-)，男，北京人，碩士研究生，工程師，主要從事衛(wèi)星綜合測試設(shè)計與開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2016)09-0015-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.005

TP273

A