衛(wèi)星通用化綜合測(cè)試鑒定評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮科峰

(上海航天壹亙智能科技有限公司,上海201306)

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和軍事武器裝備的發(fā)展,試驗(yàn)鑒定評(píng)估工作在國(guó)防科研和裝備建設(shè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。為全面貫徹落實(shí)全軍開(kāi)展武器裝備試驗(yàn)鑒定的總體思路,通過(guò)改進(jìn)試驗(yàn)鑒定工作模式,強(qiáng)化軍民融合發(fā)展理念,建立型號(hào)任務(wù)鑒定評(píng)估體系,形成全面鑒定評(píng)估能力對(duì)于確保任務(wù)成功具有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)衛(wèi)星的鑒定評(píng)估工作的研究和論證比較少,還處于探索驗(yàn)證階段,各總體單位相對(duì)成熟的測(cè)試系統(tǒng)還只是停留在衛(wèi)星電測(cè)試功能和性能層面要求上,無(wú)法從系統(tǒng)鑒定和專(zhuān)家打分綜合評(píng)估衛(wèi)星的各項(xiàng)指標(biāo),通過(guò)構(gòu)建“衛(wèi)星通用化綜合測(cè)試鑒定評(píng)估系統(tǒng)”可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星發(fā)射場(chǎng)測(cè)試及試驗(yàn)鑒定工作“流程規(guī)范化、接口標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)備通用化、軟件信息化、評(píng)估智能化”的目標(biāo),最終形成發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)鑒定能力。

本文共有五個(gè)部分,第一部分介紹了項(xiàng)目背景和總的要求；第二部分列出了項(xiàng)目的基本要求和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；項(xiàng)目的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作和應(yīng)用驗(yàn)證工作分別安排在了本文的第三部分和第四部分；最后一部分作為本文結(jié)論。

1 項(xiàng)目概況

在整個(gè)衛(wèi)星試驗(yàn)鑒定流程中,發(fā)射場(chǎng)作為承前啟后的關(guān)鍵環(huán)節(jié),是衛(wèi)星上天之前的最后一道關(guān)口,對(duì)于航天裝備列裝前質(zhì)量把控、效能評(píng)估意義毋庸置疑。開(kāi)展發(fā)射場(chǎng)航天裝備試驗(yàn)鑒定,是確保航天裝備在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上形成實(shí)戰(zhàn)能力的重要途徑,是航天裝備試驗(yàn)鑒定模式創(chuàng)新發(fā)展的必然趨勢(shì)。航天裝備試驗(yàn)鑒定正逐步從過(guò)去傳統(tǒng)的“研制單位主導(dǎo)技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證”向“面向用戶(hù)整體效能指標(biāo)考核”轉(zhuǎn)變。目前,航天裝備發(fā)射場(chǎng)試驗(yàn)鑒定尚處于摸索與起步階段,發(fā)射場(chǎng)己經(jīng)開(kāi)展運(yùn)載火箭發(fā)射場(chǎng)綜合測(cè)試和鑒定評(píng)估等相關(guān)工作,因此對(duì)衛(wèi)星在發(fā)射場(chǎng)的測(cè)試和鑒定評(píng)估提出了新的要求,該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)將對(duì)衛(wèi)星的真實(shí)作戰(zhàn)能力和滿(mǎn)足作戰(zhàn)功能需求程度作出全面的評(píng)價(jià)和鑒定,將會(huì)對(duì)衛(wèi)星快速形成戰(zhàn)斗力產(chǎn)生重大影響。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)要求主要有以下5 項(xiàng):

2.1 在配置完成、操作熟練、任務(wù)明確的前提下,完成一次鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的全流程測(cè)試時(shí)間小于20min。

2.2 通過(guò)軟件配置適應(yīng)性調(diào)整及星地接口轉(zhuǎn)換,可適用于目前主流類(lèi)型微小衛(wèi)星(小于100kg)的鑒定試驗(yàn)。

2.3 預(yù)留接口,可適應(yīng)不少于3 顆衛(wèi)星的并行測(cè)試和鑒定試驗(yàn)。

2.4 在滿(mǎn)足常規(guī)S 頻段測(cè)控和X 頻段數(shù)傳的基礎(chǔ)上,預(yù)留接口,可方便轉(zhuǎn)換為U/V、X 頻段和S 頻段數(shù)傳。

2.5 利用簡(jiǎn)單的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)接口,可實(shí)現(xiàn)一鍵化快速測(cè)試及鑒定評(píng)估,實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程自動(dòng)生成、鑒定測(cè)試自動(dòng)化執(zhí)行、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)檢測(cè)、測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)處理、常用故障自動(dòng)診斷等功能。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用分層架構(gòu),單一計(jì)算機(jī)測(cè)試無(wú)法實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)采用多計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu),具體可分為四層,系統(tǒng)分層組成圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

第一層為直接測(cè)控層,直接測(cè)控層是與衛(wèi)星直接相連的環(huán)節(jié),衛(wèi)星采集信號(hào)和控制信號(hào)都是由前端系統(tǒng)來(lái)完成的。鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)和衛(wèi)星直接聯(lián)系的通道包括以下幾個(gè)方面:衛(wèi)星通過(guò)脫落插頭傳送的星上地測(cè)信號(hào)、直接測(cè)控信號(hào)和衛(wèi)星供電；星上測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)方式傳送的衛(wèi)星測(cè)控信號(hào)。直接測(cè)控層前端設(shè)備包括:能源前端、星務(wù)前端以及測(cè)控?cái)?shù)傳前端。每個(gè)前端系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立,既可脫離網(wǎng)絡(luò)自成系統(tǒng)獨(dú)立工作,也可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在控制中心管理下協(xié)調(diào)工作,以滿(mǎn)足不同測(cè)試模式的要求。前端設(shè)備作為地面系統(tǒng)與衛(wèi)星的通信通道,指令由主控制中心統(tǒng)一調(diào)度。前端設(shè)備將配備標(biāo)準(zhǔn)一體化機(jī)柜實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì),通過(guò)外接局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)可以靈活布控前端設(shè)備。

第二層為中心控制管理層,中心控制管理層作為整個(gè)鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的核心,該層在系統(tǒng)中起到至關(guān)重要的管理和控制功能,負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的協(xié)同工作、測(cè)試設(shè)備監(jiān)控。中心控制層包括:主控制中心系統(tǒng)和數(shù)據(jù)路由管理系統(tǒng)。在主控制中心可直接登陸數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配置和管理,可實(shí)時(shí)、自動(dòng)進(jìn)行指令發(fā)送等操作和控制；數(shù)據(jù)路由中心設(shè)計(jì)采用虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)現(xiàn)虛擬信道,適應(yīng)多星多類(lèi)型數(shù)據(jù)共享物理鏈路的功能,同時(shí)在衛(wèi)星測(cè)試任務(wù)中,可在路由中心實(shí)時(shí)監(jiān)控下行通道的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài),數(shù)據(jù)接收狀態(tài),以保證數(shù)據(jù)傳輸通暢。

第三層為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)層,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)層作為綜合測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞,負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)路由系統(tǒng)發(fā)送的所有衛(wèi)星測(cè)試數(shù)據(jù),存儲(chǔ)衛(wèi)星測(cè)試生命周期內(nèi)的所有數(shù)據(jù)及測(cè)試日志,為衛(wèi)星研制人員的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)分析支持。

第四層為終端監(jiān)控鑒定評(píng)估層,主要由實(shí)時(shí)判讀終端、查詢(xún)分析終端、鑒定評(píng)估終端以及打印終端組成。實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星測(cè)試過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示與自動(dòng)判讀、測(cè)試數(shù)據(jù)的查詢(xún)分析,測(cè)試數(shù)據(jù)的回放、生成鑒定評(píng)估報(bào)告以及測(cè)試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出和打印等功能。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 能源前端模塊

功能要求:能源前端模塊主要負(fù)責(zé)給整星供電、衛(wèi)星狀態(tài)控制(主要電源分系統(tǒng)的充放電控制、內(nèi)外電切換和星載計(jì)算機(jī)的切換和復(fù)位控制等)及有線(xiàn)測(cè)量信號(hào)(主要是電源分系統(tǒng)的有線(xiàn)測(cè)試信號(hào))的采集等功能。

設(shè)計(jì)難點(diǎn):太陽(yáng)方陣模擬設(shè)備特性和輸出電纜接口類(lèi)型要能夠覆蓋多類(lèi)衛(wèi)星型號(hào)的供電需求；能源設(shè)備控制軟件需動(dòng)態(tài)識(shí)別接入設(shè)備并完成自檢。

解決思路:太陽(yáng)方陣模擬器設(shè)計(jì)采用模塊化管理和集成方式,電纜接口設(shè)計(jì)采用適配器設(shè)計(jì)方式,通過(guò)電纜適配箱轉(zhuǎn)接不同接口；能源設(shè)備軟件通過(guò)配置表更新自動(dòng)觸發(fā)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)初始化和接入自檢。

3.2.2 星務(wù)前端模塊

功能要求:星務(wù)前端模塊主要通過(guò)RS-422 異步通信串口實(shí)現(xiàn)與星載計(jì)算機(jī)的交互。異步通信的地測(cè)串口把星上的所有信息實(shí)時(shí)傳遞給地面:包括星上自主遙測(cè)數(shù)據(jù)、軟件運(yùn)行狀態(tài)、各個(gè)分系統(tǒng)的工作情況；也支持把地面的數(shù)據(jù)發(fā)送至衛(wèi)星:包括間接遙控指令、程序注入、數(shù)據(jù)注入,以方便綜測(cè)過(guò)程中的交互式調(diào)試。

設(shè)計(jì)難點(diǎn):對(duì)于不同串口下行傳輸速率的適配性問(wèn)題,容易造成數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。

解決思路:設(shè)計(jì)串口下行數(shù)據(jù)包動(dòng)態(tài)緩沖機(jī)制,構(gòu)建了線(xiàn)程安全隊(duì)列,該安全隊(duì)列可以根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)速率動(dòng)態(tài)調(diào)整緩沖隊(duì)列空間大小。

3.2.3 測(cè)控前端模塊

功能要求:測(cè)控前端模塊由PXI 機(jī)箱、零槽控制器、中頻信號(hào)處理與模擬單元上變頻、下變頻、信道調(diào)理單元以及CAN 總線(xiàn)接口測(cè)試單元組成。所有單元都以PXI 板卡形式集成在PXI機(jī)箱中。

設(shè)計(jì)難點(diǎn):不同衛(wèi)星型號(hào)的測(cè)控體制和測(cè)控頻段不同,測(cè)控上下行通道數(shù)量不確定,要求設(shè)備具有擴(kuò)展性。

解決思路:機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過(guò)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化思想；測(cè)控體制上通過(guò)FPGA 軟件版本在線(xiàn)升級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)。

3.2.4 主控中心模塊

功能要求:主控中心模塊負(fù)責(zé)完成測(cè)試人員向衛(wèi)星或某些前端設(shè)備發(fā)送指令,對(duì)試驗(yàn)鑒定系統(tǒng)中各子系統(tǒng)所需要的配置信息提供人機(jī)管理接口,配置信息包括各軟件運(yùn)行所需要的初始化數(shù)據(jù),衛(wèi)星遙測(cè)遙控?cái)?shù)據(jù)協(xié)議格式信息,各系統(tǒng)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信配置信息,判讀規(guī)則數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理腳本管理以及衛(wèi)星測(cè)試命令幀等。

設(shè)計(jì)難點(diǎn):主控中心作為連接系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)樞紐,具有承上啟下的作用,要能夠保證數(shù)據(jù)的暢通和故障時(shí)的快速切換。

解決思路:通過(guò)虛擬化技術(shù),多虛擬機(jī)部署,基于心跳檢測(cè)機(jī)制快速實(shí)現(xiàn)程序切換,程序設(shè)計(jì)上采用多線(xiàn)程架構(gòu),實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源的處理轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

功能要求:數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要用于存儲(chǔ)包括包括遙測(cè)包格式信息、指令幀格式信息、網(wǎng)絡(luò)配置信息、設(shè)備連接信息、測(cè)試用例數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)類(lèi)型信息、測(cè)試計(jì)劃調(diào)度信息等所有配置數(shù)據(jù)。通過(guò)與采集存儲(chǔ)軟件對(duì)接,將流數(shù)據(jù)形式的測(cè)試數(shù)據(jù)永久化存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,能夠存儲(chǔ)TB 甚至PB 級(jí)的數(shù)據(jù)。

設(shè)計(jì)難點(diǎn):數(shù)據(jù)存儲(chǔ)架構(gòu)要適應(yīng)多并發(fā)查詢(xún)要求,具備可擴(kuò)展性和容錯(cuò)性。

解決思路:采用分布式存儲(chǔ)架構(gòu),基于Hadoop 底層存儲(chǔ)框架技術(shù)和HBase 分布式存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全本分和高效寫(xiě)入。

3.2.6 監(jiān)控評(píng)估模塊

功能要求:監(jiān)控評(píng)估模塊主要用于實(shí)時(shí)顯示衛(wèi)星平臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)和前端機(jī)設(shè)備采集來(lái)的數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)顯示模塊支持?jǐn)?shù)據(jù)分組分頁(yè)顯示,實(shí)時(shí)對(duì)發(fā)送來(lái)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判讀。通過(guò)用戶(hù)自定義的各項(xiàng)評(píng)定指標(biāo),對(duì)相關(guān)的衛(wèi)星工作狀態(tài)、遙測(cè)數(shù)據(jù)、測(cè)試用例執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算和判別分析,形成約定格式的鑒定評(píng)估結(jié)果報(bào)告,報(bào)告中包含評(píng)定指標(biāo)明細(xì)和各項(xiàng)結(jié)果以及最終結(jié)論。

設(shè)計(jì)難點(diǎn):鑒定評(píng)估指標(biāo)涉及多級(jí)指標(biāo),指標(biāo)類(lèi)型多樣化,指標(biāo)計(jì)算方法要具備通用性和擴(kuò)展性。

解決思路:構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的指標(biāo)評(píng)估體系和指標(biāo)計(jì)算方法庫(kù),通過(guò)層次分析法設(shè)計(jì)鑒定評(píng)估模塊架構(gòu),基于指標(biāo)計(jì)算可編輯接口擴(kuò)充更新指標(biāo)方法庫(kù),結(jié)合專(zhuān)家打分方式綜合評(píng)估各級(jí)指標(biāo)。

3.3 鑒定評(píng)估模型的設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星效能評(píng)估中,通過(guò)使用層次分析法計(jì)算出在當(dāng)前層級(jí)中指標(biāo)的權(quán)重,換句話(huà)說(shuō)該指標(biāo)在此層級(jí)下的重要程度。層次分析法主要有建立遞歸層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造判斷矩陣、層次單排序和一致性檢驗(yàn)。本文中采用層次單排序及一致性檢驗(yàn),層次單排序即為各個(gè)指標(biāo)在該層次下所占的權(quán)重值(判斷矩陣最大特征值所對(duì)應(yīng)的特征矩陣)由計(jì)算得到。采用EM法計(jì)算層次單排序,算法步驟如下所示:

(1)對(duì)判斷矩陣每一列進(jìn)行歸一化處理

(5)計(jì)算一致性比例CR=CI/RI,其中CI=(λmax-n)/(n-1),隨機(jī)一致性指標(biāo)RI 由查表得到(如表1 所示),當(dāng)CR＜0.1 時(shí)認(rèn)為判斷矩陣的一致性可接受,則結(jié)果可以作為權(quán)值數(shù)。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)

4 系統(tǒng)應(yīng)用與驗(yàn)證

系統(tǒng)在微小衛(wèi)星聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了硬件的安裝部署和系統(tǒng)各軟件模塊的聯(lián)調(diào),選取了實(shí)驗(yàn)室存放的某單位軟件星電性件產(chǎn)品作為系統(tǒng)應(yīng)用和驗(yàn)證對(duì)象,部署的軟硬件條件和系統(tǒng)配套清單；按如圖2 的測(cè)試流程完成了各項(xiàng)測(cè)試工作。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試流程

按照以上測(cè)試流程對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊功能、模塊接口數(shù)據(jù)協(xié)議、系統(tǒng)集成測(cè)試以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性等性能指標(biāo)進(jìn)行了半個(gè)月的聯(lián)合測(cè)試,系統(tǒng)整體上已經(jīng)具備了任務(wù)書(shū)要求的各項(xiàng)功能指標(biāo)和性能指標(biāo),可適應(yīng)于不同微小衛(wèi)星的快速電測(cè)試和基于評(píng)估指標(biāo)體系的快速鑒定評(píng)估能力。

5 結(jié)論

微小衛(wèi)星鑒定試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)按照用戶(hù)技術(shù)要求逐項(xiàng)進(jìn)行了測(cè)試,滿(mǎn)足要求,通過(guò)了出廠(chǎng)系統(tǒng)測(cè)試和用戶(hù)試用。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程受控,質(zhì)量監(jiān)管到位,配套文檔資料齊全。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程符合軟件工程的有關(guān)要求,采用設(shè)計(jì)、編碼、測(cè)試三分離原則,配置項(xiàng)狀態(tài)受控,并已通過(guò)用戶(hù)試用。通過(guò)系統(tǒng)聯(lián)試和軟件測(cè)試等,系統(tǒng)軟件滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)要求,可以開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)部署、聯(lián)調(diào)、測(cè)試工作。