虛擬測試技術在衛(wèi)星研制中的應用

吳小明, 句美琪, 林佳偉, 王夢菲, 孫天逸, 高新宇

1.北京控制工程研究所, 北京 100094 2.中國空間技術研究院通信與導航衛(wèi)星總體部, 北京 100094

0 引 言

隨著高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,數(shù)字技術、數(shù)字經(jīng)濟成為了新一輪國際競爭的重點領域.航天作為高新技術產(chǎn)業(yè),在引領我國科技進步和創(chuàng)新、數(shù)字化建設中發(fā)揮著至關重要的作用.數(shù)字化航天建設和數(shù)字化衛(wèi)星研制是未來的一大發(fā)展趨勢.

傳統(tǒng)衛(wèi)星研制一般經(jīng)歷方案、初樣、正樣階段,研制過程圍繞單機生產(chǎn)、測試、分系統(tǒng)測試、整星集成測試開展,尤其在分系統(tǒng)和整星階段測試時以硬件為基礎,而全數(shù)字測試工作開展不充分.當前衛(wèi)星研制面臨需求越來越復雜、研制周期越來越短和成本越來越低的新挑戰(zhàn).為了順應當今世界技術潮流和滿足衛(wèi)星行業(yè)需求,需要設計出效率高、手段豐富、適應性強、搭建靈活的測試系統(tǒng).

目前針對數(shù)字化測試系統(tǒng),北京空間飛行器總體設計部、北京控制工程研究所、航天恒星科技有限公司和北京航天自動控制研究所開展的研究較多,主要關注形式化建模與模型檢測方法、計算機數(shù)字目標機設計方案與軟件測試以及系統(tǒng)級測試仿真設計與實現(xiàn)等[1-13].文獻[14-17]是目前高校和中電集團在虛擬測試領域開展的工作.文獻[18]總結了虛擬測試系統(tǒng)的體系結構及其發(fā)展情況.文獻[19]研制了基于虛擬儀器的測試和測量系統(tǒng),文獻[20]研制了電源測試與性能評估的虛擬儀器.

區(qū)別于傳統(tǒng)純硬件測試方法,虛擬測試指利用軟件仿真技術逼真地模擬實際硬件環(huán)境,完成軟件測試與驗證工作.本文設計的虛擬測試平臺突出全數(shù)字化,在設計階段就可以開展整星測試,相比以往做法和參考文獻中的方案,整星測試工作前移,而且通過測試發(fā)現(xiàn)的問題進行設計迭代,加速型號研制進展;為了適應不同場合的測試需求,虛擬測試平臺配備少量硬件,具備接入硬件單機的能力,并完成相應的功能測試,這也是本文的一大創(chuàng)新點.

1 衛(wèi)星平臺介紹

典型的通信衛(wèi)星平臺包括8個分系統(tǒng):結構分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、供配電分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、化學推進分系統(tǒng)和安全告警分系統(tǒng).在綜合電子架構下,衛(wèi)星平臺計算機被稱為中心管理單元(central management unit, CMU),其作為衛(wèi)星平臺的信息中樞,實現(xiàn)姿態(tài)軌道控制、能源、熱控、遙控、遙測、有效載荷等方面的管理.

CMU對外系統(tǒng)接口除了1553B總線外,一般還有用于時間管理的秒脈沖接口,用于收發(fā)測控數(shù)據(jù)的同步串口.在平臺綜合業(yè)務單元(platform integrated services unit,PFISU)、載荷業(yè)務單元(payload integrated service unit,PLISU)和遙測遙控單元(telemetry and telecommand unit,TTU)配合下,完成整星遙測數(shù)據(jù)采集下行、遙控指令上行和指令脈沖輸出等功能.

CMU軟件主要完成姿態(tài)軌道控制功能和星務管理功能.星務管理功能主要包括1553B通信、能源管理、熱控管理、程控和故障檢測隔離恢復.

2 虛擬測試平臺設計

CMU作為衛(wèi)星平臺的信息中樞,是虛擬測試平臺運行的基礎,所以虛擬測試平臺圍繞CMU模擬和數(shù)據(jù)驅(qū)動設計.

如圖1所示,虛擬測試平臺運行在一臺PC機上,主要由虛擬衛(wèi)星(virtual satellite,VS)和自動測試系統(tǒng)(automatic test system,ATS)組成,還包括一些硬件擴展接口.

圖1 虛擬測試平臺組成

CMU模擬器以處理器指令集模擬器為核心,包括外部接口模塊(例如1553B總線、內(nèi)存、同步串口、異步串口、IO端口等).CMU軟件目標碼直接加載到CMU模擬器中運行,其運行的動態(tài)特性與在真實硬件環(huán)境上一致.

2.1 虛擬衛(wèi)星

虛擬衛(wèi)星由嵌入星上軟件的虛擬目標機(CMU模擬器)、姿態(tài)軌道動力學仿真軟件、控制敏感器和執(zhí)行機構仿真軟件、星務模擬器、TTU模擬器、自動化測試軟件等組成.

CMU作為控制器,是控制分系統(tǒng)的核心,完成姿態(tài)和軌道確定和控制量計算,并驅(qū)動執(zhí)行機構.CMU模擬器采用CPU指令集模擬方式實現(xiàn),相當于在PC機上運行CPU的目標機.CMU模擬器直接運行星上目標碼,還能模擬CPU其它特性,例如指針異常、數(shù)據(jù)非法、數(shù)據(jù)校驗失敗等.

敏感器通常包括太陽敏感器、地球敏感器、星敏感器、陀螺、GNSS(global navigation satellite system)接收機等,用于測量姿態(tài)和軌道信息.執(zhí)行機構一般包括反作用輪、推力器、太陽帆板驅(qū)動機構等,用于執(zhí)行CMU發(fā)出的指令,產(chǎn)生控制力和力矩,使得姿態(tài)和軌道朝期望值變化.動力學模擬衛(wèi)星姿態(tài)和軌道運動,根據(jù)當前狀態(tài)和執(zhí)行機構輸出的力與力矩,遞推下一步的姿態(tài)和軌道,并計算出敏感器的預期輸出,為敏感器提供激勵信號.敏感器、CMU、執(zhí)行機構、動力學一起構成了閉環(huán)的姿態(tài)軌道控制系統(tǒng).

TTU模擬器實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)下行和遙控指令上行;PFISU模擬器實現(xiàn)指令轉發(fā)和信號采集等;星務模擬能源、熱控、測控、載荷等分系統(tǒng)的功能.

2.2 自動測試系統(tǒng)

自動測試系統(tǒng)包括遙測數(shù)據(jù)接收、遙控指令發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲與顯示、測試管理等功能.

2.3 虛擬測試平臺硬件擴展功能

虛擬測試平臺采用開放式架構.該平臺具備“全軟件”和“半實物”等多個模式,既能采用全虛擬部件運行,也支持接入真實部件.在半實物工作模式下,既能模擬整星各分系統(tǒng)與真實CMU連接,也能模擬真實CMU與整星其他分系統(tǒng)的真實部件連接.為了模擬CMU和整星其他分系統(tǒng)的真實部件連接,需配置1553B總線、秒脈沖接口、同步串口硬件.從這3個電接口功能上看,虛擬測試平臺實現(xiàn)的CMU目標機功能上和CMU硬件等價.

3 虛擬測試平臺的應用

3.1 虛擬測試平臺在控制分系統(tǒng)測試階段的應用

TTU模擬器實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)下行和遙控指令上行.PFISU模擬器配合星上軟件,實現(xiàn)開關控制和信號采集等功能.相比硬件平臺測試,虛擬測試平臺主要特點表現(xiàn)在控制分系統(tǒng)和外系統(tǒng)由軟件模擬,所有接口也由軟件虛擬.在控制分系統(tǒng)測試階段,控制和星務軟件聯(lián)合測試分為“全軟件”和“半實物”2種模式,如圖2～3所示.

圖2 控制和星務軟件聯(lián)合測試(“全軟件”模式)

“全軟件”模式依賴完整的虛擬測試平臺功能,在1臺PC機上獨立完成測試;“半實物”模式下,虛擬測試平臺通過硬件擴展接口與嵌入外系統(tǒng)模擬器的地面測試設備以及另1臺PC機上的星務模擬器共同完成測試.“半實物”模式和“全軟件”模式最大的差別在于使用了1553B總線和控制分系統(tǒng)星上產(chǎn)品.

某衛(wèi)星控制分系統(tǒng)初樣技術狀態(tài)確定后,單機開始生產(chǎn)時同步開發(fā)虛擬測試平臺,虛擬測試平臺比單機研制提前5個月完成.在等待單機研制完成的這5個月,利用虛擬測試平臺進行軟件測試和升級迭代.單機產(chǎn)品齊套時,測試用例、測試腳本都已經(jīng)完成驗證,星上軟件開發(fā)也完成多輪迭代,在硬件平臺上只花了25天時間完成測試,與以往型號在單機齊套后初樣測試一般需要3個月以上相比加快了研制進度.

圖3 控制和星務軟件聯(lián)合測試(“半實物”模式)

3.2 虛擬測試平臺在整星測試階段的應用

在AIT(assembly, integration and test)中心運行虛擬測試平臺,使用AIT中心的主控軟件,測試流程、指令發(fā)送、參數(shù)判讀和在整星硬件平臺測試時完全一樣.整星硬件平臺測試直接運行在虛擬測試平臺上驗證過的測試序列,大大節(jié)省了測試準備時間.

虛擬測試平臺應用于型號研制具有多項優(yōu)勢.它的運行環(huán)境只需要1臺電腦,單人即可完成測試,降低了對測試設備、測試場地、測試操作和保障人員齊備的要求.在虛擬測試平臺上能夠運行的測試用例更加豐富,通過自動化測試和加速測試能大大提高測試效率.而且不會給星上產(chǎn)品引入安全風險,避免由于操作不當引起的硬件產(chǎn)品損傷.同時提供了一個不受測試現(xiàn)場限制、便攜高效的需求確認手段,在硬件產(chǎn)品齊套之前就可以開展以需求驗證、軟件驗證、接口驗證為主的測試工作.

虛擬測試平臺采用開放式架構,具有靈活的部件接入機制,能替代CMU硬件完成各種聯(lián)試.若按照傳統(tǒng)流程,在CMU和其他分系統(tǒng)聯(lián)試時,衛(wèi)星總體需要多方協(xié)調(diào)參試產(chǎn)品、設備、人員、場地,CMU作為核心產(chǎn)品,往往需要在多個場地和環(huán)境之間拆裝,相關的整星地面測試設備也隨之反復搬運,存在較多不便.虛擬測試平臺,僅需1臺裝備有1553B板卡的便攜電腦,即可作為CMU目標機完成和1553B總線上各個終端的聯(lián)試,極大簡化了參試設備要求,并且不影響整星的測試主線.

某衛(wèi)星型號在AIT中心,利用虛擬測試平臺開展控制軟件和星務軟件測試,并完成了和全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)接收機、電源控制器、綜合信息處理器、管控機、星間收發(fā)信機的聯(lián)試.虛擬測試平臺上開展的工作并行于硬件平臺,為研制主線節(jié)約了20個工作日.

圖4 AIT階段虛擬測平臺的應用

圖5 CMU目標機組成

3.3 各階段虛擬測試平臺配置

根據(jù)衛(wèi)星研制階段,虛擬測試平臺配置如表1.虛擬測試平臺包含除AIT總控軟件外的所有功能模塊,為適應不同的測試工況,用戶可以選擇使用軟件模擬的功能模塊,也可以選擇通過硬件接口與真實設備聯(lián)合完成功能測試.

表1 各階段虛擬測試平臺配置

3.4 虛擬測試平臺在衛(wèi)星研制中的作用

目前,虛擬測試平臺在衛(wèi)星研制過程中已取得成功應用,并在衛(wèi)星全壽命周期發(fā)揮重要作用:

1)初樣研制階段,電性星硬件產(chǎn)品和虛擬測試平臺,采用同步規(guī)劃、同步設計、同步建設的方案.基于測試覆蓋性分析,初樣研制階段,將測試項目在初樣電性星硬件平臺和虛擬測試平臺進行合理劃分,開展并行測試.有效發(fā)揮了并行工作效能,實現(xiàn)更高效的型號研制,有力保障分系統(tǒng)的順利交付及整星測試;正樣研制階段,虛擬測試平臺實現(xiàn)星上軟件邏輯和測試用例的提前驗證,從而降低了星上產(chǎn)品損壞的風險.

2)基于硬件擴展接口,虛擬測試平臺實現(xiàn)了CMU和下位機的聯(lián)試,很好地解決了硬件并行需求沖突和組織聯(lián)試工作量大的難題.

3)衛(wèi)星飛控階段,虛擬測試平臺替代傳統(tǒng)衛(wèi)星模擬器,配合完成飛控策略演練.衛(wèi)星長期在軌運行管理期間,虛擬測試平臺可對在軌現(xiàn)象進行模擬、復現(xiàn),提高問題排查、定位、解決的效率,同時可實現(xiàn)在軌注入措施的前期驗證以及重要參數(shù)辨識、數(shù)據(jù)智能判讀、健康狀態(tài)評估、在軌任務調(diào)度演練等.

4 結 論

本文針對衛(wèi)星研制過程中技術難度跨越大和“階段交疊、多線并行”等問題,將星上軟件、動力學仿真軟件、部件仿真軟件、星務模擬軟件、自動化測試軟件等集成到1臺PC機上,實現(xiàn)了“全軟件”和“半實物”狀態(tài)下的虛擬測試.虛擬測試平臺模擬了星上應用軟件真實的底層運行環(huán)境,可以驗證內(nèi)存、地址等操作,測試結果可信度高.同時,虛擬測試平臺中的測試用例、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),可以不加修改地在硬件平臺中復用,為用戶使用提供了便利.

本文提出的虛擬測試技術實現(xiàn)了控制與星務軟件測試同步和虛擬測試與硬件測試并行,已在控制分系統(tǒng)和整星測試階段中應用.其有效提高了軟件設計迭代效率、降低了衛(wèi)星研制成本,具有較強的工程應用推廣價值.

當前虛擬測試平臺實現(xiàn)了CMU軟件目標碼嵌入運行,為了提高模擬的真實程度和星上代碼的復用性,后續(xù)將研究多個軟件配置項的嵌入運行,實現(xiàn)多分系統(tǒng)的聯(lián)合虛擬測試.目前,虛擬測試平臺已實現(xiàn)衛(wèi)星 “數(shù)字伴研(制)”,后續(xù)將實現(xiàn) “數(shù)字伴飛(控)”和 “數(shù)字伴運(管)”.