王　華,吳　強(qiáng),張　侹

1. 西安測繪研究所,陜西 西安,710054;2. 地理信息工程國家重點實驗室,陜西 西安,710054

?

北斗用戶機(jī)軟件測試

王華1,2,吳強(qiáng)1,2,張侹1,2

1. 西安測繪研究所,陜西 西安,710054;2. 地理信息工程國家重點實驗室,陜西 西安,710054

軟件測試是提高北斗用戶機(jī)軟件質(zhì)量，確保北斗用戶機(jī)裝備質(zhì)量的重要手段。本文在概述北斗用戶機(jī)軟硬件和接口的基礎(chǔ)上，從測試范圍、測試級別、測試類型、測試環(huán)境、測試策略、測試流程等方面對北斗用戶機(jī)軟件測試進(jìn)行了介紹，提出了基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試技術(shù)、基于原始采集信號的性能測試技術(shù)和基于正交試驗法的測試場景生成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并就測試進(jìn)場條件審查、測試需求確定和測試期間軟件管理等問題進(jìn)行了探討。

北斗用戶機(jī); 軟件測試; 半實物仿真; 正交試驗法

1　引　言

隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的不斷發(fā)展，北斗用戶機(jī)在國防、交通、電力、漁業(yè)、消費電子等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，對提升國防安全和推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到了重要作用[1]。但是，由于我國北斗產(chǎn)業(yè)發(fā)展不夠健全以及長期以來缺乏對產(chǎn)品質(zhì)量和用戶體驗的關(guān)注，北斗用戶機(jī)在使用過程中還存在可靠性不高、人機(jī)交互不友好、操作不便、性能不穩(wěn)定等諸多問題。通過對北斗用戶機(jī)軟件進(jìn)行測試，檢查與軟件相關(guān)的北斗用戶機(jī)功能、性能等技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)情況，有助于發(fā)現(xiàn)軟件中潛在的各種缺陷，盡可能地改進(jìn)、完善軟件代碼，不斷提高軟件質(zhì)量，確保北斗用戶機(jī)裝備質(zhì)量。

2　北斗用戶機(jī)概述

2.1系統(tǒng)組成

北斗用戶機(jī)通常包括下位機(jī)和上位機(jī)，如圖1所示。下位機(jī)由天線、射頻單元、基帶信號處理單元和信息處理單元組成。天線進(jìn)行射頻信號的接收和發(fā)送；射頻單元進(jìn)行射頻信號的放大、濾波、上/下變頻和數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換；基帶信號處理單元主要對中頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲、跟蹤和偽距測量值、載波相位測量值、載波多普勒等原始測量值以及導(dǎo)航電文的輸出；信息處理單元主要進(jìn)行原始測量值處理、導(dǎo)航電文解析和定位解算等。上位機(jī)主要為顯控單元， 用于為用戶提供人機(jī)交互

界面，主要完成各種信息的顯示和導(dǎo)航、指揮、控制等功能。

圖1　北斗用戶機(jī)系統(tǒng)組成

北斗用戶機(jī)從功能上可以分為導(dǎo)航型、定時型、指揮型、測量型。不同類型用戶機(jī)的下位機(jī)基本相同，區(qū)別是有的用戶機(jī)為單模(RNSS)，有的用戶機(jī)為雙模(RNSS和RDSS)；上位機(jī)則根據(jù)不同的用途采用不同的軟硬件設(shè)計。北斗用戶機(jī)軟件主要包括下位機(jī)的信號處理軟件、信息處理軟件和上位機(jī)軟件，如圖2所示。信號處理軟件運行于基帶信號處理單元，主要完成信號捕獲、跟蹤、觀測量輸出等功能，其硬件通?；趯Ｓ肁SIC芯片；信息處理軟件運行于信息處理單元，主要完成捕獲控制、觀測量獲取、電文解析、定位解算、RAIM、接口協(xié)議處理等功能，其硬件通?；贒SP芯片或ARM芯片；上位機(jī)軟件包括導(dǎo)航型用戶機(jī)的導(dǎo)航軟件、定時型用戶機(jī)的顯控軟件、指揮型用戶機(jī)的指揮軟件以及測量型用戶機(jī)的測量軟件，主要完成路徑規(guī)劃和導(dǎo)航、時間顯示控制、態(tài)勢監(jiān)控和指揮調(diào)度以及測量等專用功能，其硬件通?；贏RM芯片或通用CPU。

圖2　北斗用戶機(jī)軟件組成

2.2軟件接口

北斗用戶機(jī)軟件接口如圖3所示，包括以下接口：

●下位機(jī)軟件和北斗二號系統(tǒng)空間段接口：包括RDSS接口和RNSS接口，RDSS接口主要進(jìn)行出入站信息的接收和發(fā)送，RNSS接口主要接收RNSS導(dǎo)航電文信息；

●下位機(jī)軟件和PRM模塊接口：主要發(fā)送原始導(dǎo)航電文，并接收格式轉(zhuǎn)換后的導(dǎo)航電文和精密測距碼等信息；

●下位機(jī)軟件和保密模塊接口：主要發(fā)送需加解密的RDSS信息和加密RNSS導(dǎo)航電文等信息，并接收RDSS用戶信息、已加密RDSS信息和已解密RNSS導(dǎo)航電文等信息；

●下位機(jī)軟件和加注設(shè)備接口：主要發(fā)送加注信息，并接收應(yīng)答信息；

●下位機(jī)軟件和外部計算機(jī)接口：包括串口和USB兩種形式，通過串口主要向外發(fā)送衛(wèi)星信息、定位信息、導(dǎo)航信息等信息，并接收定位申請、通信信息以及各種設(shè)置信息，通過USB接口主要進(jìn)行地圖數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出；

●下位機(jī)軟件和導(dǎo)航軟件接口：信息處理軟件和外部計算機(jī)之間的串口。

圖3　北斗用戶機(jī)軟件接口

3　北斗用戶機(jī)軟件測試

3.1測試范圍、測試級別和測試類型

從北斗用戶機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀來看，基帶信號處理單元已完全芯片化，信號處理軟件的功能、性能則完全由專用ASIC硬件實現(xiàn)，因此，北斗用戶機(jī)軟件測試主要針對信息處理軟件和上位機(jī)軟件。根據(jù)北斗用戶機(jī)軟件組成和應(yīng)用特點，一般需進(jìn)行配置項測試和系統(tǒng)級測試。測試類型通常包括文檔審查、代碼審查、靜態(tài)分析、功能測試、接口測試、人機(jī)交互界面測試、性能測試，根據(jù)實際情況和具體要求還可進(jìn)行代碼走查、余量測試、容量測試、強(qiáng)度測試、安全性測試等測試。

3.2測試環(huán)境

北斗用戶機(jī)軟件測試環(huán)境如圖4所示，包括被測北斗用戶機(jī)、北斗信號模擬源、北斗信號采集回放設(shè)備、測試計算機(jī)、測試中間件、測試管理計算機(jī)和測量設(shè)備。被測北斗用戶機(jī)為北斗用戶機(jī)軟件運行的實際環(huán)境；北斗信號模擬源和北斗信號采集回放設(shè)備能夠為被測北斗用戶機(jī)提供仿真信號和真實信號的回放，便于在實驗室中對北斗用戶機(jī)軟件進(jìn)行測試；測試計算機(jī)主要用于對北斗用戶機(jī)軟件進(jìn)行黑盒測試和白盒測試， 黑盒測

試計算機(jī)為北斗信號采集回放設(shè)備提供采集的樣本數(shù)據(jù)，并為北斗信號模擬源提供數(shù)據(jù)仿真和仿真控制，同時通過采集北斗用戶機(jī)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評估，白盒測試計算機(jī)則通過集成開發(fā)環(huán)境和白盒測試工具、性能測試工具等對北斗用戶機(jī)軟件進(jìn)行測試，包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試；測試中間件(如：Trace32仿真器)用于支持北斗用戶機(jī)軟件的白盒動態(tài)測試；測試管理計算機(jī)用于對測試的整個過程進(jìn)行規(guī)范化管理；測量設(shè)備主要對北斗用戶機(jī)的各種信號進(jìn)行監(jiān)測和測量。

圖4　北斗用戶機(jī)軟件測試環(huán)境

3.3測試策略

(1)靜態(tài)測試

靜態(tài)測試主要進(jìn)行文檔審查、代碼審查、靜態(tài)分析和代碼走查。

文檔審查主要依據(jù)文檔審查單對軟件需求規(guī)格說明和軟件用戶手冊進(jìn)行人工審查，重點審查文檔內(nèi)容的完整性、一致性、準(zhǔn)確性、規(guī)范性、直觀性、易理解性，以及功能需求和性能需求是否覆蓋技術(shù)指標(biāo)要求。

代碼審查采用人工審查和測試工具結(jié)合的方式，依據(jù)代碼審查單對軟件代碼和設(shè)計的一致性、代碼編碼的規(guī)范性、代碼邏輯表達(dá)的正確性、代碼結(jié)構(gòu)的合理性以及代碼的可讀性進(jìn)行審查。

靜態(tài)分析主要采用白盒測試工具對軟件代碼進(jìn)行控制流分析、數(shù)據(jù)流分析、接口分析和表達(dá)式分析。

代碼走查由測試人員和開發(fā)人員組成代碼走查小組依據(jù)軟件需求規(guī)格說明和軟件設(shè)計說明對軟件代碼進(jìn)行逐行分析。北斗用戶機(jī)軟件代碼走查主要進(jìn)行代碼流程走查和代碼功能走查。代碼流程走查是對整個代碼的工作流程以及各功能模塊之間的調(diào)用關(guān)系進(jìn)行走查；代碼功能走查是對軟件核心功能模塊的具體實現(xiàn)進(jìn)行走查，包括捕獲策略、電文解析、觀測量處理、PVT解算等功能模塊。

(2)動態(tài)測試

動態(tài)測試主要進(jìn)行功能測試、接口測試、人機(jī)交互界面測試、性能測試、安全性測試、余量測試、容量測試、強(qiáng)度測試等。

功能測試依據(jù)軟件需求規(guī)格說明采用黑盒測試方法(包括功能分解、等價類劃分、邊界值分析、隨機(jī)測試等)對正常、異常操作進(jìn)行測試，要分別對觸摸屏操作和鍵盤操作進(jìn)行測試，確保兩種操作方式均可正常工作。

接口測試依據(jù)北斗二號系統(tǒng)接口控制文件和各接口協(xié)議對空間段接口、PRM接口、保密模塊接口、加注接口、串口和USB接口進(jìn)行測試。一方面采用白盒測試方法仔細(xì)核查代碼中接口處理部分對接口控制文件和接口協(xié)議的符合性，另一方面采用仿真的正常和異常接口數(shù)據(jù)對接口進(jìn)行黑盒測試。測試時應(yīng)將上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件分開，獨立進(jìn)行測試。

人機(jī)交互界面測試主要依據(jù)北斗用戶機(jī)軟件界面設(shè)計規(guī)范和軟件用戶手冊測試軟件人機(jī)交互界面的規(guī)范性、完整性、一致性、合理性和友好性。人機(jī)交互界面測試可與功能測試結(jié)合進(jìn)行，但要有所區(qū)別。功能測試主要測試功能是否正確實現(xiàn)，而人機(jī)交互界面測試則主要測試軟件界面是否正確實現(xiàn)以及實現(xiàn)的效果。

性能測試主要針對響應(yīng)時間類(如查詢響應(yīng)時間、路徑規(guī)劃時間等)和容量類(如監(jiān)控下屬用戶數(shù)、電文存儲容量)指標(biāo)進(jìn)行測試。對于響應(yīng)時間類指標(biāo)，采用源代碼插樁的方式進(jìn)行測試，要在不同前提條件下進(jìn)行測試(如不同地圖數(shù)據(jù)量)，而不僅僅是同一條件下的多次測試；對于容量類指標(biāo)，采用仿真方式制備大量數(shù)據(jù)進(jìn)行測試，仿真數(shù)據(jù)要符合真實數(shù)據(jù)的特點，具備多樣性(如不同比例尺條件下的地形圖、交通圖等)和邊界性要求等，而不應(yīng)是單一數(shù)據(jù)的簡單復(fù)制。

安全性測試主要是對用戶機(jī)軟件的安全保密措施進(jìn)行測試，主要包括密碼保護(hù)、自鎖、管理信息、口令識別、靜默、抑制、自毀等，既要確保安全保密措施正確有效，又要對用戶進(jìn)行友好提示和指示，防止錯誤操作造成損失。

余量測試主要是對性能指標(biāo)的余量進(jìn)行測試，如無明確要求，一般至少留有20%的余量；容量測試主要測試容量類指標(biāo)的最大能力；強(qiáng)度測試則是在軟件運行在極限狀態(tài)下檢驗軟件的運行狀態(tài)，如長時間連續(xù)拷機(jī)測試，最高定位頻度下軟件能否正常工作。

3.4測試流程

北斗用戶機(jī)軟件測試流程如下：

(1)環(huán)境構(gòu)建：按照不同測試對象、測試級別、測試類型，結(jié)合測試工具、仿真設(shè)備等，構(gòu)建相應(yīng)的測試環(huán)境，如：白盒測試環(huán)境、半實物仿真測試環(huán)境等；

(2)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：根據(jù)軟件的接口要求和測試要求，準(zhǔn)備相關(guān)測試數(shù)據(jù)，包括真實數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)；

(3)測試執(zhí)行：按照測試說明執(zhí)行測試用例，通常按照先靜態(tài)后動態(tài)、先白盒后黑盒、先功能后性能、先配置項級后系統(tǒng)級的順序進(jìn)行測試；

(4)測試評估：收集并綜合分析測試執(zhí)行的輸出數(shù)據(jù)，對軟件的功能、接口、性能、安全性等進(jìn)行評估以及對軟件質(zhì)量進(jìn)行評價。

北斗用戶機(jī)軟件測試流程如圖5所示。

圖5　北斗用戶機(jī)軟件測試流程

4　關(guān)鍵技術(shù)

4.1基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試技術(shù)

半實物仿真測試技術(shù)是一種介于全數(shù)字和全實物之間的測試技術(shù)，具有全實物測試系統(tǒng)的真實性和全數(shù)字仿真測試系統(tǒng)的靈活性[2]。在半實物仿真測試系統(tǒng)中，被測軟件運行在目標(biāo)機(jī)中，保證了被測軟件運行環(huán)境的真實性；與目標(biāo)機(jī)連接的其他設(shè)備則通過硬件模擬器實現(xiàn)，能夠真實地模擬被測軟件運行所需的外圍物理環(huán)境，并且能夠靈活設(shè)置被測軟件的輸入，記錄被測軟件的輸出結(jié)果。

北斗用戶機(jī)軟件測試構(gòu)建了基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試環(huán)境，軟件運行在真實的北斗用戶機(jī)上，而其接收的衛(wèi)星導(dǎo)航信號則由北斗信號模擬源仿真生成。由于在模擬源中可以對仿真時間、可見衛(wèi)星、衛(wèi)星分布、信號功率、用戶位置、用戶軌跡、用戶動態(tài)、電離層延遲、對流層延遲、信號多徑等要素進(jìn)行靈活的設(shè)置[3]，因此可以快速方便地生成各種正常和異常測試場景，包括各種極端和邊界情況，從而保證測試的充分性。另外，通過采集北斗用戶機(jī)的輸出數(shù)據(jù)和北斗信號模擬源的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，還可以對與北斗用戶機(jī)軟件相關(guān)的定位精度、測速精度、捕獲時間等指標(biāo)進(jìn)行評估。

相比在真實環(huán)境下進(jìn)行測試，基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試具有簡單方便、快速有效、覆蓋全面、可重復(fù)、成本低等優(yōu)點。

4.2基于原始采集信號的性能測試技術(shù)

采用北斗信號模擬源可以有效地對北斗用戶機(jī)軟件進(jìn)行功能測試，也可以較為方便地對定位精度、測速精度等性能指標(biāo)進(jìn)行測試。但是由于北斗用戶機(jī)的真實使用環(huán)境復(fù)雜多樣，北斗信號模擬源很難準(zhǔn)確模擬，特別是對于城市峽谷、森林等遮擋環(huán)境下不斷運動的用戶，因此，采用北斗信號模擬源測試得出的定位精度、測速精度等指標(biāo)并不能完全反映北斗用戶機(jī)的真實性能。

對此，我們采用北斗信號采集回放設(shè)備采集多種典型環(huán)境下的北斗原始信號，將其下變頻為中頻采樣信號進(jìn)行實時存儲，同時采用高精度RTK設(shè)備記錄用戶位置、速度等信息。然后在實驗室中將采集到的中頻采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，待測的北斗用戶機(jī)接收回放的射頻信號進(jìn)行定位解算，通過和高精度RTK設(shè)備記錄的用戶位置、速度等信息進(jìn)行對比分析，對北斗用戶機(jī)軟件的定位精度、測速精度等性能指標(biāo)進(jìn)行評估。

基于北斗原始采集信號對北斗用戶機(jī)軟件進(jìn)行性能測試能夠克服北斗信號模擬源仿真模型不夠準(zhǔn)確的缺點，采集的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行重復(fù)測試，且對于所有待測用戶機(jī)測試場景完全一致，避免了真實環(huán)境下測試的不可重復(fù)性。

4.3基于正交試驗法的測試場景生成技術(shù)

如上節(jié)所述，基于北斗信號模擬源進(jìn)行北斗用戶機(jī)軟件測試時，需要對仿真時間、可見衛(wèi)星、衛(wèi)星分布、信號功率、用戶位置、用戶軌跡、用戶動態(tài)、電離層延遲、對流層延遲、信號多徑等要素進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并組合形成不同的測試場景。由于這些要素數(shù)目較多，且每個要素均有多個狀態(tài)，如果要對所有的組合都進(jìn)行測試，將會造成測試用例爆炸，導(dǎo)致測試難以進(jìn)行。為了解決這個問題，我們采用基于正交試驗法的測試場景生成技術(shù)。

正交試驗法是研究多因素、多水平的一種試驗方法，它利用正交表來對試驗進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)正交表的正交性從全面試驗中挑選適量的、有代表性的點進(jìn)行試驗，這些有代表性的點具有“均勻分散、整齊可比”的特點[4]，通過較少的試驗就可以取得較好的試驗效果。針對北斗用戶機(jī)軟件測試，首先確定和測試相關(guān)的要素，然后采用等價類劃分法選取各要素的水平，再根據(jù)要素和水平的個數(shù)選取正交表，最后對正交表進(jìn)行合并裁剪得到最終的測試用例。

采用正交試驗法進(jìn)行測試用例生成，可以大大減少測試用例的數(shù)量，同時并不明顯降低測試用例的有效性。

5　需要關(guān)注的幾個問題

在北斗用戶機(jī)軟件測試中有以下幾個問題值得關(guān)注：

(1)北斗用戶機(jī)軟件在測試前需滿足測試進(jìn)場條件

被測件和相關(guān)文檔應(yīng)完整齊備，一般必須具備軟件可執(zhí)行程序和軟件需求規(guī)格說明、軟件用戶手冊，必要時應(yīng)提供軟件源代碼和軟件設(shè)計說明等文檔，且軟件源代碼應(yīng)為完整工程文件，不能以保密為由將部分代碼隱藏或以動態(tài)鏈接庫形式提供；軟件版本應(yīng)固定，且為正式版本，包括系統(tǒng)版本和配置項版本，確保技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定；北斗用戶機(jī)硬件平臺應(yīng)穩(wěn)定可靠，以免測試過程中發(fā)生硬件故障，影響測試工作的正常進(jìn)行。

(2)科學(xué)確定測試需求

測試需求分析階段應(yīng)科學(xué)、全面、充分地對軟件進(jìn)行分析[5]，根據(jù)《軍用軟件產(chǎn)品定型管理辦法》相關(guān)規(guī)定和北斗用戶機(jī)的具體使用要求，確定北斗用戶機(jī)軟件測試的測試范圍、測試級別、測試類型和測試內(nèi)容。研制總要求往往只是規(guī)定北斗用戶機(jī)的整機(jī)戰(zhàn)技指標(biāo)，粒度較粗，并不對其是硬件指標(biāo)還是軟件指標(biāo)進(jìn)行具體說明，這就要求我們對研制總要求進(jìn)行深入分析和挖掘，從中提取出與軟件相關(guān)的指標(biāo)和隱含的軟件測試需求。

(3)嚴(yán)格測試期間的軟件管理

北斗用戶機(jī)軟件測試通常要進(jìn)行兩次回歸測試，軟件研制方人員在回歸測試之前需要對軟件進(jìn)行修改，這期間軟件往往是脫離于研制方的質(zhì)量管理體系之外的，技術(shù)人員為了減少麻煩往往會自行修改完善后提交軟件給測試方，比較隨意，缺乏有效的質(zhì)量監(jiān)管，容易造成軟件版本失控、提交軟件和源代碼不一致等問題。因此，研制方必須嚴(yán)格按照質(zhì)量管理體系要求對軟件進(jìn)行出入庫管理和版本控制。

6　結(jié)束語

本文在概述北斗用戶機(jī)硬件、軟件、接口的基礎(chǔ)上，從測試范圍、測試級別、測試類型、測試環(huán)境、測試策略、測試流程等方面對北斗用戶機(jī)軟件測試進(jìn)行了介紹；為了提高北斗用戶機(jī)軟件測試的充分性、有效性和和解決測試用例爆炸問題，提出了基于北斗信號模擬源的半實物仿真測試技術(shù)、基于原始采集信號的性能測試技術(shù)和基于正交試驗法的測試場景生成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并就測試進(jìn)場條件審查、測試需求確定和測試期間軟件管理等問題進(jìn)行了探討，可為北斗用戶機(jī)軟件研發(fā)和測試提供一定借鑒和指導(dǎo)。

[1]譚樹森. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展與思考[J]. 宇航學(xué)報, 2008, 29(2): 391-396.

[2]蔡建平. 嵌入式軟件測試實用技術(shù)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2010.

[3]王華. 北斗信號生成平臺研究及其實現(xiàn)[D]. 南京: 理工大學(xué), 2011.

[4]于秀山. 正交試驗設(shè)計方法在測試用例設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 計算機(jī)工程與應(yīng)用, 2004, 20(1): 62-63.[5]王峰. 軍用軟件定型測評大綱和報告編制與評審中應(yīng)注意的事項[J]. 軍用軟件測評實驗室, 2015(45): 1-6.

Software Testing on BeiDou Receiver

Wang Hua1,2, Wu Qiang1,2, Zhang Ting1,2

1. Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping, Xi’an 710054, China 2. State Key Laboratory of Geo-information Engineering, Xi’an 710054, China

Software testing is an important way to improve BeiDou receiver software quality and ensure the equipment quality. Based on an overview of BeiDou receiver software and hardware interface, the receiver software testing is introduced from aspects of the range, level, types, environment, strategy, process and so on. Several key technologies are proposed including the semi-physical simulation test technology based on Beidou signal simulator, the performance test technology based on original signal sampling, and the test scenario generation technology based on orthogonal test method. Finally, discussions are conducted on test entry condition examination, test requirement determination, software management and other issues.

BeiDou receiver; software testing; semi-physical simulation; orthogonal test method

2015-09-08。

王華(1985—)，男，工程師，主要從事軟件測評研究。

TP311.5

A