全數(shù)字仿真測試環(huán)境在航天軟件測試中的應(yīng)用研究

胡經(jīng)民 郭璞 武宏偉 孫靖

摘要：為了高效地實現(xiàn)對航天軟件的測試，保證所開發(fā)軟件的質(zhì)量。本文研究了基于全數(shù)字仿真測試環(huán)境在航天軟件測試中的應(yīng)用，詳細介紹了硬件仿真測試環(huán)境、全數(shù)字仿真測試環(huán)境的基本概念，并從全數(shù)字仿真測試環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)，軟件測試流程等方面闡述了軟件測試的原理及實現(xiàn)方法。最后，通過實際的應(yīng)用分析并總結(jié)了全數(shù)字仿真測試環(huán)境下航天軟件測試的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 全數(shù)字仿真硬件測試環(huán)境航天軟件測試應(yīng)用研究

Abstract： In order to test aerospace software efficiently， it is necessary to ensure the quality of the developed software. This paper investigates the application of an all-digital simulation-based test environment in aerospace software testing. The basic concepts of hardware simulation test environment and full digital simulation test environment are introduced in detail. And the principle and implementation of software testing are described from the aspects of architecture of full digital simulation testing environment and software testing process. Finally， combined with actual applications， the advantages of aerospace software testing under the all-digital simulation test environment are analyzed and summarized.

Key Words： All-digital simulation; Hardware test environment; Aerospace software testing; Application research

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，航天系統(tǒng)對系統(tǒng)集成化、智能化的需求愈發(fā)迫切，在硬件逐漸完善的同時，軟件質(zhì)量直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性、容錯性、可靠性等。而軟件測試是保障軟件質(zhì)量最基本也是最重要的途徑。目前，在航天類的軟件中，可以粗略地將測試環(huán)境分為硬件仿真測試環(huán)境、全數(shù)字仿真測試環(huán)境兩大類。

圖1為通用的硬件仿真測試環(huán)境示意圖。由圖可知該測試環(huán)境主要由四大部分硬件組成。其中，彈載計算機部分主要是用于完成飛行控制軟件的相關(guān)操作;仿真測試平臺主要是用于對輸入信號的測試并將其結(jié)果顯示到界面上，同時還用于實現(xiàn)其他硬件之間的數(shù)據(jù)交換。遙測和地面計算機的主要作用是對航天設(shè)備進行實時的監(jiān)測，并結(jié)合任務(wù)需求及實際狀態(tài)向彈載計算機上傳所需的運行程序，同時接收其發(fā)回的反饋信息及遙測數(shù)據(jù)。仿真計算機的主要任務(wù)是結(jié)合所運行的航天設(shè)備的動態(tài)方程，獲得該設(shè)備在實際的運行過程中的狀態(tài)估計，并將其數(shù)據(jù)傳輸給彈載計算機。然后，彈載計算機根據(jù)目標當(dāng)前的位置及設(shè)定的任務(wù)需求進行數(shù)據(jù)處理并將控制量輸出給仿真計算機。最后，通過仿真計算機來執(zhí)行模型控制。

通常情況下，對于與不同的航天型號相對應(yīng)的硬件仿真測試環(huán)境不盡相同，因此無法實現(xiàn)測試環(huán)境的資源共享。由于不同設(shè)備的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致當(dāng)測試環(huán)境出現(xiàn)故障、或后期需要維護更新時，將耗費極大的時間、人力及物力，從而造成了極為嚴重的資源浪費。鑒于該仿真測試環(huán)境存在的一系列缺點，基于航天軟件測試的全數(shù)字仿真測試環(huán)境應(yīng)用而生。因此，下文將對該測試環(huán)境進行詳細的研究。

1全數(shù)字仿真測試環(huán)境簡介及模型

1.1 全數(shù)字仿真測試環(huán)境簡介

圖2全數(shù)字仿真測試環(huán)境設(shè)計示意圖。該測試環(huán)境同樣由4個部分組成，其主要作用是所需測試的航天軟件構(gòu)建一個模擬的測試環(huán)境[1]，從而無需通過如圖1所示的硬件設(shè)備來獲取測試數(shù)據(jù)，只需通過仿真測試環(huán)境來產(chǎn)生所需的模擬數(shù)據(jù)。因此全數(shù)字仿真測試環(huán)境相較于硬件測試環(huán)境更加的靈活，經(jīng)濟。

在上圖中，對于模擬輸入部分，通常以腳本為主要的輸入方式。這樣的好處在于可以根據(jù)實際情況設(shè)計不同的故障腳本，從而實現(xiàn)對航天軟件更加全面的測試。圖2中間的兩部分的主要作用是仿真、模擬實現(xiàn)硬件部分的工作過程。而最后的結(jié)果記錄主要是用于對結(jié)果的分析，便于對所進行測試的軟件進行相應(yīng)修正，與維護。

1.2 全數(shù)字仿真測試環(huán)境模型

在實際的場景中，嵌入式的航天軟件與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互主要是通過數(shù)據(jù)總線來完成的。即與軟件相連的外部設(shè)備首先將所需處理的數(shù)據(jù)通過總線發(fā)送給軟件，軟件利用內(nèi)部的算法完成相應(yīng)的操作后，再通過總線將其結(jié)果輸出，從而完成不同系統(tǒng)、設(shè)備之間的交互與通信[2]。

利用模擬數(shù)據(jù)總線的方法，可以將全數(shù)字仿真測試環(huán)境中的航天軟件和其他LRU（Lille Replaceable Unit）進行互聯(lián)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其功能和真實的總線完全相同。同時，還可以根據(jù)進程調(diào)度來同步不同模塊的數(shù)據(jù)[3]。圖3為全數(shù)字仿真測試環(huán)境模型示意圖。

此外，為了在全數(shù)字仿真測試環(huán)境中對所需的航天軟件進行測試，還需調(diào)用相應(yīng)的測試命令或操作應(yīng)用程序接口來來仿真外部設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入。需要注意的是，該輸入及通過測試后輸出的全部過程都是利用模擬總線結(jié)構(gòu)來進行調(diào)用和數(shù)據(jù)交互的。

2 全數(shù)字仿真測試環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)及軟件測試流程

2.1 全數(shù)字仿真測試環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)

為了保證仿真測試環(huán)境的維護性、擴展性，降低后期使用成本。全數(shù)字仿真測試環(huán)境采用了分層的體系結(jié)構(gòu)[4]，如圖4所示。

其中，用戶界面的主要任務(wù)完成人機交互的功能。一方面是將所需的測試命令發(fā)送到相應(yīng)的測試環(huán)境中;另一方面是將測試的結(jié)果反饋給操作人員或用于，便于進一步分析與操作。激勵系統(tǒng)、測試代理的主要作用是完成用戶界面與虛擬機之間的數(shù)據(jù)交互，從而實現(xiàn)對虛擬機的控制，并完成靜態(tài)、動態(tài)的測試功能。虛擬機主要用于運行被測軟件[5-6]。

分層的體系結(jié)構(gòu)的基本思想是將總的測試任務(wù)進行分解，并將分解后的每部分任務(wù)單獨的放在一個抽象的層中，該體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點。

（1）層的重用。當(dāng)某一獨立的抽象層具有較為標準或通用化的接口時，則該層可以在不同的航天軟件測試中被重復(fù)使用，從而最大程度地降低了開發(fā)成本。

（2）標準化支持。抽象層準確劃分，能夠有效的促進標準、規(guī)范、統(tǒng)一化的任務(wù)接口開發(fā)。

（3）局部依賴性。獨立層之間的準確劃分，可以明確各層之間的任務(wù)及關(guān)聯(lián)性，減少了由于某一部分的修改對整個環(huán)境的影響。

（4）可替換性。不同測試軟件相同的需求仿真測試環(huán)境可以實現(xiàn)單個獨立層的輕松替換。

2.2全數(shù)字仿真測試環(huán)境的軟件測試流程

在全數(shù)字仿真環(huán)境下軟件測試步驟如下：

（1）仿真測試環(huán)境的初始化。將待測的航天軟件編譯后加載到當(dāng)前的測試環(huán)境中;

（2）通過靜態(tài)測試工具對所測試的航天軟件執(zhí)行靜態(tài)分析，并生成相關(guān)的檢測數(shù)據(jù);

（3）通過動態(tài)測試工具對所測試的航天軟件執(zhí)行動態(tài)分析，并進行相應(yīng)的調(diào)試;

（4）驗證測試環(huán)境的自動化，即利用仿真測試環(huán)境來產(chǎn)生諸如中斷等事件，保證被測的航天軟件可以按照“閉環(huán)”的方式運行;

（5）對輸出的結(jié)果進行詳細分析，并生成相應(yīng)的結(jié)果報告。

4 結(jié)語

測試是保證和提高航天軟件的質(zhì)量及其重要的途徑，本文研究了全數(shù)字仿真測試環(huán)境在航天軟件測試中的應(yīng)用，詳細闡述了全數(shù)字仿真測試環(huán)境及其模型，構(gòu)建了全數(shù)字仿真測試環(huán)境的體系結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了軟件測試的基本流程，最后通過實際的應(yīng)用并結(jié)合硬件仿真測試環(huán)境分析并總結(jié)了全數(shù)字仿真測試環(huán)境的有效性。對航天軟件的測試具有一定的參考價值。

參考文獻

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