航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)化研究

胡經(jīng)民 張亞波 武宏偉 孫靖

摘? 要：作為保證航天工程穩(wěn)步發(fā)展的重要基礎(chǔ)體系，高效可靠的航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能夠提升航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的通用性、互操作性以及可移植性。本文在深入分析當(dāng)前各類(lèi)航天自動(dòng)控制系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)航天自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，提出了未來(lái)航天測(cè)試體系中的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，對(duì)我國(guó)航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)建具有一定的理論指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：航天工程? 自動(dòng)測(cè)試? 結(jié)構(gòu)化? 控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098x（2021）07（c）-0001-03

Research on the Architecture of Aerospace Automatic Test System

HU Jingmin? ZHANG Yabo? WU Hongwei? SUN Jing

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）

Abstract： As an important basic system to ensure the steady development of aerospace engineering， the efficient and reliable structure can improve the universality， interoperability and portability of aerospace automatic test system. Based on the in-depth analysis of the characteristics of various kinds of aerospace automatic control systems， combining with the development of domestic aerospace automatic control systems， this paper puts forward the key application technologies in the future aerospace test system， which has certain theoretical guiding significance for the construction of China's aerospace automatic test system architecture.

Key Words： Aerospace engineering; Automatic test; Structured; Control system

自動(dòng)化測(cè)試作為一項(xiàng)重要的測(cè)試技術(shù)，從國(guó)防科技到民生發(fā)展的各行各業(yè)都占有著極其重要的地位，對(duì)于航空航天而言更是如此。隨著航空航天技術(shù)的飛速發(fā)展，航天設(shè)備以及控制系統(tǒng)的規(guī)模日漸增大，其業(yè)務(wù)邏輯復(fù)雜，系統(tǒng)更新迭代迅速。因此為了確保航天設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性和安全性，在航天設(shè)備的整個(gè)開(kāi)發(fā)及壽命周期中都需要對(duì)其進(jìn)行大量完備的測(cè)試，傳統(tǒng)人工分散測(cè)試難以全面覆蓋到航天系統(tǒng)的方方面面。速度更快，覆蓋面更廣，可靠性更高的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1? 航天自動(dòng)測(cè)試體系結(jié)構(gòu)

1.1 通用ATS體系結(jié)構(gòu)

通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ATS， Auto test system）廣泛應(yīng)用于航天航空，國(guó)防軍工的各個(gè)領(lǐng)域。從組成結(jié)構(gòu)來(lái)看，通用ATS主要由自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE， automated test equipment）， 被測(cè)單元（UUT， unit under test）以及測(cè)試適配器（TUA， test unit adaptor）組成，其中自動(dòng)測(cè)試設(shè)備包含了測(cè)試所需要的軟硬件，包括測(cè)試儀器、測(cè)試接口、測(cè)試驅(qū)動(dòng)程序等;測(cè)試適配器則是根據(jù)測(cè)試設(shè)備和被測(cè)單元的不同在物理接口上將二者連接起來(lái)，讓信號(hào)能夠正常傳輸。通過(guò)這種獨(dú)立分層的結(jié)構(gòu)，通用ATS體系能夠解決一部分測(cè)試系統(tǒng)通用性較弱的問(wèn)題。航天領(lǐng)域現(xiàn)有的ATS體系還不夠完善，大多是考慮當(dāng)前航天任務(wù)（如特定型號(hào)運(yùn)載火箭）需要的特化封閉體系，其局限性主要表現(xiàn)在測(cè)試系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)缺乏通用性和標(biāo)準(zhǔn)化，留存的數(shù)據(jù)以及環(huán)境測(cè)試結(jié)果沒(méi)有形成系統(tǒng)的交互模式，在不同項(xiàng)目中難以進(jìn)行信息共享和復(fù)用，這使得測(cè)試效率難以滿足需求。另外，ATS結(jié)構(gòu)在航天領(lǐng)域具有較強(qiáng)的通用性和可移植性，不同的測(cè)試模塊能夠方便地進(jìn)行拆分，重組和移植，能夠靈活部署于軟硬件型號(hào)不同的各類(lèi)航天設(shè)備中，減少航天設(shè)備的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證周期[1]。

美國(guó)國(guó)防部自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行局與工業(yè)界聯(lián)合，對(duì)多個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及其測(cè)試對(duì)象進(jìn)行了分析和研究，對(duì)影響系統(tǒng)通用性和成本的關(guān)鍵模塊進(jìn)行了整合，新一代ATS體系將把包括測(cè)試數(shù)據(jù)接口、測(cè)試設(shè)備接口以及相關(guān)配套驅(qū)動(dòng)等24個(gè)接口的標(biāo)準(zhǔn)化作為重要發(fā)展方向，如圖1所示。

1.2? 基于VXI的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

儀器總線接口技術(shù)的發(fā)展極大程度上推動(dòng)了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展，自上世紀(jì)70年代GPIB總線由惠普公司提出以來(lái)，大量新型測(cè)試總線標(biāo)準(zhǔn)相繼面世，VXI（VME bus eXtensions for instrumentation）就是其中之一。VXI以VME計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了同步、定時(shí)、觸發(fā)等測(cè)試總線特性，逐漸形成了新一代的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試總線。VXI 總線具有優(yōu)良的可靠性、電磁兼容性和抗干擾能力，其數(shù)據(jù)容量大，通信速率高，模塊重復(fù)利用率高且易于靈活組建系統(tǒng)。另外，VXI獨(dú)特的模塊化設(shè)計(jì)進(jìn)一步提升了可靠性和復(fù)用性，單個(gè)VXI機(jī)箱能夠支持多達(dá)13個(gè)獨(dú)立模塊，且多個(gè)VXI機(jī)箱還能夠互聯(lián)組合，形成更豐富的測(cè)試環(huán)境?；赩XI的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)的集成度，模塊具有一定的可復(fù)用程度，但由于設(shè)備組件繁多且成本較高、缺乏自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等因素，該系統(tǒng)僅在國(guó)防、航天領(lǐng)域使用較多。自上世界80年代以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)研發(fā)出了包括衛(wèi)星控制，衛(wèi)星整星自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，遙測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，運(yùn)載火箭測(cè)試系統(tǒng)等多個(gè)自動(dòng)控制測(cè)試系統(tǒng)，其中大多數(shù)是基于VXI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)搭建的[2]

1.3? NxTest自動(dòng)測(cè)試體系結(jié)構(gòu)

上世紀(jì)90年代，面對(duì)航天研究迫切的需求，美國(guó)國(guó)防部自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行局聯(lián)合了部隊(duì)和相關(guān)業(yè)界專(zhuān)家開(kāi)始推進(jìn)新一代自動(dòng)測(cè)試體系結(jié)構(gòu)的研究，最終提出了NxTest自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)階段，Nxtest自動(dòng)測(cè)試體系的目標(biāo)就是更開(kāi)放的共享交互以及更通用的系統(tǒng)接口，該體系基于IEEE P1226 ABBET（a broad-based environment for test）的測(cè)試信息交互框架和VPP的測(cè)試系統(tǒng)服務(wù)儀器接口框架，遵守TCP/IP網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，有著更規(guī)范嚴(yán)格的內(nèi)部接口。NxTest自動(dòng)測(cè)試體系作為下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，從體系結(jié)構(gòu)層面進(jìn)一步擴(kuò)展了自動(dòng)測(cè)試應(yīng)用范圍，改善了測(cè)試設(shè)備硬件的通用性和配套軟件的可移植性，提高了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)新技術(shù)的部署能力，使多種被測(cè)單元的測(cè)試數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行融合處理與分析，為未來(lái)技術(shù)研發(fā)盡可能豐富地留存測(cè)試資料[3]。

1.4? 基于AXIE測(cè)試體系

2009年，安捷倫科技有限公司、艾法斯公司和 Test Evolution 公司聯(lián)合成立了 AXle （the advancedTCA extensions for instrumentation）聯(lián)盟，次年6月AXIe聯(lián)盟發(fā)布了AXIe 1.0基礎(chǔ)體系結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體測(cè)試擴(kuò)展技術(shù)。AXIe是一種分層體系結(jié)構(gòu)，它建立于AdvancedTCA基礎(chǔ)上，擁有更好的兼容性，能夠基于現(xiàn)有的PXI， LXI和符合IVI標(biāo)準(zhǔn)的儀器實(shí)現(xiàn)集成?；贏XIe的測(cè)試體系能夠充分地利用機(jī)架空間，提供更高的性能、更強(qiáng)大的可擴(kuò)展性、更出色的模塊性和靈活。AXIe總線是在GPIB， VXI， LXI這些總線技術(shù)上發(fā)展來(lái)的，在性能更高的同時(shí)還能完全兼容GPIB， LXI的總線設(shè)備，因此基于AXIe的航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)擁有更好的通用性[4]。

2? 航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展

我國(guó)目前航天技術(shù)發(fā)展迅猛，已經(jīng)躋身成為航天大國(guó)，在航天領(lǐng)域取得了一個(gè)又一個(gè)驕人成績(jī)。型號(hào)多樣的長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力已經(jīng)能達(dá)到14噸，從第一次到第兩百次發(fā)射僅用時(shí)44年，成功率達(dá)96%;神舟系列載人航天工程實(shí)現(xiàn)了空間實(shí)驗(yàn)室階段“成功首飛、穩(wěn)定運(yùn)行、健康駐留、安全返回、順利補(bǔ)加、成果豐碩”的既定任務(wù)目標(biāo)，取得了重要的創(chuàng)新成果和寶貴經(jīng)驗(yàn)。這些成果都離不開(kāi)航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與發(fā)展。自上世紀(jì)80年代開(kāi)始我國(guó)對(duì)航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行研究，從最開(kāi)始的CAMAC自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)逐漸過(guò)渡到VXI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，目前包括運(yùn)載火箭在內(nèi)幾乎所有航天項(xiàng)目都采用了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

最初的CAMAC系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了航天測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，提升了測(cè)試效率減少了測(cè)試周期，但是近距離發(fā)射控制的CAMAC系統(tǒng)不能妥善地解決工作人員的安全問(wèn)題，且系統(tǒng)較低的數(shù)據(jù)吞吐量和高昂的初期設(shè)施建設(shè)費(fèi)用都不同程度上阻礙了國(guó)家航天工程的發(fā)展。由此，在上世紀(jì)80年代我國(guó)加快了遠(yuǎn)程地面通用測(cè)試發(fā)射控制的建設(shè)進(jìn)度，目前幾乎所有發(fā)射測(cè)試場(chǎng)均采用了遠(yuǎn)程控制。

遠(yuǎn)程測(cè)試發(fā)射控制系統(tǒng)主要由VXI測(cè)試系統(tǒng)、多媒體監(jiān)視系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)和光纖傳輸系統(tǒng)等部分組成。其中VXI測(cè)試系統(tǒng)包含了多個(gè)數(shù)據(jù)采集機(jī)箱形成冗余機(jī)構(gòu)，這些機(jī)箱根據(jù)需求獨(dú)立采集測(cè)試發(fā)射過(guò)程中的各項(xiàng)物理數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將被發(fā)送到主控制器進(jìn)行存儲(chǔ)、計(jì)算和分析。在這一過(guò)程中VXI機(jī)箱還將隨時(shí)接收來(lái)自主控制器的指令并完成相應(yīng)動(dòng)作[5]。與上一代測(cè)試系統(tǒng)CAMAC相比，VXI測(cè)試系統(tǒng)擁有更高的集成化程度，更大的數(shù)據(jù)吞吐量和更方便的部署方式，另外，利用光纖進(jìn)行長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳輸也讓遠(yuǎn)距離控制成為了可能。與上一代系統(tǒng)相比，雖然VXI測(cè)試系統(tǒng)解決了一些問(wèn)題，但是如系統(tǒng)成本過(guò)高，設(shè)備的兼容性和時(shí)鐘同步能力較弱等問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究和解決。

我國(guó)航天工程和航天自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)起步較早，為了適配各類(lèi)航天器，各種類(lèi)型的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備被生產(chǎn)并投入使用，這也造成了某個(gè)時(shí)期的測(cè)試設(shè)備僅對(duì)某種固定類(lèi)型的儀器有效，測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試儀器之間的通用性還有待提升。另外，目前國(guó)內(nèi)配備的航天測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試設(shè)備絕大多數(shù)是國(guó)外的產(chǎn)品，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試系統(tǒng)還不多[6]。

3? 結(jié)論

本文首先分析了幾種航天自動(dòng)化測(cè)試體系結(jié)構(gòu)，然后闡述了我國(guó)航天自動(dòng)測(cè)試現(xiàn)狀，最后對(duì)幾種航天自動(dòng)測(cè)試中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。在航天工程領(lǐng)域，自動(dòng)化測(cè)試保證航天設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基本工具之一，而完善的自動(dòng)化測(cè)試體系結(jié)構(gòu)又能夠提升測(cè)試效率，減少測(cè)試誤差，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)進(jìn)度。我國(guó)航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)可靠性更強(qiáng)、可移植性更好的新型自動(dòng)化測(cè)試體系有著迫切的需求，這也是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

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