王振華，張國峰，陳朝暉

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

空間交會對接GNC軟件的自動化測試

王振華1，2，張國峰1，2，陳朝暉1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190;2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

介紹一種面向航天器空間交會對接GNC軟件的自動化測試方法，通過對測試用例和測試腳本的管理、測試過程的自動執(zhí)行、測試數據的判讀和測試缺陷管理，實現對航天器空間交會對接軟件的自動化測試.實踐表明所述的自動化測試方法在GNC軟件的測試中發(fā)揮了重要作用.

交會對接;GNC軟件;自動化測試;數據分析;缺陷管理

空間交會對接過程復雜，技術難度大，該系統(tǒng)為一個任務要求極高的系統(tǒng)[1].交會對接系統(tǒng)的制導導航控制(GNC)軟件要求極高，功能點多，容錯處理等設計復雜導致軟件規(guī)模十分龐大，這些對測試充分性提出了嚴峻的挑戰(zhàn).GNC軟件在交會對接中起著重要作用，具有可靠性和安全性要求高、軟件復雜度高、實時性要求強、軟硬件聯系緊密、功能復雜、性能要求苛刻、時序要求嚴格的特點，屬于安全關鍵性為A類的軟件.測試在GNC軟件的研制中具有重要作用，因此對測試工作應予以足夠重視[2].

在面對交會對接軟件確認測試的任務量急劇增加，而確認測試時間十分緊張的情況下，提高測試效率和回歸測試的操作一致性成為軟件研制的當務之急.自動化測試成為解決上述問題的有效手段.

自動化測試技術在民用領域中得到較為充分的應用，Mosley和Posey在業(yè)界最早進行了數據驅動自動化測試的實驗并取得成功.在航天領域，NASA和ESA等組織經過長期發(fā)展在自動化測試領域已經建立比較完備而系統(tǒng)的體系.美國面向復雜多系統(tǒng)對象的自動化測試系統(tǒng)(ATS，automatic test system)已日臻成熟，已發(fā)展到第三代，綜合各種測試資源，能夠自動實現對被測對象進行功能、性能測試和故障定位和診斷.目前正在研發(fā)下一代(NxTest) ATS，在自動測試語言方面:美國宇航局曾采用GOAL(ground operations aerospace language)[3]，歐洲宇航局采用ETOL(european test and operations language)[4].為適應自動化測試技術的新發(fā)展，ATLAS委員會聯合美國國防部正在開發(fā)新一代ATLAS測試語言—ATLAS 2000[5].

IEEE針對自動化測試發(fā)布了ATML(automatic testmarkup language)[6]體系是該領域最新的成果之一，ATML明確的規(guī)定了設計數據的綜合環(huán)境、測試策略和要求、測試程序、測試結果管理以及測試系統(tǒng)的實現.

在國內，北航軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室針對航天器自動化測試系統(tǒng)所提出的“4個軟件、1個功能模塊和3個支持平臺”的整體架構思想[7].標準化自動測試語言和通用化測試環(huán)境構建成為自動化測試的主要思路[8].

針對上述國內外自動化測試環(huán)境、測試語言及測試方法，在學習和借鑒國內外自動化測試領域現有的技術和方法的基礎上，結合交會對接軟件運行的特點，在現有空間交會對接GNC軟件實時動態(tài)測試環(huán)境的基礎上，引入自動化測試方法，通過對測試用例和自動執(zhí)行腳本的管理，自動化測試過程的執(zhí)行控制，測試數據的判讀和缺陷管理等工作實現對交會對接軟件部分功能的自動化測試.

1 空間交會對接自動化測試系統(tǒng)的設計思路

通過對上述自動化測試標準、方法、和語言進行歸納和總結給合交會對接軟件測試工作，開發(fā)一套適用的自動化測試系統(tǒng).

交會對接GNC軟件具有外圍接口多樣、時序復雜、敏感器選擇和切換較多、交會對接過程進行的階段多、模式轉換關系條件多和部分功能計算量大，判斷運行正確性的條件復雜等特征，因此在面向GNC軟件進行測試時，需要對交會對接軟件測試功能點區(qū)別對待，對于重復性高、測試操作復雜性相對較低的功能點采取自動化測試.

交會對接GNC軟件自動化測試環(huán)境設計原則:自動化測試的目的是為了能夠更好地解決測試效率與測試一致性.這需要將自動化測試與人工判讀相結合，自動化測試處理問題的復雜性不要過高，過高的復雜度這將導致在自動測試執(zhí)行驅動引擎的設計、自動測試數據分析和故障診斷方面的大量的額外工作.因為測試自動化不是萬能的，只有在合理設計下，正確規(guī)劃和執(zhí)行下，自動化才能夠充分發(fā)揮其測試效率的優(yōu)勢以及發(fā)現其他方式很難發(fā)現的問題[9].

對測試內容進行歸納和整理，對具有重復性和軟件處理相似度較高、判斷的復雜度較低的軟件功能例如模式轉化等適合于采用自動測試的功能點進行自動化測試;對于正確性判斷過于復雜，很難進行形式化處理的內容，采用人工測試和判讀的方式進行測試，兩者相互結合，充分發(fā)揮各自優(yōu)勢，通過這種選擇性地對測試內容進行自動執(zhí)行的篩選，充分結合自動測試與人工判斷的長處，從而提升空間交會對接軟件測試的效率和可靠性.

首先，測試配置項數量較大，需要將具體測試模式和測試流程進行形式化抽象，歸納出通用性內容;其次需要建立起覆蓋全部通用化測試狀態(tài)的測試用例構件庫，對不同配置項能夠展開有效的自動化測試以提高確認測試和回歸測試過程的效率;另外，針對測試結果的分析與歸納長期以來一直是測試自動化關注的重點和提升測試自動化水平的難點.

2 空間交會對接軟件自動化測試環(huán)境

自動測試系統(tǒng)具備自動生成和執(zhí)行測試腳本、分析和判讀測試數據、自動生成測試報告等功能，實現對整個測試過程進行監(jiān)督和管理，它是集測試配置、測試用例自動執(zhí)行、測試數據管理、測試監(jiān)控為一體的系統(tǒng)，以便用戶可以及時地掌握軟件的測試和完成情況.需要滿足衛(wèi)星地面測試軟件通用化、測試過程自動和遠程控制的要求，提高星載軟件測試的自動化水平，提升軟件測試的效率和覆蓋率.

2.1空間交會對接自動化測試系統(tǒng)構架

軟件自動化測試過程管理及數據處理的主要功能有系統(tǒng)管理、全局配置、用戶及權限管理、遙測數據預處理、遙測遙控數據顯示、腳本的自動生成和編輯、遙控和指令發(fā)送、數據存儲與查詢、數據回放、文件管理、測試過程管理、缺陷管理及度量、輸入數據同步處理、圖形打印、測試報告自動生成等功能，這些功能將根據其功能和運行特點分布在服務端和客戶端.

自動化測試系統(tǒng)需完成以下主要任務:

1)建立總體測試計劃，完成測試規(guī)劃、配置.按不同的配置項版本創(chuàng)建測試任務，用戶根據測試需求劃分功能點或測試項、進而設計測試用例.

2)輔助測試用例設計.對各軟件不同版本的測試用例進行統(tǒng)一管理，從而進行測試用例有條件的復用和制定，通過管理工具，使得測試用例的來源明確，內容可控，可追溯性強.

3)對在研的多個軟件的測試過程進行管理.測試人員通過測試過程管理系統(tǒng)選擇被測軟件及其版本，根據時間或任務安排，選取需要執(zhí)行的用例，自動發(fā)送執(zhí)行指令，并指定各用例生成的測試數據包名稱.可通過網絡實時監(jiān)控測試任務的進展情況，必要時進行干預和控制.

4)測試結果返回.測試數據通過接口發(fā)送到數據服務中心，數據服務中心接收數據后進行數據存儲同時將數據發(fā)送到測試監(jiān)控端，并根據數據判讀結果對缺陷進行分類、跟蹤其解決情況.

5)綜合測試數據的分析和處理.對存儲數據進行條件查詢、統(tǒng)計、分析處理，根據存儲信息對測試事件進行回放.能方便地根據測試報告的格式要求輸出曲線，方便的對測試數據組織編輯，按用戶需要的格式形成報表導出.

2.2 空間交會對接自動測試流程

在自動測試整體的基礎上，通過自動測試流程，將各種測試資源進行有效地整合，實現自動測試動態(tài)運行和執(zhí)行管理.測試流程參見圖1.

圖1 交會對接測試流程示意圖Fig.1 RVD testing flow

測試流程主要包含5個方面:

(1)測試用例的自動生成和編輯

測試用例生成模塊的主要工作是通過讀excel格式的測試細則文件，將測試細則轉換為基于txt格式的腳本文件，編輯好腳本后，將腳本文件保存到服務器上.該模塊在讀取遙測細則文件時需要識別項目代號、時間、測試狀態(tài)設置、輸入參數判讀、指令方向、指令、輸出參數判讀和時間、參數期望最高值、參數期望最低值等內容;

(2)測試控制指令的自動發(fā)送與數據執(zhí)行分析

自動測試執(zhí)行流程由一個或多個測試用例組成的序列，測試用例包含腳本內容，測試執(zhí)行流程模塊解釋并執(zhí)行腳本內容.按一定的協議，在所執(zhí)行測試腳本時，按照時間順序將相應指令由動力學計算機、數管仿真計算機或者主控計算機發(fā)送到GNC控制計算機，在相應的時間內接收總線遙測數據、動力學數據、工程遙測數據等遙測通道進行比對判斷進行數據分析;

(3)測試執(zhí)行流程管理

包括執(zhí)行流程的新建、查詢、配置，測試過程日志等，可對測試功能項分解，按照測試進度安排測試活動.建立功能項與測試用例的映射關系，進行測試項目基本信息和測試過程相關參數的維護.測試執(zhí)行流程主要由測試用例(腳本)、測試數據解析以及與測試自動化平臺的接口組成.能進行測試執(zhí)行流程控制，能夠啟動、停止任何一個測試執(zhí)行流程;

(4)綜合處理測試數據

通過C/S架構和網絡連接將分散在各臺測試設備上的動力學數據，工程遙測，高速復接器數據等數據集中到數據服務器上，對來自不同的數據源進行比對和繪圖輸出分析，給出誤差比對范圍，提供數據超差報警處理，實現測試結果的保存和回放處理;

(5)遙測數據和圖形顯示

通過組態(tài)方式對遙測數據進行顯示，該軟件能以各種表格、曲線、圖形、動畫、聲音等形式反映目前的測試狀態(tài).

2.3 空間交會對接自動測試用例的管理

使用樹形結構來組織和管理用例，由兩種節(jié)點構成.節(jié)點1.測試集合文件夾:用于組織和存放測試用例，能夠更清晰的對測試用例進行分類和集合.節(jié)點2.測試用例集.測試用例集由多項內容構成，測試用例及執(zhí)行腳本信息組成參見表1.

表1 交會對接測試用例及可執(zhí)行腳本信息Tab.1 RVD test cases and executable script information

每一個測試用例即為一個可以通過自動化測試引擎執(zhí)行的測試腳本，可以手動添加測試用例和腳本，也可以從文件導入測試用例.可以通過在左側測試用例列表中選中一個測試用例版本，在右側選擇腳本信息頁，在腳本列表中選中一行，右鍵可以編輯行、插入行和刪除行.處理方法參見圖2.

圖2 交會對接測試用例管理Fig.2 The management of RVD testing cases

2.4 空間交會對接自動化測試流程執(zhí)行動態(tài)管理

自動化測試任務執(zhí)行與管理模塊完成自動化測試過程的綜合調度和測試任務的過程管理，包括:測試資源調度管理引擎、測試任務管理引擎、自動測試執(zhí)行引擎3個組成部分，驅動引擎的定義采用XML語言進行描述.XML(可擴展標記語言)是一種文本標記語言，支持結構化的數據交換.每個數據域用標記符界定，標記符給出該數據域的信息.通過使用測試資源調度管理引擎綜合調度測試平臺的各種軟硬件及各種接口資源，使用測試任務管理引擎調度測試任務的相互關系和先后順序，使用自動測試執(zhí)行引擎在測試資源管理和測試任務管理的相互配合下動態(tài)執(zhí)行任務隊列中的測試用例，實現自動化測試過程.動態(tài)運行管理參見圖3.

2.5 空間交會對接自動測試數據查詢與分析

通過測試報告自動生成模塊調用服務器端測試報告自動生成服務來完成，客戶端僅顯示服務端生成報告的進度信息.實現客戶端歷史數據查詢的功能，該軟件能從服務器端數據查詢接口獲取某個時間段某些參數的數據，并畫出曲線，導出格式包括txt文檔和excel文檔等格式.

數據分析是測試環(huán)節(jié)中的重要組成部分，數據分析分為在線分析和離線分析，在線分析主要通過故障報警設置，通過設置坎值，對一些重要的數據變量進行監(jiān)控，當超出正常值范圍采取報警提示.離線數據分析，主要是在實驗測試結束，針對運行數據就某一方面的特定要求進行數據分析，例如:三機容錯的數據分析，參見圖4.

2.6 空間交會對接自動測試缺陷管理

圖3 交會對接測試執(zhí)行流程管理Fig.3 The management of RVD testing execution flow

圖4 某變量三機容錯測試的方差數據離線分析(該變量方差極值約為0.0046)Fig.4 Off-line variance data analysis in three-machine fault tolerance test(themaximum variance value is about 0.0046)

缺陷流程管理要定義不同的角色，以及不同角色在缺陷流程中的行為.自動測試系統(tǒng)的數據判讀和故障診斷采用以知識處理為基礎，綜合應用航天軟件專家系統(tǒng)和人工智能技術相結合，應用到多個航天器星載軟件被測對象的測試數據判讀和故障診斷中，使數據判讀和故障診斷推理系統(tǒng)能夠獨立于測試過程，達到測試數據診斷知識良好的可移植性、重用性和共享性.從而，構建起一個信息的綜合診斷體系結構，并使該體系結構具有開放性.自動測試缺陷管理度量方法參見表2.

表2 故障處理判斷方式Tab.2 The fault-processing-judgment way

續(xù)表

3 空間交會對接軟件自動測試應用分析

以模式轉換為例對交會對接GNC軟件自動測試內容進行分析.自動測試模式轉換測試腳本中包括(1)對轉段轉入條件的判斷，(2)數據流執(zhí)行順序，(3)在轉段前后對重要數據的監(jiān)測，(4)轉段前后運行正確性自動判斷，(5)異常數據和運行錯誤故障報警等信息.

交會對接交會過程參見示意圖5[10].針對緊急撤離模式轉換的自動測試，數據流及自動測試動態(tài)執(zhí)行監(jiān)控參見曲線圖6.測試姿態(tài)控制實時分析曲線顯示參見圖7～9.

圖5 交會對接飛行階段劃分示意圖Fig.5 Concepts of the RVD flight phase

圖6 自動測試數據流執(zhí)行流Fig.6 The execution flow of automatic testing data

圖7 400m緊急撤離撤退模式下的質心系Y軸相對位置和速度相平面曲線Fig.7 Phase-plane curve of the relative position and velocity along Y axis of the center-mass frame in 400m emergency evacuation retreatmode

圖8 400m緊急撤離模式下的質心系Z軸相對位置和速度相平面曲線Fig.8 Phase-plane curve of the relative position and velocity along the Z axis of the centermass frame in 400m emergency evacuation mode

圖9 400m緊急撤離模式下的質心系XZ相對位置相平面曲線Fig.9 Phase-plane curve of the relative position and velocity in XZ plane of the centermass frame in 400m emergency evacuation mode

4 自動化測試工作重點

自動化測試需要對測試方法進行提煉，找出確認測試中通用化的部分，自動化測試的最重要的作用是代替人完成重復性的工作.這需要測試人員總結測試方法，利用自動化測試環(huán)境，對已有測試資產包括測試流程，被測對象特性進一步歸納和總結.

在測試準備階段:對以往的測試過程進行通用化提取，對通用模式進行概括和歸納，整理完善通用測試用例庫，用例庫中的用例能夠以測試腳本的方式存在，該腳本能夠被計算機測試環(huán)境所識別，從而可以不加修改或通過少量的適應性修改即可在自動化測試系統(tǒng)中執(zhí)行.

在自動化測試執(zhí)行階段:通過使用測試資源調度管理引擎綜合調度測試平臺的各種軟硬件及各種接口資源，使用測試任務管理引擎調度測試任務的相互關系和先后順序，使用自動測試執(zhí)行引擎在測試資源管理和測試任務管理的相互配合下動態(tài)執(zhí)行任務隊列中的測試用例，實現自動化測試過程.

在測試結果數據分析評估階段:該階段是自動化測試的重要環(huán)節(jié)，整個測試過程統(tǒng)一使用數據庫來統(tǒng)一存儲測試數據，為整星測試數據分析提供統(tǒng)一管理于深層次應用的數據基礎.在對多顆衛(wèi)星進行星載軟件測試時，能夠以自動化測試數據庫為核心，通過自動化測試支撐環(huán)境為依托，協調完成測試數據準備、測試任務調度、測試過程自動執(zhí)行及測試總結報告生成，實現測試過程的信息化管理，提高測試數據信息的共享程度.

5 結 論

隨著航天空間交會對接任務以及航天任務的快速發(fā)展，在航天軟件自動化測試方面，我們應該不斷加快建設步伐，在學習和借鑒國外先進經驗的基礎上，發(fā)展適合中國航天應用的自動化測試體系和相應的測試方法，提升軟件的信息化水平，并以此提高軟件研制的效率.

自動化測試方法的引入，可以有效地提高交會對接軟件在執(zhí)行具有相似處理方式測試用例的運行效率，能夠降低對測試中由于在長時間人工操作下的隨意性，解決操作一致性不好的問題同時能夠有效地提高回歸測試的操作一致性和準確性，對提高交會對接測試能力具有重要意義.

本文就確認測試環(huán)節(jié)中引入自動化測試的需要解決的問題，自動化測試系統(tǒng)構架，自動化測試體系功能分解，執(zhí)行的流程和方法，以及自動化測試體系建立過程中重點工作和發(fā)展思路進行了嘗試和探討，并針對性地提出解決方案.所介紹的自動化測試方法和技術實現已經在具體的航天軟件研制中發(fā)揮作用，取得良好的應用效果.

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Autom atic Test of GNC Software for Spacecraft Rendezvous and Docking

WANG Zhenhua1，2，ZHANG Guofeng1，2，CHEN Zhaohui1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China; 2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory，Beijing 100190，China)

An automatic test method is introduced for spacecraft space rendezvous and docking(RVD) GNC software.The introduced approach is realized based on the management of test cases and scripts，automatic execution of the testing process，test data interpretation and test defectmanagement.Practice shows that the automatic testmethod plays an important role in GNC software development.

rendezvous and docking;GNC software;automatic test;data analysis;errormanagement

TP31

A

1674-1579(2012)05-0042-07

王振華(1981—)，男，工程師，研究方向為航天器嵌入式軟件技術;張國峰(1972—)，男，高級工程師，研究方向為航天器嵌入式軟件技術;陳朝暉(1969—)，男，研究員，研究方向為航天器嵌入式軟件技術.

2011-08-29

DO I:10.3969/j.issn.1674-1579.2012.05.008