劉志飄 溫潔 張鑫

（中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

一種應用云計算技術的航天器綜合測試方法

劉志飄 溫潔 張鑫

（中國空間技術研究院通信衛(wèi)星事業(yè)部，北京 100094）

首先介紹了目前國內(nèi)外航天器綜合測試系統(tǒng)的現(xiàn)狀，指出其資源利用率低、測試成本高的不足；然后針對這些不足，結合未來航天器綜合測試業(yè)務新需求，提出了一種應用云計算平臺的航天器綜合測試方法，給出了該方法的綜合測試云架構，分析了其在資源利用率、可靠性、可擴展性等方面的技術優(yōu)勢；最后給出航天器綜合測試云系統(tǒng)的實施方案，供今后我國航天器測試系統(tǒng)建設參考。

云計算；航天器綜合測試云；資源利用率；可靠性

1 引言

航天器綜合測試是指對航天器研制各階段的電氣功能和性能進行測試，驗證其功能參數(shù)、性能指標是否滿足設計要求，是集測量、電子、通信、計算機、工程管理等多學科于一體［1］、科學性與工程性相結合的綜合技術。航天器綜合測試是航天器研制過程中重要的組成部分，是一項復雜的系統(tǒng)工程，周期長任務重，其成功實施依賴于一整套可靠的軟、硬件組成的綜合測試系統(tǒng)作為支撐，即電氣地面支持系統(tǒng)（Electrical Ground Support Equipment，EGSE）。EGSE通常由總控系統(tǒng)設備（Overall Check Out Equipment，OCOE）、分系統(tǒng)專用測試設備（Special Check Out Equipment，SCOE）通過局域網(wǎng)連接而成。目前，航天器綜合測試技術已經(jīng)成為衡量一個國家宇航能力水平的重要標志。

隨著我國航天事業(yè)的快速發(fā)展，航天器研制任務越來越多，航天器功能越來越強大，其結構也越來越復雜，綜合測試需求日趨多樣化和復雜化。這對航天器綜合測試系統(tǒng)的功能和性能提出了嚴峻挑戰(zhàn)，同時也對測試設備、測試人力資源的利用率提出了更高的要求。

為了應對以上挑戰(zhàn)和需求，文章在分析當前國內(nèi)外航天器綜合測試系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及不足的基礎上，提出了一種應用云計算平臺的航天器綜合測試方法，并給出了相應的實施方案。

2 航天器綜合測試系統(tǒng)現(xiàn)狀

當前，國內(nèi)外航天器綜合測試系統(tǒng)的組成是以航天器或任務為單位［2］，每個航天器單獨搭建一套測試系統(tǒng)軟硬件平臺［3-4］，配備一套測試人員，各航天器測試系統(tǒng)之間相互隔離。典型的航天器綜合測試系統(tǒng)架構如圖1所示。綜合測試系統(tǒng)通常由前置區(qū)、服務區(qū)和操作區(qū)軟硬件組成。前置區(qū)負責測試系統(tǒng)與航天器的直接交互，主要包括遙測、遙控、供配電、控推、載荷等分系統(tǒng)SCOE和前端設備；服務區(qū)是整個綜合測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，主要包括主測試處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等；操作區(qū)是測試用戶與測試系統(tǒng)的交互接口，主要包括自動化測試實施系統(tǒng)、測試操作控制臺系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)等。各航天器的測試系統(tǒng)軟、硬件之間沒有交集，彼此獨立。

圖1　典型的航天器綜合測試系統(tǒng)Eig.1 A typical spacecraft integrated test system

上述航天器綜合測試系統(tǒng)的優(yōu)點是結構清晰、實現(xiàn)簡單，但是測試資源無法共享、利用率低。各航天器硬件相互隔離、服務區(qū)測試系統(tǒng)軟件獨立部署、測試數(shù)據(jù)庫沒有實現(xiàn)互通，這種傳統(tǒng)的煙囪式系統(tǒng)建設方式，直接形成了以航天器為單位的“信息孤島”。信息孤島的存在，一方面，導致了各航天器測試系統(tǒng)之間軟硬件無法實現(xiàn)共享，大大降低了硬件資源利用率，增加了軟件的維護和人力成本，提高了航天器的測試總成本；另一方面，各航天器測試數(shù)據(jù)不能共享，無法有效地支持跨航天器的數(shù)據(jù)比對、分析和工作協(xié)同。數(shù)據(jù)作為航天器測試最寶貴的資產(chǎn)，可以有效地支持狀態(tài)判讀、故障診斷定位以及在軌運行服務決策。隨著航天器復雜度的提高和能力的增強，測試數(shù)據(jù)量迅猛增加，基于數(shù)據(jù)共享基礎之上的海量數(shù)據(jù)分析，已經(jīng)成為未來航天器綜合測試的基本需求，因此亟需打破當前測試系統(tǒng)無法有效支持數(shù)據(jù)跨航天器共享，影響測試效率提升的被動局面。此外，雖然當前測試系統(tǒng)內(nèi)部采用了計算服務器雙機備份、存儲服務器冗余備份的方式，但是限于當前的電子元器件技術、工藝水平，在航天器熱試驗等高負載、長周期的24 h不間斷運行過程中，仍然存在單點故障導致測試中斷或數(shù)據(jù)丟失的風險。

為了解決以上問題，本文將云計算技術引入航天器測試領域，提出了一種應用云計算平臺的航天器綜合測試方法（以下簡稱航天器綜合測試云）。

3 應用云計算平臺的航天器綜合測試系統(tǒng)

云計算是傳統(tǒng)的并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的延伸與發(fā)展，利用虛擬化技術構建大型的共享資源池，以服務的形式，通過網(wǎng)絡向用戶按需地提供計算、存儲和信息服務能力［5-6］。云計算平臺可以根據(jù)應用需求，實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡等資源的彈性供應，具有易管理、高可靠、低成本、靈活可擴展的優(yōu)勢。因此，近年來云計算技術不僅在互聯(lián)網(wǎng)領域得到了最廣泛的應用，而且開始逐步滲透到電力、電信、金融等傳統(tǒng)關鍵行業(yè)應用中。

航天器綜合測試云，不僅能有效降低航天器綜合測試的硬件成本，提高測試系統(tǒng)運行的可靠性，更重要的是隨著綜合電子、類傳輸控制/網(wǎng)際（TCP/ IP）協(xié)議、光通信等新技術在航天器上的應用和航天器自身能力的增強，必然會帶來越來越多的綜合測試項目和數(shù)據(jù)處理需求［7］，云計算平臺憑借其安全可靠的存儲能力能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的高效存儲與訪問，憑借其強大的計算能力能夠完成海量數(shù)據(jù)的實時、準實時處理與分析，從而滿足未來大型通信衛(wèi)星、飛船、空間站的多樣化復雜測試需求。

3.1 航天器綜合測試云系統(tǒng)架構

航天器綜合測試云的基本設計思想，是最大限度地抽取各航天器測試的公共軟硬件資源，并將其放到私有云數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一部署和管理，實現(xiàn)資源共享，從而提高軟硬件和人力資源的利用率。航天器綜合測試云將傳統(tǒng)測試模式下位于服務區(qū)的測試系統(tǒng)軟硬件進行虛擬化，對外提供統(tǒng)一的訪問接口，實現(xiàn)了軟硬件資源的跨航天器共享。航天器綜合測試云系統(tǒng)架構如圖2所示，該系統(tǒng)由云計算平臺層和用戶接入層組成。云計算平臺層從下到上又分為基礎設施層、云服務中間件層、云服務供應層。下面結合系統(tǒng)架構圖，詳細闡述各層功能。

（1）基礎設施層:本層是云計算平臺的物質(zhì)基礎，它將航天器測試用的計算服務器、存儲服務器、網(wǎng)絡設備、數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)以及其它底層軟硬件資源進行虛擬化處理，構建成一個統(tǒng)一的計算、存儲、網(wǎng)絡虛擬共享資源池，為上層各類云服務應用提供必要的軟硬件運行環(huán)境支撐，實現(xiàn)了資源高效管理與供應優(yōu)化。

（2）云服務中間件層:主要包括各類具有通用性和可復用的軟件資源，提供應用開發(fā)、部署、運行相關的基礎服務，實現(xiàn)對綜合測試云底層虛擬資源池的統(tǒng)一管理，根據(jù)不同航天器用戶的測試需求，對應用任務進行科學調(diào)度，透明地為用戶提供中間件基礎服務。其中，資源管理組件基于航天器測試負載高低，利用虛擬機熱遷移等技術手段，實現(xiàn)資源按需彈性供應，確保系統(tǒng)性能滿足用戶要求，同時對資源的使用情況進行監(jiān)視與分析，實時檢測節(jié)點故障并加以恢復或屏蔽處理［8-9］；任務管理組件負責執(zhí)行用戶提交的任務，包括完成服務區(qū)測試系統(tǒng)軟件實例的自動部署與管理、測試任務調(diào)度、任務執(zhí)行、任務生命周期管理等；用戶管理組件提供用戶交互接口、管理和識別用戶身份、創(chuàng)建云服務的執(zhí)行環(huán)境等；安全管理組件負責保障云計算平臺的整體安全，完成測試用戶身份認證、服務訪問授權、安全防護和查詢統(tǒng)計等功能。

（3）云服務供應層:基于云服務中間件層提供的功能，以服務的方式向各航天器測試用戶提供高可靠、高性能的航天器綜合測試云服務。對于航天器綜合測試，云測試平臺可以根據(jù)航天器需要，動態(tài)生成主測試處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)的多個運行實例，每個實例可視為該軟件系統(tǒng)的一個副本。如圖2所示，主測試處理系統(tǒng)生成了m個運行實例。云服務能夠根據(jù)當前測試系統(tǒng)在線用戶數(shù)量多少、測試負載的高低，自動完成虛擬資源的申請或釋放，滿足測試用戶的系統(tǒng)性能要求，保證測試云用戶良好的系統(tǒng)使用體驗。此外，云服務供應層還為測試用戶提供可靠的應用擴展功能，隨著航天器測試業(yè)務發(fā)展以及測試模式演進，新的測試業(yè)務系統(tǒng)（如海量測試數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)、航天器半實物虛擬測試與仿真系統(tǒng)等）會不斷出現(xiàn)，這些新增系統(tǒng)可以方便地部署到航天器綜合測試云數(shù)據(jù)中心，面向各航天器用戶提供云服務。

（4）用戶接入層:用戶接入層基本等同于傳統(tǒng)測試模式下的前置區(qū)和操作區(qū)。該層是測試用戶訪問云服務的接口（如自動化實施軟件、操作控制臺軟件），同時也是測試系統(tǒng)與航天器的交互接口（TM/ TC前端軟件、分系統(tǒng)SCOE軟件等）。該層各測試執(zhí)行端計算機通過網(wǎng)線直連本地交換機，本地交換機通過光纖連接至云數(shù)據(jù)中心的核心交換機；對于異地遠程客戶端，可采用虛擬專用網(wǎng)（Virtual Private Network，VPN）方式接入云數(shù)據(jù)中心［9］。測試人員利用自動化實施、操作控制臺等測試執(zhí)行端軟件訪問云服務完成航天器測試工作。

圖2　航天器綜合測試云系統(tǒng)架構Eig.2 System architecture of spacecraft integrated test cloud

3.2 航天器綜合測試云的技術優(yōu)勢

1）實現(xiàn)了各航天器軟、硬件和數(shù)據(jù)資源的共享，提高了測試資源利用率

研究表明［10］，通常航天器測試服務器的CPU利用率只有20%左右。利用虛擬化技術，同一臺服務器上可以同時部署多個相互獨立的測試系統(tǒng)軟件實例，這些實例可以根據(jù)主機負載的高低和用戶設定的性能指標參數(shù)值在集群中不同主機間透明熱遷移，從而大大提高軟硬件資源的利用率，有效降低系統(tǒng)的維護成本。此外，不同航天器的測試數(shù)據(jù)集中存儲在高性能綜合測試云數(shù)據(jù)中心，由云計算平臺統(tǒng)一進行存儲管理和用戶訪問管理，為數(shù)據(jù)分析軟件提供了安全可靠的數(shù)據(jù)訪存接口，有利于實現(xiàn)不同航天器應用間的測試數(shù)據(jù)共享與工作協(xié)同。

2）提高了測試系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性

云計算平臺將集群中節(jié)點失效定義為一種系統(tǒng)正常行為，它采用心跳檢測等算法，實時檢測系統(tǒng)中各計算、存儲節(jié)點的工作狀態(tài)，具有故障預警功能；異常問題發(fā)生后，系統(tǒng)能夠自動屏蔽集群中失效的計算、存儲節(jié)點，保證故障發(fā)生后不會造成測試業(yè)務中斷和數(shù)據(jù)丟失，因此系統(tǒng)具備高可靠的容錯能力以及災難恢復能力，系統(tǒng)長期運行的可靠性與穩(wěn)定性有保障。

3）增強了測試系統(tǒng)的可擴展性

為了滿足日益增多的航天器測試任務和測試應用需求，航天器綜合測試云數(shù)據(jù)中心的系統(tǒng)管理員，可以利用云平臺管理軟件為新航天器快捷地部署測試軟件云服務應用實例，并將新增測試業(yè)務系統(tǒng)放到云計算平臺之上運行；也可根據(jù)航天器測試任務計劃，方便地從云計算平臺上動態(tài)移除已部署的云服務，回收系統(tǒng)資源。另外，云計算平臺可根據(jù)測試用戶設定的系統(tǒng)性能參數(shù)閾值，透明地增加或刪除計算、存儲節(jié)點，實現(xiàn)資源的彈性供應，大大增強了綜合測試系統(tǒng)的可擴展性［11-12］，保證了系統(tǒng)應用性能。

4）提升了測試系統(tǒng)自動化管理水平，節(jié)省了人力資源

航天器綜合測試云計算平臺為測試用戶提供了友好的操作界面，系統(tǒng)管理員只需在系統(tǒng)配置界面上進行簡單的配置操作，即可完成新航天器測試軟件實例的自動部署和軟件狀態(tài)參數(shù)的初始化設置；測試系統(tǒng)運行過程中，測試軟件實例的生成和在不同主機間的熱遷移，由云平臺管理軟件自動完成，測試用戶無需關注這些底層操作，只需關注測試業(yè)務本身即可，從而大大簡化了測試人員在傳統(tǒng)測試模式下繁瑣易出錯的系統(tǒng)配置與管理工作，減輕了總控及其它分系統(tǒng)測試人員的工作量，降低了航天器測試的人力資源成本。

4 航天器綜合測試云實施要點

1）數(shù)據(jù)中心虛擬化

結合航天器測試系統(tǒng)軟件的特征，進行云測試平臺技術選型論證。建議采用成熟的商業(yè)云計算解決方案（如國際虛擬化領導廠商VMware公司的vSphere虛擬化方案、IBM公司的藍云方案等），實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心資源的虛擬化，搭建航天器綜合測試私有云計算平臺。云計算平臺對集群中的機器性能沒有特殊要求，因此現(xiàn)有測試服務器、前端測試計算機和網(wǎng)絡交換設備均可重用。

2）測試系統(tǒng)軟件遷移

根據(jù)具體采用的云平臺中間件產(chǎn)品特征，對將部署到綜合測試云數(shù)據(jù)中心的測試系統(tǒng)軟件（主測試處理軟件、數(shù)據(jù)存儲軟件、數(shù)據(jù)分發(fā)軟件等）進行適應性改造，完成后依次部署到云平臺上試運行，測試通過后正式上線。軟件遷移涉及到的關鍵技術問題，是如何結合該云平臺虛擬化方案實施的個性化特征，修改現(xiàn)有測試軟件以保證其兼容該平臺的基礎設施。

3）綜合測試云擴展

為了進一步提升工作效率，將來可考慮將航天器綜合測試云平臺與辦公網(wǎng)內(nèi)的業(yè)務系統(tǒng)平臺實現(xiàn)互聯(lián)互通，實現(xiàn)更大范圍的軟硬件、數(shù)據(jù)資源共享，促進崗位融合與協(xié)同辦公。

5 結束語

應用云計算平臺的航天器綜合測試系統(tǒng)是未來航天器測試系統(tǒng)的發(fā)展方向，對于轉(zhuǎn)變航天器測試模式、完成日益繁重的航天器測試任務、實現(xiàn)多星并行測試，具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。針對當前國內(nèi)外航天器測試系統(tǒng)在可靠性與資源利用率等方面存在的不足，提出了一種航天器綜合測試云系統(tǒng)方案，該方案能夠有效地提高測試系統(tǒng)軟硬件資源的利用率，增強系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，同時降低航天器測試的人力資源成本；給出了航天器綜合測試云系統(tǒng)的實施方案，為我國未來航天器綜合測試系統(tǒng)的建設提供參考。

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（編輯：李多）

A Spacecraft Integrated Test Method Based on Cloud Computing Technology

LIU Zhipiao WEN Jie ZHANG Xin
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The development status of domestic and overseas spacecraft integrated test system is introduced firstly in the paper，and the deficiencies of the current integrated test system such as low resource utilization rate and high test cost are pointed out.Subsequently，aiming at overcoming these shortcomings and meeting the emerging integrated test requirement，a spacecraft integrated test method based on cloud computing platform is proposed，the system architecture of the spacecraft integrated test cloud is presented，and its technical advantages in terms of resource utilization rate，reliability and scalability are analyzed systematically.Einally，for the sake of future test system construction reference，a practical scheme of spacecraft integrated test cloud is advanced.

cloud computing；spacecraft integrated test cloud；resource utilization rate；reliability

V416

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.01.022

2014-09-26；

2014-10-15

劉志飄，男，博士，工程師，研究方向為云計算與數(shù)據(jù)處理、空間信息網(wǎng)絡。Email：buptliuzp@126.com。