環(huán)境減災(zāi)光學小衛(wèi)星測試有效性保證研究

于倩 白照廣 王麗麗 馮永 楊芳 陸春玲 劉冬妹 朱軍 張可立 馬磊

(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(shè)計部，北京 100094)

衛(wèi)星研制子樣少，研制周期有限。如何在限定的時間內(nèi)達到預(yù)期質(zhì)量與可靠性水平，一直是衛(wèi)星研制的難題。傳統(tǒng)衛(wèi)星研制主要以完成研制流程規(guī)定的項目為目標，測試強度與測試應(yīng)力是否充分沒有可信的依據(jù)，測試有效性的表征與保證活動也沒有統(tǒng)一的標準，造成型號質(zhì)量水平差異性大，早期衛(wèi)星在軌問題頻發(fā)[1-3]。隨著我國衛(wèi)星由科研型向業(yè)務(wù)應(yīng)用型的轉(zhuǎn)變，短周期、批量化衛(wèi)星的研制項目越來越多，“高質(zhì)量、高效率、高效益”研制衛(wèi)星成為航天工作者的重要挑戰(zhàn)。在全面提升衛(wèi)星設(shè)計水平、提高設(shè)計可靠性的基礎(chǔ)上，加強地面測試有效性的研究和實踐，對推進衛(wèi)星研制活動精細化顯得十分必要。

環(huán)境減災(zāi)光學小衛(wèi)星包括環(huán)境減災(zāi)一號A/B(HJ-1A/B)和環(huán)境減災(zāi)二號A/B(HJ-2A/B)4顆衛(wèi)星，研制隊伍依據(jù)測試覆蓋性檢查有關(guān)要求，開展了測試有效性保證工作研究與實踐。通過實踐探索測試覆蓋性、定義不可測試項目規(guī)范，擴展了測試覆蓋性概念。文章研究了測試覆蓋性分析方法，提出了三類不可測項目及控制要求，探索了基于早期問題暴露的測試時間目標策略，通過總結(jié)提出了傳統(tǒng)衛(wèi)星出廠前測試100 h無故障目標和出廠前測試1000 h的時間目標。經(jīng)過在軌飛行驗證，HJ-1A/B衛(wèi)星在軌運行超過12年，HJ-2A/B衛(wèi)星已在軌運行1年7個月。HJ-1A衛(wèi)星至2022年5月仍能正常成像，遠超設(shè)計壽命。實踐證明相關(guān)的測試有效性保證活動是有效的。

1 環(huán)境減災(zāi)二號A/B衛(wèi)星測試難點與需求

1.1 測試含義與剖析

首先深入理解測試的內(nèi)在含義，測試可理解為測量性能、試驗功能兩種含義。性能需要測量，功能需要試驗。性能是系統(tǒng)特有品性、能力，是系統(tǒng)固有的，與使用環(huán)境無關(guān)。如相機視場角、衛(wèi)星質(zhì)量等，可以通過計量的方式進行測量，講究精度。功能是系統(tǒng)在使用過程中所起的作用，與使用環(huán)境、使用方法密切相關(guān)，需要專用的信號模擬源和測量設(shè)備。其確認往往是試用范疇，屬試驗活動，講究可實現(xiàn)性(正確性)。如相機成像幅寬是功能體現(xiàn)，它是由相機視場角(性能)、軌道高度(環(huán)境)、衛(wèi)星姿態(tài)(使用)所決定。嫦娥一號衛(wèi)星撞月[4]并非其原有主要設(shè)計功能，但由于其有質(zhì)量和一定密度的性能保證，只要施加一定速度和控制飛行方向，就可撞擊月球，產(chǎn)生碰撞效果，相同性能的系統(tǒng)使用方式不同導致功能表現(xiàn)不同?？梢钥闯龉δ芘c系統(tǒng)研制的目的性直接相關(guān)，是系統(tǒng)目的性體現(xiàn)。性能影響功能，但并非決定功能的唯一因素，同一功能可以由不同性能系統(tǒng)產(chǎn)品實現(xiàn)，如通信，既可使用衛(wèi)星通信手段，也可使用地面有線電話網(wǎng)。

其次按照我國GJB3385[5]標準理解，測試有效性是故障檢測率(DFR)、故障隔離率、故障檢測時間(FDT)、故障隔離時間(FIT)和虛警率(FAR)等的綜合度量，通過測試覆蓋性與測試強度來體現(xiàn)，核心是故障檢測率。

另外一個重要概念就是測試性[6]。測試性是產(chǎn)品能及時并準確地確定其狀態(tài)(可工作、不可工作或性能下降)，并隔離其內(nèi)部故障的設(shè)計特性。相關(guān)概念包括測試可控性、測試觀察性。測試可控性是確定或描述系統(tǒng)和設(shè)備有關(guān)信號可控制程度的一種設(shè)計特性，星上如控制指令。測試觀察性是確定或描述系統(tǒng)和設(shè)備有關(guān)信號可觀測程度的一種設(shè)計特性，星上如遙測參數(shù)。

1.2 測試在衛(wèi)星系統(tǒng)工程中的地位和作用

所有人造系統(tǒng)都是通過工程過程來實現(xiàn)的。對衛(wèi)星這種小子樣、新技術(shù)多的項目一般需要通過系統(tǒng)工程來實現(xiàn)。測試在系統(tǒng)工程中占有重要的地位，它是評價系統(tǒng)功能和性能是否符合需求的客觀活動，在系統(tǒng)工程中的地位如圖1所示[7]。

1.3 測試難點與需求

(1)工作模式多。HJ-2A/B衛(wèi)星有效載荷包括16 m相機、高光譜成像儀、紅外相機、大氣校正儀及數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)。為充分發(fā)揮衛(wèi)星成像能力和保證載荷數(shù)據(jù)精度，衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計了多種工作模式和定標模式，許多模式之間還相互關(guān)聯(lián)。在整星測試階段，共有工作模式測試項目17項，需對在軌使用的工作模式、定標模式進行多次覆蓋性測試。

(2)天地一體化指標多。需將天地一體化指標中衛(wèi)星系統(tǒng)的指標分解出來，盡量在衛(wèi)星系統(tǒng)測試中加以測試。如確實無法在衛(wèi)星系統(tǒng)測試，需要開展大系統(tǒng)間的測試。

(3)軟件數(shù)量多。HJ-2A/B每顆衛(wèi)星均有69個軟件。軟件程序運行一個重要特性是時序驅(qū)動，對多個程序并存的衛(wèi)星系統(tǒng)來講，會出現(xiàn)時序沖突問題，時序沖突需要較長時間連續(xù)運行才會暴露出來。

2 測試覆蓋性分析

通過對衛(wèi)星測試含義的剖析，才能理解衛(wèi)星測試的需求和難點，從而能夠有的放矢地做好衛(wèi)星測試工作。通過在環(huán)境減災(zāi)光學小衛(wèi)星的實踐，開展衛(wèi)星測試覆蓋性分析工作是保證衛(wèi)星測試有效性的重要手段。

2.1 測試覆蓋性內(nèi)涵

航天產(chǎn)品測試覆蓋性最初來源于發(fā)射場測試項目必須在進場前做到100%的覆蓋。

環(huán)境減災(zāi)光學小衛(wèi)星研制隊伍在型號研制之初，就對測試的系統(tǒng)性、全面性、充分性進行了深入研究分析，對測試的總體特性進行了分析[8]，提出的測試覆蓋性主要觀點如下。

圖1 系統(tǒng)工程示意圖Fig.1 Diagram of system engineering

(1)面向各級要求的確認覆蓋，主要包括用戶的研制總要求、總體給分系統(tǒng)下達的技術(shù)要求與規(guī)范、分系統(tǒng)給單機下達的技術(shù)要求與規(guī)范及應(yīng)遵守的衛(wèi)星行業(yè)標準要求等。

(2)面向型號研制全過程的確認覆蓋，包括衛(wèi)星單機、分系統(tǒng)、整星及初樣、正樣、發(fā)射場、在軌等各個階段的測試，并關(guān)注可比對結(jié)果的一致性。

(3)冗余設(shè)計的測試覆蓋，對于自主切換的冗余測試要考慮應(yīng)力施加，有風險的項目可在單機或部件級進行。

(4)故障安全模式的覆蓋，要分級測試覆蓋。

(5)不可測項目應(yīng)精細化管理，必須進行充分的分析、確認，并注意在調(diào)試(生產(chǎn))過程完成測試(或檢查)，取得客觀證據(jù)。

(6)關(guān)注測試性設(shè)計，為測試的精準、自動化與覆蓋性提供必要手段。

2.2 測試項目與測試要求分析

按照上述原則，通過對衛(wèi)星測試全過程梳理，明確了測試項目不僅要覆蓋要求，而且還需明確測試的應(yīng)力與時機、條件。具體說明如下。

(1)測試項目：來源于各級要求和產(chǎn)品設(shè)計，可按研制總要求、分系統(tǒng)要求、單機要求、標準規(guī)范要求、設(shè)計狀態(tài)5個類型安排。

(2)測試應(yīng)力：根據(jù)衛(wèi)星研制過程的經(jīng)歷確定，可按測試、環(huán)境與特性試驗、大系統(tǒng)對接試驗、在軌測試進行。

(3)測試時機(或測試階段)：依據(jù)測試需要的層級或階段確定，按過程、單機、分系統(tǒng)、整星、大系統(tǒng)來定義。

(4)測試結(jié)果：一定是實際測量或分析數(shù)據(jù)，分析一定要有分析報告作支撐，關(guān)鍵指標的分析還要做復算。

2.3 需關(guān)注的測試項目與要點

衛(wèi)星總體關(guān)注的項目主要是需要現(xiàn)場測試或確認的測試項目，經(jīng)研究分析分為如下三類。

(1)研制總要求務(wù)求全面測試或分析，有結(jié)論。一是全面落實測試，最終要有明確結(jié)果，確認符合性；二是一些要求都是功能要求，需要結(jié)合運行環(huán)境轉(zhuǎn)化為一組性能要求；三是指標要求是在整星環(huán)境下的指標，不能簡單將指標直接下達分系統(tǒng)或單機，要明確其測試背景；四是一些指標是星地一體化指標，要關(guān)注星地指標分解、處理模型完備性與轉(zhuǎn)化正確性。

(2)分系統(tǒng)技術(shù)要求進行覆蓋性測試。一是驗收測試方法需要與分系統(tǒng)設(shè)計師充分溝通，但不能完全依賴分系統(tǒng)設(shè)計師提供的測試方法或測試設(shè)備開展測試，一定要考慮整星環(huán)境條件與分系統(tǒng)測試的一致性，尤其關(guān)注新的研制隊伍的測試活動；二是分系統(tǒng)級難以測試的項目，可在產(chǎn)品生產(chǎn)或分系統(tǒng)調(diào)試過程中現(xiàn)場認可，杜絕只看承研單位提供的測試數(shù)據(jù)、忽視測試用例與測試環(huán)境的準確性、真實性。

(3)關(guān)鍵項目要嚴格測試。把研制總要求、對整星可靠性與運行效能影響重大、曾經(jīng)出現(xiàn)的重大問題、整星安全模式等確定為關(guān)鍵測試項目，需明確多級綜合覆蓋、現(xiàn)場測試的要求。

2.4 不可測項目策略

追求全覆蓋測試是航天產(chǎn)品測試有效性的主要目標，但航天產(chǎn)品運行于空間環(huán)境的特殊性，地面測試環(huán)境很難做到真實完備，必然存在一些不可測的項目。再者真實全面的測試往往代價很大，需要重大的技術(shù)條件保障。此外衛(wèi)星研制數(shù)量少，往往只有一顆星，很難如批量產(chǎn)品生產(chǎn)進行抽檢測試，一些特性只能進行類比分析。

經(jīng)過對衛(wèi)星特點及測試項目分析，衛(wèi)星除系統(tǒng)級不可測外，往往還存在一些測試需要在生產(chǎn)過程進行測量確認，如果僅僅安排下級分系統(tǒng)或設(shè)備自主測試(遙感衛(wèi)星分辨率、幅寬、定標精度等)，存在測試用例與測試環(huán)境不真實、測試結(jié)果不完備問題，這些指標也應(yīng)納入不可測項目進行特殊控制。還有一些指標(如星箭接口)衛(wèi)星本級也難以檢測，需要其它工程系統(tǒng)配合才能完成。這些控制要求也有差異，需要特殊管控。這樣不可測項目雖得到擴展，但不同層級實施不同的控制策略更加明確。依據(jù)量化分析的科學思路，經(jīng)研究提出3種類型不可測項目，其相關(guān)定義與控制要求見表1。

表1 3種類型不可測項目定義與控制要求Table 1 Definition and control requirements for three types of unmeasurable items

如何理解和處理不可測項目，經(jīng)過研究分析，還需把握如下策略。

(1)嚴格控制不可測項目。絕對不可測項目一般指不便于直接測量，一些不可測項目可以通過指標的分解、轉(zhuǎn)換變?yōu)樽禹椏蓽y試項目或關(guān)鍵特性測試。如分辨率，可分解轉(zhuǎn)換為探測器尺寸、焦距與軌道高度的設(shè)計與控制(見圖2)，變成可測或下級可測。其中需要關(guān)注指標分解、轉(zhuǎn)換的完備性與正確性。一些項目測試代價大，在不影響測試結(jié)果準確性上可簡化測試方案。如HJ-1A/B衛(wèi)星載荷相機裝于衛(wèi)星有效載荷艙內(nèi)，平臺方案繼承了海洋一號B衛(wèi)星(HY-1B)，由于相機是全新研制，按傳統(tǒng)研制流程初樣階段需要進行整星熱平衡試驗，以驗證載荷熱設(shè)計方案正確性。通過熱分析，總體僅安排了載荷艙熱平衡試驗，既達到驗證新設(shè)計的正確性，又達到減小試驗規(guī)模、降低研制成本的目的。而HJ-2A/B衛(wèi)星則取消了初樣熱平衡試驗。

圖2 分辨率與其它設(shè)計要素關(guān)系Fig.2 Relationship between resolution and other design elements

(2)關(guān)注研制要求中指標的天地一體化分解測試要求。如定位精度、定標精度都與測量、處理方法密切相關(guān)。定位精度與軌道精度、姿態(tài)精度、相機安裝精度、相機內(nèi)部幾何畸變等相關(guān)，是綜合分析參數(shù)，每個指標可單獨測定，綜合方法需要考究。地面實驗室定標與在軌定標方式不一樣，處理結(jié)果必然會有一定差異，需要溝通和理解。

(3)三類不可測間存在轉(zhuǎn)換。不可測具有相對性，主要是基于測試工作的不可主導性的考慮?？傮w的不可測主要是針對研制總要求、總體技術(shù)指標和對分系統(tǒng)的要求，分系統(tǒng)的不可測針對總體對本分系統(tǒng)技術(shù)要求和本分系統(tǒng)對單機技術(shù)要求，以此類推。如分系統(tǒng)間接口對于分系統(tǒng)是第三類不可測項目，但對總體而言就是可測試項目。同樣大系統(tǒng)接口測試衛(wèi)星總體一般難以完全主導，需要工程大系統(tǒng)組織或技術(shù)條件保障，對衛(wèi)星是三類不可測，對于工程系統(tǒng)應(yīng)是可測的。

3 基于早期問題暴露的測試時間度量分析

3.1 測試完備性分析

按照研制流程完成規(guī)定的測試與試驗項目后，仍然會有故障漏檢問題，經(jīng)過研究分析，主要觀點如下。

(1)故障發(fā)生需要一定的條件(要求)或環(huán)境，且有一定的概率。

(2)漏檢主要是測試覆蓋面不足、測試強度不充分引起。

(3)測試條件完備性需要結(jié)合型號自身技術(shù)特點開展深入分析。對于環(huán)境減災(zāi)光學衛(wèi)星，主要技術(shù)特點是遙感類任務(wù)，天地一體化指標多；衛(wèi)星采用計算機等現(xiàn)代技術(shù)，星上軟件程序多。

(4)單機、分系統(tǒng)都安排了全環(huán)境要素測試，但又一般很難準確模擬整星真實運行環(huán)境。

(5)對于隨機故障概率問題，可以通過加長測試時間來暴露早期缺陷。

3.2 軟件測試策略分析

HJ-2A/B衛(wèi)星軟件數(shù)量多，因此測試強化工作需要加長衛(wèi)星連續(xù)加電運行的時間。具體加電多長時間合理，初步確定以一周120 h有效時間為準，加電期間通過對星時調(diào)整遍歷關(guān)鍵時間節(jié)點。

通過對研制流程分析，應(yīng)加強兩個環(huán)節(jié)的測試工作。一個環(huán)節(jié)是經(jīng)過整星綜合測試、力學試驗后，星上軟件安排了統(tǒng)一固化，以保證熱試驗期間衛(wèi)星狀態(tài)的真實性。這樣固化后的軟件需要整星回歸測試，避免熱試驗故障風險。第二環(huán)節(jié)是整星出廠前最終狀態(tài)設(shè)定完成后，需要測試并覆蓋發(fā)射場所有測試項目。

通過對早期研制的HY-1B衛(wèi)星和HJ-1A/B衛(wèi)星的測試時間分析，經(jīng)過標準研制流程的工作，一般整星測試時間視載荷數(shù)量規(guī)模為600～700 h。按照增加兩次連續(xù)加電測試考慮，預(yù)計整星測試時間可達900 h以上。

3.3 問題暴露與測試時間的關(guān)系

在衛(wèi)星測試過程中，測試系統(tǒng)專門設(shè)計了計時系統(tǒng)，可精準統(tǒng)計測試時間。以HY-1B衛(wèi)星和HJ-1A/B衛(wèi)星為例，3顆星各階段加電時間見表2和表3。

表2 海洋一號B衛(wèi)星各階段加電時間Table 2 Power on time of HY-1B satellite at each stage

表3 環(huán)境減災(zāi)一號A/B衛(wèi)星各階段加電時間Table 3 Power on time of HJ-1A/B satellites at each stage

經(jīng)過統(tǒng)計分析，HY-1B衛(wèi)星出廠前累計測試960 h，HJ-1A/B衛(wèi)星出廠前累計測試分別為1016 h和1002 h。兩個型號各暴露星上問題13個和8個，將這些問題按照測試百小時時段進行對應(yīng)，問題暴露數(shù)量與測試時間的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

通過對圖3的觀察，可以發(fā)現(xiàn)如下特性。

(1)衛(wèi)星測試早期暴露問題多，隨著測試時間的加長，暴露問題數(shù)量越來越少。

(2)兩個型號測試均出現(xiàn)一個峰值，通過對衛(wèi)星的測試狀態(tài)分析，峰值對應(yīng)的階段分別是平臺和載荷設(shè)備齊整時，表明測試環(huán)境越真實越容易暴露接口與時序沖突問題，而真空熱試驗時暴露與熱環(huán)境變化和溫度臨界狀態(tài)效應(yīng)問題，客觀上也證實分系統(tǒng)測試環(huán)境欠真實。

(3)兩個型號3顆衛(wèi)星均在1000 h左右完成規(guī)定的研制活動。通過增加長期連續(xù)加電測試，最后100 h不再有問題暴露，可以表征早期傳統(tǒng)衛(wèi)星經(jīng)歷1000 h測試后，可靠性水平已達平穩(wěn)期。

在HJ-2A/B衛(wèi)星測試中，應(yīng)用上述研究成果，A星累計加電達到1050 h，B星累計加電達到1005 h，在整星測試過程中只暴露出1個質(zhì)量問題，充分驗證了衛(wèi)星測試的有效性和完備性。

圖3 問題暴露與測試時間的關(guān)系Fig.3 Relationship between problem exposure and test time

4 測試性增長技術(shù)

衛(wèi)星研制數(shù)量少，有限子樣測試暴露的問題可以成為提高測試水平的重要依據(jù)。一般質(zhì)量問題或多或少都與測試覆蓋性、測試強度等相關(guān)。測試性增長一方面需要在研制活動中不斷完善，還應(yīng)該對發(fā)射的型號進行測試有效性問題梳理，為后續(xù)型號測試有效性提升提供依據(jù)。

HJ-1A衛(wèi)星入軌初期發(fā)生了一側(cè)太陽翼展開鎖定指示異常問題，在第2圈衛(wèi)星過境時才顯示正常。經(jīng)過事后問題歸零分析，原因為衛(wèi)星采用一箭雙星串聯(lián)發(fā)射，A星在運載上部、下部有支撐艙，支撐艙內(nèi)布放B星。運載拋罩后，A星裸露太空，經(jīng)歷長時間飛行，到達遠地點，此時還是地影區(qū)，衛(wèi)星太陽翼展開機構(gòu)溫度處于低溫臨界狀態(tài)，影響了鎖定機構(gòu)鎖定。原本展開與否也可以通過太陽翼的電池陣電流判定，但此時地影區(qū)不見太陽，難以及時判定。

通過對機構(gòu)產(chǎn)品特性分析，結(jié)合在軌成像技術(shù)的可實現(xiàn)性，應(yīng)該增強運動部件的圖像遙測，其具有直觀、實時性強等優(yōu)點。為此在后續(xù)高分六號衛(wèi)星和HJ-2A/B衛(wèi)星研制中，針對太陽翼、數(shù)傳天線展開增加了工業(yè)化小型相機拍攝展開狀態(tài)，并通過測控信道直接下傳圖像的設(shè)計[9]，實現(xiàn)可視化遙測，如圖4所示。為發(fā)射成功判據(jù)提供了更為快捷、直接、精準的信息。

圖4 衛(wèi)星太陽翼展開實時圖像Fig.4 Real time image of satellite solar wing deployment

5 結(jié)束語

衛(wèi)星測試有效性是衛(wèi)星“高質(zhì)量、高效率、高效益”目標實現(xiàn)的重要保證，其研究與實踐意義重大。本文通過在環(huán)境減災(zāi)光學小衛(wèi)星測試有效性保證研究工作的開展與實踐，采用測試覆蓋性分析方法，以及基于早期問題暴露的測試時間控制方法證明測試有效性可以提升衛(wèi)星研制水平。三類不可測、出廠前測試100 h無故障要求目前已經(jīng)成為衛(wèi)星出廠的重要檢測標準。但衛(wèi)星研制數(shù)量有限，要得到普適性的測試要求，還有待繼續(xù)研究。測試性設(shè)計也是測試有效性的重要保證，目前衛(wèi)星的測試自頂向下的測試能力缺乏，有問題時難以快速通過遙測判定問題部位，仍需要加強測試性建模與設(shè)計[10]，加強衛(wèi)星總體測試性工作保證研究。隨著衛(wèi)星研制數(shù)量的大幅增加、軟件技術(shù)的擴展、智能技術(shù)的應(yīng)用、新型測試與數(shù)字孿生等技術(shù)的應(yīng)用，未來衛(wèi)星測試有效性必將會得到快速的發(fā)展。