復(fù)雜空間光學(xué)載荷電接口性能仿真建模及測試方法

于思博，咸競天，吳 瑾，鄭家寧，張 寧

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春 130033)

空間光學(xué)載荷在空間偵查、探測中起著至關(guān)重要的作用.空間光學(xué)載荷通常由多種類、多功能的電子設(shè)備及數(shù)據(jù)管理和通信系統(tǒng)組成［1-3］，為確保性能，空間光學(xué)載荷從研制到正式發(fā)射，通常需要經(jīng)過電接口測試、桌面聯(lián)試、電性測試、力學(xué)試驗測試、熱真空試驗驗證、電磁兼容性測試、發(fā)射場區(qū)技術(shù)測試等多次仿真測試［4-6］.空間光學(xué)載荷各分系統(tǒng)主要性能和功能的合理性，分系統(tǒng)的電接口正確性，以及分系統(tǒng)間合理協(xié)調(diào)及各計算機軟件系統(tǒng)運行的正確性、可靠性等都需要進行測試.只有通過全面系統(tǒng)測試，充分暴露空間光學(xué)載荷設(shè)計和生產(chǎn)的工藝缺陷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備及軟件的缺陷，才能保障空間光學(xué)載荷達到設(shè)計要求的生命周期［7］.根據(jù)空間光學(xué)載荷研制流程，各分系統(tǒng)第1次對接測試為電接口測試，為保證空間光學(xué)載荷電接口信號的統(tǒng)一性，各成像單元雖功能不同，但大多采用相同的硬件接口和通信協(xié)議［8］.當(dāng)空間光學(xué)載荷的成像單元數(shù)量較多時，直接使用真實的成像單元參與空間光學(xué)載荷電接口聯(lián)試存在空間光學(xué)載荷主體與各成像單元之間接口不一致、通信協(xié)議錯誤等問題，且使聯(lián)試時間變得十分漫長.因此，在空間光學(xué)載荷的電接口測試階段，首先需要測試空間光學(xué)載荷主體電接口功能的完整性和魯棒性.為此，本文提出采用仿真建模的方法模擬成像單元的電接口功能、性能，參與載荷主體的聯(lián)網(wǎng)測試，模擬成像單元工作模式、功率，接收載荷主體的供電、命令和注入指令，返回遙測參數(shù)、科學(xué)圖像數(shù)據(jù)，形成完整的閉環(huán)測試.本文建立的成像單元模型仿真測試設(shè)備利用仿真測試的方法對載荷主體電接口性能進行測試，不受硬件條件制約.通過對空間光學(xué)載荷主體與各成像單元之間的通信、圖像數(shù)據(jù)交換功能、工作模式以及對應(yīng)的功率進行建模仿真，實現(xiàn)對空間光學(xué)載荷電接口的完整閉環(huán)測試.

圖1 空間光學(xué)載荷電接口測試原理Fig.1 Principle of space optical load electrical interface test

1 測試設(shè)備組成及測試原理

空間光學(xué)載荷電接口測試原理見圖1.空間光學(xué)載荷測試系統(tǒng)由被測單元和成像單元仿真系統(tǒng)兩部分組成.該系統(tǒng)通過后端模型仿真機箱模擬真實的后端設(shè)備電接口狀態(tài)，并對空間光學(xué)載荷的電接口功能和通信鏈路進行測試.成像單元仿真系統(tǒng)通過對空間光學(xué)載荷發(fā)出的1553B數(shù)據(jù)和程控指令等進行解析［9-10］，控制各后端機箱的工作狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前工作模式控制功率仿真裝置的功率大小，模擬出真實后端設(shè)備接收到空間光學(xué)載荷指令時的工況.

成像單元模型仿真測試設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、主控臺計算機、后端模型仿真計算機、功率模擬設(shè)備、圖像模擬源等.主控臺計算機中的軟件部分由C#編寫，該軟件主要完成試驗配置、存儲ICD規(guī)則至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、注入數(shù)據(jù)、向成像單元仿真計算機發(fā)布XML等功能;后端模型仿真單元通過NI機箱與Labview編程實現(xiàn)，解析XML中的內(nèi)容，獲得數(shù)據(jù)解析規(guī)則，完成數(shù)據(jù)的解析和傳遞［11］;功率模擬設(shè)備采用艾德克斯的可編程電子負(fù)載，該設(shè)備通過接收模型仿真計算機發(fā)送的指令，模擬不同工作模式下的后端模塊功率［12-14］;圖像模擬源通過計算機模擬生成圖像數(shù)據(jù)并將圖像發(fā)送給被測單元.空間光學(xué)載荷測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖2.

在空間光學(xué)載荷電接口測試過程中，通過發(fā)送1553B數(shù)據(jù)指令、圖像數(shù)據(jù)等對空間光學(xué)載荷和各成像單元之間的通信、控制功能進行測試.通過主控臺計算機注入數(shù)據(jù)、模型仿真數(shù)據(jù)解析規(guī)則存儲和ICD管理，通過計算機對后端仿真系統(tǒng)解析出的參數(shù)進行判讀，通過空間光學(xué)載荷地面檢測設(shè)備中的快視系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)進行拼接和判讀［15］.空間光學(xué)載荷主體聯(lián)試流程見圖3.

以成像單元端模塊為例詳述空間光學(xué)載荷測試原理.在測試開始之前，通過主控臺軟件將ICD規(guī)則存入數(shù)據(jù)庫中，并通過發(fā)布XML的方式，將數(shù)據(jù)解析規(guī)則發(fā)布給各后端機箱;測試開始時，首先由主控臺軟件發(fā)送母線電源和主控箱上電指令，然后注入壓縮存儲上電指令，并將電源遙測狀態(tài)字3的bit9置1，電源控制發(fā)送狀態(tài)3的bit13置1.數(shù)據(jù)判讀終端通過解析各參數(shù)的狀態(tài)位判斷當(dāng)前狀態(tài)，并給出判讀結(jié)果，然后注入成像單元上電指令，電源遙測狀態(tài)字1的bit1置1.完成成像單元上電動作，同時將電源控制發(fā)送狀態(tài)1的bit15置1.成像單元仿真系統(tǒng)向功率模擬裝置發(fā)送上電指令，控制其模擬成像單元上電時的功率值.通過數(shù)據(jù)判讀終端顯示當(dāng)前電流、電壓和功率模擬裝置的功率值，并與參考值進行比較，完成對成像單元上電動作的判讀.

注入數(shù)據(jù)控制壓縮存儲開始執(zhí)行成像單元任務(wù)存儲，并控制圖像模擬源向壓縮存儲發(fā)送成像單元任務(wù)數(shù)據(jù)［16-18］，當(dāng)壓縮存儲的文件計數(shù)值停止時，成像單元任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢.當(dāng)注入下行通道打開指令時，壓縮存儲工作模式bit3置1，進入允許下行狀態(tài)，再次注入成像單元數(shù)據(jù)下行指令后，快視服務(wù)器將接收到壓縮存儲經(jīng)萬兆網(wǎng)下行的成像單元數(shù)據(jù).萬兆網(wǎng)下行包計數(shù)從零開始遞增，直至不再增長后，數(shù)據(jù)下行完畢.比較快視接收服務(wù)器的接收數(shù)據(jù)包計數(shù)與壓縮存儲下行數(shù)據(jù)包計數(shù)得到數(shù)據(jù)下行的判讀結(jié)論，最后注入下行通道關(guān)閉指令，工作模式指示bit3置0，壓縮存儲下電，電源遙測狀態(tài)字3的bit9置0，電源控制發(fā)送狀態(tài)3的bit13置0，母線和主控下電，母線電壓、電流為0.

圖3 空間光學(xué)載荷主體聯(lián)試流程Fig.3 Joint test process of space optical load main body

2 仿真試驗及數(shù)據(jù)分析

測試空間光學(xué)載荷的電接口.通過模擬成像單元的電接口狀態(tài)和通信鏈路，對空間光學(xué)載荷的電接口功能和各成像單元之間的數(shù)據(jù)交互功能進行完整測試.通過模擬成像單元工況和解析指令后返傳的參數(shù)，對空間光學(xué)載荷測試數(shù)據(jù)進行判讀，形成完整的測試閉環(huán).測試過程中通過主控臺軟件按測試用例逐步注入測試指令，并判讀注入結(jié)果.測試用例見表1.

表1 空間光學(xué)載荷成像單元電接口測試用例Tab.1 Test case of space optical load imaging unit electrical interface

2.1 數(shù)字遙測量數(shù)據(jù)、工程參數(shù)測試

在成像單元模型仿真入網(wǎng)測試過程中，成像單元仿真系統(tǒng)接收主控單元發(fā)來的數(shù)字遙測量和工程參數(shù)，通過實測值與預(yù)期值比對，驗證電接口的正確性.成像單元仿真測試系統(tǒng)覆蓋了各個成像單元的所有數(shù)字遙測量.測試成像單元模塊數(shù)字遙測量數(shù)據(jù)見表2.

表2 成像單元數(shù)字遙測量數(shù)據(jù)Tab.2 Imaging unit digital telemetry data

2.2 模擬成像單元工作模式和功率測試

在成像單元模型仿真系統(tǒng)入網(wǎng)測試過程中，成像單元仿真計算機將主控單元發(fā)送的工作指令和消息進行解析，并為成像單元功率模擬裝置設(shè)定相應(yīng)的工作模式，同時按照協(xié)議規(guī)則控制功率模擬裝置的電流大小，使功率模擬裝置消耗相應(yīng)功率.成像單元功率模擬裝置采用艾德克斯IT8816可編程電子負(fù)載，最大電壓120 V，最大電流240 A，最大功率3 000 W.成像單元功率模擬裝置實現(xiàn)了成像單元全部工作模式的功率模擬，各模塊工作模式及功率見表3.

表3 成像單元的工作模式及功率模擬Tab.3 Working mode and power simulation of the imaging unit

2.3 圖像數(shù)據(jù)傳輸測試

快視解壓縮服務(wù)器接收壓縮存儲下行的圖像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解壓，解壓完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送給快視圖像監(jiān)顯終端，通過圖像監(jiān)顯軟件顯示圖像數(shù)據(jù).成像單元模型仿真收到圖像模擬源發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)指令時，圖像模擬源將產(chǎn)生圖像信息，并通過光纖將數(shù)據(jù)傳送給壓縮存儲單元.由于圖像數(shù)據(jù)巨大，壓縮存儲采用先壓縮、再存儲的方式，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)萬兆網(wǎng)發(fā)送至快視磁盤陣列中，隨后解壓縮服務(wù)器對磁盤陣列中的圖像數(shù)據(jù)進行解壓，使得圖像模擬源發(fā)送的圖像顯示在快視監(jiān)顯終端界面上.為測試空間光學(xué)載荷圖像下傳接口的穩(wěn)定性，對成像單元圖像數(shù)據(jù)下行功能進行8 h壓力測試，每輪測試時長1 h.圖像快視系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)結(jié)果見表4.

表4 圖像快視系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of image quick view system receives data

3 結(jié) 論

為測試空間光學(xué)載荷電接口功能，同時避免因電接口不匹配、通信協(xié)議錯誤等問題損毀后端設(shè)備，設(shè)計了一種測試成像單元的通用仿真方法.通過對成像單元電接口、數(shù)據(jù)解析通信、功率模擬和圖像數(shù)傳功能的模擬和驗證，完整地對空間光學(xué)載荷主體電接口性能和通信鏈路進行測試，保證了空間光學(xué)載荷電接口的魯棒性，為后續(xù)試驗時成像單元入網(wǎng)提供了安全保障.同時，空間光學(xué)載荷在作為成像單元測試設(shè)備時具有更高的可靠性.試驗表明:本文設(shè)計的空間光學(xué)載荷主體電接口仿真測試方法有效地驗證了其電接口功能，為真實的成像單元入網(wǎng)提供了安全保障;同時，8 h圖像下傳測試無誤，證明空間光學(xué)載荷具有較強的魯棒性.