航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李宏亮 譚征

(中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)

地面測(cè)試設(shè)備(Electrical Ground Support Equipment，EGSE)是航天器綜合測(cè)試順利進(jìn)行必不可少的組成部分。按照目前實(shí)際測(cè)試中廣泛采用的航天器EGSE層級(jí)劃分，EGSE系統(tǒng)大致可劃分為兩個(gè)層級(jí)[1]：①前置級(jí)設(shè)備，亦即各分系統(tǒng)前端測(cè)試設(shè)備(Front End Test Equipment，F(xiàn)ETE)，包括專用測(cè)試設(shè)備(Specific CheckOut Equipment，SCOE)和通用測(cè)試儀器(General Test Instrument，GTI)，主要完成航天器各分系統(tǒng)功能測(cè)試、接口模擬等功能；②后端級(jí)設(shè)備，亦即總控設(shè)備(Overall CheckOut Equipment，OCOE)，主要負(fù)責(zé)航天器測(cè)試程序運(yùn)行、遙測(cè)數(shù)據(jù)處理及歸檔等。兩者與測(cè)試局域網(wǎng)絡(luò)共同組成了航天器EGSE系統(tǒng)。

國(guó)外航天機(jī)構(gòu)在航天器自動(dòng)化測(cè)試領(lǐng)域起步較早，已發(fā)展出針對(duì)航天器上軟、硬件產(chǎn)品分類較為詳細(xì)的自動(dòng)化測(cè)試手段，可以自動(dòng)完成硬件設(shè)備功能檢查、可靠性測(cè)試[2]、關(guān)鍵軟件功能性能檢測(cè)[3]等工作。文獻(xiàn)[4]中基于人工智能的航天器產(chǎn)品地面測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了類似于具備條件判據(jù)自動(dòng)判讀功能的自動(dòng)化測(cè)試。利用實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器工程平臺(tái)(LabView)環(huán)境對(duì)航天器供配電地面測(cè)試設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化驗(yàn)收測(cè)試的軟件提升了設(shè)備驗(yàn)收測(cè)試效率[5]。我國(guó)航天器自動(dòng)化測(cè)試方面的研究近年來(lái)亦取得長(zhǎng)足進(jìn)步，自動(dòng)化測(cè)試手段已在載人航天[6-7]、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星[8-9]等多個(gè)宇航產(chǎn)品測(cè)試中得到應(yīng)用。然而，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要著眼于航天器測(cè)試序列執(zhí)行方面，相關(guān)系統(tǒng)大多配置于EGSE系統(tǒng)的后端級(jí)，對(duì)于前端測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行關(guān)注較少。部分自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)雖具備分系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備管理或類似功能的模塊，但僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試設(shè)備的指令控制[10-11]，未能實(shí)時(shí)獲取測(cè)試設(shè)備自身運(yùn)行狀態(tài)信息；系統(tǒng)與被測(cè)航天器的耦合性強(qiáng)，對(duì)硬件的依賴程度也較高[12]。多數(shù)航天器綜合測(cè)試過(guò)程中前端測(cè)試設(shè)備仍然需要測(cè)試人員的大量人工操作，重復(fù)工作量大，耗時(shí)多，易出錯(cuò)；測(cè)試操作對(duì)人員的束縛與航天器自動(dòng)、遠(yuǎn)程測(cè)試的發(fā)展趨勢(shì)相左，航天器前端測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化管理亟需加強(qiáng)。

為解決上述問(wèn)題，本文提出一種航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)，將前端測(cè)試設(shè)備作為整體進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)前端測(cè)試設(shè)備具有完備的監(jiān)視、控制、運(yùn)行、記錄功能，解決了功能、接口各異的航天器前端測(cè)試設(shè)備難以集同管理、自動(dòng)化控制方法欠缺的難題，在航天器自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用中取得了良好效果。

1 自動(dòng)化管理系統(tǒng)需求分析

航天器綜合測(cè)試流程大致可分為3個(gè)階段：測(cè)試準(zhǔn)備階段、測(cè)試執(zhí)行階段、測(cè)試后狀態(tài)恢復(fù)與數(shù)據(jù)分析階段。航天器前端測(cè)試設(shè)備管理相關(guān)工作也相應(yīng)分布在上述階段中。

在測(cè)試準(zhǔn)備階段，測(cè)試人員對(duì)航天器所屬各分系統(tǒng)的前端測(cè)試設(shè)備進(jìn)行加電、參數(shù)與狀態(tài)設(shè)置、接口聯(lián)通等準(zhǔn)備工作。前端測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)備工作具有以下特點(diǎn)：大部分航天器所屬分系統(tǒng)均配有前端測(cè)試設(shè)備；規(guī)模較大、功能復(fù)雜的分系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量多，接口復(fù)雜；測(cè)試準(zhǔn)備工作操作繁多、耗時(shí)較長(zhǎng)，但在航天器測(cè)試全周期中設(shè)置操作流程是固定的，測(cè)試工況沒(méi)有大變化時(shí)，設(shè)置參數(shù)也很少發(fā)生更改。測(cè)試準(zhǔn)備階段前端設(shè)備管理具備通過(guò)自動(dòng)化控制手段進(jìn)行快速、統(tǒng)一操作的需求。

在測(cè)試執(zhí)行階段，測(cè)試人員需要針對(duì)航天器測(cè)試中具體執(zhí)行的測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行相應(yīng)的前端設(shè)備操作，通常對(duì)時(shí)序、時(shí)間間隔有明確要求；對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的項(xiàng)目，人工操作容易失誤。如將相關(guān)操作轉(zhuǎn)化為自動(dòng)化執(zhí)行模塊，可以與航天器自動(dòng)化測(cè)試項(xiàng)目設(shè)計(jì)的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)應(yīng)。因此本階段前端設(shè)備操作相關(guān)工作也適合以自動(dòng)化執(zhí)行模塊的方式進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)行。測(cè)試正常進(jìn)行時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行模塊無(wú)需人工干預(yù)；測(cè)試中遇到異常狀況時(shí)，測(cè)試人員再介入處置。

在測(cè)試后狀態(tài)恢復(fù)與數(shù)據(jù)分析階段，航天器斷電，前端測(cè)試設(shè)備需完成設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)、接口斷開(kāi)、數(shù)據(jù)保存、斷電等設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)工作，測(cè)試人員需結(jié)合當(dāng)前測(cè)試情況查詢測(cè)試過(guò)程中前端設(shè)備狀態(tài)、測(cè)試指令執(zhí)行情況等數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)分析、測(cè)試評(píng)估等工作，設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)和數(shù)據(jù)記錄同樣可以通過(guò)自動(dòng)化手段實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，航天器綜合測(cè)試流程中前端測(cè)試設(shè)備管理工作如果由特定的自動(dòng)化管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)施，將大幅減少重復(fù)性工作，減輕測(cè)試人員操作壓力和減少操作失誤。本文提出的航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)管理被測(cè)航天器所屬的各分系統(tǒng)專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器，為測(cè)試人員提供統(tǒng)一的綜合監(jiān)視界面，自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)視多臺(tái)設(shè)備運(yùn)行、控制設(shè)備設(shè)置參數(shù)及狀態(tài)、收集運(yùn)行信息、記錄運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

該系統(tǒng)作為管理航天器專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器運(yùn)行的中樞，應(yīng)具備以下幾方面的功能。

(1)實(shí)現(xiàn)航天器專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器運(yùn)行、控制全自動(dòng)化。按照測(cè)試流程，在航天器加電測(cè)試前，控制專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器自動(dòng)完成開(kāi)機(jī)、測(cè)試狀態(tài)與參數(shù)設(shè)置、內(nèi)外部接口鏈接等工作；航天器電測(cè)進(jìn)行過(guò)程中，根據(jù)測(cè)試細(xì)則安排的測(cè)試項(xiàng)目，進(jìn)行相關(guān)測(cè)試設(shè)備的狀態(tài)設(shè)置(例如遙測(cè)通道切換、通信模式切換、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)等)；實(shí)時(shí)保存當(dāng)前測(cè)試中專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器的運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，航天器電測(cè)結(jié)束后，控制測(cè)試設(shè)備自動(dòng)關(guān)閉。

(2)實(shí)時(shí)獲取專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器的運(yùn)行狀態(tài)信息，對(duì)獲取信息按照事件內(nèi)容緊急程度進(jìn)行分類顯示、記錄、歸檔；對(duì)緊急程度較高的信息(如設(shè)置參數(shù)變化、工作異常等)，自動(dòng)向測(cè)試人員報(bào)警，以便及時(shí)處置。

(3)批量化集同管理專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器。根據(jù)測(cè)試需求動(dòng)態(tài)添加、清除被管理設(shè)備，并維護(hù)設(shè)備信息、控制命令等，實(shí)現(xiàn)即插即用。

(4)可遠(yuǎn)程管理測(cè)試設(shè)備，控制接口便捷靈活。

2 自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)借鑒了當(dāng)前成熟的綜合測(cè)試自動(dòng)化測(cè)試軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用Visual Studio軟件開(kāi)發(fā)。軟件設(shè)計(jì)按照模塊化思路，將系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)功能分解為多個(gè)功能模塊，模塊間數(shù)據(jù)接口簡(jiǎn)潔清晰，在設(shè)備類型、功能控制方面具備較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，共劃分為6個(gè)功能模塊，分別是：①網(wǎng)絡(luò)通信模塊，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口功能實(shí)現(xiàn)，建立與被管理前端測(cè)試設(shè)備、總控主測(cè)試處理器(Main Test Processor，MTP)的網(wǎng)絡(luò)連接，接收被管理設(shè)備發(fā)出的狀態(tài)信息并根據(jù)協(xié)議處理信息內(nèi)容，向設(shè)備發(fā)出控制命令并獲取回令；②數(shù)據(jù)解析模塊，從有效數(shù)據(jù)包緩存隊(duì)列中依次取出有效數(shù)據(jù)包，按照設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)包格式解析出航天器標(biāo)識(shí)符、發(fā)送方發(fā)送時(shí)刻的本地時(shí)間、發(fā)送方設(shè)備標(biāo)識(shí)(ID)、接收方設(shè)備標(biāo)識(shí)、信息標(biāo)識(shí)、發(fā)送方發(fā)包累計(jì)計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)內(nèi)容，根據(jù)信息標(biāo)識(shí)識(shí)別出分級(jí)狀態(tài)，并將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入日志文件；③設(shè)備管理模塊，通過(guò)數(shù)據(jù)鏈表結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)維護(hù)被管理設(shè)備，可通過(guò)系統(tǒng)軟件界面或配置文件添加、刪除被管理設(shè)備，設(shè)備信息包括設(shè)備名稱、設(shè)備代號(hào)、控制命令名稱、控制命令代號(hào)、IP地址、端口號(hào)等，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信模塊收到的控制指令代號(hào)，解析指令內(nèi)容，控制設(shè)備完成相應(yīng)動(dòng)作，按照通信協(xié)議生成指令回令反饋至網(wǎng)絡(luò)通信模塊；④指令序列執(zhí)行模塊，讀取人機(jī)界面選擇的指令序列內(nèi)容，按照指令代號(hào)和設(shè)備ID送設(shè)備管理模塊處理為對(duì)應(yīng)指令，控制指令執(zhí)行間隔、循環(huán)次數(shù)、邊界條件設(shè)置；⑤數(shù)據(jù)歸檔模塊，負(fù)責(zé)記錄管理系統(tǒng)自身運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的日志數(shù)據(jù)及接收到的被管理設(shè)備數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)記錄，便于追溯；⑥顯示/操作模塊，顯示管理系統(tǒng)自身運(yùn)行狀態(tài)，被管理設(shè)備發(fā)送的各類狀態(tài)信息等，響應(yīng)測(cè)試人員的輸入，是管理系統(tǒng)軟件的人機(jī)輸入/輸出交互界面。

圖1 前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng) 軟件模塊與接口Fig.1 Software module and interface of spacecraft FETE automatic management system

前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口作為系統(tǒng)的對(duì)外信息交互接口。按照對(duì)象劃分，可分為兩大類接口：與前端測(cè)試設(shè)備的信息接口(如圖1中的網(wǎng)絡(luò)接口A)，與總控MTP的信息接口(如圖1中的網(wǎng)絡(luò)接口B)。

每類信息接口中分別包含若干子接口。其中網(wǎng)絡(luò)接口A包括：信息匯報(bào)接口A0，采用組播方式接收各個(gè)被管理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，可用一個(gè)組播端口同時(shí)接收多個(gè)設(shè)備信息，便于減輕網(wǎng)絡(luò)開(kāi)銷；命令控制端口A1、A2、……、AN(N為系統(tǒng)管理的設(shè)備數(shù)量)，每個(gè)控制端口分別與各自對(duì)應(yīng)的設(shè)備交互控制命令及回令信息，互不干擾。網(wǎng)絡(luò)接口B包括：信息匯報(bào)接口B0，向總控應(yīng)急存儲(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)器組播地址發(fā)出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，用于備份及查詢；控制端口B1，與總控操作控制臺(tái)交互控制命令，用于測(cè)試人員通過(guò)操作控制臺(tái)向各分系統(tǒng)SCOE發(fā)送控制命令；控制端口B2，與總控自動(dòng)化測(cè)試軟件交互控制命令，用于SCOE控制指令與自動(dòng)化測(cè)試序列銜接。

2.2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

自動(dòng)化管理系統(tǒng)作為多臺(tái)測(cè)試設(shè)備的集同管理方，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖暇哂幸粚?duì)多的特點(diǎn)，即一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)面對(duì)多方設(shè)備進(jìn)行信息交互。由于管理系統(tǒng)運(yùn)用了標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，參照傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)五層體系結(jié)構(gòu)[13],以下主要對(duì)管理系統(tǒng)軟件的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層3層協(xié)議進(jìn)行介紹。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以IP報(bào)文形式傳遞，協(xié)議實(shí)現(xiàn)由運(yùn)行系統(tǒng)軟件的計(jì)算機(jī)上的商用網(wǎng)卡完成。

在數(shù)據(jù)傳輸方式上，針對(duì)不同數(shù)據(jù)采用差異化傳輸方式。由于被管理設(shè)備數(shù)量眾多，將管理系統(tǒng)接收設(shè)備狀態(tài)信息的IP地址設(shè)置為組播地址，被管理設(shè)備將包含狀態(tài)信息的IP數(shù)據(jù)包以組播方式發(fā)往該地址，僅需開(kāi)通一個(gè)網(wǎng)絡(luò)端口即可同時(shí)接收多個(gè)設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，可大大節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源。組播協(xié)議由測(cè)試局域網(wǎng)內(nèi)具有路由功能的交換機(jī)實(shí)現(xiàn)。

監(jiān)控系統(tǒng)將包含控制命令的IP數(shù)據(jù)包以單播方式發(fā)往被管理設(shè)備，并接收設(shè)備的執(zhí)行回令，管理層次清晰。

2.2.2 傳輸層協(xié)議

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，管理系統(tǒng)軟件在傳輸層使用用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol, UDP)。UDP協(xié)議是無(wú)連接的，對(duì)于管理系統(tǒng)與被管理設(shè)備的信息交互簡(jiǎn)潔高效。數(shù)據(jù)傳輸可靠性通過(guò)應(yīng)用層協(xié)議設(shè)計(jì)保證。

2.2.3 應(yīng)用層協(xié)議

針對(duì)管理系統(tǒng)與被管理設(shè)備交互的狀態(tài)信息與控制命令(包含回令)信息，分別設(shè)計(jì)應(yīng)用層協(xié)議。

一個(gè)具有統(tǒng)一功能接口的軟件接口模塊在管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程中被同步開(kāi)發(fā)出來(lái)，用于管理系統(tǒng)與被管理設(shè)備間協(xié)議信息交互。該模塊可方便地植入被管理設(shè)備的上位機(jī)軟件，完成對(duì)應(yīng)設(shè)備的狀態(tài)信息收集、發(fā)送，接收并處理系統(tǒng)管理軟件發(fā)出的控制命令，生成命令回令。該模塊可保證被管理設(shè)備與管理系統(tǒng)間的通信符合應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。

1)狀態(tài)信息

狀態(tài)信息數(shù)據(jù)協(xié)議主要有以下作用：①區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)包的起止位置；②輔助管理系統(tǒng)軟件判別信息類別、進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)，通過(guò)與配置文件中的協(xié)議對(duì)應(yīng)字段比對(duì)，判別收到的信息是否正確有效；③標(biāo)記信息對(duì)應(yīng)事件發(fā)生的時(shí)間和具體內(nèi)容；④輔助管理系統(tǒng)軟件識(shí)別并計(jì)算當(dāng)前已收到的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)量。

為了實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的清晰分類，在狀態(tài)信息數(shù)據(jù)協(xié)議中設(shè)計(jì)了信息標(biāo)識(shí)字段，其所表示信息類型見(jiàn)表1。

表1 狀態(tài)信息數(shù)據(jù)協(xié)議 信息標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)Table 1 Design of information identification in the status information data protocol

協(xié)議規(guī)定，“心跳包”類型數(shù)據(jù)在被管理設(shè)備啟動(dòng)后自動(dòng)按固定時(shí)間間隔向管理系統(tǒng)發(fā)送，發(fā)送時(shí)間間隔可以設(shè)置。管理系統(tǒng)軟件的設(shè)備管理模塊為每臺(tái)被監(jiān)控設(shè)備維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，保存該設(shè)備的設(shè)置心跳包周期和心跳計(jì)數(shù)值。軟件每收到一包心跳包數(shù)據(jù)，就用收到數(shù)據(jù)中的心跳包周期更新對(duì)應(yīng)被監(jiān)控設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的心跳包周期；管理系統(tǒng)軟件定時(shí)更新心跳包計(jì)數(shù)并將前后兩次收到的心跳包計(jì)數(shù)間隔時(shí)間與心跳包周期進(jìn)行比對(duì)，超過(guò)周期則判斷設(shè)備離線，脫離管理，否則設(shè)備為在線狀態(tài)。該方案類似程序設(shè)計(jì)中的“看門狗”技術(shù)，可以快速判斷被管理設(shè)備與管理系統(tǒng)的通信狀態(tài)。

“提示”、“警告”、“錯(cuò)誤”3種信息類型，依據(jù)其信息內(nèi)容，緊急程度分為3個(gè)等級(jí)，由低依此升高。管理系統(tǒng)軟件接收到這3類狀態(tài)信息后，判斷信息標(biāo)識(shí)字段數(shù)值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息的自動(dòng)分級(jí)。

2)控制命令

控制命令協(xié)議格式參照經(jīng)過(guò)多個(gè)型號(hào)工程應(yīng)用驗(yàn)證的航天器綜合測(cè)試設(shè)備間通信協(xié)議格式設(shè)計(jì)，信息頭部分與后者相同，信息體部分包含被管理設(shè)備的設(shè)備代號(hào)、控制命令代號(hào)、設(shè)置參數(shù)(每個(gè)命令可包含多個(gè)參數(shù)，如無(wú)參數(shù)可缺省)?？刂泼钚畔Ⅲw格式見(jiàn)表2。

表2 控制命令信息體格式Table 2 Format of controlling command information part

每條控制命令的多個(gè)參數(shù)間通過(guò)分隔符“:”間隔，參數(shù)值用美國(guó)信息交換標(biāo)準(zhǔn)代碼(American Standard Code for Information Interchange，ASCII)碼表示。

對(duì)于遙測(cè)數(shù)據(jù)處理前端等專用測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，主要的控制操作是通道切換、數(shù)據(jù)接口連接等動(dòng)作，這些動(dòng)作的具體執(zhí)行函數(shù)可以在前述的軟件接口模塊中與相應(yīng)的控制命令綁定，在管理系統(tǒng)軟件端實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作；對(duì)于示波器、信號(hào)源、頻譜儀等通用儀器來(lái)說(shuō)，在前期工程研制工作中，相應(yīng)儀器的前端控制軟件已開(kāi)發(fā)完成，軟件接口模塊也被移植到通用儀器前端控制軟件中。該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于：一是對(duì)應(yīng)的通用儀器前端控制軟件具備滿足系統(tǒng)級(jí)測(cè)試要求的對(duì)通用測(cè)試儀器的監(jiān)視控制功能，可以在測(cè)試需要時(shí)單獨(dú)使用；二是便于與自動(dòng)化管理系統(tǒng)的控制接口銜接，使專用測(cè)試設(shè)備和通用測(cè)試儀器的控制接口統(tǒng)一，無(wú)需在自動(dòng)化管理系統(tǒng)端設(shè)計(jì)不同的接口。對(duì)通用測(cè)試儀器執(zhí)行控制命令時(shí)通常需要對(duì)頻率、功率、帶寬等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，因此可使用帶有參數(shù)的控制命令，特定命令的具體參數(shù)意義(如參數(shù)1代表頻率值，參數(shù)2代表功率值等)同樣在軟件接口模塊中定義。

包含參數(shù)的控制命令格式設(shè)計(jì)可使信息體部分根據(jù)使用場(chǎng)景的特點(diǎn)靈活擴(kuò)展內(nèi)容，數(shù)據(jù)格式簡(jiǎn)明，可靠性高；通用的信息頭部分可保證管理系統(tǒng)與總控MTP通信過(guò)程無(wú)需特別改動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)。

2.3 關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)

控制自動(dòng)化和監(jiān)視自動(dòng)化是航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其整體功能的兩個(gè)核心要素。命令序列運(yùn)行和狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)視作為該系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵功能，分別在控制和監(jiān)視兩方面體現(xiàn)了系統(tǒng)支持自動(dòng)化測(cè)試的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

2.3.1 命令序列運(yùn)行

自動(dòng)化管理系統(tǒng)對(duì)測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化控制主要通過(guò)測(cè)試命令序列的執(zhí)行來(lái)體現(xiàn)，對(duì)于某臺(tái)測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，測(cè)試命令可以控制其完成特定的測(cè)試動(dòng)作，將不同設(shè)備的一系列動(dòng)作連續(xù)起來(lái)，可以完成序列化的測(cè)試狀態(tài)控制。以航天器電測(cè)前測(cè)試設(shè)備加電及狀態(tài)設(shè)置為例，常見(jiàn)的設(shè)置操作包括：前端軟件與數(shù)據(jù)處理終端連接、微波開(kāi)關(guān)通道切換、程控衰減設(shè)置、串口啟動(dòng)等一系列動(dòng)作，將上述設(shè)置動(dòng)作對(duì)應(yīng)的控制命令按照操作的先后順序進(jìn)行編輯，并將各設(shè)備的具體執(zhí)行時(shí)間作為邊界條件納入序列文件，即可形成完成特定操作目標(biāo)的指令序列集。根據(jù)測(cè)試進(jìn)程的具體安排，選擇對(duì)應(yīng)的指令序列集運(yùn)行，可完成相應(yīng)的測(cè)試操作。

自動(dòng)化管理系統(tǒng)除了支持控制指令序列的順序執(zhí)行外，還可以靈活設(shè)置序列中命令運(yùn)行的起始位置、終止位置，以及是否在后臺(tái)連帶執(zhí)行其它輔助功能批處理文件等；也可以按照設(shè)置的時(shí)間間隔循環(huán)執(zhí)行某個(gè)控制命令序列，以達(dá)到自動(dòng)運(yùn)行的效果。

為自動(dòng)化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的控制命令序列格式見(jiàn)表3，一個(gè)命令序列可包含多行內(nèi)容，在使用時(shí)該表格作為系統(tǒng)軟件的配置文件管理。

表3 控制命令序列格式Table 3 Format of controlling command sequence

表3中，序號(hào)列為某一行的指令序號(hào)，由1開(kāi)始順序遞增；設(shè)備代號(hào)列為當(dāng)前行控制指令對(duì)應(yīng)所屬的測(cè)試設(shè)備代號(hào)，與管理系統(tǒng)配置文件中的相應(yīng)設(shè)備一致；指令代號(hào)和參數(shù)列為當(dāng)前行準(zhǔn)備執(zhí)行的控制指令代號(hào)；指令名稱列為當(dāng)前行準(zhǔn)備執(zhí)行的控制指令名稱，主要用于測(cè)試人員查看指令內(nèi)容，掌握序列進(jìn)行程度；間隔時(shí)間列表示當(dāng)前行準(zhǔn)備執(zhí)行指令與下一行準(zhǔn)備執(zhí)行指令之間的時(shí)間間隔，單位為ms，用于控制相鄰兩條指令的執(zhí)行時(shí)序。

2.3.2 狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)視

前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)對(duì)被管理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、日志信息實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判讀、分類、提示、記錄。

管理系統(tǒng)啟動(dòng)后，默認(rèn)運(yùn)行在計(jì)算機(jī)后臺(tái)，對(duì)收到的設(shè)備狀態(tài)信息按照信息分級(jí)標(biāo)識(shí)實(shí)時(shí)判讀，當(dāng)有提示、告警級(jí)別信息出現(xiàn)或設(shè)備運(yùn)行異常、心跳包數(shù)據(jù)停止發(fā)送時(shí)，軟件自動(dòng)從后臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)切換到前臺(tái)顯示狀態(tài)，并以醒目方式提示使用者關(guān)注當(dāng)前信息狀態(tài)。該設(shè)計(jì)既可使系統(tǒng)軟件在長(zhǎng)期運(yùn)行中占用最小規(guī)模的計(jì)算機(jī)資源，又可在不影響測(cè)試人員其它工作的情況下自主監(jiān)視被管理設(shè)備的運(yùn)行。

2.4 系統(tǒng)從屬關(guān)系

航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)是航天器自動(dòng)化測(cè)試體系的重要組成部分，與航天器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)、自動(dòng)判讀系統(tǒng)、遙測(cè)顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等一起構(gòu)成了航天器自動(dòng)化測(cè)試環(huán)境。

在航天器測(cè)試實(shí)施過(guò)程中，它與自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)系最為緊密，二者既相互獨(dú)立，又相輔相成。根據(jù)測(cè)試進(jìn)程安排，前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)的測(cè)試序列可以與航天器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試程序以特定邏輯時(shí)序執(zhí)行。常見(jiàn)的邏輯時(shí)序包括：①按照時(shí)間順序串行執(zhí)行，如航天器加電前先進(jìn)行地面測(cè)試設(shè)備設(shè)置(自動(dòng)化管理系統(tǒng)執(zhí)行控制命令程序)、再進(jìn)行航天器加電設(shè)置(自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行航天器加電程序)；②在特定時(shí)間段并行執(zhí)行，如實(shí)施航天器與地面測(cè)試設(shè)備通信模式切換、下行圖像通道切換、航天器供電電源切換與太陽(yáng)翼進(jìn)出影等對(duì)時(shí)序有要求的測(cè)試項(xiàng)目。前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)與航天器自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)共同促進(jìn)航天器測(cè)試自動(dòng)化程度提升。

3 自動(dòng)化管理系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)目前已應(yīng)用于某航天器綜合測(cè)試。在圖2所示的航天器EGSE系統(tǒng)中，通常會(huì)按照被測(cè)航天器分系統(tǒng)的數(shù)量，配置多臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)用于測(cè)試數(shù)據(jù)判讀。該類計(jì)算機(jī)是通用性強(qiáng)的商用貨架產(chǎn)品，自動(dòng)化系統(tǒng)軟件可安裝在任意一臺(tái)接入航天器測(cè)試局域網(wǎng)的測(cè)試計(jì)算機(jī)上，無(wú)需特殊的硬件環(huán)境支持，具有分布式配置特點(diǎn)；系統(tǒng)軟件通過(guò)測(cè)試局域網(wǎng)對(duì)前端測(cè)試設(shè)備進(jìn)行管理，不受測(cè)試地域局限，支持遠(yuǎn)程測(cè)試；系統(tǒng)管理設(shè)備覆蓋了射頻微波、網(wǎng)絡(luò)管理、基帶處理、接口模擬、數(shù)據(jù)管理、供配電等多個(gè)類別，是對(duì)航天器綜合測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化相關(guān)研究工作[14-17]的有機(jī)集成和全面提升。

圖3是自動(dòng)化管理系統(tǒng)軟件運(yùn)行時(shí)的主界面，界面上方是系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)，包括被管理設(shè)備的數(shù)量、接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量、信息過(guò)濾統(tǒng)計(jì)信息等，以及部分功能按鈕；界面左下側(cè)是當(dāng)前已添加到該系統(tǒng)的測(cè)試設(shè)備列表；界面右下側(cè)是系統(tǒng)已收到的設(shè)備狀態(tài)信息，每條信息包含信息記錄時(shí)間、來(lái)源設(shè)備、具體事件描述，每條信息最左側(cè)的圖標(biāo)標(biāo)識(shí)了該信息的屬性。圖4是雙擊系統(tǒng)軟件界面左側(cè)設(shè)備列表中的某臺(tái)設(shè)備項(xiàng)后，顯示的該設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息和對(duì)應(yīng)的控制命令列表，測(cè)試人員可以根據(jù)測(cè)試進(jìn)程隨時(shí)查看測(cè)試設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并在窗口右側(cè)的命令列表中選擇控制命令進(jìn)行相關(guān)操作。圖5展示了某航天器電測(cè)進(jìn)行前，測(cè)試人員運(yùn)行測(cè)試設(shè)備啟動(dòng)設(shè)置序列的過(guò)程。序列中的控制命令按照設(shè)定的時(shí)間間隔順序發(fā)出。該控制序列是典型的航天器測(cè)試狀態(tài)設(shè)置操作指令集，其指令可大致劃分為幾大功能類別：一是控制測(cè)試設(shè)備網(wǎng)絡(luò)連接的相關(guān)指令，用于測(cè)試設(shè)備間建立網(wǎng)絡(luò)通信鏈路；二是控制測(cè)試設(shè)備開(kāi)關(guān)切換、衰減設(shè)置的相關(guān)指令，用于測(cè)試設(shè)備鏈路功率設(shè)置、信息通道選取等；三是微波射頻相關(guān)指令，用于控制射頻信號(hào)輸出；四是功能性設(shè)置指令，如模式切換、應(yīng)用場(chǎng)景選擇等。序列執(zhí)行過(guò)程中，管理系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)每條指令的回令進(jìn)行判別，只有確認(rèn)收到前一條指令執(zhí)行成功的回令后，序列才繼續(xù)執(zhí)行；若因?yàn)槟承┰颍到y(tǒng)未收到執(zhí)行回令或回令提示當(dāng)前指令執(zhí)行失敗，系統(tǒng)將自動(dòng)提示，并暫停當(dāng)前序列的執(zhí)行，交由測(cè)試人員處置。

圖2 航天器EGSE系統(tǒng)層級(jí)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hierarchy of spacecraft EGSE systeml

在航天器綜合測(cè)試中應(yīng)用測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)，可大幅提升測(cè)試實(shí)施效率。以某航天器的日常電測(cè)為例，以傳統(tǒng)方法進(jìn)行電測(cè)前測(cè)試狀態(tài)準(zhǔn)備，包含設(shè)備加電、設(shè)備狀態(tài)設(shè)置等上百個(gè)操作，全部需要測(cè)試人員在測(cè)試機(jī)柜附近完成，單次準(zhǔn)備時(shí)間平均需要1200 s；航天器電測(cè)結(jié)束后的測(cè)試設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)、關(guān)機(jī)等工作單次完成平均耗時(shí)900 s，測(cè)試過(guò)程中還需要經(jīng)常實(shí)施諸如射頻通道切換監(jiān)視、下行圖像切換監(jiān)視、遙測(cè)通道切換等操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

應(yīng)用測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)后，在測(cè)試人員與前端測(cè)試設(shè)備完全分離的狀態(tài)下，僅通過(guò)自動(dòng)化管理系統(tǒng)即可遠(yuǎn)程完成設(shè)備加電、控制、斷電等全部操作，加電前單次準(zhǔn)備時(shí)間僅需49 s；斷電后設(shè)備狀態(tài)恢復(fù)時(shí)間僅需30 s。管理系統(tǒng)軟件可在接入測(cè)試局域網(wǎng)的任意計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，無(wú)需其它硬件支持，布置方式簡(jiǎn)單靈活。表4列舉了部分測(cè)試操作項(xiàng)目在應(yīng)用該系統(tǒng)前后的實(shí)施效果對(duì)比情況。相比傳統(tǒng)方法，前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)對(duì)地面測(cè)試設(shè)備操作執(zhí)行效率有明顯提升。

圖3 前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng) 軟件主界面Fig.3 Main interface of spacecraft FETE automatic management system

測(cè)試設(shè)備操作效率提升可促進(jìn)航天器綜合測(cè)試整體效率提高。以航天器常規(guī)測(cè)試日均8小時(shí)計(jì)算，測(cè)試前后準(zhǔn)備時(shí)間及測(cè)試中操作時(shí)間累計(jì)約1小時(shí)，按照表4的效率估算，測(cè)試中使用自動(dòng)化管理系統(tǒng)可縮減約11%航天器綜合測(cè)試時(shí)間。對(duì)于載人航天等具有較大規(guī)模前端測(cè)試設(shè)備的航天器來(lái)說(shuō)，測(cè)試效率提升會(huì)更顯著。

圖4 前端測(cè)試設(shè)備狀態(tài)信息與控制命令窗口Fig.4 Statu information and controlling command window of FETE

圖5 某航天器電測(cè)狀態(tài)設(shè)置命令序列集運(yùn)行狀況Fig.5 Running status of spacecraft integrated test setup command sequence

表4 應(yīng)用自動(dòng)化管理系統(tǒng)前后測(cè)試實(shí)施效果對(duì)比Table 4 Test performance contrast before & after applying automatic management system

本文探討的航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理相關(guān)工作是持續(xù)改進(jìn)、不斷迭代的過(guò)程。后續(xù)可結(jié)合航天器前端測(cè)試設(shè)備供電環(huán)節(jié)改造，配置支持以太網(wǎng)接口控制的智能供電單元進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)備供、斷電操作程序；也可細(xì)化前端測(cè)試設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息及控制命令的數(shù)量、類型，逐步減少直至完全消除設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的人工干預(yù)環(huán)節(jié)，以期不斷提高航天器前端測(cè)試設(shè)備的自動(dòng)化運(yùn)行、管理水平。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)航天器綜合測(cè)試過(guò)程中前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行程度低、集中管理難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動(dòng)監(jiān)視測(cè)試設(shè)備狀態(tài)、控制設(shè)備運(yùn)行，接口與總控自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)兼容，可實(shí)現(xiàn)航天器前端測(cè)試設(shè)備自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化管理。航天器綜合測(cè)試工程實(shí)踐表明，該系統(tǒng)應(yīng)用后可有效提升前端測(cè)試設(shè)備管理效率，促進(jìn)航天器自動(dòng)化測(cè)試實(shí)施。