一種衛(wèi)星供配電快速重組測試系統(tǒng)設計

封碩 楊宏宇 胡琳 齊天樂 杜劍波

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)是衛(wèi)星地面電氣支持設備中的重要一環(huán)，在地面測試的全周期過程中負責完成衛(wèi)星系統(tǒng)級加斷電、脫插脫落控制、分系統(tǒng)級配電控制、充放電測試控制等功能，并實時檢測衛(wèi)星反饋的自身供電健康狀態(tài)[1-3]。

不同衛(wèi)星在供電通路、信號類型及數(shù)量，以及星地接口等方面要求不同，對供配電地面測試系統(tǒng)的需求存在或多或少的差異。目前，國內大部分衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)是針對特定衛(wèi)星或特定系列衛(wèi)星進行專用設計[4-5]。因此，專用設備的通用化程度不高，造成重復利用率低，還會帶來研制周期長、投入成本高等問題，這些都已經(jīng)成為研制過程中亟待解決的問題。

針對以上問題，本文對供配電測試系統(tǒng)采用增強模塊內聚性和模塊間松散性的設計原則[6-7]，將衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)的多單機專用設備按照功能性進行分類提煉，通過通用模塊化定型設計，將設備層面的專用化轉換為模塊層面的通用化，同時優(yōu)化供配電前端軟件的通用化設計[8-9]，盡可能由軟件來替代以往硬件完成的功能，在優(yōu)化縮減系統(tǒng)繁瑣架構的同時提高系統(tǒng)的集成化程度和復用性，增強系統(tǒng)模塊層面在不同衛(wèi)星之間的通用性，使系統(tǒng)具備快速重組的能力。

1 系統(tǒng)設計

以衛(wèi)星傳統(tǒng)的供配電測試系統(tǒng)為例，因不同衛(wèi)星的技術狀態(tài)存在差異，導致星地接口及配置不通用，為了滿足差異化的技術狀態(tài)要求，一般進行專用設備定制，系統(tǒng)通常包括多通道采集控制設備、太陽電池陣模擬器(SAS)配電器、直流電源配電器、信號適配器、系統(tǒng)電源箱、警示燈控制器等設備，如圖1所示。專用設備體積龐大，集成在同一機柜，約占23U以上，為地面設備首次集成或轉場運輸后再集成時快速完成重組帶來了很大的困難。另外，由于采用專用化設計，可拓展性差，復用程度低。當衛(wèi)星任務更迭時，測試系統(tǒng)不具備快速重組能力，需要對地面系統(tǒng)進行改造甚至要重新投產(chǎn)。在供配電測試系統(tǒng)中，SAS及集中電源具有較強的專用性，不在本文討論范圍。

供配電前端軟件完成對衛(wèi)星的供電控制、有線指令發(fā)送、狀態(tài)信號采集等功能，并通過測試網(wǎng)與總控設備(OCOE)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。定制化的硬件系統(tǒng)開放性、靈活性有限，導致軟件通常采用針對硬件設備功能和接口的定制編寫，對開展軟件的快速構建具有很大的局限性，并且使軟件的開發(fā)占用更多的人力資源。

為解決上述問題，本文提出一種建立硬件功能板卡、軟件數(shù)據(jù)流模塊、匹配規(guī)則庫的設計方式(如圖2所示)。用戶可根據(jù)衛(wèi)星需求自由選配不同功能類型的板卡組成信號調理器，定制少量專用轉接電纜，即可完成硬件系統(tǒng)快速重組，并且通過軟件建立數(shù)據(jù)流模塊，靈活匹配規(guī)則庫實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)的快速重組，以適應具體衛(wèi)星的通路匹配和滿足輸出特性的測試需求。

圖1 傳統(tǒng)供配電測試系統(tǒng)Fig.1 Traditional test system for power supply

圖2 供配電快速重組測試系統(tǒng)Fig.2 Rapid recombination test system for power supply

1.1 硬件系統(tǒng)

為提高衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)的復用程度，節(jié)省設備研制經(jīng)費，減少研制周期，實現(xiàn)系統(tǒng)快速重組能力，將供配電測試系統(tǒng)按照功能模塊化思路設計。對各單機設備進行切割剝離，梳理供配電系統(tǒng)信號需求，根據(jù)信號功能特點分類并設計為印制電路功能板卡(PCB)形式，如配電功能板卡、控制功能板卡、測量功能板卡、分離脫落功能板卡、電源板卡。硬件系統(tǒng)結構如圖3所示，設備使用的所有功能板卡基于統(tǒng)一的機械和電氣規(guī)則進行模塊化設計，設備可根據(jù)需求通過匹配功能板實現(xiàn)功能組合。硬件結構采用主機-總線-功能板卡的形式，各功能板通過緊湊型總線接口(CPCI)接入母板上的總線，實現(xiàn)原有定制設備的通用化設計。

圖3 硬件系統(tǒng)通用化結構

面向“星上設備統(tǒng)一”狀態(tài)下的基本測試需求，配置1個測量功能板卡、1個控制功能板卡、1個電源板卡，即滿足衛(wèi)星基本測試準入條件。面向通用測試需求，通過板卡槽位還可以擴展除上述基本配置以外的5塊板卡，因此，該硬件系統(tǒng)最大包絡8塊板卡槽，通過各功能板卡的擴展和組合滿足未來不同衛(wèi)星的測試需求。目前，各類功能板卡基本滿足當前多領域衛(wèi)星的使用需求，如表1所示；若不滿足，可根據(jù)衛(wèi)星具體要求作板卡定制化設計。各模塊的功能關系以控制板卡、測量板卡為例，如圖4和圖5所示。

表1 供配電測試系統(tǒng)模塊型譜

圖4 控制板卡功能關系Fig.4 Control board card function relation

圖5 測量板卡功能關系Fig.5 Measure board card function relation

轉接電纜和背板連接如圖6所示，配置機柜背板，通過電纜將矩形電連接器轉接為通用Y2型電連接器。背板使用的轉接電纜可依據(jù)各功能板卡對外接口定義與測試系統(tǒng)機柜背板接口定義進行研制，此過程已簡化了插頭數(shù)量和類型。只要按照測試需求配備對應功能數(shù)量的板卡及適配轉接電纜，即可取代傳統(tǒng)模式下整個鏈路研制專用電纜的方法，實現(xiàn)快速重組。

圖6 硬件系統(tǒng)電纜轉接示意

通過上述對硬件系統(tǒng)的優(yōu)化設計，減少系統(tǒng)內冗余單機，內部各功能板卡之間交互接口更加清晰。從傳統(tǒng)模式轉變?yōu)楦鼡Q適配部分功能板卡的模式，有效縮短研制周期，使衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)的硬件部分具備快速重組能力。同時，相對于傳統(tǒng)供配電測試系統(tǒng)，單模塊具有可批產(chǎn)、易備份、系統(tǒng)成本低的優(yōu)勢。

1.2 軟件系統(tǒng)

在傳統(tǒng)衛(wèi)星供配電前端軟件中，硬件設備差異化設計造成軟件不同開發(fā)環(huán)境，使實現(xiàn)方法差異較大；另外，軟件對主程序的依賴性高，造成程序可移植性差，無法實現(xiàn)測試系統(tǒng)復用的快速重組。為使軟件系統(tǒng)具有通用性、可擴展與可維護性，實現(xiàn)快速重組能力，軟件中對測試資源進行建模(測試資源通常指完成測試任務使用的測試儀器)，通過模塊化實現(xiàn)不同衛(wèi)星之間的沿用與復用，簡化軟件的開發(fā)過程，延長軟件生命周期，為后期進一步模塊化奠定堅實基礎。軟件系統(tǒng)各模塊之間的結構關系如圖7所示，分別配置7個模塊。①設備管理模塊，完成衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)所需硬件設備的配置管理。②任務管理模塊，完成供、斷電控制及狀態(tài)設置等。③數(shù)據(jù)管理模塊，完成對星上有線狀態(tài)及有線測試設備狀態(tài)的測量。④界面管理模塊，實時顯示供配電設備的狀態(tài)及星上有線狀態(tài)。⑤測試執(zhí)行功能模塊，完成指令設置及執(zhí)行。⑥網(wǎng)絡功能模塊，完成與設備及總控網(wǎng)絡之間的信息交互。⑦輔助功能模塊，完成軟件及硬件初始狀態(tài)檢測及運行環(huán)境檢測與報警。

圖7 軟件系統(tǒng)各模塊結構Fig.7 Software system internal module structure

本文從數(shù)據(jù)流與模塊化設計的角度分析，使整個軟件系統(tǒng)具有良好的模塊層次結構。模塊的接口包括輸入輸出數(shù)據(jù)，輸入控制信號和輸出狀態(tài)信號。在軟件系統(tǒng)中，模擬量和狀態(tài)量的測量實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集設備的讀取功能，產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)流；指令發(fā)送實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)采集設備的寫入功能，實現(xiàn)對硬件設備參數(shù)設置及指令的控制，產(chǎn)生輸出數(shù)據(jù)流。通過輸入輸出數(shù)據(jù)流的界定，形成功能相對獨立、結構清晰、接口簡單的模塊，降低了程序設計的復雜性，易于維護和功能擴充。

軟件系統(tǒng)需要將采集的不同數(shù)據(jù)進行公式處理，轉換為可讀數(shù)據(jù)，以便監(jiān)視判讀。由于不同衛(wèi)星對信號處理的差異化要求，數(shù)據(jù)采集通道定義不同，導致各通道無法實現(xiàn)規(guī)則統(tǒng)一。為解決這一問題，軟件系統(tǒng)打破固定通道綁定固定參數(shù)的傳統(tǒng)設計思路，將處理方式類別化，建立數(shù)據(jù)處理通用規(guī)則庫，按照其在規(guī)則庫中的定義號，通過調用的方式簡單配置即可完成數(shù)據(jù)采集處理功能。該設計能為實現(xiàn)測試軟件可移植性與測試儀器互換性提供可靠依據(jù)，進而實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的通用性，縮短開發(fā)周期。

2 工程應用

采用快速重組的衛(wèi)星供配電測試系統(tǒng)在工程中進行應用，在衛(wèi)星1任務結束后，為適用衛(wèi)星2的技術狀態(tài)，對測試系統(tǒng)進行迭代適應性改造。硬件系統(tǒng)方面，分析需求差異，在繼承衛(wèi)星1的基礎上，調整部分功能板卡類別及數(shù)量，取代整機設備投產(chǎn)，詳見表2。對于信號數(shù)量及通道的變化，快速重組硬件系統(tǒng)各功能模塊最大包絡，通過調整軟件信號通道，映射匹配通用規(guī)則庫，滿足衛(wèi)星2的需求變化。

表2 硬件系統(tǒng)適應性修改

軟件系統(tǒng)方面，首先通過表2梳理衛(wèi)星1和衛(wèi)星2之間信號類型及數(shù)量的差異。由于硬件新增集中配電板卡，軟件根據(jù)數(shù)據(jù)流的變化，僅需要調整軟件中設備管理模塊及任務管理模塊；對于兩星之間接點通道的變化，識別出各通道的使用規(guī)則，通過映射通用規(guī)則庫實現(xiàn)軟件信號快速匹配，避免對軟件主程序框架進行調整和修改。軟件系統(tǒng)適應性修改詳見圖8。

圖8 軟件系統(tǒng)適應性修改

(1)集成小型化、通用化程度高。采用快速重組的供配電測試系統(tǒng)，在實現(xiàn)基本功能的同時較大程度地縮減了系統(tǒng)體積，減少了接插件及設備間電纜的規(guī)模，簡化了系統(tǒng)設計，集成化程度高，易于運輸。以某遙感衛(wèi)星為例，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)供配電測試系統(tǒng)的優(yōu)化比對情況見表3。

表3 系統(tǒng)優(yōu)化效果比對1

(2)成本控制低,研制周期短。采用快速重組的供配電測試系統(tǒng),在系統(tǒng)的模塊化、通用化、小型化、輕便化方面克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)的不足，更解決了傳統(tǒng)系統(tǒng)面臨的研發(fā)成本較高、研制周期長、搭建周期長、系統(tǒng)復用率低等問題。表4為2種測試系統(tǒng)的優(yōu)化對比情況，通過分析得出，研制周期節(jié)省45天，集成周期節(jié)省4天，并且在硬件方面做到了成本有效控制。

表4 測試系統(tǒng)優(yōu)化效果比對2

3 結束語

本文設計了一種快速重組的供配電測試系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的通用化程度和復用率；簡化了繁瑣的多機配置及連接關系，能提高系統(tǒng)容錯率；同時，系統(tǒng)體積減小，更加便于開展轉運集成等工作。在成本和研制周期方面，該系統(tǒng)也大大縮短研制周期和降低成本，適應當前衛(wèi)星工程的發(fā)展方向?？焖僦亟M的供配電測試系統(tǒng)已在部分衛(wèi)星研制中應用，效果明顯。