航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試現(xiàn)狀分析

富小薇 王華茂 閆金棟 盧成志 王清泉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

?

航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試現(xiàn)狀分析

富小薇 王華茂 閆金棟 盧成志 王清泉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部, 北京 100094)

從測(cè)試方法、測(cè)試計(jì)劃、測(cè)試模式、測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法、測(cè)試工具等方面對(duì)航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試進(jìn)行了探討。測(cè)試方法主要包括測(cè)試覆蓋性分析法、自上而下或自下而上的測(cè)試方法、面向?qū)ο蠡蛎嫦蜻^程的測(cè)試方法等；測(cè)試計(jì)劃參考了NASA航天器的分類方法，包括對(duì)低成本衛(wèi)星、商業(yè)衛(wèi)星及載人航天器等三大類航天器進(jìn)行了論述；測(cè)試模式包括任務(wù)組織方式、測(cè)試系統(tǒng)部署方式及人員配置等；測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法包括軟件測(cè)試方法、基于模型的測(cè)試方法及試驗(yàn)測(cè)試方法等；測(cè)試工具主要包括手動(dòng)工具、自動(dòng)化工具、信息化管理工具等三個(gè)發(fā)展階段。此外，文章還對(duì)當(dāng)前航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的現(xiàn)狀及面臨的問題進(jìn)行了分析。

航天器；系統(tǒng)級(jí)測(cè)試；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

1 引言

現(xiàn)代的系統(tǒng)開發(fā)方法，始于20世紀(jì)50年代的大型導(dǎo)彈和潛水艇項(xiàng)目，并在20世紀(jì)60年代被用于航天系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)，是為了在可接受的成本、計(jì)劃和風(fēng)險(xiǎn)范圍內(nèi)，生產(chǎn)出所需要的產(chǎn)品。系統(tǒng)項(xiàng)目都采用了類似的項(xiàng)目生命周期管理方式，包括需求定義、需求分解、結(jié)構(gòu)描述、設(shè)計(jì)、開發(fā)、分系統(tǒng)集成、驗(yàn)收測(cè)試及運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)。航天器一般由航天產(chǎn)業(yè)部門負(fù)責(zé)生產(chǎn)、發(fā)射，最終交付政府或其他用戶使用。驗(yàn)證過程是對(duì)系統(tǒng)是否滿足功能及性能需求進(jìn)行證明的過程，應(yīng)該從需求定義開始，貫穿項(xiàng)目的全生命周期。驗(yàn)證方法包括測(cè)試、試驗(yàn)、建模與仿真、分析、證明、審查、復(fù)查等手段。航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試是系統(tǒng)驗(yàn)證計(jì)劃的關(guān)鍵步驟[1]。

驗(yàn)證測(cè)試建立了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和建造規(guī)范之間的橋梁，目標(biāo)是正確地構(gòu)建產(chǎn)品。航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的目的，通常是用來證明提交的航天器產(chǎn)品滿足用戶需求中的各項(xiàng)規(guī)定，同時(shí)也為在項(xiàng)目決策時(shí)提供有用的信息。作為航天器產(chǎn)品發(fā)射前的系統(tǒng)驗(yàn)證，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試地位極其重要。通過對(duì)實(shí)際的航天器項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤調(diào)查，得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)也能夠證明這一點(diǎn)。美國(guó)航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心(Ames)的Annalisa Weigel就曾經(jīng)對(duì)224個(gè)航天器(包含20個(gè)不同類別的項(xiàng)目)的23 124個(gè)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的異常問題進(jìn)行了研究。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)級(jí)問題占35%，分系統(tǒng)級(jí)異常問題占36%。這充分說明系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，對(duì)于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)問題，及分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試階段不易發(fā)現(xiàn)的分系統(tǒng)級(jí)問題起到了重大作用。因此，應(yīng)在航天器發(fā)射前，必須進(jìn)行全面和徹底的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試[1]。

航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的研究范圍廣泛，而國(guó)內(nèi)外對(duì)于此方面的綜述性文獻(xiàn)仍然較少。本文嘗試從測(cè)試方法、測(cè)試計(jì)劃、測(cè)試模式、測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法、測(cè)試工具等方面對(duì)其進(jìn)行探討；并對(duì)當(dāng)前航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的現(xiàn)狀以及面臨的問題進(jìn)行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方法

測(cè)試方法是指導(dǎo)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試工作開展的頂層理念。由于測(cè)試對(duì)象的已知性，工程系統(tǒng)中一般采用通過產(chǎn)生一系列的輸入(或激勵(lì))和測(cè)試輸出值來驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足要求[2]；在系統(tǒng)集成測(cè)試過程中，“自上而下”或“自下而上”的測(cè)試方法和“面向?qū)ο蟆被颉懊嫦蜻^程”的測(cè)試方法在工程系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛；而在測(cè)試項(xiàng)目計(jì)劃的設(shè)計(jì)中，通常采用基于測(cè)試覆蓋性分析和參數(shù)容差的方法。我國(guó)目前的航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試，主要是基于測(cè)試覆蓋性分析，采用自下而上，面向?qū)ο笈c面向過程相結(jié)合的集成測(cè)試方法。

測(cè)試覆蓋性是對(duì)于合同、研制的總要求，航天器設(shè)計(jì)和建造規(guī)范以及設(shè)計(jì)報(bào)告中，明確規(guī)定了技術(shù)指標(biāo)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)確定需要測(cè)試的項(xiàng)目及其在各級(jí)產(chǎn)品測(cè)試過程中所須達(dá)到的測(cè)試覆蓋程度(包括系統(tǒng)級(jí)測(cè)試)。分析過程包括：依據(jù)文件規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)需測(cè)試的功能和主要技術(shù)指標(biāo)、正常工作模式、已設(shè)計(jì)的故障工作模式、冗余設(shè)計(jì)項(xiàng)目等逐項(xiàng)進(jìn)行分析梳理，識(shí)別并確定可測(cè)試項(xiàng)目和不可測(cè)試項(xiàng)目。對(duì)不可測(cè)試項(xiàng)目采取包括檢驗(yàn)、分析、類比旁證等手段；對(duì)可測(cè)試項(xiàng)目，需要確定在單機(jī)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、大系統(tǒng)間等不同階段的測(cè)試時(shí)機(jī)，并形成設(shè)計(jì)性能確認(rèn)矩陣，在出廠或交付前確認(rèn)實(shí)施時(shí)機(jī)。

自上而下方法，也稱為降級(jí)法[2]。把被測(cè)對(duì)象分為幾個(gè)大的部分A、B、C等。A進(jìn)行測(cè)試，若A通過，則測(cè)試B；若B通過，則測(cè)試C,依次類推，直到各部分測(cè)試都通過。如果某一部分(例如B)未通過，則把該部分再劃分為幾個(gè)小部分，如B1、B2等，再逐塊進(jìn)行測(cè)試。依次類推，直到診斷出故障為止。自下而上方法，也稱為升級(jí)法或滾雪球法[2]。從被測(cè)對(duì)象的最小可測(cè)試部分T1開始測(cè)試。若T1通過了測(cè)試，則把被測(cè)對(duì)象的另一小部分T2加上去，同T1一起進(jìn)行測(cè)試；若(T1+T2)部分通不過測(cè)試，則對(duì)T2部分進(jìn)行故障診斷和維修，再進(jìn)行測(cè)試；依次類推，直到整個(gè)系統(tǒng)通過測(cè)試為止。在實(shí)際工作中，“自上而下”方法和“自上而下”方法經(jīng)常結(jié)合使用，被稱為“混合方法”[2]。

此外，面向?qū)ο蟮墓こ袒椒?圖1)和面向過程的工程化方法(圖2)，是當(dāng)代工業(yè)界的兩種主流工程實(shí)踐方式[3]。這兩個(gè)提法是彼此對(duì)立的，最早源于計(jì)算機(jī)編程的算法結(jié)構(gòu)，并逐漸擴(kuò)展應(yīng)用到人類生活的各個(gè)方面。當(dāng)前，面向?qū)ο蟮墓こ袒椒ǚ浅Ａ餍?，被大多?shù)部門廣泛采用，甚至普遍將其視為最高效的工程化方法。面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)級(jí)測(cè)試方法是基于模塊化的工程實(shí)踐方式。

在航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中的應(yīng)用方式是，設(shè)計(jì)部門把系統(tǒng)級(jí)測(cè)試內(nèi)容分解至相關(guān)分系統(tǒng)的功能驗(yàn)證項(xiàng)目，并由相關(guān)人員完成。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于簡(jiǎn)化了系統(tǒng)級(jí)測(cè)試架構(gòu)集成的難度，在體系初建時(shí)，即能最大限度逼近“全局最優(yōu)”，且后期升級(jí)改造不必“牽一發(fā)而動(dòng)全身”；但其缺點(diǎn)在于隨著專業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，為保障整個(gè)工程體系的穩(wěn)定性和可靠性，局部的升級(jí)改造難以帶動(dòng)其他部分的同步升級(jí)改造，最終整體效能出現(xiàn)“穩(wěn)中有降”的逐步退化趨勢(shì)。面向過程的工程化方法是面向系統(tǒng)整體的工程實(shí)踐方法，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試設(shè)計(jì)部門需要關(guān)注被測(cè)對(duì)象的每個(gè)局部。這種工程化的特點(diǎn)是利于后續(xù)發(fā)展過程中的全局優(yōu)化，每個(gè)局部的優(yōu)化調(diào)整都會(huì)帶動(dòng)其他部分的同步升級(jí)變化；但另一方面，這種方法給初建時(shí)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試架構(gòu)集成帶來了難度，尤其是在局部面對(duì)很多難以突破的瓶頸技術(shù)的情況下。在實(shí)際工作中，兩者也經(jīng)常結(jié)合使用。

3 測(cè)試計(jì)劃

在航天器發(fā)射之前，到底應(yīng)該如何安排測(cè)試流程，應(yīng)該進(jìn)行多少系統(tǒng)級(jí)測(cè)試項(xiàng)，又應(yīng)該在什么時(shí)機(jī)和條件下開展這些測(cè)試，是系統(tǒng)級(jí)測(cè)試研究的核心問題之一。測(cè)試計(jì)劃的制定對(duì)項(xiàng)目成本、項(xiàng)目日程及項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)都會(huì)產(chǎn)生影響。

NASA艾姆斯研究中心的Harry Jones認(rèn)為，系統(tǒng)級(jí)測(cè)試應(yīng)該與系統(tǒng)開發(fā)階段的風(fēng)險(xiǎn)分析相似，在對(duì)任務(wù)的效費(fèi)比進(jìn)行全面分析基礎(chǔ)上，形成系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的各項(xiàng)決策[1]。Harry Jones把當(dāng)前的美國(guó)航天器分為低成本衛(wèi)星、商用衛(wèi)星及載人航天器3個(gè)類別，并分別對(duì)其測(cè)試計(jì)劃的制定思路進(jìn)行了總結(jié)。

劉清建船是為了亦失哈下奴兒干所用，責(zé)任重大，工期有限。古人崇拜司水的龍王，因而劉清就在船廠附近修建起一座龍王廟，以便就近供奉，祈請(qǐng)風(fēng)調(diào)雨順，按期完成造船任務(wù)。

由于低成本衛(wèi)星的制造遵循標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)規(guī)范，某些元器件甚至采用了對(duì)外采購(gòu)而非自研的方式。因此對(duì)于此類衛(wèi)星，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)徹底的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。如果受測(cè)試成本和測(cè)試時(shí)間的制約，必要時(shí)候，甚至允許以不惜削減分系統(tǒng)測(cè)試的方法，來彌補(bǔ)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的不足，從而保證系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的完備性。

商業(yè)衛(wèi)星一般為合同制采辦方式。根據(jù)合同中對(duì)測(cè)試需求的要求，商業(yè)衛(wèi)星一般需要經(jīng)過詳細(xì)的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。這里需要指出，由于衛(wèi)星開發(fā)者與用戶之間理念的沖突，客戶往往要求衛(wèi)星進(jìn)行較大范圍的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。某些政府客戶甚至要求進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，從而掌握系統(tǒng)性能的邊界值。所以商業(yè)合同制衛(wèi)星的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試內(nèi)容，往往是在雙方協(xié)商的基礎(chǔ)上形成，而非徹底的效費(fèi)比分析。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在商業(yè)衛(wèi)星系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中，大約2/3的異常問題，發(fā)生在常溫常壓下，剩余1/3的異常問題，幾乎都發(fā)生在熱真空試驗(yàn)期間。追溯異常問題的根源，工藝和設(shè)計(jì)是兩大來源，總之充分的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試是不可避免的。

對(duì)于載人航天器，NASA肯尼迪航天中心的Keith Britton和Dawn Schaible調(diào)查了NASA的多位載人任務(wù)專家。他們認(rèn)為針對(duì)NASA載人航天器提出的測(cè)試需求具有不夠正式、不夠客觀和前后不一致等特點(diǎn)。與人們普遍的理念正相反，對(duì)載人航天器測(cè)試方面的決策并未經(jīng)過充分的科學(xué)分析，反而在很大程度上取決于不同決策者的主觀想法[4]。造成該現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是，部分專家認(rèn)為載人航天器能夠接受更大風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榉侵旅e(cuò)誤可以通過在軌進(jìn)行修復(fù)。

針對(duì)以上分析和總結(jié)，Harry Jones提出采用NASA的風(fēng)險(xiǎn)矩陣或類似的方法建立效費(fèi)比模型，對(duì)測(cè)試成本以及不做某項(xiàng)測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合性分析和計(jì)算，通過確實(shí)的甄別過程，決定在航天器發(fā)射之前的各個(gè)階段，應(yīng)該確定系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的程度及其具體內(nèi)容。

4 測(cè)試模式

測(cè)試模式泛指測(cè)試任務(wù)組織方式、測(cè)試系統(tǒng)部署方式和人員配置方式等。一般包括單星測(cè)試模式、組批測(cè)試模式、遠(yuǎn)程測(cè)試模式、集中測(cè)試模式等。

從測(cè)試任務(wù)組織方式、測(cè)試系統(tǒng)部署方式角度講，在系統(tǒng)級(jí)測(cè)試發(fā)展初期，航天器測(cè)試一直是以人為主、相對(duì)獨(dú)立的測(cè)試模式。不同航天器的測(cè)試設(shè)備也相對(duì)獨(dú)立，測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試設(shè)備的研制基本上是為單一航天器服務(wù)的，即單星測(cè)試模式和集中測(cè)試模式。隨著測(cè)試需求的更新和發(fā)展，出現(xiàn)了新的測(cè)試模式。例如，北斗二號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星的組批測(cè)試模式：針對(duì)北斗二號(hào)一期工程衛(wèi)星產(chǎn)品多、測(cè)試密度大、發(fā)射間隔短等特點(diǎn)，提出了基于組批測(cè)試驗(yàn)證策略與方案設(shè)計(jì)等技術(shù)為核心的組批測(cè)試設(shè)計(jì)與實(shí)施方案。再如載人航天器的遠(yuǎn)程測(cè)試模式：通過建立前后方高可靠的通信鏈路，配合前端設(shè)備和遠(yuǎn)程測(cè)試支持設(shè)備，將主要測(cè)試隊(duì)伍和測(cè)試設(shè)備置于后方，有效地精簡(jiǎn)了前方設(shè)備和人員[5]。

從人員配置角度講，當(dāng)前系統(tǒng)級(jí)測(cè)試有兩種方式。第一種方式為航天器設(shè)計(jì)人員直接負(fù)責(zé)航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試任務(wù)，國(guó)內(nèi)早期衛(wèi)星測(cè)試均采用此測(cè)試模式。第二種方式為國(guó)外商業(yè)航天黑馬——太空探索技術(shù)公司(SpaceX)創(chuàng)新性地制定的扁平化管理模式。該公司由副總裁和總師直接管理員工，沒有嚴(yán)格意義的部門劃分，大大降低了管理成本。該公司還采取“縱向一體化”供應(yīng)鏈管理方式，通過自主設(shè)計(jì)并在一個(gè)廠房?jī)?nèi)制造、裝配、測(cè)試幾乎所有零部件，縮短供應(yīng)鏈，精細(xì)控制成本。如果一個(gè)組織機(jī)構(gòu)需要對(duì)集成、測(cè)試、發(fā)射和運(yùn)行等環(huán)節(jié)負(fù)全責(zé)，則組織內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象，即一個(gè)部門的成本節(jié)約行為會(huì)引起另一個(gè)部門工作風(fēng)險(xiǎn)的提高，找到一個(gè)合適平衡點(diǎn)難度較大。因此，出現(xiàn)的第二種方式為系統(tǒng)級(jí)測(cè)試由第三方測(cè)試隊(duì)伍主導(dǎo)完成，航天器設(shè)計(jì)部門下達(dá)測(cè)試任務(wù)以及測(cè)試需求，第三方測(cè)試人員根據(jù)相關(guān)要求完成測(cè)試任務(wù)，并提交測(cè)試報(bào)告。

5 測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)級(jí)測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法多種多樣。這些方法可以來自于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試相對(duì)成熟的其他行業(yè)，也可以來自于航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試自身的工作經(jīng)驗(yàn)。本文對(duì)當(dāng)前業(yè)界常用、并已經(jīng)用于航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試用例設(shè)計(jì)的軟件測(cè)試方法、基于模型的測(cè)試方法和試驗(yàn)測(cè)試方法進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

軟件測(cè)試方法中，常用于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的有黑盒測(cè)試方法(有效等價(jià)類法、邊界值分析法、因果圖法、錯(cuò)誤推測(cè)法等)和白盒測(cè)試方法(邏輯覆蓋法、基本路徑覆蓋法等)[6]。以上方法，支持對(duì)系統(tǒng)級(jí)軟件功能的測(cè)試需求形成規(guī)定格式的描述，并在此基礎(chǔ)上能夠自動(dòng)生成測(cè)試用例集合。此外，軟件測(cè)試?yán)碚撝袑?duì)于測(cè)試目的(證偽)、測(cè)試原則(盡早地和不斷地進(jìn)行測(cè)試)和測(cè)試設(shè)計(jì)信息來源(需求和功能規(guī)范、輸入輸出域、操作特性、故障模型)的理念[7-9]對(duì)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試概念的建立也起到了積極的推動(dòng)作用。

基于模型的測(cè)試方法，常用于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的有基于多信號(hào)流圖的建模方法[10-12]、基于場(chǎng)景的建模方法[13]、基于有限狀態(tài)機(jī)[14-16]的建模方法等。通過多信號(hào)流圖法能夠?qū)教鞆?fù)雜信息流進(jìn)行建模，再結(jié)合軟件測(cè)試方法，也能夠自動(dòng)生成測(cè)試用例[17]；基于場(chǎng)景的建模方法又可以分為許多分支。比如，可以采用有向圖的方式來描述測(cè)試用例中事件流復(fù)雜關(guān)系[18]。方法是有向圖的主干為基本流, 描述了用例的典型事件流；支干為備選流, 描述了異?；蛘叱霈F(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)會(huì)發(fā)生的事件流。搜索有向圖的所有可能路徑，并用樹的方式表示出來，對(duì)樹進(jìn)行搜索直至搜索出所有以根節(jié)點(diǎn)開始、葉子節(jié)點(diǎn)結(jié)束的所有路徑, 即可得到所有用例場(chǎng)景，最終形成針對(duì)場(chǎng)景的測(cè)試用例集合；復(fù)雜系統(tǒng)大致上可以分為兩組，無狀態(tài)系統(tǒng)和面向狀態(tài)系統(tǒng)。復(fù)雜航天器系統(tǒng)可以認(rèn)為是以控制為主導(dǎo)的復(fù)雜系統(tǒng)。控制部分通?？梢越３梢粋€(gè)有限狀態(tài)機(jī)(FSM)，基于有限狀態(tài)機(jī)的建模方法適合于解決多狀態(tài)復(fù)雜系統(tǒng)，狀態(tài)間切換測(cè)試覆蓋性的測(cè)試設(shè)計(jì)問題[19]。由于“狀態(tài)”不再與時(shí)間要素有關(guān)聯(lián)，使得場(chǎng)景節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)大大減少，場(chǎng)景模型更加接近航天器設(shè)計(jì)狀態(tài)。

試驗(yàn)測(cè)試方法，常用于系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的為正交試驗(yàn)法，適合于安排因素較多、周期較長(zhǎng)和多指標(biāo)的試驗(yàn)。利用正交試驗(yàn)，可以合理地減少試驗(yàn)次數(shù)。該方法也常在軟件等行業(yè)中用來優(yōu)化測(cè)試用例集。在航天器測(cè)試中，此方法可用于多器組合體模飛測(cè)試過程和所有設(shè)備主備份狀態(tài)設(shè)置的設(shè)計(jì)任務(wù)之中。

6 測(cè)試工具

在航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的發(fā)展過程中，首先出現(xiàn)的是單步手動(dòng)測(cè)試；其后，隨著航天器研制水平的提高，航天器數(shù)量的增多，研制周期的縮短，以及對(duì)航天器測(cè)試要求的逐漸提高，出現(xiàn)了自動(dòng)化測(cè)試工具。然后，隨著航天器數(shù)量的進(jìn)一步增多，研制周期的進(jìn)一步縮短，測(cè)試人員的日益緊缺，測(cè)試人力資源逐漸被壓縮，自動(dòng)化測(cè)試工具向通用化、小型化、智能化等方向迅速發(fā)展。例如中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部提出的自動(dòng)判讀系統(tǒng)，其判讀知識(shí)表達(dá)可支持多種運(yùn)算符和函數(shù)，知識(shí)覆蓋面廣。推理機(jī)的設(shè)計(jì)充分考慮了載人航天器測(cè)試的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)判讀準(zhǔn)確性高，實(shí)時(shí)性好[20]。該自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)以測(cè)試項(xiàng)目模塊化思想為依托，提供了測(cè)試子項(xiàng)目設(shè)計(jì)平臺(tái)，自動(dòng)生成測(cè)試程序、測(cè)試細(xì)則文檔，自動(dòng)執(zhí)行測(cè)試程序并實(shí)現(xiàn)無人值守，測(cè)試結(jié)束后自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表并評(píng)估當(dāng)前測(cè)試是否有效通過。此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)試各階段流程化、自動(dòng)化程控，提高了測(cè)試效率[21]。

近些年，面對(duì)來自測(cè)試管理層面包括資源管理、狀態(tài)管理、不合格審理、補(bǔ)充測(cè)試等各種細(xì)致需求，測(cè)試工具的應(yīng)用范圍，又從技術(shù)工具快速地向技術(shù)加管理工具方向邁進(jìn)。中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部提出的多航天器全流程自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)[22]，如圖3所示，該系統(tǒng)面向多航天器并行測(cè)試需求，以多星測(cè)試數(shù)據(jù)處理平臺(tái)為核心，以全流程測(cè)試信息管理平臺(tái)為頂層，以功能和性能自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)為支柱，以各類前端設(shè)備為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試設(shè)計(jì)通用化、測(cè)試實(shí)施自動(dòng)化、測(cè)試過程信息化、測(cè)試評(píng)估智能化，大幅提高了測(cè)試效率和管理水平。中國(guó)空間研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部提出的一體化集成測(cè)試系統(tǒng)，支持航天器綜合測(cè)試業(yè)務(wù)全過程的控制和實(shí)施，保證航天器研制任務(wù)的圓滿完成。中國(guó)空間技術(shù)研究院東方紅衛(wèi)星公司提出的小衛(wèi)星自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)[23]，基于狀態(tài)圖的智能測(cè)試建模方法、智能判讀技術(shù)、面向多星的數(shù)據(jù)并行管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星綜合測(cè)試全技術(shù)流程的測(cè)試設(shè)備信息化管理、測(cè)試設(shè)計(jì)與流程管理、測(cè)試執(zhí)行自動(dòng)化管理、測(cè)試判讀和結(jié)果分析智能化管理；具備測(cè)試資源動(dòng)態(tài)調(diào)配、測(cè)試細(xì)則快速生成、測(cè)試用例一鍵式執(zhí)行判讀、測(cè)試結(jié)果一鍵式分析記錄等特點(diǎn)。

7 當(dāng)前面臨的問題

在當(dāng)前的航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中，面臨的問題主要有以下幾方面。

(1)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中的技術(shù)決策存在一定的主觀性[24]。這就使得“過測(cè)試”和“欠測(cè)試”的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，主要有以下幾個(gè)原因。①缺乏系統(tǒng)級(jí)測(cè)試?yán)碚摰闹笇?dǎo)。當(dāng)前，航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試?yán)碚撊蕴幱诎l(fā)展過程中。由于缺乏理論指導(dǎo)，使得實(shí)踐探索過程中做出了欠佳甚至是風(fēng)險(xiǎn)較大的決策。②對(duì)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試中的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別較為困難。由于航天器系統(tǒng)的復(fù)雜性以及無法在地面完全重構(gòu)在軌運(yùn)行環(huán)境等原因，對(duì)航天器在軌期間的風(fēng)險(xiǎn)因素與測(cè)試需求之間建立完備的映射，本身就是難度較大的事情。③航天器系統(tǒng)的測(cè)試需求各不相同。正如航天器設(shè)計(jì)人員經(jīng)常需要回答“這是客戶所需要的系統(tǒng)嗎？”這類問題，類似地，航天器測(cè)試人員經(jīng)常需要回答的問題是“我如何能證明這個(gè)系統(tǒng)能夠按照期望正常運(yùn)行？”由于航天器系統(tǒng)間功能需求的差異性，與其對(duì)應(yīng)的測(cè)試需求也不可能相同。④航天器系統(tǒng)研制隊(duì)伍的工作思路各不相同，不同類別航天器在長(zhǎng)期的發(fā)展過程中，形成了具有自身特點(diǎn)的項(xiàng)目組織模式及工作習(xí)慣。又因?yàn)殛?duì)伍間的技術(shù)交流溝通不夠，對(duì)行業(yè)內(nèi)部形成統(tǒng)一的航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的各項(xiàng)認(rèn)識(shí)造成了巨大的障礙。⑤由于處于航天器研制流程的后端，受迫于研制成本和研制周期的壓力，這往往導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試進(jìn)行時(shí)間的擠壓甚至刪減。

(2)對(duì)于航天器的設(shè)計(jì)缺乏了解，使得系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的系統(tǒng)性不強(qiáng)。只有測(cè)試實(shí)施人員對(duì)被測(cè)試航天器的設(shè)計(jì)具有一定的了解，才能產(chǎn)生高質(zhì)量的測(cè)試設(shè)計(jì)。當(dāng)前研制模式，測(cè)試人員了解航天器設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)不多。通常情況下，只需要結(jié)合測(cè)試需求，依據(jù)“電測(cè)大綱”即可完成測(cè)試。部分測(cè)試人員還缺乏對(duì)測(cè)試需求的深入分析，對(duì)測(cè)試的激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)數(shù)據(jù)的路徑以及測(cè)試數(shù)據(jù)的物理意義缺乏了解，滿足于按照測(cè)試細(xì)則的要求按步驟完成測(cè)試。

(3)航天器系統(tǒng)在全生命周期各個(gè)階段的測(cè)試程度和測(cè)試內(nèi)容缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和管理。航天器產(chǎn)品的測(cè)試應(yīng)貫穿于其整個(gè)生命周期。當(dāng)前，雖然在前期工作中的測(cè)試覆蓋性分析階段，對(duì)航天器發(fā)射前，各個(gè)階段的測(cè)試程度和測(cè)試內(nèi)容有所規(guī)定，但普遍缺乏有效的跟蹤和管理手段。此外，由于各個(gè)階段測(cè)試人員分屬不同行政機(jī)構(gòu)，缺乏能夠全局掌控和有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的專業(yè)人員。

8 結(jié)束語

航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試作為提高任務(wù)成功率的重要手段之一，其在航天器研制過程中的重要性也日益提高[24]。隨著現(xiàn)代航天器系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，航天器的系統(tǒng)級(jí)測(cè)試也需要進(jìn)一步發(fā)展，引入更多適用的測(cè)試?yán)碚?、方法和技術(shù)。后續(xù)工作中，需要對(duì)航空業(yè)、嵌入式系統(tǒng)等系統(tǒng)級(jí)測(cè)試發(fā)展較為完備的行業(yè)，借鑒相關(guān)的工作思路和方法，并應(yīng)用至實(shí)際工作之中。在理論和實(shí)踐不斷的交叉積累過程中，促進(jìn)航天器系統(tǒng)級(jí)測(cè)試專業(yè)的不斷發(fā)展。

References)

[1] Harry Jones. Integrated systems testing of spacecraft[C]// The 37thInternational Conference on Environmental Systems(ICES). Chicago: Aviation Industry Development Research,2007

[2]譚維熾, 胡金剛. 航天器系統(tǒng)工程[M]. 北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 2009

Tan Weizhi, Hu Qigang. Spacecraft Systems Engineering[M].Beijing: China Science and Technology Press,2009 (in Chinese)

[3]周一鳴. 探究美國(guó)SpaceX公司的發(fā)展與成功[J]. 國(guó)際太空, 2014(9): 27-29

Zhou Yiming. Exploring the growth and success of SpaceX[J]. Space International, 2014(9): 27-29 (in Chinese)

[4]Britton Keith J, Dawn M Schaible. Testing in NASA human-rated spacecraft programs: how much is just enough[R]. Boston: Massachusetts Institute of Technology, 2003

[5]潘順良, 張明江, 李鴻飛, 等. 航天器遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 航天器工程, 2015, 24(5): 113-118

Pan Shunliang, Zhang Mingjiang, Li Hongfei, et al. Design and application of spacecraft remote test system[J]. Spacecraft Engineering, 2015,24(5):113-118 (in Chinese)

[6]富小薇, 王志富，楊瀟. 航天器電測(cè)中軟件測(cè)試用例設(shè)計(jì)[J]. 航天器工程, 2010, 19(6): 81-86

Fu Xiaowei, Wang Zhifu, Yang Xiao. Design of software test case in spacecraft electrical test[J]. Spacecraft Engineering, 2010, 19(6): 81-86 (in Chinese)

[7]Ron Patton. 軟件測(cè)試[M]. 張小松，譯. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2006

Ron Patton. Software testing[M]. Zhang Xiaosong, translated. Beijing: China Machine Press, 2006 (in Chinese)

[8]Bertolino A．Software testing research：achievements，challenges，dreams[J]// Future of Software Engineering, 2007：85-103

[9]Kshirasagar Naik, Priyadarshi Tripathy. Software testing and quality assurance theory and practice[M]. Publishing House of Electronics Industry, 2013

[10] 龐兵. 多信號(hào)建模與故障診斷方法及其在航天器中的應(yīng)用研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2005

Pang bing. Resarch on multisignal model and fault diagnosis for spacecraft[D]. Harbin: Harbn Institute of Technology, 2005 (in Chinese)

[11]胡琪. 皮衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與改進(jìn)[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2010

Hu qi. The testing system design and improvement for pico-satellite[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2010 (in Chinese)

[12]John W Sheppard, William R Simpson. Research perspectives and case studies in system test and diagnosis[M]. Berlin: Springer Science Business Media, 1998

[13]潘建勇, 陳邦興. 基于場(chǎng)景的測(cè)試用例設(shè)計(jì)方法研究[J]. 通信技術(shù), 2011(12): 77-80

Pan Jianyong, Chen Bangxing. Research on test case of design method based on scenario[J]. Communications Technology, 2011(12): 77-80 (in Chinese)

[14]Jonathan D, Young Major. Development of a finite state machine for a small unmanned aircraft system using experimental design[D]. Air Force Institute of Technology,Department of The Air Force Air University, 2015

[15]Broy M，Jonsson B，Katoen J P，et al．Model—based testing of reactive systems—advanced lectures, LNCS 3472[R]. Berlin: Springer Verlag，2005

[16]Lee D, Yannakakis M．Testing finite state machines；State identification and verification[J]. IEEE Transactions on Computers，1994，43(3)：306-320

[17]富小薇. 航天器間信息流測(cè)試驗(yàn)證實(shí)踐[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2015, 23(9): 3100-3104

Fu Xiaowei. Spacecraft information flow test validation practice[J]. Computer Measurement and Control, 2015, 23(9): 3100-3104 (in Chinese)

[18]富小薇. 探月三期月地高速再入返回飛行器全任務(wù)飛行過程驗(yàn)證策略設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J]. 中國(guó)科學(xué)(技術(shù)科學(xué)), 2015, 45(2): 139-144

Fu Xiaowei. Design and practice for the full mission flight process validation strategy[J]. Scientia Sinica Technologica, 2015, 45(2): 139-144 (in Chinese)

[19]呂效慰, 王華茂, 閆金棟. 基于狀態(tài)圖的航天器測(cè)試用例設(shè)計(jì)[J]. 航天器工程, 2014, 23(6): 135-140

Lü Xiaowei, Wang Huamao, Yan Jindong. Research of stetecharts-based test case design in spacecraft test[J]. Spacecraft Engineering, 2014,23(6):135-140 (in Chinese)

[20]吳偉, 張威, 潘順良，等. 自動(dòng)判讀系統(tǒng)在載人航天器電測(cè)中的應(yīng)用[J]. 航天器環(huán)境工程, 2011, 28(6): 628-631

Wu Wei, Zhang Wei, Pan Shunliang，et al. Application of automatic diagnostic system in the electrical test for manned spacecraft[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2011, 28(6): 628-631 (in Chinese)

[21]何永叢, 潘順良, 李鴻飛, 等. 載人航天器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2015, 23(10): 3258-3263

He Yongcong, Pan Shunliang, Li Hongfei, et al. Design and application of automatic test system for manned spacecraft[J]. Computer Measurement and Control, 2015, 23(10): 3258-3263 (in Chinese)

[22]儲(chǔ)海洋, 何曉宇, 宋宏江. 航天器綜合測(cè)試信息管理平臺(tái)構(gòu)建與應(yīng)用[J]. 航天器工程, 2015, 24(6): 123-128

Chu Haiyang, He Xiaoyu, Song Hongjiang. Design and application of spacecraft integrated test information management platform[J]. Spacecraft Engineering, 2015, 24(6): 123-128 (in Chinese)

[23]戴澗峰, 袁媛, 馮孝輝. 基于工作流的小衛(wèi)星自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011, 19(12): 2912-2915

Dai Jianfeng, Yuan yuan, Feng Xiaohui. Design of small satellite automatic test based on working flow[J]. Computer Measurement and Control, 2011, 19(12): 2912-2915 (in Chinese)

[24]Keith J Britton. Spacecraft testing programs: adding value to the systems engineering process[C]// 26th Aerospace Testing Seminar. Manhattan Beach, California: Institute of Environmental Sciences, 2011

(編輯：張小琳)

Current Situation Overview of Spacecraft System Level Test

FU Xiaowei WANG Huamao YAN Jindong LU Chengzhi WANG Qingquan

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

This paper try to discuss the system level test of spacecraft in the aspects of test metho-dology, test plan, test mode, test cases design method and test tool. From the testing methodo-logy aspect, testing coverage analysis method, up-to-down or down-to-up method, object-oriented or process-oriented method are discussed. From the testing plan aspect, low cost satellite, commercial satellite and manned spacecraft are discussed according to the classification of spacecraft in NASA. In the testing mode aspect, task organization mode, test system deployment mode and the staff allocation mode are discussed. In the test case design aspect, software testing method, model-based testing method and test method are discussed. In the testing tools aspect, manual tool, automatic tool and information management tool are discussed. And then, the current situation and the problems are given.

spacecraft; system level test; current situation; development trend

2016-11-09；

2017-01-09

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

富小薇，女，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教炱飨到y(tǒng)級(jí)測(cè)試設(shè)計(jì)。Email：xwfusmile@vip.sina.com。

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.017