張德全 蔣軼穎 趙婷 孔令波 施思寒

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

一種小衛(wèi)星在軌自主測試方法

張德全 蔣軼穎 趙婷 孔令波 施思寒

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

提出了一種基于星上網(wǎng)絡的小衛(wèi)星系統(tǒng)層面的自主測試方法，能夠在較少的人工參與下，可靠地完成衛(wèi)星的在軌測試。主要測試內(nèi)容有衛(wèi)星重要參數(shù)監(jiān)視、遙控指令的自主測試、指定任務的自主測試。該星載自主測試方法是通過軟件實現(xiàn)的一種開放式的測試框架，藉此進行衛(wèi)星上的各種測試。

自主測試；在軌測試；星上網(wǎng)絡；小衛(wèi)星

1 引言

衛(wèi)星是由多個分系統(tǒng)組成的大系統(tǒng)。目前，在軌自主測試一般只能實現(xiàn)單機層面的簡單的自檢測試；開展過一些星載電子設備機內(nèi)測試（Build in Test，BIT）技術的研究，但是其仍側(cè)重于各個功能模塊的測試，且在航天領域中研究和應用還較少［1］。對可能危及整個衛(wèi)星和分系統(tǒng)安全的關鍵參數(shù)和以往在軌衛(wèi)星易出現(xiàn)故障的地方，目前較普遍的做法是在衛(wèi)星的設計階段設計一些自主管理策略，作為整個衛(wèi)星系統(tǒng)的一部分在軌運行，當出現(xiàn)預期的異常時，根據(jù)事先設計的策略對衛(wèi)星進行自主操作［2－9］。而小衛(wèi)星分系統(tǒng)級、整星系統(tǒng)級層面的地面和在軌功能、性能測試主要還是由人工來完成，測試周期也較長。衛(wèi)星的在軌測試和長期運行管理，都依賴于地面測控和運行管理人員，只能在地面測控弧段內(nèi)才能夠進行。我國地面測控弧段有限，衛(wèi)星絕大部分時間都運行在地面非測控弧段內(nèi)，因此無法對衛(wèi)星進行全天候的主動監(jiān)視和測試，存在較大的風險。比如在地面測控弧段外使用載荷設備，如不能夠進行系統(tǒng)級的自主測試，有問題則不能及時發(fā)現(xiàn)、不能及時自主處理或故障隔離，會影響該載荷設備的安全，乃至整個衛(wèi)星的安全。

因此，一種能夠較少人工參與的、可靠的、自主進行地面和在軌測試的小衛(wèi)星測試方法顯得尤為必要。本文提出了一種小衛(wèi)星在軌自主測試的方法，在不用更改目前衛(wèi)星信息流體系的情況下，達到小衛(wèi)星系統(tǒng)級層面的在軌自主測試和快速的地面測試。

2 自主測試技術框架設計

星上網(wǎng)絡（簡稱“星上網(wǎng)”）采用現(xiàn)場總線（CAN），將星上各功能模塊有機地連接起來，實現(xiàn)星上信息交換和共享，實時地完成星上運行的管理、測量和控制，實現(xiàn)衛(wèi)星運行操作控制工作［10］。目前，國內(nèi)小衛(wèi)星星上信息流的管理采用的是集中管理、分散控制的方案，使用CAN總線，統(tǒng)一由星務分系統(tǒng)進行調(diào)度和管理［11］。

衛(wèi)星上用于標識設備和分系統(tǒng)運行狀態(tài)、執(zhí)行情況的所有遙測數(shù)據(jù)和部分載荷數(shù)據(jù)都通過星上網(wǎng)絡匯集到星務分系統(tǒng)；用于控制設備和任務運行的所有上行數(shù)據(jù)型指令和數(shù)據(jù)塊，以及已經(jīng)存在于衛(wèi)星上的能自主發(fā)送的管控指令（比如程控指令、相對程控指令、安全模式指令等），都通過星務分系統(tǒng)來完成解析或者自主發(fā)送，并通過星上網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)給各個被控制和管理的設備［12］。星務分系統(tǒng)管控所有的遙測信息和所有數(shù)據(jù)型指令、數(shù)據(jù)塊，它依托星上網(wǎng)，對衛(wèi)星的運行情況進行實時的監(jiān)視和測試。

衛(wèi)星的控制信息與狀態(tài)信息都由星務分系統(tǒng)管控，如在星務分系統(tǒng)中增加一套自主測試軟件，就可以實現(xiàn)對衛(wèi)星各個分系統(tǒng)或者設備的自主測試。為了適應不同衛(wèi)星、不同分系統(tǒng)、不同設備的自主測試，自主測試軟件架構應該設計為一個開放式的軟件架構。具體來說，自主測試軟件就是一個具有特定軟件框架結構的軟件，能夠根據(jù)不同的擁有內(nèi)在邏輯關系的輸入，產(chǎn)生相應的輸出結果。比如說，向衛(wèi)星發(fā)送一條“GPS授時”指令，該條指令是否正確執(zhí)行的判據(jù)，涉及到了兩個設備——星務設備和GPS設備，只有這兩個設備的遙測中相應的GPS時間和星務時間一致了，且星務指令計數(shù)增加了1，才可認為“GPS授時”指令正確發(fā)出了；向衛(wèi)星發(fā)送一條“GPS斷電”指令，該指令正確執(zhí)行后會產(chǎn)生如下的結果：星務遙測中指令計數(shù)加1、電源遙測中電流減小和GPS不再有遙測，即該指令有三個判據(jù)，且這三個判據(jù)是相“與”的關系。星上指令成百上千條，其對應的遙測及其邏輯關系更多，把所有的指令及判據(jù)都固定地寫在自主測試軟件中，將使軟件變得龐大且不易維護。

小衛(wèi)星星務分系統(tǒng)都具備數(shù)據(jù)注入功能，因此將測試項目及測試項目的判據(jù)通過數(shù)據(jù)上注的方式注入星務分系統(tǒng)，星務分系統(tǒng)自主測試軟件根據(jù)上注的測試項目及其判據(jù)進行邏輯判斷，并給出判斷結果。對測試結果中會危及設備安全或者衛(wèi)星安全的部分，可以根據(jù)星上的異常處理表立即進行自主處理，異常處理表也是通過數(shù)據(jù)上注的方式進行設置。通過數(shù)據(jù)上注的測試項目、測試判據(jù)以及異常處理表存儲在星載計算機的非易失性存儲器中，數(shù)據(jù)上注一次后即可不再上注，便于應對不同環(huán)境下的重復性的測試需求。

因此，小衛(wèi)星自主測試方法是在星務分系統(tǒng)的基礎上須要嵌入一套測試軟件，進行自主測試；測試軟件中的測試項目、測試判據(jù)以及異常處理表都可以通過數(shù)據(jù)上注的方式更新。

3 小衛(wèi)星自主測試方法

小衛(wèi)星自主測試方法主要采用兩種方法來實現(xiàn)：被動型的方法和主動型的方法。

被動型的方法是實時監(jiān)視基于星上網(wǎng)絡的信息流的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的變化。如果有變化，則確定這些變化是否在正常的或者允許的范圍內(nèi)。

主動型的方法是先主動給被測設備（可以是設備、分系統(tǒng)或者衛(wèi)星的一個具體任務，下同）1個或者1組具體的外部激勵，通過分析被測設備對這些外部激勵的響應情況，來確定被測設備的在各種狀態(tài)下的運行情況。小衛(wèi)星的這些激勵，絕大部分都可以通過遙控指令和數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

按照小衛(wèi)星的信息流特點，將自主測試劃分為：重要參數(shù)的監(jiān)視、地面上行遙控指令的自主測試和指定任務的自主測試。

小衛(wèi)星自主測試方法的原理圖如圖1所示。

圖1 小衛(wèi)星自主測試方法的原理圖Fig．1 Schematic diagram of small satellite auto－test

3．1 重要參數(shù)監(jiān)視

重要參數(shù)監(jiān)視是自主測試軟件實時監(jiān)視小衛(wèi)星重要的一些參數(shù)，判斷這些參數(shù)是否在允許的范圍內(nèi)，然后形成監(jiān)視記錄表，記錄表以固定周期下傳到地面。如果某些重要參數(shù)超出允許范圍，自主測試軟件主動進行一些故障恢復或者故障隔離操作，以避免衛(wèi)星在軌情況進一步惡化。

重要參數(shù)監(jiān)視功能具體的實現(xiàn)方法如下：

（1）首先通過星上網(wǎng)絡，依據(jù)參數(shù)監(jiān)視表實時獲取監(jiān)視的參數(shù)數(shù)據(jù)。

（2）根據(jù)參數(shù)監(jiān)視表和監(jiān)視規(guī)則，判斷參數(shù)是否正常。

（3）將監(jiān)視結果按時間順序放入監(jiān)視記錄表，衛(wèi)星在境外時，將監(jiān)視記錄表的內(nèi)容存放在固存中；在衛(wèi)星過境時，監(jiān)視記錄表以固定的周期傳送到地面測控站。

（4）對于重要的參數(shù)，如果監(jiān)視到其異常，立即依據(jù)異常處理表進行處理，確保衛(wèi)星的安全或者為地面專家處理贏得時間。

重要參數(shù)監(jiān)視中設計了兩張表：參數(shù)監(jiān)視表和異常處理表。參數(shù)監(jiān)視表中用于存放需要監(jiān)視的參數(shù)、參數(shù)來源、參數(shù)的正常值范圍等。異常處理表中存放監(jiān)視表與異常處理表的映射關系、異常處理時要用到的數(shù)據(jù)指令等。監(jiān)視規(guī)則由兩部分組成：一部分是依據(jù)小衛(wèi)星信息流特點制定的參數(shù)監(jiān)視規(guī)則，另一部分對參數(shù)監(jiān)視表進行邏輯分析得出的參數(shù)監(jiān)視規(guī)則。

參數(shù)監(jiān)視表和異常處理表通過數(shù)據(jù)注入的方式進行更改、增加和刪除。通過這種注入的方式，以有限的資源來滿足量級較大的地面測試和在軌測試需求。

參數(shù)監(jiān)視的運行原理見圖1中的“參數(shù)監(jiān)視”部分。

3．2 地面上行遙控指令的自主測試

在自主測試模式下，地面上行遙控指令可以分為兩種類型：增量型指令和閾值型指令。

增量型指令是指該指令被正確執(zhí)行后，相關的星上數(shù)據(jù)是在原來的基礎上增加或者減少一個具體范圍的值。比如設備開機指令被正確執(zhí)行后，電源負載電流是在原來的基礎上增加一個具體范圍的值。

閾值型指令是指該指令被正確執(zhí)行后，相關的星上數(shù)據(jù)是變化為一個具體范圍的值。比如設備開機指令被正確執(zhí)行后，星上采集的該設備的電壓模擬量就是一個具體范圍的數(shù)值。

所有的遙控指令都可以分為以上兩種類型。其指令及相關的星上數(shù)據(jù)可以制作兩種數(shù)據(jù)表：增量型指令表和閾值型指令表。增量型指令表中存放所須測試的增量型指令、以及這些指令被正確執(zhí)行后相應的星上數(shù)據(jù)變化的情況；閾值型指令表中存放所須測試的閾值型指令、以及這些指令被正確執(zhí)行后相應的星上數(shù)據(jù)變化的情況。

1）地面上行的增量型指令的自主測試方法

（1）自主測試軟件實時獲取星上網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，將增量型指令表中相應的數(shù)據(jù)與獲取的數(shù)據(jù)保持一致（即數(shù)據(jù)同步），同時一直監(jiān)視星上網(wǎng)絡中是否有增量型指令發(fā)送來。

（2）如果有增量型指令出現(xiàn)在網(wǎng)絡中，則立即中止增量型指令表中相應的數(shù)據(jù)與實時獲取的星上網(wǎng)數(shù)據(jù)的同步操作。

（3）待獲取最新的該增量型指令對應的星上數(shù)據(jù)后，將新的數(shù)據(jù)與增量型指令表中的數(shù)據(jù)進行比對，依據(jù)增量型指令判斷規(guī)則，判斷出該增量型指令是否正確執(zhí)行。增量型指令發(fā)送后，其對應的數(shù)據(jù)可能有延時變化的情況，因此可以多判斷幾組數(shù)據(jù)，采取表決的方式來進行增量型指令是否正確執(zhí)行的判斷。

（4）將指令執(zhí)行結果以數(shù)據(jù)包方式返回給星務主機，便于星務主機依據(jù)執(zhí)行情況進行處理；同時開啟增量型指令表中數(shù)據(jù)與實時獲取的星上數(shù)據(jù)間的同步操作。

（5）將指令執(zhí)行結果存入指令記錄表中，衛(wèi)星在境外時，將指令記錄表的內(nèi)容存放在固存中；衛(wèi)星在過境時，指令記錄表以固定的周期傳送到地面測控站。

2）地面上行的閾值型指令的自主測試方法

（1）自主測試軟件實時獲取星上網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)，將閾值型指令表中相應的數(shù)據(jù)與獲取的數(shù)據(jù)同步；同時一直監(jiān)視星上網(wǎng)絡中是否有閾值型指令發(fā)送來。

（2）如果有閾值型指令出現(xiàn)在網(wǎng)絡中，等待該閾值型指令對應的星上數(shù)據(jù)的到來。

（3）在獲取最新的數(shù)據(jù)后，依據(jù)閾值型指令判斷規(guī)則，判斷出該閾值型指令是否執(zhí)行正確。閾值型指令發(fā)送后，其對應的數(shù)據(jù)可能有延時變化的情況，因此可以多判斷幾組數(shù)據(jù)，采取表決的方式進行閾值型指令是否正確執(zhí)行的判斷。

（4）將指令執(zhí)行結果以數(shù)據(jù)包方式返回給星務主機，便于星務主機依據(jù)執(zhí)行情況進行處理。

（5）將指令執(zhí)行結果存入指令記錄表中。如果執(zhí)行不正確時，記錄下是哪個相關的數(shù)據(jù)變化不正確，以便用于原因分析；在衛(wèi)星過境時，指令記錄表以固定的周期傳送到地面測控站；同時也將結果保存到固存中，便于境外的數(shù)據(jù)分析。

對于一條數(shù)據(jù)型指令來說，其可能既是增量型指令，又是閾值型指令。如果是這樣的話，采用的策略是分別判斷其作為增量型指令的執(zhí)行情況和作為閾值型指令的執(zhí)行情況，兩者都執(zhí)行正確的情況下才認為指令執(zhí)行正確。因此測試規(guī)則也由兩部分組成：一部分是依據(jù)小衛(wèi)星信息流特點制定的測試規(guī)則，另一部分對增量型指令表和閾值型指令表進行邏輯分析得出的測試規(guī)則。

增量型指令表和閾值型指令表也通過數(shù)據(jù)注入的方式進行更改、增加和刪除。通過這種數(shù)據(jù)注入的方式，以有限的資源來滿足量級較大的地面測試和在軌測試需求。

3．3 指定任務的自主測試

為完成指定的測試任務，往往須要去執(zhí)行一組具有內(nèi)在相互關聯(lián)的指令。如果每個指令的執(zhí)行結果都符合設計預期，則最后的測試任務就能正常完成。因此指定任務的自主測試實際上是基于單個指令的自主測試來完成的。

為完成指定任務的自主測試，須要為星載自主測試軟件提供自測試任務表，表中包含：任務名稱、每個任務的一組數(shù)據(jù)型指令以及這些指令的開始執(zhí)行時間。這個自測試任務表也通過上行注入數(shù)據(jù)的方式進行更改、增加或刪除。

對指定任務（由一組數(shù)據(jù)型指令組成）的自主測試方法如下：

（1）由遙控上行指令來啟動指定的某組測試任務，同時開始計時。

（2）該組測試任務開啟后，將任務中指令的開始執(zhí)行時間與當前時間進行比對，時間一致時，將當前時間對應的數(shù)據(jù)型指令通過星上網(wǎng)絡發(fā)送出去。

（3）星條分系統(tǒng)自主測試軟件檢測到該條指令后，判別其是增量型指令還是閾值型指令或者兩者兼而有之，然后根據(jù)上節(jié)的方法來判斷該指令是否被正確執(zhí)行。

（4）如果該條指令被正確執(zhí)行，繼續(xù)將當前時間與下條指令的時間進行比對，時間到時執(zhí)行下條指令，直到該組任務最后一條被正確執(zhí)行完畢，然后自動關閉對該組任務的自主測試；如果該組中有任一條指令未被正常執(zhí)行，則暫時中止該測試任務的后續(xù)執(zhí)行。

（5）將指定任務的自主測試結果通過數(shù)據(jù)包方式發(fā)送給星務主機，以便星務主機進行后續(xù)處理。

計算采用SATWE，程序中選擇按中震（大震）不屈服進行結構設計。驗算時，水平地震影響系數(shù)最大值按中震取值（2.8倍小震=2.8×0.04=0.112），不考慮地震組合內(nèi)力調(diào)整，荷載作用分項系數(shù)取1.0，組合值系數(shù)不變，材料強度取值標準值，抗震承載力調(diào)整系數(shù)1.0。底部加強區(qū)墻肢按中震不屈服及多遇地震（一級）分析結果的較大值進行設計。驗算表明主要墻肢在此種工況下不出現(xiàn)整體受拉情況，保證了墻肢抗剪的有效性。

（6）將指定任務的自主測試結果存入任務記錄表中，衛(wèi)星在境外時，將任務記錄表的內(nèi)容存放在固存中。如果任務未正常執(zhí)行，記錄下未正常執(zhí)行的相關內(nèi)容，以便用于原因分析；衛(wèi)星在過境時，任務記錄表以固定的周期傳送到地面測控站。

對指定任務（由一組數(shù)據(jù)型指令組成）的自主測試的原理圖見圖1中“自主測試”部分。

4 驗證情況分析

小衛(wèi)星在軌自主測試方法作為低軌科學試驗衛(wèi)星的一項試驗搭載項目，已經(jīng)通過了某衛(wèi)星的正樣裝配、總裝和測試（AIT）及在軌測試驗證，在軌也已正常運行了兩年。

衛(wèi)星在地面及在軌期間，對該技術進行了多次試驗。試驗的方式是采用自主測試的同時，也采用人工判斷，然后將兩者的判斷結果進行比較，如果兩者完全一致即證明了自測試技術的可信性；如果自主方式比人工方式所用時間大為縮短，即證明了自測試技術的有效性?？梢詮臏y試的“占用時間”、“監(jiān)視時段”、“處理異常的及時性”、“測試結果的正確性”這四個指標來比對傳統(tǒng)的人工測試方法與自主測試方法。占用時間越短、監(jiān)視時段越長、處理異常越及時、監(jiān)視與異常處理越可靠，則此測試方法更優(yōu)越。

比如在軌對某衛(wèi)星的熱控分系統(tǒng)進行的測試。熱控分系統(tǒng)共32個控溫回路，其相關的測溫點有124個，測溫點遙測數(shù)據(jù)有124byte；控溫的門限有96byte的遙測數(shù)據(jù)；還有表征每個加熱回路的軟、硬件加熱狀態(tài)的遙測數(shù)據(jù)有64byte。也就是說熱控相關的遙測數(shù)據(jù)共有284byte。地面專業(yè)熱控人員須要分析完284byte的遙測數(shù)據(jù)后，才能對衛(wèi)星的熱控情況做出最終的判斷。這其中還須要進行一些邏輯判斷，比如要確定閉環(huán)控溫是否正確，須要綜合判斷控溫門限、軟硬件加熱狀態(tài)、控溫方式等遙測數(shù)據(jù)。因此，每次人工進行衛(wèi)星熱控是否正常的判斷都需要10min以上的時間；并且由于衛(wèi)星只有在境內(nèi)才能收到其遙測數(shù)據(jù)，人工判斷只能在每次衛(wèi)星過境，地面站收到遙測數(shù)據(jù)時才能進行。

作為對比，采用自測試的方法。所有的判斷內(nèi)容都由星上的自測試軟件進行。測試結果通過4byte的遙測數(shù)據(jù)傳送到地面系統(tǒng)。這4byte中每個bit表征為一個控溫回路的健康狀態(tài)。哪一路正常，則在遙測界面顯示該路“正?！?；哪一路不正常，就在遙測界面顯示該路“異常”。因此通過遙測界面，一目了然地即可看出整星熱控是否正常，異常時是哪一路異常，總耗時不到1min，約為人工判斷時間的1/10；并且可以全天時地進行，判斷熱控異常時，可以立即進行熱控下位機復位或者切換到相應備份回路。

表1是針對熱控分系統(tǒng)測試時，人工判斷和自主測試方法的指標比對情況。

從某衛(wèi)星整星測試結果和在軌的運行情況來分析，說明小衛(wèi)星自主測試方法能夠在減少人為參與的情況下，較快地完成衛(wèi)星系統(tǒng)層面的自主測試。

5 結束語

小衛(wèi)星在軌自主測試方法是一種較少人工參與的小衛(wèi)星測試技術，能夠?qū)πl(wèi)星進行全天時的監(jiān)視和測試，實時地進行故障處理和隔離。它依托星上網(wǎng)絡，在目前小衛(wèi)星星務系統(tǒng)技術的基礎上，借助高性能的星載計算機，在不須要對目前小衛(wèi)星體系結構作大的改變的情況下，就可以完成對小衛(wèi)星的自主測試，具有很好的應用前景。目前，此技術作為搭載試驗已應用在某低軌衛(wèi)星上，其地面和在軌測試結果良好，有效地縮短了衛(wèi)星地面測試和在軌測試的時間。

本文提出的自主測試方法是以星上網(wǎng)絡作為信息傳輸載體，而星上網(wǎng)絡主要用于對小衛(wèi)星的管理和控制，傳送衛(wèi)星控制信息和狀態(tài)信息，較少涉及載荷，因此本文提出的方法無法分析載荷的數(shù)據(jù)信息。如果小衛(wèi)星星上網(wǎng)數(shù)據(jù)流量過大，測試判據(jù)的邏輯過于復雜，則在軌自主測試軟件的處理復雜度會增大，將對星務分系統(tǒng)軟件的正常運行產(chǎn)生不良的影響。

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（編輯：張小琳）

Study of Space－borne Auto－test Method for Small Satellite

ZHANG Dequan JIANG Yiying ZHAO Ting KONG Lingbo SHI Sihan
（DFH Satellite Co．，Ltd．，Beijing 100094，China）

This paper describes the space－borne auto－test method of small satellite based on Control Area Network（CAN）bus and presents the technology principle and the implementation methods in detail．The method can reliably complete on－orbit auto－test of small satellite，with least human participation．The method is fit for system－level auto auto－test of small satellite，which includes three parts：monitoring important parameters，auto test of telecommands and autotest of specific tasks．The space－borne auto－test method is designed to realize open test framework by embedded software．

auto－test；space－borne test；field bus；small satellite

V443．5

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．017

2015－09－10；

2016－03－11

國家重大科技專項工程

張德全，男，碩士研究生，工程師，研究方向為星務系統(tǒng)設計、小衛(wèi)星綜合電子技術、小衛(wèi)星自主測試。Email：zhangdequan＿2010@126．com。