姿軌控軟件控制功能測試方法簡析

宋力立　印玲

摘要：論文簡述了衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制軟件的功能構(gòu)成，并針對其核心的姿態(tài)確定和控制功能，總結(jié)一種宏觀的控制功能測試思路，可增加測試用例覆蓋的完整性，提高測試效率，保障測試質(zhì)量，同時該測試思路也可應(yīng)用于類似的大型控制軟件。

關(guān)鍵詞：姿軌控；軟件測試；控制；宏觀

1.背景

衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制軟件，以下簡稱“姿軌控軟件”，主要完成衛(wèi)星姿態(tài)確定、星上軌道計算、衛(wèi)星姿態(tài)及軌道控制、系統(tǒng)故障識別及故障對策、輸入輸出數(shù)據(jù)處理等任務(wù)；同時，還要完成對星載姿軌控計算機(jī)系統(tǒng)資源管理、姿軌控系統(tǒng)各種輸入輸出接口的數(shù)據(jù)及指令傳輸驅(qū)動，姿軌控計算機(jī)自檢及狀態(tài)監(jiān)測、故障識別及故障對策、雙機(jī)自主切換以及在軌遠(yuǎn)程編程等任務(wù)。

2.姿軌控軟件構(gòu)成

姿軌控軟件由功能上主要可以分為五大部分，分別為接口處理、姿態(tài)確定、姿態(tài)控制、故障診斷和底層管理，具體如下圖所示。

1）底層管理：主要包括衛(wèi)星上電初始化、硬件維護(hù)、三取二數(shù)據(jù)刷新、遙測數(shù)據(jù)下發(fā)、遙控數(shù)據(jù)接收、時鐘管理等等。底層管理部分的功能與一般嵌入式軟件的功能類似，完成與硬件相關(guān)，與姿軌控任務(wù)無關(guān)的功能。

2）接口處理：姿軌控?fù)碛写罅康妮斎朊舾衅骷洼敵鰣?zhí)行部件，這些接口每周期與姿軌控軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。每周期開始時，將最新的姿態(tài)信息發(fā)送給姿軌控軟件，進(jìn)行姿態(tài)解算；每周期結(jié)束前，將姿軌控軟件輸出的最新一拍控制指令發(fā)送給執(zhí)行部件。

3）姿態(tài)確定：衛(wèi)星收到的敏感器信息均為原始的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)處理才能得到衛(wèi)星控制所使用的姿態(tài)角度，這個過程被稱為姿態(tài)確定。姿態(tài)確定首先通過地面注入的軌道六要素或GPS數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星當(dāng)前的軌道信息，再根據(jù)各敏感器件的原理公式，解算出控制用姿態(tài)。

4）姿態(tài)控制：衛(wèi)星根據(jù)當(dāng)前的姿態(tài)、控制模式、飛行任務(wù)或地面注數(shù)的要求，對衛(wèi)星的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整的過程。姿態(tài)控制功能被細(xì)分為多種模式，每種模式采用不同的控制算法，軟件根據(jù)這些算法得出各執(zhí)行部件的控制輸出，最終通過接口發(fā)送給各執(zhí)行部件，完成姿態(tài)控制功能。

5）故障診斷：對衛(wèi)星當(dāng)前控制狀態(tài)進(jìn)行故障診斷的模塊，包括單機(jī)接口故障、數(shù)據(jù)處理故障、系統(tǒng)故障等等，針對不同故障，采取切換備用單機(jī)、選用其他單機(jī)、更改控制模式等故障應(yīng)對措施。

3.宏觀的控制功能測試思路

對于姿軌控軟件測試而言，測試的最大難點(diǎn)是其中的控制功能，控制功能是姿軌控軟件的核心，在實(shí)際測試中，由于白盒測試很難模擬控制功能中姿態(tài)動態(tài)的變化過程，所以一般需要構(gòu)筑閉環(huán)系統(tǒng)，采用黑盒閉環(huán)測試的方法進(jìn)行測試。

黑盒閉環(huán)測試的最大難點(diǎn)是衛(wèi)星姿態(tài)的不可控。由于衛(wèi)星敏感器的輸人由動力學(xué)模型提供，并與姿軌控系統(tǒng)和執(zhí)行部件構(gòu)成閉環(huán)回路，一旦軟件上電運(yùn)行，設(shè)計人員無法再對衛(wèi)星的姿態(tài)直接作出影響，僅能發(fā)送注數(shù)指令通過影響衛(wèi)星的控制流程對衛(wèi)星姿態(tài)作出間接影響，而姿軌控軟件測試中，大部分功能測試用例中最不可或缺的測試輸入恰恰就是敏感器單機(jī)上傳的數(shù)據(jù)經(jīng)過星上解算后的衛(wèi)星實(shí)際姿態(tài)。于是，測試人員不得不設(shè)計大量白盒測試的用例，一些能夠勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)的黑盒測試用例，數(shù)十分鐘甚至數(shù)個小時的執(zhí)行時間也使得測試執(zhí)行效率非常低下，在這種情況下，一種宏觀的控制功能用例設(shè)計思路就顯得非常重要。

控制是一個閉環(huán)的過程，如下圖2所示，姿軌控軟件根據(jù)敏感器的輸入姿態(tài)和當(dāng)前控制模式，計算執(zhí)行部件的輸出。動力學(xué)模型根據(jù)當(dāng)前拍執(zhí)行部件的輸出，解算新一拍的姿態(tài)，轉(zhuǎn)化為敏感器件的輸入并傳輸給姿軌控系統(tǒng)。

在閉環(huán)系統(tǒng)中，強(qiáng)行對姿軌控系統(tǒng)或動力學(xué)模型內(nèi)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，很有可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生不可預(yù)期的姿態(tài)偏差，并隨著系統(tǒng)的運(yùn)行不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致姿態(tài)走飛，僅能通過重啟姿軌控系統(tǒng)以及動力學(xué)模型來重新運(yùn)行軟件進(jìn)行測試。

因此，在進(jìn)行控制功能的測試時，我們只能通過宏觀的角度，對軟件整體功能進(jìn)行測試，這里我們以姿軌控系統(tǒng)中帆板閉環(huán)控制功能為例進(jìn)行詳細(xì)說明。

下圖3為帆板控制流程示意圖，看上去復(fù)雜，實(shí)際上就是根據(jù)帆板上的太陽角度和當(dāng)前驅(qū)動標(biāo)志設(shè)置輸出的帆板驅(qū)動角速度。

一般白盒或灰盒情況下測試時，一個輸入對應(yīng)一個輸出，共需要設(shè)計15個用例，如下表1所示。

然而，即使根據(jù)上表設(shè)計出15個用例，在實(shí)際測試中也是不可執(zhí)行的。由于帆板太陽角度與帆板輸出的驅(qū)動角速度依靠動力學(xué)模型構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，無法直接輸入，即使輸入也難以穩(wěn)定在某個值讓測試人員觀察結(jié)果，所以此時，應(yīng)當(dāng)通過更上層的功能層面對閉環(huán)驅(qū)動模式進(jìn)行測試。

通過對流程圖分析可知，驅(qū)動標(biāo)志的作用是判斷當(dāng)前帆板角度是由大角度控制收斂而來，還是由小角度震蕩發(fā)散而來，收斂時對驅(qū)動角速度加以控制，發(fā)散時保持默認(rèn)角速度不加控制。所以，只需要從功能上設(shè)計4個用例，即可對帆板閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。在測試實(shí)際執(zhí)行過程中，可以畫出當(dāng)前帆板角度和帆板驅(qū)動角速度的曲線圖，如有必要可以一一對比，同樣可以起到之前15個測試用例的效果。

帆板閉環(huán)控制系統(tǒng)僅為衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)中一個非常小的控制方案，但此類以上層功能特點(diǎn)為依據(jù)設(shè)計測試用例的方法，小到噴氣輸出、飛輪卸載等單機(jī)控制規(guī)律，大到機(jī)動控制、相對導(dǎo)航、軌道控制等衛(wèi)星主功能，都可以使用這類測試方法，增加測試用例的可執(zhí)行率。

4.結(jié)束語

對于姿軌控軟件中的控制功能，采用一種宏觀的測試思路，一方面可以增加每一個測試用例的覆蓋面，對控制功能中閉環(huán)的動態(tài)變化進(jìn)行測試，提升測試質(zhì)量，增加軟件問題的暴露率，另一方面，根據(jù)軟件閉環(huán)控制流程設(shè)計的測試用例，也可以大大提高測試用例的執(zhí)行效率，縮短測試執(zhí)行時間，提高測試效率。