時(shí) 光，幺 飛

(中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094)

1553B總線的航天器故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí) 光，幺 飛

(中國(guó)空間技術(shù)研究院總體部，北京 100094)

傳統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)在衛(wèi)星測(cè)試中設(shè)備通用性差、模擬信號(hào)類(lèi)型單一等多方面不足，已不能滿足航天器批產(chǎn)化測(cè)試模式的需求。針對(duì)現(xiàn)有平臺(tái)存在的不足，結(jié)合1553B總線協(xié)議和通信特點(diǎn)，對(duì)總線故障注入關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，提出一種利用星載1553B總線為故障注入介質(zhì)，以數(shù)據(jù)仿真替代真實(shí)模擬故障輸入激勵(lì)的1553B總線故障注入系統(tǒng)。應(yīng)用結(jié)果表明，故障注入測(cè)試方法可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的故障目標(biāo)，提高了設(shè)備的通用性及航天器測(cè)試效率，降低了地面設(shè)備研制成本。

1553B總線；故障注入技術(shù)；總線數(shù)據(jù)交互；故障仿真；激勵(lì)條件；采集終端

0 引言

隨著衛(wèi)星功能復(fù)雜度的提高，星載軟件故障模式日益繁多，對(duì)自主故障處理能力的地面驗(yàn)證提出了更高要求。星載軟件故障注入方法是指通過(guò)地面干預(yù)，將故障條件注入到目標(biāo)系統(tǒng)中，加速系統(tǒng)失效的方法。故障注入技術(shù)是評(píng)測(cè)容錯(cuò)機(jī)制的一種有效方法，通過(guò)對(duì)注入故障后系統(tǒng)的反應(yīng)信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，可獲得對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)可靠性和容錯(cuò)特性的評(píng)測(cè)結(jié)果[1]。

為了全面、有效地測(cè)試衛(wèi)星的自主故障管理功能，需要針對(duì)各個(gè)測(cè)試功能、性能項(xiàng)設(shè)計(jì)測(cè)試場(chǎng)景?？偩€測(cè)試平臺(tái)Condor公司的BusTools-1553測(cè)試系統(tǒng)有部分故障注入功能，但無(wú)法進(jìn)行真實(shí)模擬設(shè)備間的故障進(jìn)行測(cè)試[2]。而在實(shí)際應(yīng)用中大部分自主故障管理的測(cè)試場(chǎng)景需要模擬衛(wèi)星軟、硬件的失效或錯(cuò)誤狀態(tài)，采用實(shí)物單機(jī)很難全面、客觀地創(chuàng)造出測(cè)試所需的場(chǎng)景和數(shù)據(jù)[3]。因此，有必要研制一套自主故障管理功能模擬測(cè)試系統(tǒng)，用于模擬衛(wèi)星CTU和各RT終端的失效或錯(cuò)誤狀態(tài)數(shù)據(jù)[4]，創(chuàng)造自主故障管理測(cè)試所需的激勵(lì)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星自主故障管理策略的有效性和軟件實(shí)現(xiàn)邏輯的正確性做全面、客觀的有效性測(cè)試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)分析

1.1 傳統(tǒng)故障模擬系統(tǒng)

傳統(tǒng)的整星級(jí)故障注入測(cè)試模式為利用地面測(cè)試終端模擬發(fā)生故障情況下的輸入激勵(lì)[5]，通過(guò)星上遙測(cè)采集設(shè)備將故障激勵(lì)送給星務(wù)軟件進(jìn)行處理。

傳統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)主要存在以下不足[6]：

① 故障模擬系統(tǒng)多為專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備，CPCI主板插接多塊專(zhuān)用測(cè)試板卡，輸出故障激勵(lì)信號(hào)類(lèi)型單一，通用性差。

② 由于技術(shù)限制，星載系統(tǒng)極值的故障難以模擬。

③ 傳統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)輸出激勵(lì)信號(hào)與星上遙測(cè)采集設(shè)備連接，故障信號(hào)激勵(lì)輸入往往需要連接多個(gè)接插件，導(dǎo)致測(cè)試電纜連接復(fù)雜[7]。不同衛(wèi)星遙測(cè)采集設(shè)備(RTUISU)接插件型號(hào)大多不相同，型號(hào)間復(fù)用測(cè)試設(shè)備需要重新投產(chǎn)測(cè)試電纜，費(fèi)時(shí)費(fèi)料。

④ 故障模擬系統(tǒng)多為大體積機(jī)柜或者工控機(jī)，設(shè)備研制周期長(zhǎng)，用昂貴。

傳統(tǒng)故障模擬系統(tǒng)示意圖如圖1所示(以熱控、能源等效器為例)。

圖1 傳統(tǒng)故障模擬系統(tǒng)

1.2 總線故障注入系統(tǒng)

1553B總線故障注入系統(tǒng)與傳統(tǒng)的故障模擬系統(tǒng)不同，將故障測(cè)試的輸入激勵(lì)由遙測(cè)采集設(shè)備下端轉(zhuǎn)移到星載數(shù)據(jù)總線，將真實(shí)輸入激勵(lì)的模擬轉(zhuǎn)移為總線傳輸數(shù)據(jù)的仿真，來(lái)實(shí)現(xiàn)滿足星載軟件故障觸發(fā)條件，驗(yàn)證星載軟件故障處理的能力[8]。該系統(tǒng)故障注入類(lèi)型豐富，配套測(cè)試電纜連接簡(jiǎn)單、通用，具有多種靈活可變的注入方式，具備通用性、高效性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。

總線故障注入系統(tǒng)主要改進(jìn)以下方面：

① 故障注入媒介由RT遙測(cè)采集終端變?yōu)?553B星載總線。故障注入媒介的改變直接影響星載軟件故障測(cè)試的電纜連接情況[9]。本系統(tǒng)測(cè)試電纜及接插件均為1553B總線標(biāo)準(zhǔn)配套，無(wú)需考慮多種輸入激勵(lì)所屬的多種接插件類(lèi)型及電纜類(lèi)型，多套測(cè)試電纜合為一套，節(jié)約測(cè)試電纜研制成本的同時(shí)提高測(cè)試電纜通用性，簡(jiǎn)化測(cè)試操作。

② 真實(shí)模擬多種類(lèi)型故障數(shù)據(jù)變?yōu)閷?shí)時(shí)仿真總線數(shù)據(jù)。仿真數(shù)據(jù)源的由繁至簡(jiǎn)，降低了研制設(shè)備的成本[10]。星載軟件往往要求故障條件苛刻，整星測(cè)試難以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入故障激勵(lì)的真實(shí)模擬，該系統(tǒng)能夠真實(shí)模擬故障激勵(lì)總線數(shù)據(jù)，提高測(cè)試覆蓋性。

③ 多型號(hào)多領(lǐng)域通用。由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試方法基于1553B總線，而該總線現(xiàn)階段為航天器較常用數(shù)據(jù)總線，所以此系統(tǒng)適用于使用1553B總線作為星載數(shù)據(jù)總線的所有航天器測(cè)試使用。

④ 具備多種故障注入方式。設(shè)計(jì)多種故障注入方式包括阻塞式、非阻塞式和延時(shí)阻塞式[11]；故障注入數(shù)據(jù)可以是工程值或者是總線傳輸?shù)氖M(jìn)制源碼。測(cè)試方法可適用于多種故障邏輯，提高了測(cè)試方法的易用性，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試。

⑤ 具備故障注入數(shù)據(jù)正確性校驗(yàn)[12]。本系統(tǒng)通過(guò)故障注入總線信息位允許使能禁止控制及傳輸數(shù)據(jù)正確性校驗(yàn)機(jī)制保證故障注入數(shù)據(jù)的正確性。

⑥ 故障注入節(jié)點(diǎn)由遙測(cè)采集設(shè)備后端優(yōu)化到星載數(shù)據(jù)總線，同時(shí)帶來(lái)測(cè)試覆蓋性方面的疑慮[13]。遙測(cè)采集設(shè)備到星載數(shù)據(jù)總線這段通路在故障注入測(cè)試中并沒(méi)有覆蓋，但是在正常模式測(cè)試中[14]，遙測(cè)采集設(shè)備到星載總線這段通路已經(jīng)得到驗(yàn)證，所以滿足測(cè)試覆蓋性的要求[6]。

⑦ 該套系統(tǒng)體積為3U的CPCI機(jī)箱，滿足上架及便攜要求，降低設(shè)備研制成本及周期。

1553B總線故障注入系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

圖2 1553B總線故障注入系統(tǒng)

3 總線故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件及信息流設(shè)計(jì)

1553B總線故障注入系統(tǒng)硬件主要由2塊型號(hào)為QCP-1553-1MW的Condor單通道多功能總線仿真卡及凌華(AD Link)生產(chǎn)的cPCI-3620D/E3845/M4工控機(jī)主板配套cPCIS-2501/AC系列3U CPCI機(jī)箱構(gòu)成。

1553B總線故障注入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及信息流如圖3所示。

圖3 1553B總線故障注入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖及信息流

系統(tǒng)工作過(guò)程中有上行遙控指令信息流和下行遙測(cè)數(shù)據(jù)信息流2個(gè)通道實(shí)現(xiàn)信息的流轉(zhuǎn)，遙控指令信息流采取透明轉(zhuǎn)發(fā)形式，遙測(cè)數(shù)據(jù)信息流采取截?cái)嗵鎿Q形式[15]，具體如下：

① 上行遙控信息流：星載總線BC端發(fā)出指令→故障注入仿RT端接收指令→透明轉(zhuǎn)發(fā)→故障注入仿BC端發(fā)出指令→星載總線RT端接收指令。

② 下行遙測(cè)信息流：星載總線RT端將采集的原始遙測(cè)數(shù)據(jù)送出→故障注入仿BC端接收遙測(cè)數(shù)據(jù)→按照通信協(xié)議用故障仿真數(shù)據(jù)替換原始遙測(cè)數(shù)據(jù)完成故障注入→故障注入仿RT端將帶有故障數(shù)據(jù)的整幀數(shù)據(jù)發(fā)出→星載總線BC端接收帶有故障的遙測(cè)數(shù)據(jù)，完成故障注入過(guò)程。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 1553B總線仿真軟件

1553B總線仿真軟件，進(jìn)行總線仿真及故障注入，并收集1553B總線上的消息數(shù)據(jù)，打包通過(guò)DATEP協(xié)議發(fā)送給主控軟件[16]，主控軟件再進(jìn)行相應(yīng)的處理?？偩€仿真軟件模塊組成框圖如圖4所示。

系統(tǒng)參數(shù)配置模塊：完成配置的修改、存儲(chǔ)與讀取，用于其他邏輯模塊的輸入。同時(shí)該模塊具備導(dǎo)入導(dǎo)出設(shè)置的功能[17]。

BM數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊：監(jiān)視總線上的消息，獲得總線消息的大小和個(gè)數(shù)，并負(fù)責(zé)將每個(gè)消息輸出到下一級(jí)處理模塊，同時(shí)計(jì)算每條消息的時(shí)間統(tǒng)計(jì)信息。模塊工作流程如圖5所示，虛線框內(nèi)部為本模塊處理流程。通過(guò)API函數(shù)獲取當(dāng)前總線上發(fā)生的消息數(shù)據(jù)塊大小和內(nèi)容，將其讀入本地?cái)?shù)據(jù)空間，分別對(duì)每個(gè)總線消息進(jìn)行時(shí)統(tǒng)信息處理[18]，包括消息發(fā)生的總線時(shí)間、本地時(shí)間和本地時(shí)間與總線時(shí)間的時(shí)間偏差。最后將總線消息輸出到其他模塊進(jìn)行處理。該模塊每10 ms讀取一次數(shù)據(jù)，處理完畢后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送，可以滿足100 ms接收顯示，并在完成處理后100 ms內(nèi)進(jìn)行組網(wǎng)發(fā)送。

圖4 總線仿真軟件模塊組成

圖5 BM數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊流程

RT仿真邏輯模塊：完成對(duì)總線上某個(gè)RT的仿真，模擬該RT的數(shù)據(jù)行為，響應(yīng)BC控制。利用1553B仿真卡提供的API函數(shù)、模擬數(shù)據(jù)配置、模擬狀態(tài)控制共同配合完成[19]。

BC仿真邏輯模塊：BC的仿真邏輯為通過(guò)一個(gè)循環(huán)執(zhí)行列表，設(shè)定BC在運(yùn)行的過(guò)程中的執(zhí)行邏輯。執(zhí)行列表的每一項(xiàng)都是一條指令，指令可能的類(lèi)型有：① BC_CONTROL_NOP:空消息，用于時(shí)間延時(shí)；② BC_CONTROL_MESSAGE:傳輸數(shù)據(jù)；③ BC_CONTROL_CONDITION:根據(jù)“比較消息”中消息內(nèi)容，條件跳轉(zhuǎn)到“跳轉(zhuǎn)消息”。

對(duì)每條指令的詳細(xì)內(nèi)容可以在定制的對(duì)話框中進(jìn)行配置，通過(guò)這些給定的指令類(lèi)型，可以組合出需要的BC仿真邏輯。對(duì)BC的仿真邏輯進(jìn)行更加復(fù)雜的處理，BC的邏輯流程不再是簡(jiǎn)單的循環(huán)執(zhí)行寫(xiě)好的指令，而是可以根據(jù)總線的狀態(tài)進(jìn)行判斷和分支處理[20]。目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)接模擬的功能，仿真貼近于星上真實(shí)情況的BC。

故障注入模塊：實(shí)現(xiàn)仿真故障注入的功能，根據(jù)測(cè)試的需要，提供一個(gè)可供用戶(hù)配置的數(shù)據(jù)故障注入界面，并在界面上提供相應(yīng)的配置選項(xiàng)。在設(shè)備運(yùn)行時(shí)，通過(guò)判斷配置是否需要故障注入[21]，對(duì)需要故障注入的地方進(jìn)行相應(yīng)處理，并在2塊仿真卡之間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)模塊：通過(guò)選擇時(shí)間和數(shù)據(jù)過(guò)濾類(lèi)型來(lái)顯示查詢(xún)到的總線數(shù)據(jù)。

歷史數(shù)據(jù)回放模塊：一種是直接將總線歷史數(shù)據(jù)內(nèi)容發(fā)送到主控軟件；另一種是將總線歷史數(shù)據(jù)寫(xiě)入總線仿真卡，通過(guò)總線監(jiān)視模塊將總線數(shù)據(jù)發(fā)送到主控軟件。

總控邏輯處理模塊：具備與總控連接的接口，且符合總控的通訊協(xié)議，具備總控校時(shí)功能，可響應(yīng)總控工作模式設(shè)置指令、模擬RT/BC設(shè)置指令、選擇故障注入配置文件設(shè)置指令以及是否進(jìn)行故障注入設(shè)置等指令。同時(shí)，向總控發(fā)送設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)(包括開(kāi)機(jī)自檢)信息，收發(fā)比對(duì)正確信息以及重點(diǎn)監(jiān)視的遙測(cè)參數(shù)信息。

3.2.2 1553B主控軟件

主控軟件是監(jiān)視總線故障注入軟件發(fā)出的總線數(shù)據(jù)的軟件，通過(guò)該軟件用戶(hù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)視1553B總線消息，也可對(duì)1553B總線歷史消息進(jìn)行查詢(xún)與回放，通過(guò)軟件的故障注入界面也可完成1553B總線故障注入的操作。

4 總線故障注入系統(tǒng)測(cè)試實(shí)例結(jié)果與分析

下面以軟件故障測(cè)試中的一類(lèi)——熱敏電阻故障切換為例介紹具體實(shí)施方式。

① 通過(guò)軟件用戶(hù)需求分析得出：熱敏電阻1溫度遙測(cè)源碼為小于等于03或者大于等于FE則認(rèn)為該熱敏電阻故障，軟件邏輯切換至熱敏電阻2進(jìn)行回路控溫。熱敏電阻1溫度遙測(cè)由設(shè)備A采集并通過(guò)1553B總線送至設(shè)備B進(jìn)行封裝組包下傳。

② 故障注入設(shè)備連接如圖2所示，設(shè)備B為總線BC端，設(shè)備A為總線RT端，總線故障注入設(shè)備串接在1553B總線支線靠近設(shè)備A處。上行遙控指令由設(shè)備B經(jīng)總線過(guò)故障注入設(shè)備透明轉(zhuǎn)發(fā)至設(shè)備A，下行遙測(cè)數(shù)據(jù)由設(shè)備A采集真實(shí)熱敏電阻溫度遙測(cè)，發(fā)送至故障注入設(shè)備，設(shè)備內(nèi)通過(guò)主控軟件將故障仿真數(shù)據(jù)放入遙測(cè)數(shù)據(jù)流中經(jīng)過(guò)總線送至設(shè)備B，設(shè)備B完成各RT采集數(shù)據(jù)匯總及打包等后續(xù)工作。

③ 通過(guò)1553B總線通信協(xié)議確定熱敏電阻1溫度遙測(cè)所在的具體RT、SA(子地址)、字節(jié)數(shù)、字節(jié)位置，主控軟件配置中標(biāo)注如上信息以便故障注入數(shù)據(jù)位置準(zhǔn)確。

④ 測(cè)試前進(jìn)行星上狀態(tài)設(shè)置，熱控軟件使能、該回路熱敏電阻自主切換使能、該回路自主控溫禁止。

⑤ 測(cè)試開(kāi)始，通過(guò)地面設(shè)置指令設(shè)置故障注入設(shè)備將RT=2(設(shè)備A)、SA=10(常規(guī)遙測(cè)參數(shù))、字節(jié)數(shù)=1、字節(jié)位置=122的遙測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)修改為源碼=03(滿足熱敏電阻故障條件),故障注入方式采用阻塞式(將該故障仿真數(shù)據(jù)一直保持注入狀態(tài))。

⑥ 下行遙測(cè)信息流如下：假設(shè)設(shè)備A采集真實(shí)熱敏電阻溫度源碼為62，設(shè)備A將采集數(shù)據(jù)送至故障注入設(shè)備后，主控軟件根據(jù)步驟⑤中設(shè)置指令，將真實(shí)溫度源碼62替換為仿真故障源碼03，重新組合數(shù)據(jù)流由1553B總線送至設(shè)備B(BC端)，設(shè)備B的軟件故障處理邏輯認(rèn)為熱敏電阻1的溫度源碼是03，滿足故障切換邏輯，開(kāi)始自主發(fā)送切換控溫?zé)崦綦娮鑴?dòng)作。

⑦ 通過(guò)遙測(cè)判讀，該回路控溫?zé)崦綦娮栌蔁崦綦娮?變?yōu)闊崦綦娮?。

⑧ 將步驟⑤、⑥中源碼03換為FE，再次進(jìn)行故障注入測(cè)試，結(jié)果同步驟⑦，熱敏電阻故障邏輯驗(yàn)證結(jié)束，星載軟件該功能正常。

該系統(tǒng)在導(dǎo)航衛(wèi)星型號(hào)測(cè)試過(guò)程中得到驗(yàn)證。對(duì)于總線RT數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)類(lèi)型上又分為遙測(cè)數(shù)據(jù)、重要數(shù)據(jù)等；從總線上分則分為循環(huán)緩存數(shù)據(jù)和非循環(huán)緩存數(shù)據(jù)。對(duì)于非循環(huán)緩存數(shù)據(jù)，直接進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)即可，但對(duì)于循環(huán)緩存數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的完整性，不能單獨(dú)對(duì)每條消息數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。因此，采用報(bào)告幀的方式，對(duì)遙測(cè)等循環(huán)緩存數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。報(bào)告幀即是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組包，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，組包的依據(jù)則是收到該RT字地址對(duì)應(yīng)的勤務(wù)指令，收到勤務(wù)指令后，可認(rèn)為是一個(gè)完整的包，將該包數(shù)據(jù)寫(xiě)入仿RT端對(duì)應(yīng)的子地址的緩存中，確保遙測(cè)等數(shù)據(jù)的完整性。

5 結(jié)束語(yǔ)

1553B總線故障注入系統(tǒng)已在實(shí)際衛(wèi)星測(cè)試中投入使用。在實(shí)際使用中，對(duì)總線故障注入功能、總線數(shù)據(jù)仿真功能、總線數(shù)據(jù)監(jiān)視及回放功能、總線數(shù)據(jù)查詢(xún)功能進(jìn)行了重點(diǎn)測(cè)試，結(jié)果正確，滿足測(cè)試需求。

該系統(tǒng)故障注入類(lèi)型豐富，配套測(cè)試電纜連接簡(jiǎn)單、通用，具有多種靈活可變的注入方式，具備通用性、高效性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段研究成果故障注入模型較單一，僅能滿足靜態(tài)的故障注入模型，后期應(yīng)投入對(duì)動(dòng)態(tài)故障注入模型的研究。

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DesignofSpacecraftFaultInjectionSystemBasedon1553BBus

SHI Guang,YAO Fei

(BeijingInstituteofSpacecraftSystemsEngineering，Beijing100094，China)

Such situation has higher requirements for independent fault processing ability of ground verification.In satellite tests,traditional fault simulation system cannot meet the requirement of testing the whole spacecraft in batch due to the weakness such as lacking in equipment universality,monotonous type of analog signals,etc.Targeting at the weakness of existing platform,a 1553B bus fault injection system is proposed,which takes satellite-borne 1553B bus as fault injection medium and replaces real simulation failure input excitation with data simulation.The system improves equipment universality and testing efficiency,and reduces the costs for developing ground equipment.

1553B Bus;fault injection technique;bus data interaction;fault simulation;incentive condition;acquisition terminal

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.10.14

時(shí)光，幺飛.1553B總線的航天器故障注入系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電工程,2017,47(10):63-67.[SHI Guang,YAO Fei.Design of Spacecraft Fault Injection System Based on 1553B Bus[J].Radio Engineering,2017,47(10):63-67.]

V556.1

A

1003-3106(2017)10-0063-05

2017-06-28

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

時(shí)光女,(1984—)，碩士,工程師。主要研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、航天器綜合測(cè)試。幺飛男，(1983—)，碩士,工程師。主要研究方向：信號(hào)與信息處理、航天器綜合測(cè)試。