面向小衛(wèi)星批量化研制的智能測試系統(tǒng)設計

趙川 戴澗峰 趙碩 蔡文碩

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部 100094)

隨著航天技術的發(fā)展，衛(wèi)星出現(xiàn)了多樣化、批量化、裝備化的發(fā)展趨勢，市場需求呈現(xiàn)井噴式的增長[1]。因此，智能、批量、快速、機動已經(jīng)成為下一代小衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)的主要特性要求。目前，國內多家小衛(wèi)星研制生產機構已經(jīng)初步具備星座衛(wèi)星及少量批產衛(wèi)星的并行測試能力，但是所采用的測試系統(tǒng)和測試方法仍是單星測試模式的簡單復制，即一顆衛(wèi)星配一套系統(tǒng)，導致測試資源投入成本巨大，有效利用率低等問題。與此同時，固定的自動化執(zhí)行功能，雖然能夠使用計算機自動地完成大部分測試工作，但是在衛(wèi)星實際狀態(tài)與預想狀態(tài)不一致時，原有自動化測試序列便無法自動完成，加之測試設備不具備集中管理動態(tài)調配等功能，整個測試過程仍需要大量測試人員的介入才能完成，勢必造成大量的人力資源投入和高強度測試所帶來的高質量安全風險等問題。因此，亟需開展面向小衛(wèi)星批量化研制的智能測試系統(tǒng)研制工作，應對日趨迫切的星群衛(wèi)星批量研制需求，推進我國大規(guī)模星群衛(wèi)星研制流程的優(yōu)化和研制能力的提升。

本文首先對智能批量測試的技術框架進行簡要介紹，然后基于技術框架從總體設計、接口快速接入與適配、智能測試執(zhí)行、資源智能調配、多樣化測試支持等方面，詳細介紹智能化測試系統(tǒng)的設計思路和實現(xiàn)方法，最后從智能批量測試流程和應用分析對智能測試系統(tǒng)的應用展開介紹。

1 智能批量測試技術框架

目前，小衛(wèi)星呈現(xiàn)出低成本、大批量、快速機動等特點，這就要求其測試系統(tǒng)具備快速高強度、批量化測試、集中小型化、機動響應等特點。為適應上述要求，面向小衛(wèi)星的智能批量測試技術框架如圖1所示[2]。首先，通過接口快速接入與適配技術實現(xiàn)衛(wèi)星的快速接入與適配，滿足多型多星的快速接入與批量測試的需求。其次，通過智能測試技術實現(xiàn)無人干預的高可靠性連續(xù)測試能力，滿足大批量衛(wèi)星的快速高強度測試需求。然后，通過資源智能調配技術實現(xiàn)測試設備的集中智能管理和智能動態(tài)調配能力，滿足大批量衛(wèi)星集中、批量測試需求，同時實現(xiàn)測試設備的最優(yōu)化高效利用，在一定程度上節(jié)省地面設備的投入成本。最后，通過多樣化測試模式支持技術使系統(tǒng)具備支持多種測試模式和測試方法的能力，滿足批產化小衛(wèi)星的機動響應需求。基于上述技術框架和需求解決思路，開展智能測試系統(tǒng)實現(xiàn)方案設計，適應小衛(wèi)星低成本、大批量、快速機動等發(fā)展趨勢。

圖1 面向小衛(wèi)星的智能批量測試技術框架

2 智能測試系統(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 總體結構

小衛(wèi)星智能測試系統(tǒng)包括前端測試設備和智能測試軟件兩部分。兩者通過以太網(wǎng)實現(xiàn)設備的智能管控、控制命令的上行和實時運行參數(shù)的下行等功能。系統(tǒng)硬件(前端測試設備)與軟件模塊如表1所示。系統(tǒng)主體架構如圖2所示。

表1 智能測試系統(tǒng)前端測試設備模塊和軟件模塊

圖2 智能測試系統(tǒng)主體架構

2.2 接口快速接入與適配技術

智能測試系統(tǒng)接口快速接入與適配技術的實現(xiàn)方案如圖3所示。首先，通過標準化的通用地面測試接口設計實現(xiàn)衛(wèi)星快速接入測試系統(tǒng)；其次，通過衛(wèi)星配置庫實現(xiàn)衛(wèi)星配套設備配置的快速加載和快速選擇[3]，同時依據(jù)衛(wèi)星配置庫內容自動完成配套設備的調配和適配，實現(xiàn)測試設備與待測衛(wèi)星的快速適配；然后，通過射頻開關矩陣的快速可控切換特性實現(xiàn)高頻設備的分時復用和快速動態(tài)調配；最后，利用相互獨立的測試序列和共享的測試數(shù)據(jù)實現(xiàn)多型多星并行批量測試，即每顆衛(wèi)星的測試序列獨立運行。為了實現(xiàn)測試設備在多星間的動態(tài)調配，以及多星協(xié)同并行測試等目標，依靠多星數(shù)據(jù)和設備運行參數(shù)的共享實現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星及衛(wèi)星與設備之間狀態(tài)的傳遞和感知，控制每顆衛(wèi)星測試序列的自動化運行，完成邏輯層面的多星協(xié)同并行測試[4-5]，依靠無人值守的高效高質量連續(xù)測試能力實現(xiàn)衛(wèi)星的快速測試。

圖3 接口快速接入與適配技術實現(xiàn)方案

為了滿足未來衛(wèi)星測試的需要，智能測試系統(tǒng)支持在不修改主程序代碼的前提下，實現(xiàn)測試模塊的動態(tài)擴展，實現(xiàn)方式如圖4所示。在有新的測試需求時，使用板卡接口庫協(xié)議模板或通用網(wǎng)絡接口協(xié)議模板，完成板卡協(xié)議轉換，以及動態(tài)庫或標準協(xié)議網(wǎng)絡接口的快速開發(fā)和適配工作，使擴展接入的測試模塊能夠與智能批量測試軟件適配，并配合其完成對應的自動化測試功能。

圖4 可擴展性實現(xiàn)方式示意

2.3 智能測試執(zhí)行技術

智能測試執(zhí)行技術的核心是智能測試模塊，它能夠確保計算機在無人干預的情況下自動地依據(jù)當前衛(wèi)星的狀態(tài)閉環(huán)完成測試狀態(tài)設置、測試工況實施、測試狀態(tài)恢復等一系列操作[6]。智能測試系統(tǒng)所采用的智能測試模塊結構如圖5所示，模塊包含了模塊執(zhí)行前的判讀條件描述、模塊運行的整星狀態(tài)描述、模塊運行前狀態(tài)設置模塊的索引、模塊的具體執(zhí)行內容、模塊運行后整星應恢復的狀態(tài)描述、模塊運行后狀態(tài)設置模塊的索引[7]。

圖5 智能測試模塊結構

智能測試系統(tǒng)運行流程如圖6所示。

圖6 智能測試系統(tǒng)運行流程

(1)測試開始后，系統(tǒng)判斷當前是否具備執(zhí)行當前模塊的條件。若條件允許，則開始執(zhí)行下一步；若條件不允許，則跳轉到第(5)步操作。

(2)系統(tǒng)獲取當前衛(wèi)星的實時狀態(tài)，判斷當前狀態(tài)是否為模塊執(zhí)行所要求的狀態(tài)。若滿足狀態(tài)要求，則直接進入下一步；若不滿足狀態(tài)要求，則根據(jù)狀態(tài)設置模塊索引獲取狀態(tài)設置模塊并執(zhí)行，對衛(wèi)星狀態(tài)進行設置[8]。

(3)完成當前模塊序列的自動執(zhí)行操作。

(4)系統(tǒng)獲取當前衛(wèi)星的實時狀態(tài)，判斷當前狀態(tài)是否為模塊執(zhí)行后所需要恢復的狀態(tài)。若滿足狀態(tài)要求，則直接進入下一步；若不滿足狀態(tài)要求，則根據(jù)狀態(tài)設置模塊索引獲取狀態(tài)恢復模塊并執(zhí)行，對衛(wèi)星狀態(tài)進行恢復。

(5)獲取下一個模塊并重復第(1)～(5)步操作，直至測試執(zhí)行完畢。

2.4 資源智能調配技術

資源智能調配技術通過資源智能調配服務和智能測試序列執(zhí)行功能配合實現(xiàn)，具體實現(xiàn)過程如圖7所示。

圖7 資源智能調配功能實現(xiàn)過程

(1)資源智能調配服務啟動后監(jiān)聽各衛(wèi)星智能測試序列執(zhí)行功能發(fā)送設備資源請求或釋放命令。

(2)智能測試序列執(zhí)行功能啟動并開始自動執(zhí)行測試序列。

(3)當智能測試序列執(zhí)行功能遇到測試模塊需要某一設備資源才能完成測試時，向資源智能調配服務發(fā)送資源請求命令[9]。

(4)資源智能調配服務收到的是設備請求命令后，判斷當前請求的資源是否空閑。若空閑，則將當前設備的占用標志置位，并將其分配給當前請求的測試序列；若當前設備已經(jīng)被別的測試序列占用，則直接進入第(5)步操作。

(5)資源智能調配服務向智能測試序列執(zhí)行功能發(fā)送資源分配結果(成功或失敗)，并重新開始監(jiān)聽各衛(wèi)星智能測試序列功能發(fā)送的資源請求或釋放命令。

(6)智能測試序列執(zhí)行功能收到資源分配結果為成功時，自動開始進行資源設置和后續(xù)測試序列的執(zhí)行工作，然后執(zhí)行第(7)步操作。若此時智能測試執(zhí)行進程收到的結果是失敗，則直接跳過當前需要使用資源才能完成的測試模塊，開始執(zhí)行別的測試項目，直至測試內容執(zhí)行告一段落后重新向資源智能調配服務發(fā)送資源申請命令；若沒有其他可執(zhí)行模塊，則等待3 s后重新開始執(zhí)行第(3)步操作。

(7)智能測試序列執(zhí)行功能完成當前模塊的測試，向資源智能調配模塊發(fā)送資源釋放命令。

(8)資源智能調配服務收到資源釋放請求，釋放當前資源并將資源的占用標志清除。

(9)重新回到第(1)步監(jiān)聽各衛(wèi)星的設備請求或釋放命令。

2.5 多樣化測試支持方法

智能測試系統(tǒng)多樣化測試模式和方法的實現(xiàn)方案，如圖8所示。

(1)通過模塊化設計思想使測試系統(tǒng)能夠靈活進行多模塊集成使用或單個模塊獨立使用，滿足多星集中測試、單星機動測試及分系統(tǒng)驗收測試的不同需求。

(2)通過多星數(shù)據(jù)歸一化技術(測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一維護訂閱和多星參數(shù)實時混合運算等技術)，實現(xiàn)多星數(shù)據(jù)共享、多星數(shù)據(jù)聯(lián)合判讀等功能，支撐單星測試、星座聯(lián)試及星群組網(wǎng)測試等應用需求。

(3)通過靈活的軟件布局設計(既可以集中部署也可以分布式部署)，使軟件可以部署在測試間、測試現(xiàn)場或實現(xiàn)多地遠程部署等，從而滿足現(xiàn)場測試、遠程測試(含指控模式)和遠程實時監(jiān)控等實用需要[10]。

3 智能測試系統(tǒng)應用

3.1 智能批量測試工作流程

采用智能測試系統(tǒng)開展智能批量測試的工作過程，如圖9所示。

圖9 智能批量測試工作過程

(1)各分系統(tǒng)設計師根據(jù)測試需要提供對應分系統(tǒng)的測試用例和相關判讀依據(jù)等測試輸入文件。

(2)測試人員根據(jù)輸入文件開展測試設計工作，生成測試資源配置項和智能測試模塊，并組織各相關設計師進行評審會簽。

(3)評審通過后，根據(jù)測試流程安排，從測試模塊中選擇所需模塊開展測試工作。系統(tǒng)首先根據(jù)衛(wèi)星測試資源配置項自動地完成測試設備的分配和初始化設置等工作；然后根據(jù)衛(wèi)星的實時狀態(tài)智能地完成測試狀態(tài)設置、測試工況實施、測試狀態(tài)恢復等一系測試實施操作。

(4)測試完成后，系統(tǒng)根據(jù)測試結果判讀規(guī)則自動生成測試報表，每日向設計師提供測試日報，定期或按需提供階段測試總結報告。

(5)測試人員和設計師最終確認當前測試是否滿足預期要求，若不滿足，重復第(1)～(5)步操作。

3.2 應用分析

智能測試系統(tǒng)以其智能化、批產化、模塊化、智能化等特點，能夠很好地支撐成百上千顆量級的超大規(guī)模星群衛(wèi)星的快速批量測試需求。通過將該系統(tǒng)與基于脈動式生產線的測試模式及高效測試流程設計相結合，構建基于脈動式生產線的超大規(guī)模星群衛(wèi)星測試生產線，能夠大幅縮短大規(guī)模星群衛(wèi)星的批量測試周期。測試生產線按照平臺測試、有效載荷測試、星群組網(wǎng)模式測試等測試內容劃分為3個測試區(qū)域。按照測試流程、被測星群規(guī)模、測試強度、測試周期等要求，將每個測試區(qū)域的測試工作劃分為若干個測試工序，衛(wèi)星按照脈動周期逐個完成對應的測試工序，最終下線入庫。

采用基于脈動式生產線的測試模式(見圖10)后，單條生產線上每個測試節(jié)點可以完成8顆衛(wèi)星的并行測試工作，根據(jù)平臺、有效載荷及星群測試時間在平臺測試區(qū)設置一個測試節(jié)點，有效載荷測試區(qū)設置2個測試節(jié)點，星群測試區(qū)設置1個測試節(jié)點。采用這種設計完成X顆衛(wèi)星的測試任務大概需要N+[(X-P)/P]·M(單位：h),其中：P為測試生產線單個節(jié)點的并行測試能力，衛(wèi)星按照該能力分組進入生產線，一組衛(wèi)星的數(shù)量為P顆；N為完成1組衛(wèi)星全部測試流程所需時間；M為生產線的脈動周期，即1組衛(wèi)星完成1個測試工序所需要的最長時間。因為單套智能測試系統(tǒng)可以并行開展8顆衛(wèi)星的測試，所以此處設定一組衛(wèi)星的數(shù)量為8顆，即P為8。根據(jù)衛(wèi)星的實際測試數(shù)據(jù)，設N為160 h，M為40 h，代入可以計算出完成100顆衛(wèi)星測試共需要620 h，按照8 h工作制測算，共需要78天。后續(xù)可以通過合理設計流程降低脈動周期的方式，縮短星群衛(wèi)星的測試時間。

圖10 基于脈動式生產線的測試模式

4 結束語

智能測試系統(tǒng)已經(jīng)在十余顆商業(yè)化批產衛(wèi)星的工廠測試階段得到使用和驗證，該系統(tǒng)順利完成了該衛(wèi)星單機電性件驗收測試、整星電性階段測試等工作。后續(xù)需要根據(jù)智能測試系統(tǒng)的特點和小衛(wèi)星批量化發(fā)展的需求，從測試輸入、測試流程及測試設備研制3個方面對小衛(wèi)星智能批量研制工作制定相關標準規(guī)范，構建一套標準化的小衛(wèi)星智能批量測試體系架構，推進小衛(wèi)星批量快速研制流程的優(yōu)化，適應未來市場的發(fā)展需求。