航天器測試數字化轉型探索和實踐

趙欣 李鵬 梁巖里 宋宏江 吳偉 劉鶴 潘順良 應鵬 刁偉鶴 儲海洋 呂偉

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

由于航天器具有長壽命、高可靠、高成本、高風險，以及一旦發(fā)射入軌難以維修等突出特點[1]，航天器測試成為航天器系統研制的關鍵一環(huán)，進行航天器系統級電氣功能和性能指標的全面驗證，其結果是評價航天器研制質量、完善設計或改進工藝以及能否發(fā)射的重要依據[2]。目前，航天器研制模式已經由單顆研制發(fā)展到多航天器批產并行、星座級研制、多艙段多器聯合驗證[3]，呈現出“三多”的特點：一是新研技術、高難度技術、首次驗證技術多；二是判讀準確度、執(zhí)行目標精度高，多艙多器狀態(tài)耦合多；三是批產并行多、數據復雜多、資源占用多，這些特點對高質量、高效率、高效益完成測試任務提出了很高的要求。

面對航天器研制模式新特點，傳統航天器測試工作模式體現出一些不足：①傳統的單航天器獨占測試資源、單配一套測試隊伍的模式導致人力資源、軟硬件設備利用不足；②航天器高密度測試、發(fā)射需要在多地并行開展工作，北京與發(fā)射場之間協同測試能力不足，數據共享性差，專家資源發(fā)揮不夠；③重大工程航天器測試模式復雜，設計-研制-測試-在軌各階段模型數據未得到有效的數字化傳遞，航天器測試知識和模型在不同航天器間未得到有效共享。本文針對以上問題，調研國內外企業(yè)數字化轉型的成功案例和技術基礎，基于系統工程方法和數字化技術，提出了航天器測試數字化轉型的思路，適應大型復雜航天器研制的發(fā)展要求，促進航天器測試能力提升。

1 航天器測試數字化轉型思路

數字化轉型核心是打造以用戶為中心的數據閉環(huán)業(yè)務，數據能夠形成從采集處理、分析到最后決策支持的數據閉環(huán)，從而實現客戶需求驅動業(yè)務實踐的新業(yè)務模式[4]。目前云計算、物聯網、區(qū)塊鏈、人工智能、加密算法、分布式統籌等方式眾多，借鑒企業(yè)數字化轉型的成功案例，結合航天器測試工作實際和急需解決的問題，形成航天器測試數字化轉型的解決方案。

國外企業(yè)的數字化轉型緊隨數字化技術的發(fā)展進程，2013年，SpaceX公司通過當時最新的數字化工具和產品：如體感控制器軟件Leap Motion、虛擬產品設計和工藝設計軟件Siemens NX等，經過改良應用，在航天產品開發(fā)、生產、測試、運營中建立“數字孿生”的工作模式，通過數字化生產方式解決了傳統開發(fā)過程中緩慢的方案流程和昂貴的改動成本[5]。美國太空軍2021年開始建設全數字化軍種，采用新型虛擬云系統技術，為軍事設備總裝和測試、運營的各環(huán)節(jié)提供項目審查、數字模型分享、基于數據和模型的分析決策等能力，提高人員工作效率。國內企業(yè)數字化轉型也走在世界前列[6]。航天科工集團有限公司于2020年發(fā)布自主創(chuàng)新研發(fā)的航天智云3.0及其一站式應用方案，以數據安全可控為基礎，可應用于航天器設計、總裝、測試等不同復雜場景，具備智能協同云特征，并且可以為其他行業(yè)提供行業(yè)云平臺建設和數字化轉型升級[7]。航天科技集團有限公司在數字化轉型工作中，首先構建數字化“新基建”，實現不同地域局域網互聯互通，開展高性能計算中心建設；其次基于云計算、大數據、人工智能等先進技術，建設完成航天器電子信息接口數據管理系統、電源數據管理系統、總裝狀態(tài)數據管理系統等，實現數據和模型共享[8]。

通過調研，數字化轉型的目標是引入技術、整合數據、加強協作，從而形成數據優(yōu)勢，解決企業(yè)的實際問題。航天器測試數字化轉型，也是在現有網絡、設計數據電子化管理的基礎上，引入數字化手段，開展以下方面數字化轉型。

(1)針對傳統的單航天器獨占測試資源引起的軟硬件設備利用不足、軟件分支較多不利于測試能力提升、航天器間數據共享不足等問題，引入虛擬化、容器云等技術手段，構建數字化航天器測試平臺，實現不同航天器的計算、存儲、網絡資源集約化管理和按需分配。

(2)針對航天器異地并行研制時數據共享性差，專家資源發(fā)揮不夠的問題，在現有遠程測試專網建設的基礎上，以數字化航天器測試平臺為支撐，構建“云”、“網”、“端”的異地協同工作和數據共享環(huán)境，為北京地區(qū)、發(fā)射場、天津聯試基地提供一致、彈性、動態(tài)的數字化測試服務。

(3)針對重大工程航天器測試模式復雜，各階段模型數據未得到有效的數字化傳遞的問題，在充分調研數據和模型通用傳輸協議的基礎上，設計了標準化信息傳遞接口，建立信息傳遞標準，在航天器設計、研制、測試、在軌之間實現數據模型無縫傳遞，實現各階段數字化協同。

2 構建數字化測試云平臺

基于虛擬化、容器云等技術手段，構建數字化測試平臺，實現不同航天器的計算、存儲、網絡資源集約化管理和按需分配，解決傳統的單星獨占測試資源引起的軟硬件設備利用不足、軟件分支較多不利于測試能力提升、航天器間數據共享不足等問題。航天器測試云平臺包括“硬件基礎云”、“測試服務引擎”、“測試應用云”三級架構，如圖1所示。

圖1 測試云平臺體系結構圖Fig.1 Architecture diagram of test cloud platform

“硬件基礎云”使用虛擬化技術實現多航天器測試資源高效集約，將服務器的CPU、內存、存儲等物理資源抽象成按需提供的彈性虛擬資源池，實現資源云端共享、動態(tài)分配，提高了系統可靠性，穩(wěn)定支撐多航天器高并發(fā)測試業(yè)務。

“測試服務引擎”使用微服務技術和容器化技術，實現測試系統敏捷彈性構建，將航天器測試服務程序解耦為69個細粒度應用，進行程序重構，并運行于容器云環(huán)境中，實現測試系統按照航天器測試需求進行靈活調度、動態(tài)協同，全面提高測試業(yè)務的敏捷迭代能力。平臺具備跨地域、跨平臺的程序容器快速遷移和部署能力，實現發(fā)射場、京外場地測試系統遠程高可靠一鍵式投放部署；對于外場試驗，可以根據試驗需求快速部署便攜的“移動云”，將本航天器需要的程序和數據一鍵式導入“移動云”。

“測試應用云”實現智能化測試應用。在測試設計階段，基于總體設計模型，測試人員通過云平臺實現航天器基礎設計數據一鍵式導入，測試服務程序一鍵式配置，批產測試流程庫、通用測試用例庫、判讀知識庫一鍵式重用和自動糾錯；在測試實施階段，依托成熟的測試用例和自動判讀成果，以下單的方式進行測試計劃的自動編排和測試實施。按照測試流程形成測試用例組合，自動控制測試關鍵點、風險點，實現每日測試“一鍵式”啟動，自主完成；在測試評估階段，建立測試評估模型，構建測試指標數據庫，實現關鍵數據“橫向比、縱向比、關聯比”的智能化分析功能，建立數據成功包絡線的分析基線，制定各類測試評估總結模板，自動生成規(guī)范的測試總結報告。

3 異地數字化測試協同

針對航天器異地并行研制時數據共享性差，專家資源發(fā)揮不夠的問題，以航天器測試云平臺為支撐，構建“云”、“網”、“端”的異地協同工作環(huán)境，為北京地區(qū)、發(fā)射場、天津聯試基地提供一致、彈性、動態(tài)的測試服務，實現以北京為中心，其他地域為分支的跨地域、跨航天器、跨部門協同測試環(huán)境，如圖2所示。

圖2 多地域多專業(yè)數字化測試體系Fig.2 Multi-region,Multi-profession digital test system

在航天器測試網，測試云平臺在不同廠房建立雙節(jié)點實現雙活，計算資源共享，數據異地災備，存儲資源滿足近三年航天器地面測試存儲需求。同步建立融合數據中心，歷史成功飛行航天器測試數據一鍵式遷移到融合數據中心內，滿足歷史數據分析和查詢需求。在天津建立異地數據節(jié)點，實現在測航天器數據的異地備份。在發(fā)射場使用移動云，實現程序和數據的快速構建和遷移，滿足發(fā)射場航天器測試需求，以及北京對發(fā)射場數據判讀。如圖3所示。

圖3 基于異地多活云平臺的數字化協同Fig.3 Digital collaboration based on multi-live cloud platforms in different places

在建立異地數字化協同機制的基礎上，經過多航天器業(yè)務實踐，形成三種數字化測試組織運作模式：①骨干式，測試骨干隊伍保持5人左右規(guī)模，獨立完成測試任務，后方進行臨時人員補充和技術聯動；②遠程指控式，在發(fā)射場巡檢、天津聯式基地僅配置1～2名測試人員負責測試設備準備，所有指控操作和數據判讀均由北京后方遠程控制完成；③多域互補式，北京地區(qū)和發(fā)射場地區(qū)可差額配置測試隊伍，跨地域聯合組成完整的測試隊伍配置，同步并行開展測試工作。

4 上下游數字化模型傳遞共享

針對重大工程航天器測試模式復雜，各階段模型數據未得到有效的數字化傳遞，航天器測試知識和模型在不同航天器間未得到有效共享的問題，提出數字化模型傳遞共享工作機制。

縱向上錨定模型共享，基于XML格式的衛(wèi)星遙測數據定義語言(XML Telemetry and Command Exchange,XTCE)設計航天器測試云平臺標準化信息傳遞接口，建立設計-研制-測試-在軌的模型轉換標準，實現了數據模型無縫傳遞，提升了測試上下游全鏈條數字化協同能力。測試設計方面，實現了遙測遙控設計、測試需求模型、飛行任務設計模型等模型數據自動傳遞給測試系統，自動生成測試用例、測試流程模型。測試實施方面實現研制計劃和整星技術狀態(tài)管理模型實時傳遞。測試反饋方面，經過系統級測試驗證后的模型數據可以自動反饋給各設計系統，協助其完成設計模型修正；系統級測試建立的飛控驗證模型，可以輔助修正在軌航天器數字孿生模型。如圖4所示。

圖4 上下游模型共享、內部模型復用Fig.4 Model sharing for upstream and downstream,reuse of internal modes

橫向上建立規(guī)范化、模塊化、可復用的測試用例模型庫和判讀知識庫。按照“通用+專用”的思路，制定統一的測試用例和判讀知識設計規(guī)范，在此基礎上實現測試流程、測試用例、判讀知識數字化，進一步加強了數字化測試用例的航天器間復用。如圖5所示。

圖5 組批航天器模型庫Fig.5 Model library for group spacecraft

5 實踐效果

航天器測試數字化轉型圓滿支撐了以空間站建造、天問一號成功降落火星、北斗三號成功組網等為代表的國家重大工程任務，具有以下實踐效果。

(1)構建“云協同、云判讀、云共享”的協同機制，解決了高密度測試、發(fā)射任務時多地并行開展工作情況下，跨地域協同測試能力不足的問題，單航天器人員年出差規(guī)模減少700人·天。特別是在疫情期間，北京地區(qū)骨干人員經常缺崗的情況下，發(fā)射場多地測試專業(yè)骨干、專家、兩總隊伍可以遠程支持北京地區(qū)測試，保障了航天器任務的順利進行。

(2)打通基于模型的測試協同業(yè)務鏈，實現設計-研制-測試-在軌各階段模型數據有效的數字化傳遞，測試設計時間減少50%以上；航天器測試知識和模型在不同航天器間有效共享，對于載人飛船組批測試，80%以上的自動化測試用例和判讀知識實現一鍵式復用。

(3)建設數字化測試云平臺，解決了傳統的單星獨占測試資源、單配一套測試隊伍的模式導致人力資源、軟硬件設備利用不足的問題。同時，提高了航天器測試設計、測試實施、測試評估的自動化程度，縮短測試時間。

6 結束語

航天器綜合測試作為提高任務成功率的重要手段之一，其在航天器研制過程中的重要性也日益提高。本文總結了航天器測試數字化轉型的背景、必要性、具體做法和實踐效果，該探索和實踐已成功應用于航天重大工程任務，并取得很好的提升質量、提高效率、降低成本的效果。

面對后續(xù)航天器研制新特點和新挑戰(zhàn)，還需要針對實踐中遇到的新情況、新問題，不斷總結規(guī)律，建立能力提升長效機制，持續(xù)推進航天器測試任務提質增效，推動航天器系統研制模式的跨越發(fā)展，為我國航天器產業(yè)化能力提升奠定堅實基礎。