星上實(shí)時(shí)處理半實(shí)物測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吉 宇，張 君，郭 輝，翟宏駿，宋大偉

（中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著航天事業(yè)的飛速進(jìn)步，衛(wèi)星產(chǎn)品蓬勃發(fā)展，星上有效載荷的功能性和穩(wěn)定性備受重視，由于其特殊性，在發(fā)射入軌正常工作前，都無法獲取實(shí)際運(yùn)行條件下的各種參數(shù)，需要采用分析、仿真、試驗(yàn)等方法進(jìn)行模擬，因此，測試工作對(duì)于衛(wèi)星產(chǎn)品的研制愈發(fā)重要。測試環(huán)境是測試的基礎(chǔ)條件，測試環(huán)境的功能、性能，測試環(huán)境下的試驗(yàn)執(zhí)行方式，測試數(shù)據(jù)分析能力，乃至測試環(huán)境的搭建方式，都很大程度地影響著產(chǎn)品性能的準(zhǔn)確鑒定，尤其是現(xiàn)在的衛(wèi)星產(chǎn)品任務(wù)急劇增加，測試環(huán)境的開發(fā)效率也成了影響調(diào)試和產(chǎn)品交付的重要環(huán)節(jié)。所以，盡可能逼真地模擬實(shí)際環(huán)境，是評(píng)估星上產(chǎn)品能力的關(guān)鍵配套。

針對(duì)星上有效載荷如何測試的問題，先后發(fā)展起來了三種主要的測試方案：全實(shí)物仿真測試環(huán)境、全數(shù)字仿真測試環(huán)境和半實(shí)物仿真測試環(huán)境。全實(shí)物仿真需要對(duì)待測系統(tǒng)進(jìn)行完全真實(shí)的目標(biāo)環(huán)境下的運(yùn)行和測試，實(shí)物仿真系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)學(xué)建模難度巨大；全數(shù)字仿真是給予待測系統(tǒng)完整數(shù)學(xué)模型的仿真方法，成本低廉，但仿真的效果取決于代碼的質(zhì)量，也往往會(huì)出現(xiàn)軟件模擬硬件運(yùn)行環(huán)境不可靠的情況。與此同時(shí)，半實(shí)物仿真技術(shù)的出現(xiàn)，很大程度地改變了傳統(tǒng)的測試方法，其定義是：在仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的仿真回路中接入部分實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真。采用半實(shí)物仿真技術(shù)，一方面可以構(gòu)建被測軟件運(yùn)行所需的實(shí)時(shí)物理環(huán)境，測試結(jié)果可信度高，保證測試的真實(shí)性；另一方面，輸入數(shù)據(jù)、采集結(jié)果、軟件運(yùn)行狀態(tài)可以實(shí)時(shí)觀察和控制，保證測試的可控性，最大程度地兼顧了上述2種測試環(huán)境的優(yōu)勢。

對(duì)于有效載荷星上實(shí)時(shí)定位處理的驗(yàn)證問題，由于星載平臺(tái)環(huán)境的特殊性，搭建全實(shí)物仿真測試環(huán)境不夠現(xiàn)實(shí)，全數(shù)字仿真測試環(huán)境又不夠可靠。本文嘗試搭建一套半實(shí)物測試系統(tǒng)為主體的測試環(huán)境，利用構(gòu)建逼真的星上運(yùn)行環(huán)境，將軟件仿真的數(shù)據(jù)注入到有效載荷，在保持與入軌運(yùn)行相同處理時(shí)序的條件下，充分測試星上實(shí)時(shí)定位能力，并自動(dòng)對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)搭建了一種模型驅(qū)動(dòng)的仿真測試環(huán)境，以此次測試產(chǎn)品為例，通過對(duì)輻射源真實(shí)位置和衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的模擬，構(gòu)建數(shù)字相位干涉儀真實(shí)運(yùn)行環(huán)境的仿真模型，從測試系統(tǒng)軟件仿真中得到定位所需的具體參數(shù)，通過測試系統(tǒng)的硬件設(shè)備播放，驅(qū)動(dòng)被測星上分系統(tǒng)運(yùn)行，收集從被測系統(tǒng)返回的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)仿真模型與被測系統(tǒng)之間的交互，比對(duì)定位結(jié)果，完成測試任務(wù)。

1.1 工作原理

衛(wèi)星在軌運(yùn)行過程中，有效載荷將會(huì)偵收到特定區(qū)域內(nèi)存在的雷達(dá)、通信、廣電、導(dǎo)航、軍用民用等電磁復(fù)合信號(hào)，除了感興趣輻射源外，還包括各類干擾信號(hào)。所以，在地面對(duì)有效載荷功能和性能進(jìn)行測試的過程中，為了模擬有效載荷面臨的真實(shí)電磁環(huán)境，需要從以下幾個(gè)方面開展工作：

1）分析各類輻射源的信號(hào)模型，根據(jù)頻率、脈寬、幅度、重復(fù)周期等參數(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分類，建立重點(diǎn)目標(biāo)庫和背景目標(biāo)庫（干擾輻射源庫）；

2）根據(jù)不同作戰(zhàn)條件下對(duì)電磁環(huán)境模擬的需求，設(shè)定特定區(qū)域內(nèi)目標(biāo)和干擾輻射源的分布，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的想定場景；

3）綜合考慮特定區(qū)域內(nèi)多個(gè)輻射源的地理位置、波形特性、天線特性和掃描方式等參數(shù)，結(jié)合空間傳播特性和衛(wèi)星平臺(tái)軌道參數(shù)的影響，動(dòng)態(tài)更新各目標(biāo)的輻射特性；

4）根據(jù)有效載荷偵收原理，對(duì)場景內(nèi)多目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行合理消隱，降低電磁環(huán)境模擬系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)硬件的需求。

上述參數(shù)需要依靠軟件進(jìn)行模擬，并部署在硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)與載荷的互聯(lián)互通。基于此，構(gòu)建如圖1所示的測試系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)模擬軟件、存儲(chǔ)播放設(shè)備、地檢設(shè)備，對(duì)有效載荷待測設(shè)備進(jìn)行測試。

圖1 測試系統(tǒng)功能框圖

數(shù)據(jù)模擬軟件部署在系統(tǒng)的硬件平臺(tái)上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和功能控制，將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。本軟件平臺(tái)的優(yōu)勢在于：通過提供圖形用戶界面(GUI)，做到人機(jī)交互，方便測試結(jié)果的直觀展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)所見即所得。

存儲(chǔ)播放設(shè)備受系統(tǒng)的軟件平臺(tái)控制，主要作用是將軟件中仿真得到的各參數(shù)做同步且符合相位要求的輸出和存儲(chǔ)，用途包括注入載荷或播放至通用設(shè)備端等。硬件平臺(tái)主要由主板、DAC 模塊、光纖數(shù)據(jù)收發(fā)卡、時(shí)鐘模塊、存儲(chǔ)模塊、萬兆光纖卡搭建而成。

1.2 工作流程

測試系統(tǒng)的工作流程如圖2 所示，數(shù)據(jù)模擬軟件根據(jù)場景想定參數(shù)輸入，模擬產(chǎn)生各類定位參數(shù)，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)播放設(shè)備，并發(fā)送控制參數(shù)、平臺(tái)參數(shù)到地檢設(shè)備；地檢設(shè)備產(chǎn)生同步信號(hào)，控制待測設(shè)備與存儲(chǔ)播放設(shè)備同步工作，實(shí)現(xiàn)中頻、全脈沖、平臺(tái)數(shù)據(jù)的同步播放；待測設(shè)備完成星上實(shí)時(shí)處理，通過地檢設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)定位結(jié)果到數(shù)據(jù)模擬軟件，自動(dòng)對(duì)比分析完成效果評(píng)估。

圖2 測試系統(tǒng)工作流程圖

2 半實(shí)物環(huán)境構(gòu)建

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1 可知，硬件部分主要包括主控模塊、DAC模塊、光纖收發(fā)模塊、時(shí)鐘模塊等組成。

2.1.1 主控模塊

主控模塊是硬件系統(tǒng)的核心，如圖3 所示，以高性能標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器主板為主體架構(gòu)，配備2 塊intel Xeon(R) CPU E5-2683V4 處 理 器，每 個(gè)CPU 有16 個(gè) 核 心處理器；配備4 條內(nèi)存提供128 GB 內(nèi)存空間，最大可擴(kuò)展到16 條內(nèi)存；同時(shí)提供10 個(gè)高性能PCIE 3.0 X8插槽和1 個(gè)PCIE 2.0 X8 插槽，滿足所有現(xiàn)有功能模塊的應(yīng)用，剩余的插槽可繼續(xù)擴(kuò)展PCIE 存儲(chǔ)模塊或者其他標(biāo)準(zhǔn)PCIE 模塊。

圖3 主控模塊功能框圖

2.1.2 DAC 模塊

如圖4 所示，DAC 模塊由DAC 載板與DAC 子卡組成。其中DAC 載板接收光纖數(shù)據(jù)緩存板傳輸過來的中頻發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)緩存在載板DDR 中，通過PCIE 接口接收運(yùn)行在服務(wù)器上的仿真控制軟件的控制指令，通過FMC 接口控制DAC 子板，并將中頻數(shù)據(jù)通過FMC 接口傳輸給DAC 子卡，通過DAC 芯片將中頻信號(hào)發(fā)出。

圖4 DAC 模塊功能框圖

2.1.3 光纖收發(fā)模塊

如圖5 所示，光纖數(shù)據(jù)收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)接收輸入信號(hào)和發(fā)送信號(hào)功能。設(shè)計(jì)采用專用的光模塊實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后信號(hào)直接 與FPGA 進(jìn) 行 連 接，F(xiàn)PGA 完成信號(hào)采集，并通過外部DDR 進(jìn)行緩存，最后通過PCIE 接口完成傳輸功能。數(shù)據(jù)收發(fā)卡的同步信號(hào)采用SMA 接口，為同步25 M時(shí)鐘和同步脈沖信號(hào)，由設(shè)備內(nèi)的數(shù)字光纖接口卡提供。

圖5 光纖收發(fā)模塊功能框圖

2.1.4 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊提供1×10s 的時(shí)鐘信號(hào)，可將高精度時(shí)鐘信號(hào)輸出給DAC 模塊和被測設(shè)備，提供測試精度，單個(gè)時(shí)鐘模塊提供5 路時(shí)鐘信號(hào)輸出接口，1 路輸出給DAC，4 路輸出給被測設(shè)備。采用高精度、高穩(wěn)定度100 MHz 恒溫晶振作為時(shí)鐘參考源，通過高性能PLL 輸出100 MHz 時(shí)鐘源。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)模擬軟件主要包括參數(shù)設(shè)置、場景規(guī)劃、控制管理等模塊。

2.2.1 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置界面如圖6 所示，首先選擇設(shè)置重點(diǎn)目標(biāo)庫、背景目標(biāo)庫等目標(biāo)類型；通過全隨機(jī)、半隨機(jī)或者全人工方式建立常規(guī)脈沖信號(hào)，頻率分集、脈間捷變、脈組捷變等頻率變化信號(hào)，重頻參差、抖動(dòng)、滑變、成組等時(shí)間變化信號(hào)，線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻、二相/四相編碼、頻率編碼等脈內(nèi)調(diào)制信號(hào)，塔康/DME 信號(hào)等敵我識(shí)別信號(hào)；根據(jù)建立的信號(hào)模型，模擬生成多信號(hào)偵收?qǐng)鼍暗脑驾椛湓磪?shù)和全脈沖數(shù)據(jù)并保存；通過統(tǒng)計(jì)坐標(biāo)顯示PDW 中的重要信息（TOA 和RF），實(shí)現(xiàn)交互并實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

2.2.2 場景規(guī)劃模塊

場景規(guī)劃界面如圖7 所示，由目標(biāo)參數(shù)設(shè)置頁面中生成的單個(gè)場景，通過畫圖或鍵入圓心和半徑可以在地圖中選取場景發(fā)生區(qū)域（圓形ROI 區(qū)域），隨機(jī)生成圓內(nèi)或圓上的輻射源真實(shí)位置點(diǎn)；同樣可以直接通過鍵入坐標(biāo)值的方式和導(dǎo)入文本文檔的方式直接將輻射源真實(shí)位置顯示在地圖上。通過Matlab 互聯(lián)STK 仿真衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并由此生成對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)姿態(tài)矩陣，將產(chǎn)生的全脈沖數(shù)據(jù)和與之對(duì)應(yīng)的星歷、姿態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)姿態(tài)矩陣、基線轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)等保存成文件，并通過網(wǎng)口發(fā)送到系統(tǒng)的其它硬件設(shè)備。按照寫定的進(jìn)制和格式提取地檢設(shè)備所需的注入式數(shù)據(jù)；根據(jù)重點(diǎn)目標(biāo)庫、背景目標(biāo)庫、衛(wèi)星平臺(tái)參數(shù)以及控制參數(shù)產(chǎn)生模擬有效載荷中頻數(shù)據(jù)。

圖7 場景規(guī)劃界面

2.2.3 控制管理模塊

控制管理模塊如圖8 所示，數(shù)據(jù)交互將存儲(chǔ)在存儲(chǔ)播放設(shè)備中的中頻數(shù)據(jù)進(jìn)行同步輸出，頻率和功率皆可調(diào)，可選擇直接播放頻譜和波形，也可以注入載荷進(jìn)行后續(xù)驗(yàn)證操作；硬件管理將Super DOC 嵌入GUI 中，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的電壓監(jiān)測、溫度檢測、系統(tǒng)檔案信息管理等。

圖8 控制管理界面

整個(gè)測試系統(tǒng)軟件部分采用標(biāo)準(zhǔn)C 和Matlab 實(shí)現(xiàn)，采用人機(jī)交互的方式運(yùn)行，其可視化、輸入靈活的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為測試的實(shí)施及測試結(jié)果的記錄提供了方便。

3 測試實(shí)例

3.1 實(shí)施方案

測試的目的是檢驗(yàn)由軟硬件搭建的整體系統(tǒng)是否滿足星上定位測試的所有功能和性能需求。測試應(yīng)按以下的步驟進(jìn)行：

1）仔細(xì)閱讀軟硬件需求和設(shè)計(jì)說明書等文檔，深入了解被測系統(tǒng)的功能及實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并進(jìn)行細(xì)化分解，明確各功能測試方法。

2）針對(duì)軟件功能，主要采用黑盒測試的方法，為了涵蓋全部功能的驗(yàn)證與仿真，對(duì)其實(shí)行全流程測試；針對(duì)硬件部分，主要采用性能達(dá)標(biāo)分析，將功能分解后，對(duì)每一個(gè)子模塊的每一個(gè)功能設(shè)計(jì)測試用例。

3）編輯并根據(jù)測試用例實(shí)施操作，詳細(xì)記錄測試結(jié)果。

4）對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析，編寫測試報(bào)告，提出測試方法、測試環(huán)境搭建等的改進(jìn)意見。

此次半實(shí)物仿真測試環(huán)境的搭建，因?yàn)橄到y(tǒng)構(gòu)型以及軟硬件的同時(shí)存在，所以測試用例的生成便成為測試的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，測試時(shí)不僅要包括合理的數(shù)據(jù)輸入，更要包含不合理的或無意義的數(shù)據(jù)，通過異常數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)程序是否存在錯(cuò)誤。

3.2 測試過程

按上述構(gòu)建半實(shí)物系統(tǒng)測試環(huán)境，對(duì)某有效載荷數(shù)字接收機(jī)星上實(shí)時(shí)處理性能進(jìn)行測試，利用數(shù)據(jù)模擬軟件，產(chǎn)生32 部雷達(dá)輻射源對(duì)應(yīng)的全脈沖、中頻等數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到存儲(chǔ)播放設(shè)備，在控制管理模塊控制下，按時(shí)序播放存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字接收機(jī)星上實(shí)時(shí)處理的測試，實(shí)時(shí)定位處理對(duì)比分析結(jié)果如圖9 所示，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠較好地完成對(duì)設(shè)備的測試。

圖9 測試效果示意圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一套適用于衛(wèi)星有效載荷產(chǎn)品的半實(shí)物測試系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)模擬軟件可以構(gòu)建逼真的試驗(yàn)環(huán)境，并通過存儲(chǔ)播放設(shè)備按時(shí)序發(fā)送數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證了星上實(shí)時(shí)定位處理能力，協(xié)助嵌入式軟件開發(fā)調(diào)試，提高地面測試驗(yàn)證的全面性和有效性，為保證衛(wèi)星在軌可靠運(yùn)行提供支撐?！?/p>