中國首次火星探測任務(wù)有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)設(shè)計

楊甲森，劉明潔，陳托，智佳，張華偉，王煒，陳志敏

（1. 中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心，北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

引 言

為了一次性實現(xiàn)“環(huán)繞”“著陸”“巡視”3個目標(biāo)，中國首次火星探測任務(wù)配置了環(huán)繞器、著陸巡視器（含進(jìn)入艙、火星車）2個探測器。其中環(huán)繞器上配置了中分辨率相機、高分辨率相機、環(huán)繞器次表層探測雷達(dá)等7類科學(xué)儀器，火星車上配置了多光譜相機、火星車次表層探測雷達(dá)、火星表面成分探測儀等6類載荷設(shè)備，且環(huán)繞器和火星車均配置了一臺載荷控制器對載荷進(jìn)行控制和管理[1]。

分系統(tǒng)級、整星級電性能綜合測試是有效載荷研制的重要環(huán)節(jié)，其目的是驗證有效載荷分系統(tǒng)的總體設(shè)計，同時為載荷總體改進(jìn)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持，檢測載荷設(shè)備間電接口、數(shù)據(jù)接口的匹配性，確認(rèn)集成后有效載荷分系統(tǒng)電氣性能、指標(biāo)與各級規(guī)范的一致性、在軌工作模式的合理性，考核星載計算機軟件的工作能力[2]。支持有效載荷完成上述測試任務(wù)的系統(tǒng)稱為有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)（下簡稱測試系統(tǒng)）。在有效載荷試驗過程中，測試系統(tǒng)一方面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)注入文件生成、測試用例設(shè)計，向有效載荷分系統(tǒng)發(fā)送遙控及數(shù)據(jù)注入指令，驅(qū)動載荷完成各工作模式的試驗；另一方面測試系統(tǒng)對有效載荷分系統(tǒng)按照一定的格式、協(xié)議和頻率下傳的數(shù)傳及遙測數(shù)據(jù)，進(jìn)行采集、處理、分發(fā)和持久管理。

中國首次火星探測任務(wù)具有多探測器和多類型載荷配置、多測試場景需求、載荷間科學(xué)數(shù)據(jù)判讀需求差異性大、遙測數(shù)據(jù)及注入指令高維特性等特點。這些特點對有效載荷地面測試系統(tǒng)提出了嚴(yán)格的設(shè)計要求：①測試系統(tǒng)需要設(shè)計統(tǒng)一軟硬件架構(gòu)平臺，支持2個探測器13類有效載荷在分系統(tǒng)狀態(tài)、整器狀態(tài)下的同時、異地的多場景試驗任務(wù)；②與星上科學(xué)數(shù)據(jù)處理與傳輸機制相匹配，測試系統(tǒng)需要逆向設(shè)計科學(xué)數(shù)據(jù)處理流程，以滿足13類載荷不同的科學(xué)數(shù)據(jù)判讀需求；③為了提高測試效率和判讀的準(zhǔn)確性，測試系統(tǒng)需要設(shè)計綜合數(shù)據(jù)判讀軟件，滿足高維遙測及數(shù)據(jù)注入指令的自動化判讀需求。

1 測試任務(wù)分析

1.1 試驗矩陣

測試系統(tǒng)用于支持有效載荷分系統(tǒng)狀態(tài)下和整器狀態(tài)下，初樣、正樣、發(fā)射場等各階段的綜合測試和大型試驗任務(wù)。中國首次火星探測工程有效載荷分系統(tǒng)試驗矩陣如表1所示（☆表示環(huán)繞器、▽表示著陸巡視器、★表示兩器聯(lián)合），包括了分系統(tǒng)桌面聯(lián)試、探測器集成測試、兩器聯(lián)合測試、內(nèi)場、外場等5種場景的試驗任務(wù)。

表1 有效載荷分系統(tǒng)試驗矩陣Table 1 Test matrix of payload subsystem

其中有效載荷分系統(tǒng)桌面聯(lián)試的內(nèi)容涵蓋載荷單機功能檢測、分系統(tǒng)測試、模飛、故障模式、軟件專項試驗等；探測器集成測試除包括系統(tǒng)級電性能綜合測試外，一般還包括力學(xué)、EMC（Electro Magnetic Compatibility）、熱試驗（包括熱平衡、熱真空）等[3]；因為火星任務(wù)具有兩器聯(lián)合探測的特殊使命，衛(wèi)星地面驗證工作相應(yīng)也包括兩器聯(lián)合測試的試驗；另外，針對巡視勘察任務(wù)的特殊性，著陸巡視器還要參加內(nèi)場和外場的試驗。上述5種場景中，分系統(tǒng)桌面聯(lián)試為分系統(tǒng)狀態(tài)下的測試，衛(wèi)星集成、兩器聯(lián)合、內(nèi)外場試驗等均為整器狀態(tài)下的測試。

1.2 技術(shù)要求

測試系統(tǒng)的研制需要同時滿足有效載荷分系統(tǒng)狀態(tài)、整器狀態(tài)2種試驗?zāi)Ｊ降募夹g(shù)要求。2種狀態(tài)下測試系統(tǒng)在功能、外部接口等技術(shù)要求方面有著明顯的差異，如表2所示。

由表2可知，分系統(tǒng)狀態(tài)與整器狀態(tài)下，對測試系統(tǒng)的技術(shù)要求最主要的區(qū)別在于：分系統(tǒng)狀態(tài)由于沒有真實探測器參與試驗任務(wù)，測試系統(tǒng)需要提供探測器平臺仿真來模擬星上設(shè)備完成有效載荷分系統(tǒng)的虛擬測試。該狀態(tài)下測試系統(tǒng)與載荷設(shè)備直接連接，要求測試系統(tǒng)在提供I/O接口連接的同時，確保不會由于地面測試設(shè)備的故障造成載荷設(shè)備的損壞，要求星地信號之間采用隔離手段。分系統(tǒng)狀態(tài)下，測試系統(tǒng)需要提供上下行兩條鏈路的數(shù)據(jù)交互和處理。

在整器狀態(tài)下，有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)，作為載荷專用測試設(shè)備（Special Check Out Equipment，SCOE）與衛(wèi)星總控測試設(shè)備（Overall Check Out Equipment，OCOE）通過測試網(wǎng)連接，接收OCOE發(fā)送的衛(wèi)星數(shù)傳、遙測原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行分路、分包、解壓縮等處理，以及圖像、曲線、表格等形式的載荷數(shù)據(jù)快視。在此狀態(tài)下，上行部分只保留數(shù)據(jù)注入文件生成的功能，下行部分增加由衛(wèi)星數(shù)管或綜合電子引入的數(shù)傳、遙測數(shù)據(jù)處理功能，其他功能狀態(tài)不變。

表2 有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)技術(shù)要求Table 2 Technical requirements of testing system

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 架構(gòu)設(shè)計

中國首次火星探測任務(wù)有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)的總體設(shè)計思路是：兩個探測器的測試系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)統(tǒng)一設(shè)計，在數(shù)據(jù)格式、交互協(xié)議、處理與快視需求等方面的差異通過具體軟件的實現(xiàn)來適應(yīng)。下文以環(huán)繞器的架構(gòu)設(shè)計為例進(jìn)行說明。

環(huán)繞器有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1、圖2所示。系統(tǒng)由接口適配、業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)管理等3層構(gòu)成。其中接口適配層設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲，業(yè)務(wù)處理層設(shè)備負(fù)責(zé)科學(xué)數(shù)據(jù)處理、判讀、數(shù)據(jù)注入文件生成、測試序列自動執(zhí)行，數(shù)據(jù)管理層設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)監(jiān)視與持久管理。3層設(shè)備通過千兆交換機鏈接構(gòu)成有效載荷測試網(wǎng)，相互協(xié)同實現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)采集、處理以及集中式數(shù)據(jù)監(jiān)視與管理。

圖1 環(huán)繞器有效載荷地面測試系統(tǒng)架構(gòu)（分系統(tǒng)狀態(tài)）Fig.1 Architecture of payload testing system for orbiter（subsystem state）

圖2 環(huán)繞器有效載荷地面測試系統(tǒng)架構(gòu)（整器狀態(tài)）Fig.2 Architecture of payload testing system for orbiter（satellite state）

接口適配設(shè)備與測試系統(tǒng)的外部接口對象（有效載荷分系統(tǒng)、衛(wèi)星總控測試設(shè)備）直接進(jìn)行交互。在組成上包括了載荷科學(xué)數(shù)據(jù)采集設(shè)備（主、備）、探測器平臺控制總線仿真設(shè)備、供配電接口仿真設(shè)備。在分系統(tǒng)試驗?zāi)Ｊ较?，模擬探測器平臺實現(xiàn)LVDS（Low Voltage Differential Signaling）接口科學(xué)數(shù)據(jù)采集、MIL-STD-1553B總線數(shù)據(jù)通信、RS422姿軌參數(shù)交互、秒脈沖（Pulses Per Second，PPS）及OC（Open Collector）遙控指令的發(fā)送，向載荷分系統(tǒng)提供一次電源；在整器試驗?zāi)Ｊ较?，實現(xiàn)數(shù)傳、遙測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)TCP（Transmission Control Protocol）協(xié)議的數(shù)據(jù)采集與分路處理。接口適配設(shè)備將采集的數(shù)據(jù)本地存儲后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給業(yè)務(wù)處理設(shè)備。

業(yè)務(wù)處理設(shè)備是系統(tǒng)的中樞，是測試系統(tǒng)智能化、自動化的核心體現(xiàn)。在組成上包括了載荷科學(xué)數(shù)據(jù)處理設(shè)備（主、備）、數(shù)據(jù)判讀設(shè)備、數(shù)據(jù)注入文件生成設(shè)備、測試用例設(shè)計設(shè)備、測試序列自動執(zhí)行設(shè)備等。在分系統(tǒng)模式下，下行方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分路、分包、物理量反演、科學(xué)數(shù)據(jù)用戶幀提取、解壓縮、綜合數(shù)據(jù)判讀等處理，上行方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)注入文件生成、測試用例設(shè)計、測試序列自動執(zhí)行與測試覆蓋性分析等功能；在整器狀態(tài)下，只實現(xiàn)分系統(tǒng)狀態(tài)的下行部分。業(yè)務(wù)處理設(shè)備將處理結(jié)果數(shù)據(jù)通過UDP（User Datagram Protocol）協(xié)議在測試局域網(wǎng)內(nèi)組播，分發(fā)給數(shù)據(jù)管理設(shè)備。

數(shù)據(jù)管理設(shè)備通過UDP組播協(xié)議采集工程、遙測參數(shù)處理結(jié)果數(shù)據(jù)、科學(xué)數(shù)據(jù)處理結(jié)果、上注的數(shù)據(jù)注入指令、綜合數(shù)據(jù)判讀結(jié)果信息等。對處理結(jié)果數(shù)據(jù)提供圖像、曲線、表格、場景等多種表現(xiàn)方式的快視，供載荷用戶進(jìn)行判讀。此外，測試設(shè)備產(chǎn)生的所有原始數(shù)據(jù)、處理報告、處理結(jié)果文件等均集中在數(shù)據(jù)管理設(shè)備上進(jìn)行統(tǒng)一管理。

架構(gòu)設(shè)計的特點是：針對測試系統(tǒng)在分系統(tǒng)狀態(tài)與整器狀態(tài)下外部接口和功能上的差異性，特別配置了接口適配設(shè)備和相應(yīng)的功能軟件。該設(shè)計一方面使得不同試驗?zāi)Ｊ较?，核心的業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)監(jiān)控與管理設(shè)備可以保持原有狀態(tài)，另一方面將數(shù)據(jù)采集與處理分開，排除了復(fù)雜數(shù)據(jù)處理會破壞載荷原始數(shù)據(jù)的隱患，測試系統(tǒng)在不能確保實時采集、實時處理、實時判讀的情況下，也能滿足實時采集、事后數(shù)據(jù)處理和分析的試驗最低要求。

2.2 功能設(shè)計

根據(jù)載荷用戶對測試系統(tǒng)的需求，以及測試任務(wù)的執(zhí)行場景，對測試設(shè)備的功能分配如表3所示。

測試設(shè)備功能設(shè)計的特點包括：①優(yōu)先級高、涉及星載荷設(shè)備安全的功能，與復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能、需頻繁交互的功能分離。包括將“LVDS數(shù)據(jù)實時采集與存儲”功能與“載荷科學(xué)數(shù)據(jù)處理”功能分離，以防處理異常引起數(shù)據(jù)采集、存儲的異常，將“供配電接口仿真”功能與“探測器平臺控制總線仿真”功能分離，以防設(shè)備誤操作危及載荷設(shè)備安全等。②接口適配層實現(xiàn)系統(tǒng)的高可靠、高可用，業(yè)務(wù)處理層實現(xiàn)系統(tǒng)的高自動化、智能化。接口適配設(shè)備完成基本交互功能，由業(yè)務(wù)處理設(shè)備對接口適配設(shè)備進(jìn)行協(xié)同調(diào)度實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化；③分布式處理、集中式快視。對載荷科學(xué)數(shù)據(jù)、總線數(shù)據(jù)，以及上注的指令數(shù)據(jù)，采用不同設(shè)備進(jìn)行分布式處理，但處理后工程、遙測參數(shù)、科學(xué)數(shù)據(jù)、指令數(shù)據(jù)、綜合判讀結(jié)果等信息集中在終端進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)視。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

測試系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸方式包括4種：①點對點交互的TCP傳輸協(xié)議，用于傳輸測試關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如上注給載荷設(shè)備的注入指令、控制載荷開關(guān)機的遙控指令，以及載荷供配電指令等；②點到多點交互的UDP組播協(xié)議，用于傳輸需要多點監(jiān)視的數(shù)據(jù)，如物理量反演后工程、遙測參數(shù)等；③Oracle數(shù)據(jù)庫訪問方式，用于傳輸數(shù)傳及遙測數(shù)據(jù)格式配置、參數(shù)處理方法配置、數(shù)據(jù)注入指令數(shù)據(jù)，確保全測試網(wǎng)數(shù)據(jù)處理狀態(tài)的一致性；④測試網(wǎng)內(nèi)文件共享方式。圖3對分系統(tǒng)狀態(tài)下TCP、UDP數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計進(jìn)行了說明。

表3 測試設(shè)備功能設(shè)計Table 3 Functional design of testing equipment

2.4 科學(xué)數(shù)據(jù)處理與快視設(shè)計

科學(xué)數(shù)據(jù)處理是有效載荷分系統(tǒng)區(qū)別于探測器其他分系統(tǒng)的最主要特征。中國首次火星任務(wù)有效載荷試驗過程中，不同類型的載荷對測試系統(tǒng)提出了不同的科學(xué)數(shù)據(jù)處理需求，如中分辨率相機、高分辨率相機需要實時監(jiān)測圖像數(shù)據(jù)，分析壓縮和解壓縮功能對圖像色彩和質(zhì)量的影響；火星能量粒子分析儀需要實時核驗科學(xué)探測的事例個數(shù)、事例均值、均方差等統(tǒng)計特征；火星磁強計需要實時查看內(nèi)外測探頭在X、Y、Z方向探測的磁場強度等等。

環(huán)繞器星上有效載荷科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計如下[1]：低速載荷科學(xué)數(shù)據(jù)通過RS422接口、高速科學(xué)數(shù)據(jù)通過LVDS發(fā)送給載荷控制器，載荷控制器對中分辨率相機、高分辨率相機進(jìn)行圖像壓縮，組織成源包格式，連同其他載荷數(shù)據(jù)一起，經(jīng)多路復(fù)接組成傳輸幀格式下行，通過LVDS接口發(fā)送給衛(wèi)星平臺。

圖3 數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計Fig.3 Design of data transmission mode

與其他空間科學(xué)任務(wù)相同，火星探測工程地面科學(xué)數(shù)據(jù)處理過程，也是星上科學(xué)數(shù)據(jù)處理和傳輸過程的逆過程。環(huán)繞器科學(xué)數(shù)據(jù)處理流程的設(shè)計如圖4所示。通過對AOS傳輸幀、存儲源包、載荷用戶幀等數(shù)據(jù)的失步、計數(shù)不連續(xù)信息的統(tǒng)計以及循環(huán)冗余校驗（Cyclical Redundancy Check，CRC）等方法，檢測載荷下行數(shù)據(jù)格式與接口規(guī)范的一致性，確認(rèn)星上數(shù)據(jù)處理和傳輸功能的正確性。

科學(xué)數(shù)據(jù)的快視如圖5～10所示（圖5為科學(xué)數(shù)據(jù)快視的統(tǒng)一界面，其他為各載荷科學(xué)數(shù)據(jù)的顯示效果）。測試系統(tǒng)采用時間同步數(shù)據(jù)管理方法，實現(xiàn)了科學(xué)數(shù)據(jù)與工程參數(shù)的關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)，在以圖像、曲線等方式表達(dá)科學(xué)數(shù)據(jù)時，可同步顯示科學(xué)數(shù)據(jù)采集時刻的工程遙測參數(shù)數(shù)據(jù)（如圖5右側(cè)），極大地提高了載荷用戶數(shù)據(jù)判讀的效率；采用虛擬內(nèi)存數(shù)據(jù)管理方法，實現(xiàn)全測試過程載荷科學(xué)數(shù)據(jù)用戶幀之間的任意漫游快視，在占用少量管理內(nèi)存的前提下，可支持理論值為硬盤容量的測試數(shù)據(jù)的快視。

圖4 環(huán)繞器科學(xué)數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Flow Chart of scientific data processing of orbiter

圖5 科學(xué)數(shù)據(jù)快視界面Fig.5 Quick display interface of scientific data

圖6 能量粒子分析儀科學(xué)數(shù)據(jù)快視（基線標(biāo)定）Fig.6 Quick display of scientific data collected by energy ion analyzer（baseline calibration）

圖7 礦物光譜分析儀科學(xué)數(shù)據(jù)快視（暗電平）Fig.7 Quick display of scientific data collected by mineral spectrograph analyzer（dark level）

2.5 綜合數(shù)據(jù)判讀設(shè)計

測試數(shù)據(jù)判讀是確認(rèn)有效載荷分系統(tǒng)軟硬件是否正常工作的依據(jù)[6]。首次火星探測任務(wù)中，初樣電性件僅環(huán)繞器有效載荷分系統(tǒng)的遙測參數(shù)達(dá)到700維，工程參數(shù)1 200維，數(shù)據(jù)注入指令400余條。遙測數(shù)據(jù)及指令執(zhí)行判據(jù)的檢測規(guī)則相對復(fù)雜，以遙控指令“載荷控制器A開機”為例，該指令的執(zhí)行判據(jù)包括了對5個遙測參數(shù)的判讀：“火星車母線電流”增加約0.3 A、“載荷控制器總電流”變化至區(qū)間0.24～0.35 A、“載荷控制器 + 5 V”變化至區(qū)間5 ± 0.2 V、“載荷控制器 + 3.3 V”變化至區(qū)間3.3 ± 0.2 V；“載荷控制器 + 12 V”變化至區(qū)間12 ± 1 V。若采用傳統(tǒng)工程上人工判讀、閾值判讀以及專家經(jīng)驗的手段進(jìn)行異常檢測[7]，勢必造成測試人員高強度判讀負(fù)荷、錯判漏判事件頻發(fā)的后果。

圖8 磁強計科學(xué)數(shù)據(jù)快視Fig.8 Quick display of scientific data collected by magnetometer

圖9 多光譜相機圖像快視Fig.9 Quick display of image taken by multispectral camera

圖10 中分辨率相機圖像快視Fig.10 Quick display of images taken by medium-resolution camera

為了提高系統(tǒng)測試的判讀質(zhì)量和判讀速度，針對火星探測任務(wù)工程遙測參數(shù)、數(shù)據(jù)注入指令的高維特性，測試系統(tǒng)專門設(shè)計了基于規(guī)則的數(shù)據(jù)判讀軟件，主要針對的規(guī)則類型參見表4。

表4 數(shù)據(jù)判讀規(guī)則設(shè)計Table 4 Regular of data discrimination

3 結(jié)束語

用于支持中國首次火星探測任務(wù)的有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)，遵循兩器軟硬件架構(gòu)統(tǒng)一設(shè)計、由具體的軟件實現(xiàn)來適應(yīng)兩器需求差異的原則，完成了由接口適配、業(yè)務(wù)處理、數(shù)據(jù)管理組成的3層系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，與星上科學(xué)數(shù)據(jù)處理與傳輸機制逆向的科學(xué)數(shù)據(jù)處理流程設(shè)計，以及針對遙測及注入指令高維特性的綜合數(shù)據(jù)判讀軟件設(shè)計。這些設(shè)計成功應(yīng)用于任務(wù)實踐，有效支撐了載荷各試驗?zāi)Ｊ较碌臏y試任務(wù)，也為未來深空探測器有效載荷地面綜合測試系統(tǒng)的研制提供了有益的參考。

進(jìn)一步的研究內(nèi)容包括：擴展數(shù)據(jù)判讀的規(guī)則類別，包括參數(shù)周期特性、趨勢特性、非線性相關(guān)等；開展機器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)處理方法在有效載荷數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)分析的智能化水平等。