星載相機(jī)地面電性能測試系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

張雅琳，杜以強(qiáng)，王淳，林喆，孫偉健

1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094 2. 中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心，北京 100094

航天遙感探測廣泛應(yīng)用于民用與軍事各個領(lǐng)域[1]，對光譜細(xì)分測量可以獲取準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，為氣候預(yù)測與氣候效應(yīng)評估、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、礦產(chǎn)開發(fā)、軍事偵察等提供科學(xué)依據(jù)。其中星載相機(jī)是航天遙感最重要的一種成像方式。星載相機(jī)一旦升空便無法對其進(jìn)行維修，因此要求在衛(wèi)星發(fā)射之前對相機(jī)各部分進(jìn)行嚴(yán)格的測試。星載相機(jī)地面檢測系統(tǒng)[2-4]是在衛(wèi)星相機(jī)升空前對其進(jìn)行可靠性和穩(wěn)定性測試的重要系統(tǒng)，地面測試系統(tǒng)模擬衛(wèi)星平臺數(shù)管分系統(tǒng)、遙控分系統(tǒng)、供電分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)等功能和接口，完成對光學(xué)相機(jī)的控制，并為星載相機(jī)進(jìn)行性能測試、相機(jī)自檢、相機(jī)問題排查及配合各種試驗(yàn)研制。

目前的航天遙感類地面測試文獻(xiàn)著重于衛(wèi)星整星測試或相機(jī)專檢測試兩個方面，而沒有針對星載相機(jī)地面測試方法的論述。采用衛(wèi)星整星的地面測試方法[5-6]并不合適，整星測試只著重測試星載相機(jī)的直接指令和直接遙測信號，而間接指令、間接遙測和輔助數(shù)據(jù)等信號量無法完全覆蓋到；而采用相機(jī)專檢設(shè)備的測試方法[7]也不合適，因?yàn)閷z設(shè)備只是相機(jī)的一部分，同樣不夠全面。因此本文總結(jié)了星載相機(jī)地面測試的需求，提出了針對星載相機(jī)的電性能地面測試方案并實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)。

而且隨著高軌、大口徑等新型相機(jī)的研制任務(wù)增多，相機(jī)有了結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、載荷更多的新特性。這些新特性增加了相機(jī)的測試內(nèi)容，在保證測試全面性、可靠性、安全性方面增加了難度。因此需要針對性的設(shè)計星載相機(jī)的地面測試系統(tǒng)和測試方法，以滿足測試的新需求。

本文分析了星載相機(jī)的地面測試需求，開發(fā)了一套地面電性能測試系統(tǒng)，并針對新型星載相機(jī)全面性、可靠性、安全性的測試需求，設(shè)計了星載相機(jī)的地面測試方法。通過試驗(yàn)表明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了星載相機(jī)的地面測試，提高了工作效率。

1 測試系統(tǒng)方案

星載相機(jī)地面測試系統(tǒng)的測試原理是通過仿真與模擬衛(wèi)星平臺數(shù)管分系統(tǒng)、遙控分系統(tǒng)、供電分系統(tǒng)、遙測分系統(tǒng)等系統(tǒng)的功能和接口，以完成對星載相機(jī)的控制，并對相機(jī)的性能進(jìn)行測試。星上地面測試系統(tǒng)總體功能需求如下：

1)供電功能。為相機(jī)控制器等相機(jī)載荷提供供電，并實(shí)時測試一次電源、二次電源的電壓及電流，對超限異常電壓報警。

2)控制功能。主要完成對被測星載相機(jī)的某項(xiàng)狀態(tài)啟動/停止、狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)切換控制、測控回路建立、測控通道選擇、狀態(tài)復(fù)位等，使星載相機(jī)處于某種工作狀態(tài)或完成某項(xiàng)/系列動作。模擬整星對相機(jī)發(fā)送1553B總線指令，具有超限處理功能，并將指令名稱、指令時間和指令內(nèi)容進(jìn)行存儲。

3)狀態(tài)遙測功能。實(shí)時采集模擬遙測量及1553B總線遙測量，能夠解析、判讀、顯示并存儲。對超限異常數(shù)據(jù)報警。

4)一次電源設(shè)備具有應(yīng)急加斷電控制功能和電流、電壓保護(hù)功能，避免地面測試設(shè)備故障損壞星上其他設(shè)備。

因此地面測試系統(tǒng)包括一次電源、控制終端、電源模擬組建、星上數(shù)管模擬組件、星上GPS模擬組件幾個模塊。其中一次電源輸入AC 220V，輸出可調(diào)直流電壓；控制終端由控制主機(jī)、顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等組成；星上電源模擬組建包括電源配電，配套電纜；星上數(shù)管模擬組建包括遙控指令模擬模塊，遙測模擬接收模塊，1553B總線BC端；星上GPS模擬組件則是模擬秒脈沖信號發(fā)送單元。

地面測試控制臺與相機(jī)連接框圖如圖1所示。

圖1 地面測試系統(tǒng)與相機(jī)連接框圖Fig.1 The connection between ground testing system and camera

而針對地面測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件需要實(shí)現(xiàn)的功能則包括一次電源監(jiān)控單元、直接指令控制單元、間接指令控制單元、指令發(fā)送監(jiān)測單元、直接遙測監(jiān)測單元、間接遙測監(jiān)測單元、速變數(shù)據(jù)監(jiān)測與通斷控制單元、緩變數(shù)據(jù)監(jiān)測與通斷控制單元、GPS秒脈沖通斷控制單元、各廣播數(shù)據(jù)的監(jiān)測與通斷控制單元、指令和遙測數(shù)據(jù)存儲檢索單元、批指令編輯和發(fā)送單元、曲線繪制顯示單元等。這些單元實(shí)現(xiàn)以下5個主要功能：

1)初始化功能。初始化為整個程序最初執(zhí)行的部分，初始化程序設(shè)計主要包括軟件初始化、讀取配置文件、數(shù)據(jù)庫連接、創(chuàng)建日志文件等。

2)遙控功能。遙控指令發(fā)送及數(shù)據(jù)注入用于模擬星務(wù)向星載相機(jī)發(fā)送遙控指令，基于星載相機(jī)相關(guān)遙控指令數(shù)據(jù)格式，提供用戶可視化的指令選擇平臺。具備直接指令、間接指令、注入數(shù)據(jù)指令等指令的生成、發(fā)送、保存、查詢等功能。支持單此發(fā)送、連續(xù)發(fā)送、輪詢發(fā)送。

3)遙測功能。星載相機(jī)地面測試計算機(jī)以輪詢的方式每隔一定時間向星載相機(jī)發(fā)送遙測數(shù)據(jù)請求命令，接收并實(shí)時顯示星載相機(jī)的遙測數(shù)據(jù)，以測試星載相機(jī)的實(shí)時運(yùn)行情況和各個參數(shù)的正確性。

4)輔助測試功能。主要針對星載相機(jī)地面測試的幾個關(guān)鍵指標(biāo)編寫的測試模塊，例如錯誤指令統(tǒng)計數(shù)據(jù)包、提供相機(jī)星上系統(tǒng)鐘的時間廣播數(shù)據(jù)包、提供地面測試系統(tǒng)計算機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)的內(nèi)存下卸數(shù)據(jù)包等。

5)數(shù)據(jù)存儲功能。星載相機(jī)地面測試系統(tǒng)的測試指令發(fā)送記錄信息、接收的遙測原始數(shù)據(jù)和分包解析處理后的遙測參數(shù)，在程序運(yùn)行過程中生成的數(shù)據(jù)文件、測試中產(chǎn)生的信息都由數(shù)據(jù)庫功能模塊來存儲和管理。

地面測試系統(tǒng)上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 地面測試軟件結(jié)構(gòu)Fig.2 Ground testing software constructure

此外，與傳統(tǒng)星載相機(jī)相比，高軌、大口徑等新型相機(jī)的地面測試設(shè)計上具有以下特點(diǎn)。

(1)新型相機(jī)測試的全面性

新型相機(jī)成像系統(tǒng)的體制復(fù)雜程度與等效口徑成正比，并且新型相機(jī)的力載荷、控溫?zé)彷d荷等載荷數(shù)量也遠(yuǎn)多于傳統(tǒng)星載相機(jī)。這些特性增加了地面測試系統(tǒng)接口的種類，增加了相機(jī)的測試內(nèi)容，因此需要針對測試內(nèi)容多的特點(diǎn)進(jìn)行全面性測試。

(2)新型相機(jī)測試的可靠性

因?yàn)樾滦拖鄼C(jī)載荷增多，測試數(shù)據(jù)量大對測試系統(tǒng)通信鏈路的可靠性有了更高的要求。針對測試的可靠性需求，設(shè)計了基于1553B總線的通信鏈路，并提出了冗余網(wǎng)絡(luò)的切換系統(tǒng)設(shè)計方法，提高了總線通信的可靠性。同時高速大數(shù)據(jù)量存儲容易引發(fā)數(shù)據(jù)庫訪問沖突的問題，需要對測試系統(tǒng)的存儲功能進(jìn)行針對性設(shè)計。

(3)新型相機(jī)測試的安全性

測試系統(tǒng)選用高可靠性的冗余型總線通信鏈路，但冗余型總線會在鏈路故障、消息發(fā)送失敗等情況下自動跳轉(zhuǎn)到備用通道，從而容易掩蓋問題點(diǎn)，給相機(jī)帶來安全性隱患。因此設(shè)計針對冗余鏈路的測試方法和錯誤注入的測試方法，提高新型相機(jī)測試的安全性。

2 測試系統(tǒng)與測試方法設(shè)計

2.1 針對全面性的新型相機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計

新型相機(jī)的測試接口種類增多，測試內(nèi)容增多，在這個背景下為保證對星載相機(jī)進(jìn)行全面性的測試，地面測試系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)對所有接口進(jìn)行模擬。

1)電源模擬模塊。為了實(shí)現(xiàn)模擬衛(wèi)星供電分系統(tǒng)為被測的星載相機(jī)系統(tǒng)提供電源，設(shè)計方式為上位機(jī)通過CAN總線向配電與開關(guān)指令模塊發(fā)送配電指令，由處理器單元進(jìn)行指令解析，通過控制相應(yīng)的繼電器通斷實(shí)現(xiàn)配電，從而輸出被測試相機(jī)所需要的各種形式的直流電源。電源模塊采用具有監(jiān)視各路電源的電壓和電流的功能的設(shè)計，自動進(jìn)行過壓過流保護(hù)，確保被測對象的安全。整星為分系統(tǒng)提供主備分開的配電通路，主備通路可單獨(dú)配電，也可聯(lián)合配電。因此地面測試系統(tǒng)也設(shè)計為能夠控制主備份的一次供電輸入。

2)直接指令模擬模塊。直接指令采用開關(guān)量的形式實(shí)現(xiàn)模擬。地檢臺向相機(jī)控制器提供兩種輸出線：一是遙控專用供電線，二是命令線。當(dāng)命令作用時命令線與地面測試系統(tǒng)的地電位間呈低阻低電壓狀態(tài)。

3)直接遙測模擬模塊。直接獲取被測對象的參數(shù)設(shè)置情況、開關(guān)狀態(tài)。例如星載相機(jī)的電源開關(guān)狀態(tài)、相機(jī)調(diào)焦開關(guān)狀態(tài)、相機(jī)增益設(shè)置狀態(tài)等。設(shè)計為AN量參數(shù)的形式，AN量通道由兩條線組成，一條稱為信號線(高線)，另一條稱為回線(低線)。接收端量取高線和低線之間的電位差。

4) GPS秒脈沖模擬模塊。該模塊為星載相機(jī)提供精確的時間、頻率信息。測試時由地面測試系統(tǒng)發(fā)送，視頻控制器為信號的接收端。信號采用RS422差分電壓信號的形式實(shí)現(xiàn)，也分主備份兩路。

5)1553B總線模擬模塊。設(shè)計1553B總線通信鏈路和通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)星載相機(jī)通過1553B總線與地面測試系統(tǒng)(模擬衛(wèi)星數(shù)管分系統(tǒng))進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接收數(shù)據(jù)型間接指令和輪詢指令，并把打包好的相機(jī)遙測參數(shù)發(fā)往地檢臺。通過1553B總線可以實(shí)現(xiàn)間接遙控、間接遙測和輔助數(shù)據(jù)的測試功能。

2.2 針對可靠性的新型相機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計

新型相機(jī)的載荷增多，接口多同時測試內(nèi)容增多同時測試數(shù)據(jù)也大量增多。因此需要選用吞吐量大同時可靠性高的1553B通信總線鏈路。同時利用1553B總線的雙冗余通道的特性提高測試系統(tǒng)的可靠性。高速實(shí)時的數(shù)據(jù)存儲還容易帶來數(shù)據(jù)庫存儲訪問沖突的問題，因此需要對設(shè)計庫進(jìn)行避免訪問沖突的設(shè)計。

(1)總線選擇

為了提高新型相機(jī)地面測試系統(tǒng)的可靠性，選擇1553B總線作為通信總線。1553B總線具有1個BC和31個RT可實(shí)現(xiàn)1Mbit/s的高吞吐量通信。同時該總線廣播式分布處理的模式可使遠(yuǎn)程終端的故障不會引起網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的失效，具有很好的可靠性。此外，1553B總線是主從式結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)不存在爭搶總線控制權(quán)的問題，數(shù)據(jù)傳輸和響應(yīng)都具有確定的時間。因此該總線可保證星載相機(jī)測試高可靠性需求。

(2)冗余網(wǎng)絡(luò)切換設(shè)計

1553B總線采用雙冗余的總線結(jié)構(gòu)，包括A、B兩條總線，互為熱備份。冗余總線的備份設(shè)計使得1553B總線在實(shí)際使用時更可靠。通過對1553B總線的BU-61580芯片的寄存器配置，來實(shí)現(xiàn)對冗余網(wǎng)絡(luò)的切換策略。配置參數(shù)采用結(jié)構(gòu)體指針形式，結(jié)構(gòu)體參數(shù)定義如表1所示。

表1 寄存器參數(shù)

通過設(shè)置是否重試、重試次數(shù)、消息錯誤重試和狀態(tài)字設(shè)置重試來解決鏈路上出現(xiàn)丟包、錯包等問題時，確保通信鏈路的可持續(xù)性從而提高測試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

(3)針對數(shù)據(jù)庫訪問沖突的設(shè)計

由于需要實(shí)時、大量地存儲星載相機(jī)的測試數(shù)據(jù)，容易引起數(shù)據(jù)庫Access寫入沖突的問題。因此采用互斥體技術(shù)，互斥對象能夠確保線程擁有單個資源的互斥訪問權(quán)。在WaitForSingleObject函數(shù)里獲取共享資源的使用權(quán)后，動態(tài)創(chuàng)建DAO智能指針_pConnectionPtr和_RecordsetPtr，從而保證避免訪問沖突，提高了相機(jī)測試系統(tǒng)存儲功能的可靠性。

2.3 針對安全性的新型相機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計

星載相機(jī)地面測試系統(tǒng)的一個重要意義就是查找相機(jī)設(shè)計的功能缺陷、性能漏洞，從而實(shí)現(xiàn)星載相機(jī)的安全性。因此地面測試系統(tǒng)通過針對冗余鏈路的測試方法和采用錯誤注入的測試方法來保證相機(jī)的安全性測試。

(1)針對冗余鏈路的測試方法

冗余總線的備份設(shè)計使得1553B總線在實(shí)際使用時更可靠，但在測試時卻存在隱患，容易掩蓋出問題的地方。因此在安全性測試時通過將重試功能和通道改變的功能全部關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)。具體測試方法為將表1中的寄存器參數(shù)Retry_ENABLE、Retry_IF_MSGErr和Retry_IF_StatusSet設(shè)置為禁止消息重試，同時將AlterChan_On_Retry1和AlterChan_On_ Retry2設(shè)置為禁止改變通道。

(2)采用錯誤注入的測試方法

錯誤注入的測試方法通過主動注入錯誤數(shù)據(jù)來查找星載相機(jī)的功能、性能設(shè)計缺陷，提高星載相機(jī)的安全性。測試方法為根據(jù)1553B總線的協(xié)議，實(shí)時解析1553B的命令字，然后將錯誤數(shù)據(jù)替換原總線數(shù)據(jù)。具體實(shí)現(xiàn)方法為利用FPGA判斷出消息的同步頭位，再跟據(jù)采集數(shù)據(jù)的大小和持續(xù)時間來分析命令字的同步頭，然后根據(jù)分析命令字按需求替換數(shù)據(jù)、改變數(shù)據(jù)傳送方向等。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

星載相機(jī)的地面測試系統(tǒng)硬件設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)各模塊中地面測試計算機(jī)與相機(jī)各組件之間通信的接口適配轉(zhuǎn)換，其中地面測試計算機(jī)與1553B總線的通信及接口適配轉(zhuǎn)換是核心功能之一。本地面測試系統(tǒng)的1553B總線數(shù)據(jù)通信電路由4部分組成：CPCI接口協(xié)議電路單元、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)時序和邏輯電路單元、1553B總線通信電路單元、秒脈沖電路單元(產(chǎn)生秒脈沖信號，并以此觸發(fā)1553B總線發(fā)送秒脈沖對應(yīng)的時刻數(shù)據(jù))，通信電路的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 通信電路的結(jié)構(gòu)Fig.3 Block diagram of the communication board

CPCI接口電路單元采用的協(xié)議芯片為PCI9054[8-9](其配置芯片為NM93CS56)。CPCI與本地總線的數(shù)據(jù)傳送速率高達(dá)132 Mbyte/s[10]。

FPGA時序和邏輯電路單元選擇的芯片為EP1C3T144，該款芯片具有2910LE邏輯單元，13條M4KRAM(共6.5 Kbyte)，還有1個數(shù)字鎖相環(huán)[11-12]。

1553B總線收發(fā)器選用HOLT公司的HI-1573，它能夠?qū)崿F(xiàn)信號在單極性曼徹斯特Ⅱ型碼與雙極性曼徹斯特Ⅱ型碼之間的轉(zhuǎn)換。1553B總線控制器選用BU-61580，實(shí)現(xiàn)了總線控制器(BC)，遠(yuǎn)程終端(RT)和監(jiān)視器終端(MT)模式[13-14]。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

地面測試系統(tǒng)的上位機(jī)軟件由基于MFC框架并采用多文檔軟件架構(gòu)形式編程實(shí)現(xiàn)。軟件框架如圖4所示，以CMainFrame類為程序主軀干和神經(jīng)樞紐，和各CDialog類建立的指令窗口、遙測窗口以及數(shù)據(jù)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。指令類數(shù)據(jù)以指令數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通信，而總線接收到的遙測數(shù)據(jù)以多線程的結(jié)構(gòu)進(jìn)行接收，并以事件方式觸發(fā)遙測界面線程，進(jìn)行數(shù)據(jù)更新顯示。而實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)則以CView類進(jìn)行曲線繪制。數(shù)據(jù)庫選用Access數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)采用數(shù)據(jù)訪問對象DAO(Data Access Object)技術(shù)。

圖4 地檢上位機(jī)軟件框架Fig.4 Host computer software framework

軟件運(yùn)行流程為：執(zhí)行初始化操作，首先對相機(jī)進(jìn)行上電操作。直接指令、間接指令等開關(guān)指令或需要輸入?yún)?shù)的指令在界面上手動點(diǎn)擊、輸入設(shè)置后立即生效，通過總線傳輸?shù)较嚓P(guān)板卡，總線采集遙測數(shù)據(jù)后啟動中斷，并觸發(fā)相關(guān)線程解析、顯示數(shù)據(jù)到各界面。

4 系統(tǒng)功能驗(yàn)證

本文采用某高軌相機(jī)型號地面測試系統(tǒng)為例，測試流程為：

1)電源電壓電流測量：電源輸出設(shè)置為30.5 V、電子負(fù)載輸入電流設(shè)置為2 A。點(diǎn)擊管理器電源主備份、前后視二次電源箱主備份，測量電源輸出電流，測量值見表2。由表2可知,地面測試系統(tǒng)的電源模擬模塊可以很好地為星載相機(jī)提供電源。測量精度達(dá)到整星測試水平。

2)直接指令測試：測量繼電器負(fù)載的負(fù)脈沖的幅值與信號脈寬。幅值均為29.3 V，信號脈寬均值80 ms。誤差不大于0.001%。地面測試系統(tǒng)的直接指令可有效實(shí)現(xiàn)模擬控制功能。測量精度達(dá)到整星測試水平。

3)直接遙測測試：模擬量輸入1為3.5 V，模擬量輸入2為0.3 V。測試輸出1為3.51 V，測試輸出2為0.31 V。測量精度達(dá)到整星測試水平。

4)秒脈沖測試：打開地檢設(shè)備GPS秒脈沖輸出，用示波器測量M-M連接器的相關(guān)引腳。要求負(fù)脈沖寬度：1 ms±1 μs；脈沖周期：1 s±1 μs。測量的負(fù)脈沖寬度：0.999 8 ms，脈沖周期：999.999 8 ms。

5)總線測試：設(shè)置1553B測試儀，設(shè)置RT地址和子地址；地檢設(shè)備發(fā)送軟件指令，檢查接收數(shù)據(jù)一致。間接遙測遙控測試如表3所示。

表2 電源電流測量

表3 間接遙測遙控

由表3可見，本文提出的測試系統(tǒng)間接測控可實(shí)現(xiàn)連續(xù)72 h零誤碼率的水平，實(shí)現(xiàn)了新型星載相機(jī)全面、可靠的地面測試，并對相機(jī)的安全性充分測試。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計并實(shí)現(xiàn)一種星載相機(jī)的電學(xué)性能地面測試系統(tǒng)，同時根據(jù)高軌、大口徑新型相機(jī)的特點(diǎn)，針對性地設(shè)計了測試系統(tǒng)和測試方法。設(shè)計的地面測試系統(tǒng)已在某高軌型號星載相機(jī)的研制中得到實(shí)際應(yīng)用，并對星載相機(jī)的研制具有重要意義：1)針對高軌、大口徑新型相機(jī)測試內(nèi)容多、測試數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對相機(jī)全面性、可靠性、安全性的地面測試。2)加速星載相機(jī)的研制速度。衛(wèi)星平臺與相機(jī)分系統(tǒng)很難一次保證對接的成功，利用地面測試設(shè)備無需等衛(wèi)星平臺與相機(jī)、相機(jī)各載荷全部研制成功再對接，可根據(jù)各系統(tǒng)研制周期進(jìn)行地面測試，及時驗(yàn)證功能。地面檢測系統(tǒng)能夠使衛(wèi)星平臺相機(jī)、相機(jī)與相機(jī)上各載荷組裝和對接的成功率大大提高。3)保證星載相機(jī)的研制質(zhì)量。星載相機(jī)地面檢測系統(tǒng)對相機(jī)的電性能進(jìn)行了全面的檢測，保證了星載相機(jī)的研制質(zhì)量。