批產(chǎn)衛(wèi)星自動(dòng)化測試系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)*

袁建富，易 進(jìn)，李 鑫，李 暢，閆 東，葉琳琳

（長光衛(wèi)星技術(shù)股份有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

隨著“中國制造2025”和“新基建”戰(zhàn)略的提出，低成本發(fā)射、智能終端、分離技術(shù)、電推進(jìn)等新技術(shù)和應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，我國商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展迎來了關(guān)鍵期。微小衛(wèi)星在響應(yīng)速度、成本控制、安全性、維護(hù)性、功能重構(gòu)等方面優(yōu)勢明顯，批量生產(chǎn)、快速發(fā)射、在軌組網(wǎng)已經(jīng)成為了小衛(wèi)星的發(fā)展趨勢[1-3]。

衛(wèi)星系統(tǒng)級測試覆蓋了衛(wèi)星研制生產(chǎn)的全生命周期，是衛(wèi)星入軌正確開展業(yè)務(wù)工作的前提與保障[4-7]。批量化生產(chǎn)演變?yōu)樾l(wèi)星制造新模式的同時(shí)，對衛(wèi)星電測試提出了更高的要求，傳統(tǒng)的人工測試手段已經(jīng)無法滿足新生產(chǎn)模式的需求。研制一套架構(gòu)靈活、通用性好、高效的衛(wèi)星自動(dòng)化測試系統(tǒng)顯得至關(guān)重要。近些年來，我國小衛(wèi)星批量化生產(chǎn)與制造行業(yè)的興起，不斷地催生出了各類衛(wèi)星自動(dòng)化測試系統(tǒng)的研制[8-14]?？偨Y(jié)該類成果可知，小衛(wèi)星的自動(dòng)化測試平臺趨于流水線、并發(fā)作業(yè)、高效能的模式，但測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)大多基于被測對象的生產(chǎn)流程與測試項(xiàng)開展研究與設(shè)計(jì)，忽視了自動(dòng)化測試系統(tǒng)的通用性、靈活性、可靠性以及兼容性。文獻(xiàn)[15]總結(jié)了商業(yè)衛(wèi)星發(fā)展與測試的理念，研發(fā)了商業(yè)衛(wèi)星自動(dòng)化測試平臺，該平臺著重開展了硬件測試系統(tǒng)的通用化設(shè)計(jì)，但作為自動(dòng)化測試系統(tǒng)核心部分的軟件架構(gòu)基于服務(wù)層開發(fā)，靈活性較差，測試序列調(diào)試周期與難度較高。隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，型號種類的多樣化，測試場景的復(fù)雜化，該自動(dòng)化測試平臺已經(jīng)無法滿足測試需求。

衛(wèi)星自動(dòng)化測試在國內(nèi)屬于新興學(xué)科，并無成熟的體系或者方案。但是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，自動(dòng)化測試技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)構(gòu)建出以軟件為中心的生態(tài)系統(tǒng)[16]。本文將從產(chǎn)業(yè)融合的角度出發(fā)，借鑒先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化測試管理理念，設(shè)計(jì)一套適用于衛(wèi)星批產(chǎn)的自動(dòng)化測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)自動(dòng)化測試框架基于TestStand 開發(fā)，該框架具備測試管理與執(zhí)行、圖形化的操作界面、支持多線程并行測試、內(nèi)建符合多種應(yīng)用場景的測試策略等?；谠摽蚣茉O(shè)計(jì)的系統(tǒng)魯棒性和可擴(kuò)展性得到充分保證，自動(dòng)化軟件工程師也可以更加專注于衛(wèi)星測試代碼模塊的開發(fā)，使系統(tǒng)的開發(fā)效率得到大幅度提高，測試系統(tǒng)也具備更長的生命周期。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

批產(chǎn)衛(wèi)星測試與裝配采用脈動(dòng)式產(chǎn)線的模式，產(chǎn)線主要包括9 個(gè)工位，分別是桌面聯(lián)試、單機(jī)熱控實(shí)施、單機(jī)安裝與線纜實(shí)施、A 狀態(tài)電測試、帆板天線安裝、B 狀態(tài)電測試、力學(xué)與熱真空試驗(yàn)、出廠電測試以及發(fā)射場電測試，如圖1 所示。

圖1 批產(chǎn)整星測試流程圖

脈動(dòng)式產(chǎn)線具備可擴(kuò)展的特性，以兩條流水線為例，批產(chǎn)衛(wèi)星在桌面聯(lián)試需滿足6 顆星并行測試，A 狀態(tài)電測試雙星并行，B 狀態(tài)電測試雙星并行，大型環(huán)境試驗(yàn)6～12 顆星并行測試，出廠電測試6 顆星并行測試，發(fā)射場測試最多需滿足9 顆星并行測試。為此提出了批量衛(wèi)星自動(dòng)化測試系統(tǒng)的需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)：

(1) 自動(dòng)化：可以通過自動(dòng)化的技術(shù)手段來減少人工操作，縮短測試時(shí)間，消除操作失誤，提高測試效率；

(2) 并行化：滿足多顆衛(wèi)星的并行測試，在不增加人力和時(shí)間投入的前提下實(shí)現(xiàn)測試效能翻倍；

(3) 信息化：原始數(shù)據(jù)存儲與測試報(bào)告自動(dòng)建立數(shù)據(jù)檔案；

(4) 自動(dòng)協(xié)作：可自動(dòng)優(yōu)化測試資源間的協(xié)作調(diào)配，實(shí)現(xiàn)個(gè)別比較貴重的設(shè)備分時(shí)復(fù)用，節(jié)省測試系統(tǒng)的成本投入。

1.2 測試系統(tǒng)架構(gòu)

測試系統(tǒng)采用局域網(wǎng)互聯(lián)，由自動(dòng)化測試終端、服務(wù)器、太陽陣模擬器、CANPC、遙控遙測地檢設(shè)備、高速數(shù)傳解調(diào)器、GPS/BD 信號模擬器以及交換機(jī)組成，如圖2 所示。

圖2 測試系統(tǒng)框架圖

其中GPS/BD 信號模擬器為星載GPS 接收機(jī)提供模擬導(dǎo)航信號，驗(yàn)證接收機(jī)定位定軌功能的正確性，同時(shí)提供被測衛(wèi)星的時(shí)間基準(zhǔn)。高速數(shù)傳解調(diào)器實(shí)時(shí)接收數(shù)傳分系統(tǒng)下傳的載荷圖像數(shù)據(jù)并存儲至本地磁盤中，支持遠(yuǎn)程配置射頻信道參數(shù)與控制數(shù)據(jù)存儲等操作。遙控遙測地檢設(shè)備可以通過有線傳輸或無線傳輸?shù)姆绞脚c星載測控應(yīng)答機(jī)建立遙控遙測信息通道，并實(shí)時(shí)存儲遙控遙測數(shù)據(jù)源碼，支持多星、多測控體制并行數(shù)據(jù)傳輸。CANPC 與星上多路CAN 總線互聯(lián)，內(nèi)部運(yùn)行CAN_UDP 轉(zhuǎn)發(fā)軟件，可以實(shí)現(xiàn)CAN 與UDP 傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換并實(shí)時(shí)存儲所有CAN 總線數(shù)據(jù)，由于衛(wèi)星遙控遙測信息都需要經(jīng)過CAN 總線傳輸，使得CANPC 信息通道成為了衛(wèi)星測試的備份遙控遙測鏈路。綜合測試服務(wù)器作為數(shù)據(jù)處理平臺，并行運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，每個(gè)虛擬機(jī)對應(yīng)一顆被測衛(wèi)星，不同的虛擬機(jī)通過不同的IP 地址進(jìn)行認(rèn)證，并部署遙控遙測解析軟件和數(shù)據(jù)庫，用來實(shí)時(shí)解析衛(wèi)星下行的遙測數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸檔。自動(dòng)化測試終端是測試系統(tǒng)的核心，用來運(yùn)行嚴(yán)格依照測試細(xì)則編譯的測試序列。太陽陣模擬器為衛(wèi)星的供電設(shè)備。所有局域網(wǎng)內(nèi)的測試設(shè)備可以通過千兆以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，測試操作員主要通過操作自動(dòng)化測試終端來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試序列的運(yùn)行和其他測試設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

1.3 自動(dòng)化軟件設(shè)計(jì)

測試衛(wèi)星具備兩條遙控遙測鏈路，分別是X 測控射頻鏈路和CAN 總線鏈路。其中X 測控射頻鏈路為被測衛(wèi)星遙控/遙測主通道。而CAN 總線的遙控遙測作為X測控應(yīng)答機(jī)的備份鏈路，主要用于CAN 總線遙控遙測數(shù)據(jù)幀記錄，當(dāng)X 測控的遙控/遙測鏈路故障時(shí)，CAN 總線遙控/遙測鏈路可以作為故障排查鏈路，也可以接替X測控鏈路成為遙控/遙測的主鏈路。架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 自動(dòng)化測試軟件架構(gòu)圖

自動(dòng)化測試過程首先由測試細(xì)則制定測試項(xiàng)，對發(fā)送的遙控指令與判讀的遙測內(nèi)容進(jìn)行定義。自動(dòng)化測試終端的遙控發(fā)送模塊基于LabVIEW 進(jìn)行創(chuàng)建，集成了兩條遙控鏈路上行的功能，可在創(chuàng)建測試序列時(shí)按照測試需求選擇上行通道，兩條鏈路的遙控指令分別由星上的中心機(jī)CAN 總線模塊和測控應(yīng)答機(jī)獲取。X 波段測控應(yīng)答機(jī)下行的遙測幀由自動(dòng)化測試服務(wù)器X 測控應(yīng)答機(jī)遙測解析模塊負(fù)責(zé)解析，并將解析值存入至MySQl 目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。CAN 總線監(jiān)視設(shè)備的遙測幀則由服務(wù)器CAN 總線遙測解析模塊進(jìn)行解析，解析值與X測控應(yīng)答機(jī)遙測解析模塊的解析值一同存入目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。遙測判讀模塊基于ODBC（開放數(shù)據(jù)庫連接）接口對遙測存儲數(shù)據(jù)庫進(jìn)行重訪，獲取需要判讀的遙測解析值。遙測判讀模塊基于LabVIEW 進(jìn)行編輯，再由Test-Stand 序列編輯器調(diào)用，通過數(shù)值比較、數(shù)組比較、字符串比較、布爾值判讀等測試框架進(jìn)行結(jié)果判讀。判讀結(jié)果由passed 或failed 進(jìn)行表示，由此構(gòu)成一個(gè)測試項(xiàng)。多個(gè)測試項(xiàng)進(jìn)行串聯(lián)執(zhí)行則構(gòu)成了測試序列。

多個(gè)測試序列通過嵌套、調(diào)用、順序執(zhí)行等則構(gòu)成序列樹。以吉林一號高分03C 星為例，序列共分為3 級，其中1 級主序列為高分03C 測試序列，2 級子序列包括5個(gè)分系統(tǒng)測試序列，3 級子序列包括15 個(gè)部組件測試序列。序列樹如圖4 所示。

圖4 吉林一號高分03C 星序列樹圖

1.4 并行測試方案

多星并行測試方案基于TestStand 并行過程模型開發(fā)，作為多線程過程模型的一種，并行過程模型定義了一系列并行通用操作。支持自定義并行測試衛(wèi)星數(shù)量。以4 顆衛(wèi)星并行測試為例，4 顆衛(wèi)星運(yùn)行同一個(gè)測試序列，并行過程模型測試的過程中不要求多顆衛(wèi)星在同一時(shí)刻開始測試，依據(jù)測試內(nèi)容時(shí)間的不同，結(jié)束時(shí)間也不統(tǒng)一。如圖5 所示,當(dāng)衛(wèi)星2 完成測試時(shí)，衛(wèi)星1、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4 還在測試過程中，此時(shí)可將衛(wèi)星2 轉(zhuǎn)換至下一個(gè)測試工位并在此工位測試下一顆衛(wèi)星。4 個(gè)并行測試的衛(wèi)星是相互獨(dú)立的，沒有測試的先后順序之分，也沒有相互的依賴關(guān)系。并行測試的數(shù)量支持自定義，原則上自動(dòng)化測試軟件的測試數(shù)量沒有上限，只需要有適配的硬件資源即可。并行自動(dòng)化測試軟件界面如圖6所示。

圖5 衛(wèi)星并行測試流程示意圖

圖6 并行自動(dòng)化測試軟件界面

1.4.1 并行測試資源分配

并行測試過程中，所有線程運(yùn)行的自動(dòng)化測試序列軟件相同，需要為不同的衛(wèi)星配置不同的設(shè)備參數(shù)來定義信息通道。由于各測試設(shè)備通過局域網(wǎng)的方式進(jìn)行互聯(lián)互控，IP 地址和端口號將作為有效的身份認(rèn)證，多通道的測試設(shè)備還可以通過通道號作為綁定信息。參數(shù)配置表如表1 所示。

表1 并行測試設(shè)備參數(shù)配置表

當(dāng)測試序列運(yùn)行開始時(shí)，通過設(shè)備參數(shù)初始化的代碼模塊獲取配置參數(shù)，并傳遞給定義好的本地局部變量，局部變量可以傳遞給主序列調(diào)用的所有子序列。參量數(shù)據(jù)可以在所有子序列之間相互傳遞，子序列均可以在其測試步驟內(nèi)調(diào)用這些參量，分系統(tǒng)測試序列內(nèi)的參量定義如圖7 所示。

圖7 設(shè)備參數(shù)參量定義圖

1.4.2 自動(dòng)協(xié)作方案

并行測試要解決的另一個(gè)問題就是設(shè)備分時(shí)復(fù)用，例如高速數(shù)傳解調(diào)器作為載荷圖像數(shù)據(jù)的接收設(shè)備，單價(jià)比較昂貴并且在測試過程中不會全程使用，多星共享一臺測試設(shè)備是一個(gè)經(jīng)濟(jì)效益比較好的選擇。遙控遙測地檢設(shè)備和導(dǎo)航模擬器在一些測試環(huán)節(jié)中也需要被分時(shí)復(fù)用。通過射頻開關(guān)切換射頻鏈路，在同一時(shí)刻一臺測試設(shè)備只能被一顆被測衛(wèi)星占用。TestStand 并行過程模型支持自定義自動(dòng)協(xié)作組，可以通過上鎖/解鎖操作來鎖定共享資源，而上鎖和解鎖是成對出現(xiàn)的，可以在其區(qū)間內(nèi)的自動(dòng)協(xié)作段添加占用設(shè)備的測試步驟，如圖8 所示。以4 顆衛(wèi)星并行測試共享三臺測試設(shè)備為例，采用自動(dòng)協(xié)作的方式可以將測試時(shí)間縮短至串行測試的30%～50%，成本縮減為并行測試的25%。

圖8 自動(dòng)協(xié)作測試序列

1.5 數(shù)據(jù)檔案建立

測試數(shù)據(jù)主要包括原始測試數(shù)據(jù)、測試過程數(shù)據(jù)以及測試結(jié)果數(shù)據(jù)。原始測試數(shù)據(jù)通過CANPC 和遙控遙測地檢設(shè)備兩條通路傳輸至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。測試過程及結(jié)果數(shù)據(jù)存儲至測試報(bào)告中。

原始數(shù)據(jù)存儲的過程中，綜合測試服務(wù)器作為一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心，每臺虛擬機(jī)內(nèi)部均集成了MySQL 與ClickHouse 混合數(shù)據(jù)庫。其中MySQL 作為傳統(tǒng)行式存儲關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，主要用來存儲配置文件信息、賬戶密碼、遙控指令等信息。ClickHouse 數(shù)據(jù)庫為列式存儲分析性數(shù)據(jù)庫，用來存儲遙測數(shù)據(jù)源碼與解析值。

測試過程及結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括測試系統(tǒng)配置設(shè)備參數(shù)、測試站名稱、測試時(shí)間、測試項(xiàng)數(shù)目、測試結(jié)果、過程指令、過程重點(diǎn)遙測數(shù)據(jù)解析值、計(jì)算值、判讀條件等。所有數(shù)據(jù)可通過配置選擇是否記錄至自動(dòng)化測試報(bào)告中，自動(dòng)化測試報(bào)告可通過TestStand 報(bào)告配置菜單進(jìn)行配置，在批產(chǎn)衛(wèi)星自動(dòng)化測試過程中，報(bào)告主要配置參數(shù)如下：

報(bào)告類型：ATML 5.00 Standards Report Document；

表格類型：tr5_report.xsl；

記錄內(nèi)容：判讀條件、所有測試結(jié)果、執(zhí)行時(shí)間、在線報(bào)告支持、測試方法、測試屬性信息。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

自動(dòng)化測試系統(tǒng)研制成功后順利應(yīng)用到了吉林一號高分03 系列衛(wèi)星的脈動(dòng)式產(chǎn)線當(dāng)中。覆蓋了衛(wèi)星批產(chǎn)的測試全流程，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效地替代測試人員進(jìn)行遙控指令分發(fā)、遙測數(shù)據(jù)解析、存儲、重訪與判讀、測試過程數(shù)據(jù)記錄等操作。消除了人為操作失誤、數(shù)據(jù)誤判和漏判等質(zhì)量問題。先后完成了累計(jì)63 顆高分03 衛(wèi)星的測試。該系統(tǒng)相比較于傳統(tǒng)的人工測試，在人員投入和測試時(shí)間方面均有一定的效率提升，其中人工效率提升最高12 倍，時(shí)間效率提升最高27 倍，綜合效率提升最高54 倍。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，并行測試數(shù)量越多，往往綜合效率提升越明顯。統(tǒng)計(jì)如表2 所示。除此之外，吉林一號紅外遙感星等其他批產(chǎn)型號也順利完成了批產(chǎn)自動(dòng)化測試系統(tǒng)的部署，取得了可觀的測試效率提升。衛(wèi)星測試現(xiàn)場與自動(dòng)化測試報(bào)告分別如圖9 與圖10 所示。

表2 自動(dòng)化測試效率提升統(tǒng)計(jì)表

圖9 9 顆衛(wèi)星并行自動(dòng)化電測試

圖10 自動(dòng)化測試報(bào)告截圖

3 結(jié)論

在軌組網(wǎng)、快速發(fā)射需求的提出使批量化生產(chǎn)演變?yōu)樾l(wèi)星制造的新模式，傳統(tǒng)的航天器制造模式不再適用。在工業(yè)4.0 智能化生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，應(yīng)將衛(wèi)星視作工業(yè)化產(chǎn)品，融合先進(jìn)的智造技術(shù)和理念開展研制工作。批量化衛(wèi)星測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中擺脫了傳統(tǒng)航天器測試系統(tǒng)的思維束縛，充分借鑒了先進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化測試管理技術(shù)。針對衛(wèi)星批產(chǎn)過程中測試周期短、并發(fā)數(shù)量多、測試資源少的難點(diǎn)，提出了自動(dòng)化測試、信息化數(shù)據(jù)管理的方法。攻克了多線程并行自動(dòng)化測試、測試設(shè)備協(xié)作分時(shí)復(fù)用、混合式高效能數(shù)據(jù)庫應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了減少大部分人工操作、建立測試全流程的數(shù)據(jù)檔案、批產(chǎn)衛(wèi)星綜合測試效率呈倍數(shù)提升的目標(biāo)。