趙川 戴澗峰 趙碩 蔡文碩

(1 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計部 100094)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星出現(xiàn)了多樣化、批量化、裝備化的發(fā)展趨勢，市場需求呈現(xiàn)井噴式的增長[1]。因此，智能、批量、快速、機(jī)動已經(jīng)成為下一代小衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)的主要特性要求。目前，國內(nèi)多家小衛(wèi)星研制生產(chǎn)機(jī)構(gòu)已經(jīng)初步具備星座衛(wèi)星及少量批產(chǎn)衛(wèi)星的并行測試能力，但是所采用的測試系統(tǒng)和測試方法仍是單星測試模式的簡單復(fù)制，即一顆衛(wèi)星配一套系統(tǒng)，導(dǎo)致測試資源投入成本巨大，有效利用率低等問題。與此同時，固定的自動化執(zhí)行功能，雖然能夠使用計算機(jī)自動地完成大部分測試工作，但是在衛(wèi)星實際狀態(tài)與預(yù)想狀態(tài)不一致時，原有自動化測試序列便無法自動完成，加之測試設(shè)備不具備集中管理動態(tài)調(diào)配等功能，整個測試過程仍需要大量測試人員的介入才能完成，勢必造成大量的人力資源投入和高強(qiáng)度測試所帶來的高質(zhì)量安全風(fēng)險等問題。因此，亟需開展面向小衛(wèi)星批量化研制的智能測試系統(tǒng)研制工作，應(yīng)對日趨迫切的星群衛(wèi)星批量研制需求，推進(jìn)我國大規(guī)模星群衛(wèi)星研制流程的優(yōu)化和研制能力的提升。

本文首先對智能批量測試的技術(shù)框架進(jìn)行簡要介紹，然后基于技術(shù)框架從總體設(shè)計、接口快速接入與適配、智能測試執(zhí)行、資源智能調(diào)配、多樣化測試支持等方面，詳細(xì)介紹智能化測試系統(tǒng)的設(shè)計思路和實現(xiàn)方法，最后從智能批量測試流程和應(yīng)用分析對智能測試系統(tǒng)的應(yīng)用展開介紹。

1 智能批量測試技術(shù)框架

目前，小衛(wèi)星呈現(xiàn)出低成本、大批量、快速機(jī)動等特點，這就要求其測試系統(tǒng)具備快速高強(qiáng)度、批量化測試、集中小型化、機(jī)動響應(yīng)等特點。為適應(yīng)上述要求，面向小衛(wèi)星的智能批量測試技術(shù)框架如圖1所示[2]。首先，通過接口快速接入與適配技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星的快速接入與適配，滿足多型多星的快速接入與批量測試的需求。其次，通過智能測試技術(shù)實現(xiàn)無人干預(yù)的高可靠性連續(xù)測試能力，滿足大批量衛(wèi)星的快速高強(qiáng)度測試需求。然后，通過資源智能調(diào)配技術(shù)實現(xiàn)測試設(shè)備的集中智能管理和智能動態(tài)調(diào)配能力，滿足大批量衛(wèi)星集中、批量測試需求，同時實現(xiàn)測試設(shè)備的最優(yōu)化高效利用，在一定程度上節(jié)省地面設(shè)備的投入成本。最后，通過多樣化測試模式支持技術(shù)使系統(tǒng)具備支持多種測試模式和測試方法的能力，滿足批產(chǎn)化小衛(wèi)星的機(jī)動響應(yīng)需求?；谏鲜黾夹g(shù)框架和需求解決思路，開展智能測試系統(tǒng)實現(xiàn)方案設(shè)計，適應(yīng)小衛(wèi)星低成本、大批量、快速機(jī)動等發(fā)展趨勢。

圖1 面向小衛(wèi)星的智能批量測試技術(shù)框架

2 智能測試系統(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 總體結(jié)構(gòu)

小衛(wèi)星智能測試系統(tǒng)包括前端測試設(shè)備和智能測試軟件兩部分。兩者通過以太網(wǎng)實現(xiàn)設(shè)備的智能管控、控制命令的上行和實時運行參數(shù)的下行等功能。系統(tǒng)硬件(前端測試設(shè)備)與軟件模塊如表1所示。系統(tǒng)主體架構(gòu)如圖2所示。

表1 智能測試系統(tǒng)前端測試設(shè)備模塊和軟件模塊

圖2 智能測試系統(tǒng)主體架構(gòu)

2.2 接口快速接入與適配技術(shù)

智能測試系統(tǒng)接口快速接入與適配技術(shù)的實現(xiàn)方案如圖3所示。首先，通過標(biāo)準(zhǔn)化的通用地面測試接口設(shè)計實現(xiàn)衛(wèi)星快速接入測試系統(tǒng)；其次，通過衛(wèi)星配置庫實現(xiàn)衛(wèi)星配套設(shè)備配置的快速加載和快速選擇[3]，同時依據(jù)衛(wèi)星配置庫內(nèi)容自動完成配套設(shè)備的調(diào)配和適配，實現(xiàn)測試設(shè)備與待測衛(wèi)星的快速適配；然后，通過射頻開關(guān)矩陣的快速可控切換特性實現(xiàn)高頻設(shè)備的分時復(fù)用和快速動態(tài)調(diào)配；最后，利用相互獨立的測試序列和共享的測試數(shù)據(jù)實現(xiàn)多型多星并行批量測試，即每顆衛(wèi)星的測試序列獨立運行。為了實現(xiàn)測試設(shè)備在多星間的動態(tài)調(diào)配，以及多星協(xié)同并行測試等目標(biāo)，依靠多星數(shù)據(jù)和設(shè)備運行參數(shù)的共享實現(xiàn)衛(wèi)星與衛(wèi)星及衛(wèi)星與設(shè)備之間狀態(tài)的傳遞和感知，控制每顆衛(wèi)星測試序列的自動化運行，完成邏輯層面的多星協(xié)同并行測試[4-5]，依靠無人值守的高效高質(zhì)量連續(xù)測試能力實現(xiàn)衛(wèi)星的快速測試。

圖3 接口快速接入與適配技術(shù)實現(xiàn)方案

為了滿足未來衛(wèi)星測試的需要，智能測試系統(tǒng)支持在不修改主程序代碼的前提下，實現(xiàn)測試模塊的動態(tài)擴(kuò)展，實現(xiàn)方式如圖4所示。在有新的測試需求時，使用板卡接口庫協(xié)議模板或通用網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議模板，完成板卡協(xié)議轉(zhuǎn)換，以及動態(tài)庫或標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)接口的快速開發(fā)和適配工作，使擴(kuò)展接入的測試模塊能夠與智能批量測試軟件適配，并配合其完成對應(yīng)的自動化測試功能。

圖4 可擴(kuò)展性實現(xiàn)方式示意

2.3 智能測試執(zhí)行技術(shù)

智能測試執(zhí)行技術(shù)的核心是智能測試模塊，它能夠確保計算機(jī)在無人干預(yù)的情況下自動地依據(jù)當(dāng)前衛(wèi)星的狀態(tài)閉環(huán)完成測試狀態(tài)設(shè)置、測試工況實施、測試狀態(tài)恢復(fù)等一系列操作[6]。智能測試系統(tǒng)所采用的智能測試模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示，模塊包含了模塊執(zhí)行前的判讀條件描述、模塊運行的整星狀態(tài)描述、模塊運行前狀態(tài)設(shè)置模塊的索引、模塊的具體執(zhí)行內(nèi)容、模塊運行后整星應(yīng)恢復(fù)的狀態(tài)描述、模塊運行后狀態(tài)設(shè)置模塊的索引[7]。

圖5 智能測試模塊結(jié)構(gòu)

智能測試系統(tǒng)運行流程如圖6所示。

圖6 智能測試系統(tǒng)運行流程

(1)測試開始后，系統(tǒng)判斷當(dāng)前是否具備執(zhí)行當(dāng)前模塊的條件。若條件允許，則開始執(zhí)行下一步；若條件不允許，則跳轉(zhuǎn)到第(5)步操作。

(2)系統(tǒng)獲取當(dāng)前衛(wèi)星的實時狀態(tài)，判斷當(dāng)前狀態(tài)是否為模塊執(zhí)行所要求的狀態(tài)。若滿足狀態(tài)要求，則直接進(jìn)入下一步；若不滿足狀態(tài)要求，則根據(jù)狀態(tài)設(shè)置模塊索引獲取狀態(tài)設(shè)置模塊并執(zhí)行，對衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置[8]。

(3)完成當(dāng)前模塊序列的自動執(zhí)行操作。

(4)系統(tǒng)獲取當(dāng)前衛(wèi)星的實時狀態(tài)，判斷當(dāng)前狀態(tài)是否為模塊執(zhí)行后所需要恢復(fù)的狀態(tài)。若滿足狀態(tài)要求，則直接進(jìn)入下一步；若不滿足狀態(tài)要求，則根據(jù)狀態(tài)設(shè)置模塊索引獲取狀態(tài)恢復(fù)模塊并執(zhí)行，對衛(wèi)星狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)。

(5)獲取下一個模塊并重復(fù)第(1)～(5)步操作，直至測試執(zhí)行完畢。

2.4 資源智能調(diào)配技術(shù)

資源智能調(diào)配技術(shù)通過資源智能調(diào)配服務(wù)和智能測試序列執(zhí)行功能配合實現(xiàn)，具體實現(xiàn)過程如圖7所示。

圖7 資源智能調(diào)配功能實現(xiàn)過程

(1)資源智能調(diào)配服務(wù)啟動后監(jiān)聽各衛(wèi)星智能測試序列執(zhí)行功能發(fā)送設(shè)備資源請求或釋放命令。

(2)智能測試序列執(zhí)行功能啟動并開始自動執(zhí)行測試序列。

(3)當(dāng)智能測試序列執(zhí)行功能遇到測試模塊需要某一設(shè)備資源才能完成測試時，向資源智能調(diào)配服務(wù)發(fā)送資源請求命令[9]。

(4)資源智能調(diào)配服務(wù)收到的是設(shè)備請求命令后，判斷當(dāng)前請求的資源是否空閑。若空閑，則將當(dāng)前設(shè)備的占用標(biāo)志置位，并將其分配給當(dāng)前請求的測試序列；若當(dāng)前設(shè)備已經(jīng)被別的測試序列占用，則直接進(jìn)入第(5)步操作。

(5)資源智能調(diào)配服務(wù)向智能測試序列執(zhí)行功能發(fā)送資源分配結(jié)果(成功或失敗)，并重新開始監(jiān)聽各衛(wèi)星智能測試序列功能發(fā)送的資源請求或釋放命令。

(6)智能測試序列執(zhí)行功能收到資源分配結(jié)果為成功時，自動開始進(jìn)行資源設(shè)置和后續(xù)測試序列的執(zhí)行工作，然后執(zhí)行第(7)步操作。若此時智能測試執(zhí)行進(jìn)程收到的結(jié)果是失敗，則直接跳過當(dāng)前需要使用資源才能完成的測試模塊，開始執(zhí)行別的測試項目，直至測試內(nèi)容執(zhí)行告一段落后重新向資源智能調(diào)配服務(wù)發(fā)送資源申請命令；若沒有其他可執(zhí)行模塊，則等待3 s后重新開始執(zhí)行第(3)步操作。

(7)智能測試序列執(zhí)行功能完成當(dāng)前模塊的測試，向資源智能調(diào)配模塊發(fā)送資源釋放命令。

(8)資源智能調(diào)配服務(wù)收到資源釋放請求，釋放當(dāng)前資源并將資源的占用標(biāo)志清除。

(9)重新回到第(1)步監(jiān)聽各衛(wèi)星的設(shè)備請求或釋放命令。

2.5 多樣化測試支持方法

智能測試系統(tǒng)多樣化測試模式和方法的實現(xiàn)方案，如圖8所示。

(1)通過模塊化設(shè)計思想使測試系統(tǒng)能夠靈活進(jìn)行多模塊集成使用或單個模塊獨立使用，滿足多星集中測試、單星機(jī)動測試及分系統(tǒng)驗收測試的不同需求。

(2)通過多星數(shù)據(jù)歸一化技術(shù)(測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)一維護(hù)訂閱和多星參數(shù)實時混合運算等技術(shù))，實現(xiàn)多星數(shù)據(jù)共享、多星數(shù)據(jù)聯(lián)合判讀等功能，支撐單星測試、星座聯(lián)試及星群組網(wǎng)測試等應(yīng)用需求。

(3)通過靈活的軟件布局設(shè)計(既可以集中部署也可以分布式部署)，使軟件可以部署在測試間、測試現(xiàn)場或?qū)崿F(xiàn)多地遠(yuǎn)程部署等，從而滿足現(xiàn)場測試、遠(yuǎn)程測試(含指控模式)和遠(yuǎn)程實時監(jiān)控等實用需要[10]。

3 智能測試系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 智能批量測試工作流程

采用智能測試系統(tǒng)開展智能批量測試的工作過程，如圖9所示。

圖9 智能批量測試工作過程

(1)各分系統(tǒng)設(shè)計師根據(jù)測試需要提供對應(yīng)分系統(tǒng)的測試用例和相關(guān)判讀依據(jù)等測試輸入文件。

(2)測試人員根據(jù)輸入文件開展測試設(shè)計工作，生成測試資源配置項和智能測試模塊，并組織各相關(guān)設(shè)計師進(jìn)行評審會簽。

(3)評審?fù)ㄟ^后，根據(jù)測試流程安排，從測試模塊中選擇所需模塊開展測試工作。系統(tǒng)首先根據(jù)衛(wèi)星測試資源配置項自動地完成測試設(shè)備的分配和初始化設(shè)置等工作；然后根據(jù)衛(wèi)星的實時狀態(tài)智能地完成測試狀態(tài)設(shè)置、測試工況實施、測試狀態(tài)恢復(fù)等一系測試實施操作。

(4)測試完成后，系統(tǒng)根據(jù)測試結(jié)果判讀規(guī)則自動生成測試報表，每日向設(shè)計師提供測試日報，定期或按需提供階段測試總結(jié)報告。

(5)測試人員和設(shè)計師最終確認(rèn)當(dāng)前測試是否滿足預(yù)期要求，若不滿足，重復(fù)第(1)～(5)步操作。

3.2 應(yīng)用分析

智能測試系統(tǒng)以其智能化、批產(chǎn)化、模塊化、智能化等特點，能夠很好地支撐成百上千顆量級的超大規(guī)模星群衛(wèi)星的快速批量測試需求。通過將該系統(tǒng)與基于脈動式生產(chǎn)線的測試模式及高效測試流程設(shè)計相結(jié)合，構(gòu)建基于脈動式生產(chǎn)線的超大規(guī)模星群衛(wèi)星測試生產(chǎn)線，能夠大幅縮短大規(guī)模星群衛(wèi)星的批量測試周期。測試生產(chǎn)線按照平臺測試、有效載荷測試、星群組網(wǎng)模式測試等測試內(nèi)容劃分為3個測試區(qū)域。按照測試流程、被測星群規(guī)模、測試強(qiáng)度、測試周期等要求，將每個測試區(qū)域的測試工作劃分為若干個測試工序，衛(wèi)星按照脈動周期逐個完成對應(yīng)的測試工序，最終下線入庫。

采用基于脈動式生產(chǎn)線的測試模式(見圖10)后，單條生產(chǎn)線上每個測試節(jié)點可以完成8顆衛(wèi)星的并行測試工作，根據(jù)平臺、有效載荷及星群測試時間在平臺測試區(qū)設(shè)置一個測試節(jié)點，有效載荷測試區(qū)設(shè)置2個測試節(jié)點，星群測試區(qū)設(shè)置1個測試節(jié)點。采用這種設(shè)計完成X顆衛(wèi)星的測試任務(wù)大概需要N+[(X-P)/P]·M(單位：h),其中：P為測試生產(chǎn)線單個節(jié)點的并行測試能力，衛(wèi)星按照該能力分組進(jìn)入生產(chǎn)線，一組衛(wèi)星的數(shù)量為P顆；N為完成1組衛(wèi)星全部測試流程所需時間；M為生產(chǎn)線的脈動周期，即1組衛(wèi)星完成1個測試工序所需要的最長時間。因為單套智能測試系統(tǒng)可以并行開展8顆衛(wèi)星的測試，所以此處設(shè)定一組衛(wèi)星的數(shù)量為8顆，即P為8。根據(jù)衛(wèi)星的實際測試數(shù)據(jù)，設(shè)N為160 h，M為40 h，代入可以計算出完成100顆衛(wèi)星測試共需要620 h，按照8 h工作制測算，共需要78天。后續(xù)可以通過合理設(shè)計流程降低脈動周期的方式，縮短星群衛(wèi)星的測試時間。

圖10 基于脈動式生產(chǎn)線的測試模式

4 結(jié)束語

智能測試系統(tǒng)已經(jīng)在十余顆商業(yè)化批產(chǎn)衛(wèi)星的工廠測試階段得到使用和驗證，該系統(tǒng)順利完成了該衛(wèi)星單機(jī)電性件驗收測試、整星電性階段測試等工作。后續(xù)需要根據(jù)智能測試系統(tǒng)的特點和小衛(wèi)星批量化發(fā)展的需求，從測試輸入、測試流程及測試設(shè)備研制3個方面對小衛(wèi)星智能批量研制工作制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，構(gòu)建一套標(biāo)準(zhǔn)化的小衛(wèi)星智能批量測試體系架構(gòu)，推進(jìn)小衛(wèi)星批量快速研制流程的優(yōu)化，適應(yīng)未來市場的發(fā)展需求。