應用射頻開關矩陣的多星測試平臺設計

劉畢炎 張少坡 戴澗峰 趙川

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

面對航天器快速發(fā)射的需要，批產衛(wèi)星研制任務的不斷的增多，對衛(wèi)星的研制周期和可靠性提出了更高的要求[1]。傳統(tǒng)的衛(wèi)星串行測試方法測試時間長，而且資源利用率低，已經不能滿足當前的需求。因此，迫切需要研究一種多星批量測試平臺，可以同時支持多顆衛(wèi)星的并行測試[2]。

當前，為了滿足批產化測試的需求，國內外都通過各種手段優(yōu)化測試流程、提高測試效率。美國制定了一套快速的總裝、集成與測試(AIT)計劃，并已經成功應用于美國“軌道通信”(Orbcomm)衛(wèi)星和“全球星”(Globalstar)衛(wèi)星。針對Orbcomm系統(tǒng)多星的密集測試和發(fā)射任務，美國通過刪減測試項目和縮短測試流程等措施完成多星的測試[3-5]。為了達到Globalstar系統(tǒng)每周一顆的發(fā)射速度，美國拋棄了傳統(tǒng)的AIT測試方法，僅對首發(fā)星進行完整的測試，后繼星只進行簡化的驗收測試[6]。國內已開展過微納星群的測試任務，但在研制計劃上并行測試的衛(wèi)星數(shù)量并不多。一般，采用并發(fā)測試和交替測試完成多星的快速測試，并發(fā)測試需要額外增加測試設備，且需要避免復雜的資源共享問題。交替測試是將衛(wèi)星測試項目分為多個模塊，讓每個測試模塊在時間上交錯，以提高多星的測試效率。傳統(tǒng)的批產化測試平臺受限于設備資源和測試軟件，并不具備多星并行測試的能力[7]。

本文針對傳統(tǒng)測試方法效率低、設備占有率高、易出故障等缺點，提出了一種應用射頻開關矩陣的多星測試平臺設計。該設計具有周期短、成本低的特點，可以滿足當前微納衛(wèi)星批產化測試的需求，并已經成功應用于衛(wèi)星數(shù)傳載荷分系統(tǒng)的并行測試中，可為后續(xù)微納衛(wèi)星的批產化測試提供技術支撐。

1 測試平臺構成

數(shù)傳載荷分系統(tǒng)的測試作為微納衛(wèi)星綜合測試的重要環(huán)節(jié)之一，是確保衛(wèi)星成功研制及在軌穩(wěn)定運行的關鍵所在，測試平臺的發(fā)展水平直接影響著衛(wèi)星的研制進度和質量水平。當前的微納衛(wèi)星測試平臺往往只能完成單顆微納衛(wèi)星數(shù)傳載荷分系統(tǒng)的綜合測試[8]，隨著微納衛(wèi)星數(shù)量的增加，地面綜合測試所需的人力成本和物力成本也隨之提高，因此，建立批量、高效的綜合測試平臺，是衛(wèi)星研制保障技術中的重要一環(huán)[9]。

應用射頻開關矩陣的多星測試平臺，由射頻開關矩陣模塊、測控測試模塊、總控測試模塊、數(shù)傳載荷測試模塊構成。其中：射頻開關矩陣模塊用于完成射頻信號的切換。測控測試模塊提供衛(wèi)星與地面之間的信號傳輸通道，接收解調地面發(fā)送的遙控指令并送往星上各個分系統(tǒng)，對遙測數(shù)據(jù)流進行組幀和調制并下發(fā)給總控系統(tǒng)?？偪販y試模塊通過批量測試軟件完成指令的發(fā)送和遙測的接收，指令包括開關矩陣的切換指令和星上的指令，遙測包括開關矩陣的工作狀態(tài)和星上的遙測。數(shù)傳載荷測試模塊包括下變頻器和數(shù)傳載荷地檢設備，用于衛(wèi)星有效載荷數(shù)據(jù)的下傳、解碼和分析。

圖1為應用射頻開關矩陣的多星測試平臺測試時的信號鏈路。

以6顆衛(wèi)星并行測試為例，數(shù)傳載荷分系統(tǒng)僅需要采用一套數(shù)傳載荷地檢設備和一套下變頻器，即可完成多星的數(shù)傳載荷綜合測試，射頻開關矩陣輸入端(IN_CH1～IN_CH6)與多星數(shù)傳下行端口連接，數(shù)傳載荷測試模塊下變頻器和射頻開關矩陣模塊輸出端(OUT)連接?？偪販y試模塊的多星批量測試軟件通過服務通信模式來控制射頻開關矩陣通道的選擇，將射頻端口切換至需要測試的衛(wèi)星數(shù)傳下行端口。因此，測試平臺能夠在一次加電條件下分時完成多顆衛(wèi)星的數(shù)傳載荷測試工作。

2 測試平臺詳細設計

2.1 射頻開關矩陣選型

2.1.1 開關矩陣主要參數(shù)

射頻開關矩陣是一種用來使某路通道的高頻信號通過不同路徑傳輸?shù)脑O備，目前被廣泛應用于航天器和地面基站的射頻通路的自動切換。它能夠使單一的信號路徑變成多路徑，使得多個測試可以在同樣的設置下進行，不需要頻繁地連接和斷開電纜。

射頻開關矩陣從工作原理上分為機電式開關和固態(tài)式開關兩大類。機電開關是通過切換機械式接觸來控制通道的選擇。固態(tài)開關有場效應管(FET)和正-本征-負(PIN)二極管兩大類。FET開關是創(chuàng)造一個通道(損耗層)，讓電流從FET的漏極流向源極而形成開關狀態(tài)。PIN二極管是由高摻雜的正極性(P)和負極性(N)電荷材料之間夾成的高阻介質組成的開關狀態(tài)[10]。射頻開關矩陣的性能指標和具體參數(shù)跟射頻開關的內部結構有關，在選用開關矩陣型號時需要重點關注以下參數(shù)。

(1)頻率范圍。它是指射頻開關矩陣可以適用的射頻信號頻率值的最大包絡范圍，在很大程度上由開關信號承載元件的使用材料和開關的設計決定。一般地，衛(wèi)星系統(tǒng)通信的頻段為2.0～26.5 GHz。

(2)插入損耗。它為射頻開關矩陣處于導通狀態(tài)時損耗的總功率，直接影響著射頻系統(tǒng)的前端噪聲系數(shù)，由于提高輸出功率成本較高，在選型時都盡量選擇低插入損耗的開關。機電式射頻開關矩陣的插入損耗比較低，從低頻時的0.1 dB到高頻時的1.5 dB，而固態(tài)式射頻開關矩陣的插入損耗值為0.5～5.0 dB。影響插入損耗的因素有使用材料、路徑長度及觸點磨損等，可用式(1)來計算插入損耗。

(1)

式中：Pout為輸出功率；Pin為輸入功率。

(3)隔離度。它是開路支路與閉合支路之間的衰減度，是衡量射頻開關矩陣的重要參數(shù)，尤其在高頻率下更是重要的參考指數(shù)。高隔離度可以降低其他信號對系統(tǒng)的干擾，確保系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，可用式(2)來計算隔離度。

(2)

式中：Popen為開路支路負載功率；Pclose為閉合支路輸入功率。

(4)切換速度。它為射頻開關矩陣從斷開狀態(tài)到閉合狀態(tài)所需要的實際時間，其上限高可達到微秒級，低可達到納秒級。

(5)重復性。它是指射頻開關矩陣的性能指標經過長期使用后變化的度量，作為系統(tǒng)部件使用時對系統(tǒng)的測量精度至關重要。

(6)使用壽命。它是指射頻開關矩陣的最長使用時間，一般在定型之前需要進行大量的重復性試驗，驗證開關極限切換次數(shù)。較長的使用壽命可以降低測試的成本和預算約束。

不同類型開關矩陣的特性如表1所示。

表1 開關矩陣特性

2.1.2 開關矩陣選型

盡管固態(tài)射頻開關在重復性、開關切換速度和使用壽命上更加有優(yōu)勢，開關矩陣所承受的射頻信號需要達到盡可能寬的頻率范圍，這樣才能適用于不同衛(wèi)星、不同頻率信道的測試。衛(wèi)星測試中對射頻開關矩陣的切換速度要求并不高，開關矩陣切換的次數(shù)也有限，綜合考慮經濟成本和測試的可靠性，本文選用的開關矩陣為雷迪埃(RADIALL)公司的R584F22250型單刀6擲機電式射頻開關矩陣，接口為一種微型射頻同軸連接器(SMA)標準化連接口，可以同時滿足6顆衛(wèi)星的并行測試。開關的具體參數(shù)包括：頻率范圍0～26.5 GHz；插入損耗0.7 dB；隔離度80 dB；切換速度15 ms。

圖2為R584F22250型射頻開關矩陣的實物圖。其中：IN_CH1～IN_CH6為射頻開關矩陣的輸入端；OUT為射頻開關矩陣的輸出端。

圖2 R584F22250型射頻開關矩陣實物

2.1.3 開關矩陣測試

(1)結構可靠性設計。射頻開關矩陣采用螺釘緊固的方式，固定于國家儀器公司專用測試設備定制的面板上，并采用彈簧墊圈加固防震。射頻電纜在安裝時需要用力矩扳手測力，保證射頻開關矩陣接口處連接穩(wěn)固，可以長時間正常工作[11]。

(2)信道可靠性測試。為了驗證射頻開關矩陣信道的可靠性，通過模擬信號源和頻譜儀對開關的切換和鏈路通斷進行可靠性驗證。將信號源連接到射頻開關矩陣的輸入端IN_CH1，頻譜儀連接到射頻開關矩陣的輸出端OUT，將射頻開關矩陣端口切換至輸入端IN_CH1，給信號源輸出信號強度為0 dBm、頻率為8 GHz的信號，記錄頻譜儀接收到的信號頻率和強度。同樣的，對輸入端IN_CH2～IN_CH6進行相同的操作，分別記錄頻譜儀接收到的信號頻率和強度。圖3為開關矩陣測試的連接示意。測試結果表明：當輸出信號強度為0 dBm、頻率為8 GHz的信號時，減去電纜差損，開關矩陣的損耗約為1 dB，測試結果符合要求。對射頻開關矩陣進行多次重復性切換，開關的穩(wěn)定性好，鏈路信道穩(wěn)定。表2為開關矩陣損耗的實測值。

圖3 開關矩陣測試連接示意

表2 開關矩陣信號損耗實測值

2.2 自動測試技術

一般，測試人員可以通過射頻開關矩陣自帶的程序軟件完成開關矩陣的手動切換，但是這種方式效率低，而且容易發(fā)生人為失誤。射頻開關矩陣作為一個獨立的模塊接入到衛(wèi)星測試系統(tǒng)中，通過實現(xiàn)總控系統(tǒng)與射頻開關矩陣的聯(lián)通，測試人員就可以同時通過批量測試軟件完成星上指令和開關矩陣指令的同步發(fā)送，實現(xiàn)自動化測試，從而進一步提高測試人員的工作效率。

R584F22250型射頻開關矩陣提供了設備控制通用接口給個人計算機(PC)端，PC端要精確實現(xiàn)對射頻開關矩陣的控制，通過虛擬儀器軟件架構(VISA)結構向射頻開關矩陣發(fā)送可編程儀器標準命令(SCPI)；射頻開關矩陣通過通信接口接收到PC端發(fā)送的指令后，將SCPI指令翻譯為射頻開關矩陣可以讀取的信息；射頻開關矩陣根據(jù)相應的信息完成相應的動作[12]。多星批量測試軟件可以通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)與驅動程序之間的通信，TCP/IP是目前開放性好、使用頻率較高的通信協(xié)議,它構成包括文件傳輸協(xié)議(FTP)和超文本傳輸協(xié)議(HTTP)等很多應用程序層的因特網(wǎng)協(xié)議基礎，也可以用于制定用戶自己的協(xié)議。圖4為射頻開關矩陣與測試平臺之間的通信示意。

注：USB為通用串行總線；GPIB為通用接口總線。

2.3 批量測試技術

完整的多星測試平臺應支持多顆衛(wèi)星指令的同時發(fā)送，且衛(wèi)星之間的測試各自獨立、互不干擾。多星批量測試軟件采用智能批量測試技術，通過構建模塊化、開放式的結構，各功能模塊的運行和模塊間的協(xié)作都由軟件系統(tǒng)自身進行統(tǒng)一管理和調度，軟件主要包含如下模塊。

(1)測試界面模塊：給測試人員提供友好、易用、直觀、圖形化的界面顯示。界面直觀地展示了測試過程中衛(wèi)星的遙測參數(shù)和開關矩陣參數(shù)信息，測試人員通過測試界面模塊與軟件其他功能模塊進行交互。

(2)多星維護和管理模塊：能夠同時維護和管理多顆衛(wèi)星的參數(shù)信息，具備多星集中維護和單星差異化修改的能力。

(3)并行執(zhí)行模塊：能夠支待多顆衛(wèi)星的并行自動化執(zhí)行能力，各衛(wèi)星之間互不干擾，并可以分別為不同的衛(wèi)星指定各自的測試序列。

(4)報警提示模塊：對于測試執(zhí)行過程中出現(xiàn)的故障、異常等情況進行實時的聲光報警，并將具體故障信息推送給測試人員。

智能批量測試軟件能夠適應多星并行測試的需求，軟件可以同時完成多顆衛(wèi)星星上指令和地面開關矩陣控制指令的發(fā)送，使當前衛(wèi)星綜合測試的能力由多人1星提升為1人多星，極大降低測試的人力成本。

2.4 平臺可靠性設計

在實際測試過程中，當衛(wèi)星數(shù)傳數(shù)據(jù)下傳完畢后，開關矩陣需要通過批量測試軟件發(fā)送指令進行端口切換，若指令未成功發(fā)送或者發(fā)送錯誤極易造成測試中斷，進而影響衛(wèi)星的測試進度。應用射頻開關矩陣的多星測試平臺對測試的可靠性進行設計，采用智能監(jiān)視、指令前判、指令后判等方法提高測試的可靠性。

(1)智能監(jiān)視。測試平臺可以獲取射頻開關矩陣參數(shù)信息，并對射頻開關矩陣當前的端口位置進行智能監(jiān)視。若沒有指令發(fā)送而射頻開關矩陣端口位置發(fā)生了變化，平臺會報警并提示給測試人員。

(2)指令前判及指令后判。軟件協(xié)議定義了兩類開關矩陣位置切換指令——獲取開關矩陣指令和釋放開關矩陣指令。在發(fā)送獲取開關矩陣指令之前，平臺軟件會判斷射頻開關矩陣當前的位置是否處于空檔，若判讀成功，射頻開關矩陣才會產生切換動作。在發(fā)送獲取開關矩陣指令之后，平臺軟件會判斷射頻開關矩陣的位置是否切換至相應的端口，若判讀成功，測試才能繼續(xù)執(zhí)行。釋放開關矩陣指令只對當前位置的端口釋放有效，指令成功發(fā)送后射頻開關矩陣會切換至空檔，指令后判通過后測試才能正常執(zhí)行。指令的具體信息如表3所示。

表3 指令具體信息

3 測試平臺應用

以衛(wèi)星單個有效載荷模式測試為例。單顆衛(wèi)星完成數(shù)傳載荷分系統(tǒng)的測試需要進行如下測試項目：衛(wèi)星加電、數(shù)傳載荷啟動、有效載荷執(zhí)行任務、數(shù)傳下傳數(shù)據(jù)、數(shù)傳載荷關機、衛(wèi)星斷電。一般的有效載荷執(zhí)行任務時間比較長，約占單顆衛(wèi)星測試時間的40%。采用傳統(tǒng)的測試平臺在對多顆衛(wèi)星進行批量測試時，不僅無法縮減有效載荷執(zhí)行任務的時間，還要額外增加更換測試電纜的時間，電纜的頻繁更換會提高接口的故障率，降低衛(wèi)星測試的可靠性。多星測試平臺能夠并行完成多顆衛(wèi)星的大部分測試工作，而且無需對衛(wèi)星進行電纜更換操作。以6顆衛(wèi)星的單個有效載荷模式測試為例，采用多星測試平臺，僅用100 min即可完成所有的測試任務，總測試時間相比于傳統(tǒng)平臺減少了230 min，測試效率提高約200%，具體測試時間如表4所示。

表4 單個有效載荷模式測試時間統(tǒng)計

4 結束語

針對當前批產衛(wèi)星測試周期短、資源設備緊張的特點，本文設計了一種應用射頻開關矩陣的多星測試平臺，可以同時并行完成多顆微納衛(wèi)星的批量測試。多星測試平臺能夠提升測試的效率和可靠性，降低因電纜頻繁更換引起的衛(wèi)星故障風險。該平臺已經成功應用于微納衛(wèi)星的批量化測試，達到了很好的效果，可為后續(xù)微納衛(wèi)星的批產化測試提供技術支撐。