北斗導航全球組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

杜 雪 張 軍 曾繁彬 王亞賓 劉 靜

中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海201210

根據(jù)北斗三號系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務(wù)。在發(fā)射高峰年，每年可能需要并行研制8-10顆衛(wèi)星。在組網(wǎng)衛(wèi)星進入批生產(chǎn)AIT(總裝集成試驗)階段后，需要對構(gòu)成衛(wèi)星實體的單機、分系統(tǒng)以及整星的功能和性能進行全面的綜合測試。衛(wèi)星綜合測試是北斗導航衛(wèi)星批生產(chǎn)階段檢驗衛(wèi)星電氣功能、性能指標，確保衛(wèi)星工程品質(zhì)的重要技術(shù)手段[1-3]。

然而，適合單星測試的地面綜合測試系統(tǒng)[4]沒有一個統(tǒng)一的任務(wù)規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)，對于導航組網(wǎng)衛(wèi)星研制所需的自動測試和故障診斷、海量數(shù)據(jù)查詢等更缺乏必要的軟硬件設(shè)備支持。這種設(shè)備現(xiàn)狀已經(jīng)無法滿足導航組網(wǎng)衛(wèi)星的批量化研制生產(chǎn)。具體差距如下：

1)總控設(shè)備同一時間只能支持單顆衛(wèi)星測試;

2)測試自動化程度低?，F(xiàn)有的測試設(shè)備基本依靠人工手動進行測試，測試方式落后，導致測試周期長，測試覆蓋性不全，人為因素對測試結(jié)果影響較大，個別功能項只能以分析代替測試等問題;

3)缺乏測試設(shè)備集中監(jiān)控。在系統(tǒng)工作過程中，需要在每個測試設(shè)備端進行監(jiān)控，以避免軟、硬件隨時會發(fā)生的各種錯誤，因此需要投入大量的測試員，效率低且成本高;

4)測試報告難以自動生成。在當前測試中，一次測試完成后，測試報告的生成只能通過測試人員手動統(tǒng)計測試結(jié)果并撰寫，難以對測試全過程進行全面的描述;

5)數(shù)據(jù)庫性能有限。在長時間的測試過程中，需要存儲大量的數(shù)據(jù)，因此，只有高性能的數(shù)據(jù)庫才能滿足數(shù)據(jù)對存儲、檢索和回放的要求。

以上這些問題對導航組網(wǎng)衛(wèi)星的批生產(chǎn)[5]時間進度和成本開支都造成了極大的影響，已不能滿足后續(xù)導航組網(wǎng)衛(wèi)星研制進度的要求。因此需要研制新的智能化綜合測試系統(tǒng)，降低測試人員的工作強度，提高測試效率，降低測試成本。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

導航組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)由總控設(shè)備(OCOE)[6]和各分系統(tǒng)專用測試設(shè)備(SCOE)組成(如圖1所示)。

圖1 多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 總控設(shè)備(OCOE)

由主測試計算機MTP、操作控制臺TCC、數(shù)據(jù)中心DMS、時間基準源、標準輸出外設(shè)、監(jiān)控顯示計算機、局域網(wǎng)和系統(tǒng)測試軟件等組成，主要負責完成綜合測試的數(shù)據(jù)管理，輔助測試人員管理所有專用測試設(shè)備、自動化測試以及全生命周期的信息化管理。

1.2 專用測試設(shè)備(SCOE)

由各分系統(tǒng)測試計算機、專門研制的設(shè)備和通用儀器設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境連接總控設(shè)備和專用測試設(shè)備的測試計算機，通過標準的測試通訊協(xié)議實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊，從而形成統(tǒng)一指揮和調(diào)度的衛(wèi)星電氣綜合測試體系。

1.2.1 綜合測試有線控制前端

包括能源前端、星務(wù)前端、綜合測試轉(zhuǎn)接線路盒和低頻電纜網(wǎng)，通過測試電纜建立綜合測試系統(tǒng)與被測衛(wèi)星之間的有線測試接口，完成衛(wèi)星供配電、參數(shù)監(jiān)測和指令控制(如圖2所示)。

圖2 綜合測試有線控制前端設(shè)備組成框圖

1.2.2 測控前端

由非相干數(shù)傳綜合基帶、擴跳頻綜合基帶、上下變頻器、時頻系統(tǒng)及碼服務(wù)器等組成。實現(xiàn)測控信號的調(diào)制解調(diào)、遙測遙控數(shù)據(jù)接收及測距信號的生成與處理。

1.2.3 姿軌控前端

主要由星載計算機仿真機、星上單機仿真機、姿控動力學仿真機、信號調(diào)理單元、軌道仿真機、地面測試終端、供電設(shè)備、監(jiān)視終端和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。

1.2.4 Ka星間鏈路前端

由上行、下行信號測試子系統(tǒng)、衛(wèi)星信息處理測試子系統(tǒng)和時頻測試子系統(tǒng)組成。

1.2.5 RNSS載荷前端

包括上行、下行信號測試子系統(tǒng)、衛(wèi)星信息處理測試子系統(tǒng)和時頻測試子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

導航組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)功能圖

2.1 供電及供電檢測

地面太陽電池陣模擬器和運載上面級供電模擬器(恒壓源)供電，通過GPIB或網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)對地面模擬電源的有線控制及參數(shù)監(jiān)測。

2.2 任務(wù)規(guī)劃與進度管理

滿足多星并行測試需求，提供測試任務(wù)管理功能，實現(xiàn)從分系統(tǒng)測試到整星測試的各階段測試過程的規(guī)范化管理。

2.3 用戶管理與控制

對測試參與人員、測試設(shè)備等資源進行規(guī)劃；專用測試設(shè)備SCOE的入網(wǎng)工作，首先要注冊管理；OCOE可對參與測試的SCOE設(shè)備設(shè)置權(quán)限，進行動態(tài)監(jiān)測。

2.4 配置管理與控制

包括遙控指令配置、ICD配置、測試界面配置、測試環(huán)境和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置。

2.5 測試管理與控制

2.5.1 地面時間基準

配備專用時間基準源，用于地面測試設(shè)備的時間統(tǒng)一以及對衛(wèi)星平臺的校時。

2.5.2 狀態(tài)控制與參數(shù)監(jiān)測

通過測控無線或地測有線通道以遙控指令形式對衛(wèi)星施加供電、激勵及控制信號，再經(jīng)下行遙測檢測、驗證星上設(shè)備相應參數(shù)；對星上設(shè)備的各種參數(shù)按一定時間間隔進行監(jiān)視，并按判據(jù)檢測出狀態(tài)變化參量；采集各SCOE的遙測數(shù)據(jù)，同時將采集到的遙測參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給姿軌控、測控及載荷等分系統(tǒng)前端機；通過網(wǎng)絡(luò)端口以及相關(guān)協(xié)議實現(xiàn)對各SCOE的管理與控制。

2.5.3 測試過程管理

支持單星或多星的單條指令以及測試序列的發(fā)送。用戶可以選擇性地對某顆星發(fā)送單指令或自動執(zhí)行指令序列。對整個測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接、硬件連接及軟件運行的狀況進行監(jiān)控，確保測試系統(tǒng)的正常運行。

2.5.4 測試數(shù)據(jù)監(jiān)測

不同數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)顯示可通過監(jiān)顯軟件界面靈活切換，實現(xiàn)衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)監(jiān)顯。提供監(jiān)顯窗口分組管理。通過衛(wèi)星遙測參數(shù)構(gòu)建衛(wèi)星運行的三維虛擬空間環(huán)境并由終端顯示。

2.5.5 自動測試功能

實現(xiàn)測試細則的執(zhí)行，包括指令下發(fā)、遙測數(shù)據(jù)采集及工程數(shù)據(jù)接收等測試任務(wù)。自動判讀與自動測試相結(jié)合，具有基于專家經(jīng)驗的實時自動判讀衛(wèi)星工程遙測數(shù)據(jù)功能。根據(jù)自動判讀結(jié)果，對測試狀態(tài)、測試數(shù)據(jù)進行后處理，并自動生成測試報告。

2.5.6 故障模擬與診斷功能

盡可能的將歷史測試經(jīng)驗數(shù)據(jù)都搜集到衛(wèi)星知識庫中；設(shè)置故障模式，測試驗證衛(wèi)星處理故障的能力，具備圖形化建模能力；對非確定故障，采用推理機實現(xiàn)精確推理，降低系統(tǒng)誤報率。

2.6 數(shù)據(jù)管理與控制

2.6.1 數(shù)據(jù)歸檔與回放功能

對測試過程中遙控指令發(fā)送記錄、遙測原始記錄、專用測試設(shè)備測試原始記錄等按時間存入測試數(shù)據(jù)庫中，以便事后離線回放。所有發(fā)出和接收命令的信息設(shè)備均有運行日志歸檔。對存儲數(shù)據(jù)進行回放，根據(jù)存儲的測試時間段來選擇回放數(shù)據(jù)。

2.6.2 數(shù)據(jù)分析功能

可按測試數(shù)據(jù)、測試日志、操作日志、指令執(zhí)行統(tǒng)計及衛(wèi)星加電時間統(tǒng)計等查詢，對查詢數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果能夠以列表或圖表的形式進行分別顯示。

2.6.3 數(shù)據(jù)挖掘功能

根據(jù)測試過程中出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)，以及故障注入測試的參數(shù)信息，使用相應的算法進行計算，對可能出現(xiàn)的故障及出現(xiàn)時間進行預測。

2.6.4 圖像快視功能

在數(shù)據(jù)監(jiān)視界面定義過程中，支持多種顯示控件的調(diào)用，包括文本顯示控件、表單顯示控件、曲線顯示控件及圖形圖像控件等內(nèi)容。

3 智能測試設(shè)計

測試過程智能化是指對于整個測試任務(wù)，系統(tǒng)可根據(jù)時間安排及設(shè)備狀況給出合理化的任務(wù)安排，自動化執(zhí)行測試流程，智能分析故障情況。要實現(xiàn)測試過程智能化[7]，系統(tǒng)必須具有“學習”的能力，即具有獲取知識、積累知識和改進知識的能力。因此，測試平臺智能化的基礎(chǔ)是實現(xiàn)多星測試自動化，包括實時數(shù)據(jù)自動判讀監(jiān)控、故障診斷和自動測試報告生成(如圖4所示)。導航地面智能綜合測試系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 測試任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度

根據(jù)任務(wù)自動生成測試細則、用例、指令序列，可以對指令序列修改編輯；對測試依據(jù)文件、測試仿真數(shù)據(jù)、測試計劃調(diào)度、測試流程信息、接口關(guān)系以及數(shù)字簽名等文件進行版本入庫管理，實現(xiàn)對測試需求變更的追蹤管理。

3.2 自動化測試

根據(jù)任務(wù)安排調(diào)用相對應的測試用例執(zhí)行，自動執(zhí)行指令和發(fā)送數(shù)據(jù)，自動判讀和存儲測試結(jié)果，最終自動化完成項目的執(zhí)行和測試。

3.3 自動判讀

預先定義判讀規(guī)則模板，對判讀規(guī)則進行管理，自動判讀數(shù)據(jù)的理論值和臨界值，給出超差結(jié)論，并能對判讀結(jié)果生成的判讀報告進行存儲和導出。

圖4 智能測試執(zhí)行工作原理圖

3.4 故障診斷報警

衛(wèi)星測試過程中產(chǎn)生的海量特征數(shù)據(jù)蘊含了大量的故障信息，智能故障診斷軟件的輸入信息[8-10]有：采集和記錄的故障信息、設(shè)備狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)和測試結(jié)果，以及自動判讀標記的異常記錄。依據(jù)有效算法分析訓練測試數(shù)據(jù)，獲得相應的訓練模型；應用聚類、決策樹等機器學習算法，對大數(shù)據(jù)進行知識挖掘[11-12]，獲得與故障有關(guān)的診斷規(guī)則，通過加載診斷策略模型，實現(xiàn)測試結(jié)果的故障診斷，經(jīng)分析、推理確定故障類型，為異常數(shù)據(jù)的處理和分析提供初步結(jié)論。在故障識別和定位的基礎(chǔ)上對故障進行解釋和評估，并提供處理決策。同時，對異常數(shù)據(jù)可以定義不同的報警等級，進行數(shù)據(jù)報警。

3.5 測試報告自動生成

根據(jù)測試結(jié)果和判讀結(jié)果自動生成指定模板的測試報告，根據(jù)預期測試結(jié)果與故障診斷結(jié)論自動生成診斷報告，并給出初步診斷結(jié)論。

3.6 大數(shù)據(jù)存儲和分析

衛(wèi)星綜合測試中產(chǎn)生多種類型、多種表現(xiàn)形式的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星綜合測試數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程是一個衛(wèi)星數(shù)據(jù)不斷積累，數(shù)據(jù)表現(xiàn)多樣化的過程。通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)中心(如圖5所示)，能夠支持多星大數(shù)據(jù)的存儲和處理。

圖5 數(shù)據(jù)中心信息交互圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多星并行分布式測試技術(shù)

多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)的并行多任務(wù)設(shè)計，主要體現(xiàn)在采用獨立硬件接口、軟件模塊復用以及多任務(wù)處理架構(gòu)3個方面。并行測試模式下，將測試任務(wù)與測試系統(tǒng)的測試工程相對應，通過多個測試工程加載不同的測試模型，連接不同的測試前端實現(xiàn)多任務(wù)的并行測試[13-16]，保證各測試任務(wù)的獨立性，同時提供相應的接口滿足多任務(wù)間數(shù)據(jù)交互的需求。采用分布式測試方案，各子操作臺可以單獨進行SCOE測試工作，同時通過主操作臺也可實現(xiàn)對各子操作臺的集中控制與管理，可以滿足不同測試場景的需求。

4.2 海量測試數(shù)據(jù)管理分發(fā)技術(shù)

在導航批生產(chǎn)衛(wèi)星研制過程中，通過整星功能性能級測試、大型試驗、對接試驗和發(fā)射場測試等綜合測試，會產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。隨著導航全球組網(wǎng)運行，除了處理在研衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還要比對可能高達10顆以上的在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存儲、檢索和回放都對數(shù)據(jù)庫的性能提出了較高的要求。總控OCOE提供了性能較強的數(shù)據(jù)處理能力，實現(xiàn)組網(wǎng)星海量數(shù)據(jù)存儲和事后分析的功能。用戶可以查詢到測試中所有操作、命令和數(shù)據(jù)，詳查每個過程的細節(jié)，并且可以復現(xiàn)任一時刻的系統(tǒng)狀態(tài)。

4.3 測試標準化通用化技術(shù)

導航試驗衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)有很多設(shè)備，各設(shè)備之間交換的信號類型眾多、數(shù)量龐大且交聯(lián)關(guān)系復雜。分系統(tǒng)的地檢有些是標準儀器，有標準的對外開放接口；有些是專用設(shè)備接口，無對外接口或?qū)ν饨涌诓粯藴?，需要進行接口轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到1個故障模擬和測試系統(tǒng)中。制定標準化的接口協(xié)議，OCOE和SCOE之間按統(tǒng)一標準協(xié)議進行通訊，符合協(xié)議規(guī)范的SCOE設(shè)備能夠快速接入整個平臺，以應對地面設(shè)備變化帶來的整星研制進度風險。

5 結(jié)束語

智能化測試是未來衛(wèi)星地面和在軌綜合測試的發(fā)展方向，衛(wèi)星智能測試是傳統(tǒng)衛(wèi)星測試與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能的有機融合。北斗導航全球組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)實現(xiàn)了批生產(chǎn)衛(wèi)星并行測試，集中監(jiān)控管理，性能較強的數(shù)據(jù)庫可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和事后分析的功能，提升了測試過程中的自動化程度，減少了人員的投入，降低了生產(chǎn)測試成本，提高了測試的效率和完整性，有效支撐了北斗全球組網(wǎng)的建設(shè)。