，，， ，

(西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

0 引言

平流層飛艇是指在囊體內(nèi)充入輕于空氣的氣體來產(chǎn)生上升所需要的浮力，同時帶有動力驅(qū)動，可以進行飛行控制，工作在平流層底部(海拔18～25 km)的浮空飛行器[1]。平流層穩(wěn)定的氣象條件和良好的電磁特性，使平流層飛艇在通信、預(yù)警和偵查、電子對抗等軍民領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，我國多個單位已開展了平流層飛艇的研制工作，并成功完成了多次平流層飛艇飛行試驗。

一般而言，平流層飛艇主要由囊體分系統(tǒng)、能源分系統(tǒng)、推進分系統(tǒng)、測控通信分系統(tǒng)、飛控分系統(tǒng)、安控分系統(tǒng)等組成。飛艇平臺系統(tǒng)復(fù)雜，影響飛行試驗安全的因素較多，風(fēng)險性較高。為保證平流層飛艇飛行試驗安全，放飛前需在地面試驗場對飛艇各分系統(tǒng)與全系統(tǒng)進行集成測試，獲取關(guān)鍵測試數(shù)據(jù)，以便評估飛艇系統(tǒng)狀態(tài)。其中，安控分系統(tǒng)是平流層飛艇飛行試驗安全的重要保證。安控分系統(tǒng)主要通過視距鏈路或衛(wèi)星通信鏈路來控制安控執(zhí)行機構(gòu)(氦氣釋放裝置或囊體切割裝置)的作動以實現(xiàn)飛艇突發(fā)情況下的應(yīng)急降落。因此，安控分系統(tǒng)的工作可靠性測試是試驗場集成測試的重要內(nèi)容。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，性能穩(wěn)定、使用方便，具有覆蓋范圍廣、組網(wǎng)靈活、不易受環(huán)境影響等優(yōu)勢[2]。由于平流層飛艇的技術(shù)特點，北斗衛(wèi)星能為其提供全天候、全天時的高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)[3]。而其北斗安控系統(tǒng)是安控分系統(tǒng)的重要 組成部分，其依托于北斗一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過發(fā)送、接收短報文的形式[4]，實現(xiàn)飛艇地面測控站與艇載安控設(shè)備之間的通信。視距鏈路易受到通信距離與復(fù)雜地形環(huán)境的影響；與之相比，北斗鏈路可實現(xiàn)整個試驗空域的有效覆蓋，從而有效控制安控執(zhí)行機構(gòu)的作動。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展迅猛，武器、航空、航天系統(tǒng)的技術(shù)水平不斷提高，對測試技術(shù)提出了更高的要求[5]。隨著計算機技術(shù)與集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展[6]，自動化測試通過減少測試過程中必要人工操作的步驟，是的測試人員得以分配更多的時間用于提高產(chǎn)生設(shè)計工作核心價值[7]。同時由于自動測試技術(shù)的快速可靠、機動靈活、高效低費等顯著優(yōu)勢，已成為國際航空和武器裝備測試的主流技術(shù)途徑[8]。

本文在研究平流層飛艇北斗安控系統(tǒng)組成以及功能構(gòu)成的基礎(chǔ)上，給出了基于通用測試平臺的北斗安控系統(tǒng)測試模式和流程，編制了測試流程，并完成了對某型飛艇北斗安控系統(tǒng)的測試與分析。

1 飛艇北斗安控系統(tǒng)的組成

飛艇北斗安控系統(tǒng)一般由地面測控站、地面北斗終端、艇載北斗終端、艇載飛控/安控計算機、安控電源以及安控執(zhí)行機構(gòu)組成，如圖1所示。安控執(zhí)行機構(gòu)一般包括氦氣釋放裝置(風(fēng)機、閥門等)與囊體切割裝置(一般利用火工品產(chǎn)生的爆炸沖擊推動切割設(shè)備來撕裂囊體)，主要用于囊體內(nèi)氦氣的快速釋放，使飛艇快速降落以避免飛艇飛出指定空域。

圖1 北斗安控系統(tǒng)組成

北斗安控系統(tǒng)的工作模式如下：地面北斗終端與艇載北斗終端以短報文形式通過北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)相互通信；地面測控站通過地面北斗終端發(fā)送安控指令；艇載北斗終端通過北斗鏈路接收到安控指令后由艇載安控計算機/飛控計算機編譯并控制安控執(zhí)行機構(gòu)作動；安控執(zhí)行機構(gòu)作動狀態(tài)由艇載安控計算機/飛控計算機編譯并通過艇載北斗終端經(jīng)由北斗鏈路傳遞給地面北斗終端；北斗地面站解析地面北斗終端接收的狀態(tài)信息顯示安控執(zhí)行結(jié)構(gòu)作動狀態(tài)。

2 基于通用測試平臺的北斗安控系統(tǒng)測試模式與測試流程

2.1 通用測試平臺

針對平流層飛艇試驗場地面測試需求，根據(jù)平流層飛艇技術(shù)特征，基于新一代綜合自動測試系統(tǒng)技術(shù)，構(gòu)建功能可重構(gòu)、通用化強、應(yīng)用靈活的平流層飛艇通用測試平臺。該平臺硬件環(huán)境基于高速信息交換架構(gòu)，集成數(shù)字多用表模塊、模擬量輸入輸出模塊、傳感器采集模塊、轉(zhuǎn)速測量模塊，轉(zhuǎn)速測量模塊、多串口通信接口模塊、CAN/1553B總線通信模塊、數(shù)字IO模塊、矩陣開關(guān)模塊等測試資源，擴展集成了擴展集成頻譜分析儀、示波器、功率計等臺式測量儀器與儀表，這些測試資源集中于可變規(guī)模公共測試接口(common test interface,CTI)，并通過測試適配器和測試線纜與測試對象連接，實施測試。

軟件平臺基于北京航天測控技術(shù)有限公司開發(fā)的虛擬儀器測試環(huán)境。該軟件集成了基于ATML的全壽命周期內(nèi)測試信息共享、TPS圖形化開發(fā)、IEEE1641信號模型、IVI儀器互換架構(gòu)、執(zhí)行界面定制、故障診斷等關(guān)鍵技術(shù)，可實現(xiàn)被測對象建模、測試流程開發(fā)、系統(tǒng)執(zhí)行服務(wù)、診斷處理分析、系統(tǒng)資源管理等主要功能，且包含傳統(tǒng)的面向儀器的操作內(nèi)核和支持ATLAS的面向信號的操作內(nèi)核，可以設(shè)置斷點，測試程序運行過程中具有連續(xù)執(zhí)行、區(qū)間執(zhí)行、單點執(zhí)行等功能[9]，同時具備基于ICD的總線協(xié)議配置解析模塊，保證同機型的通用性和可擴展性，在測試過程中能實時給出指令判斷結(jié)果和并在測試結(jié)束后給出測試結(jié)論。

2.2 測試模式與測試流程

由北斗安控系統(tǒng)的工作模式可知，北斗安控系統(tǒng)測試主要側(cè)重于北斗終端以短報文形式發(fā)收指令/狀態(tài)數(shù)據(jù)的可靠性、安控邏輯的正確性以及安控執(zhí)行機構(gòu)長時工作的可靠性。因此，北斗安控系統(tǒng)測試采用以一定頻次(一般為1min/次)發(fā)送安控指令并監(jiān)測安控執(zhí)行機構(gòu)作動及反饋狀態(tài)的方法。在測試中，安控指令與飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)依靠北斗一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)因信號衰落、信道堵塞等因素會產(chǎn)生短報文丟失的現(xiàn)象。為避免因北斗一代衛(wèi)星通信系統(tǒng)自身原因造成的測試誤差，在測試的同時利用天線與頻譜分析儀構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)來監(jiān)測地面北斗終端與艇載北斗終端發(fā)送短報文時所發(fā)射的微波信號以確定安控指令和飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)正常發(fā)送。地面北斗監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的是北終端發(fā)射的L波段信號，該信號頻率覆蓋1.61～1.62 GHz的帶寬范圍[10]。

北斗安控系統(tǒng)測試模式如圖2所示。測試中包含地面及艇載兩套北斗終端，需同時監(jiān)測發(fā)送短報文時所發(fā)射的微波信號，利用兩套天線與頻譜分析儀構(gòu)成的監(jiān)測系統(tǒng)分別來實現(xiàn)，測試時需注意設(shè)備布局，以避免微波信號交叉影響。

圖2 北斗安控系統(tǒng)測試模式

轉(zhuǎn)發(fā)軟件主要功能為：將測試指令轉(zhuǎn)換為遙控指令，發(fā)送至北斗地面站；判斷該測試指令是否具備執(zhí)行條件，將判斷結(jié)果發(fā)送給通用測試平臺；若具備執(zhí)行條件，執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)動作后，將遙測狀態(tài)信息發(fā)送至通用測試平臺。由于轉(zhuǎn)發(fā)軟件的存在使得通用測試平臺不直接控制北斗鏈路，避免試驗場測試人員誤操作損害飛艇設(shè)備。

測試時，由通用測試平臺通過轉(zhuǎn)發(fā)軟件發(fā)送測試指令給飛艇北斗地面站；北斗地面站確認(rèn)測試指令并確認(rèn)是否具備執(zhí)行條件，并將判斷結(jié)果通過轉(zhuǎn)發(fā)軟件轉(zhuǎn)發(fā)給通用測試平臺；在具備執(zhí)行條件下，北斗地面站將測試指令轉(zhuǎn)換為飛艇自身對應(yīng)的遙控指令，并通過地面北斗終端發(fā)送出去；通用測試平臺在發(fā)送測試指令后，程控頻譜分析儀1開始監(jiān)測信號頻譜信息，并給出采集到的信號頻率和功率電平信息，當(dāng)信號頻率在1.61～1.62 GHz的帶寬范圍內(nèi)且功率電平大于頻譜分析儀本底噪聲電平10 dB以上時，則認(rèn)為地面北斗終端發(fā)送短報文成功；艇載北斗終端在接收到短報文后通過艇載安控/飛控計算機控制安控執(zhí)行機構(gòu)動作，并將安控執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)信息以短報文形式發(fā)送給地面北斗終端，此時，通用測試平臺程控頻譜分析儀2開始監(jiān)測信號頻譜信息，并給出采集到的信號頻率和功率電平信息，1.61～1.62 GHz的帶寬范圍內(nèi)且功率電平大于頻譜分析儀本底噪聲電平10 dB以上時，則認(rèn)為艇載北斗終端接收短報文成功；北斗地面站在接收到地面北斗終端轉(zhuǎn)發(fā)的安控執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息時，通過轉(zhuǎn)發(fā)軟件將狀態(tài)信息轉(zhuǎn)發(fā)給通用測試平臺；通用測試平臺根據(jù)監(jiān)測到的信號頻譜信息與安控執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)信息判斷測試執(zhí)行情況，測試后給出北斗安控系統(tǒng)的執(zhí)行成功率。

北斗安控測試流程如圖3所示。在具體測試實施中，出現(xiàn)以下情況需要重新發(fā)送測試指令：地面北斗終端發(fā)送短報文不成功；轉(zhuǎn)發(fā)軟件判斷接收超時或校驗錯誤；連續(xù)兩次接收到錯誤的遙測狀態(tài)信息。第一種情況是由于地面北斗終端問題導(dǎo)致重新發(fā)送指令，北斗指令發(fā)送次數(shù)會累加；第二種情況是由轉(zhuǎn)發(fā)軟件與通用測試平臺之間的通信問題引起的，與地面北斗終端無關(guān)，此時重發(fā)，測試指令發(fā)送次數(shù)不會累加；第三種情況是由于艇載北斗終端以一定頻次將安控執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)自動下傳并不依賴于測試指令，因短報文傳輸延遲可能出現(xiàn)安控執(zhí)行機構(gòu)已經(jīng)完成作動而狀態(tài)信息顯示未作動情況，此時通用測試平臺接收到的遙測狀態(tài)信息為執(zhí)行機構(gòu)未執(zhí)行之前的狀態(tài)，與設(shè)定的判據(jù)不一致，此時，飛艇通用測試平臺繼續(xù)接收一條狀態(tài)信息。若接收到的兩條狀態(tài)信息都為錯，重新發(fā)送指令，北斗指令發(fā)送次數(shù)會累加。

圖3 北斗安控測試流程

本次測試指令發(fā)送次數(shù)定為最多3次，可根據(jù)實際情況增加或者減少。

測試指令成功的標(biāo)準(zhǔn)為地面北斗終端發(fā)送短報文成功，執(zhí)行機構(gòu)正常作動且艇載北斗終端反饋狀態(tài)數(shù)據(jù)短報文成功。通過統(tǒng)計測試成功次數(shù)與測試指令發(fā)送次數(shù)給出北斗安控測試的成功率。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗布局

平流層飛艇北斗安控測試在平流層飛艇航電系統(tǒng)集成完成后開展。艇載飛控計算機/安控計算機安裝集成于飛艇系統(tǒng)航電設(shè)備吊艙內(nèi)。試驗時，轉(zhuǎn)發(fā)軟件布設(shè)于北斗地面站。北斗地面站、地面北斗終端、艇載北斗終端、安控執(zhí)行機構(gòu)布置于室外空曠環(huán)境，保證北斗終端能正常接收北斗衛(wèi)星信號。艇載北斗終端與地面北斗終端距離1 km左右。由頻譜分析儀以及天線組成的監(jiān)測系統(tǒng)分別置于兩套北斗終端附近，通用測試平臺通過試驗網(wǎng)絡(luò)程控頻譜分析儀采集北斗終端發(fā)送短報文時發(fā)射的微波信號并與轉(zhuǎn)發(fā)軟件進行測試指令發(fā)送等信息交互。

3.2 測試步驟

針對某型平流層飛艇的北斗安控系統(tǒng)開展測試。該北斗安控系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)主要包括囊體切割裝置和閥門，通過囊體切割裝置撕裂囊體和閥門開啟來釋放囊體內(nèi)的氦氣。囊體切割裝置利用火工品產(chǎn)生的爆破沖擊力推動切割裝置來撕裂囊體，為易損件，因此實際測試時并沒有直接控制囊體切割裝置，而是通過監(jiān)測其供電電壓的形式來開展測試。

正式開展測試前需通過北斗地面站發(fā)送指令，確保整個測試鏈路狀態(tài)正常、執(zhí)行機構(gòu)作動及反饋正常，具備測試條件。通過網(wǎng)線連接通用測試平臺與轉(zhuǎn)發(fā)軟件實現(xiàn)通信，確認(rèn)兩者之間能正常發(fā)送、接受數(shù)據(jù)幀。網(wǎng)線連接通用測試平臺與頻譜分析儀，程控頻譜分析儀確認(rèn)具備測試條件。

此種型號的北斗安控系統(tǒng)遙控指令分為解鎖、閥門開啟/關(guān)閉、囊體切割裝置開啟/關(guān)閉以及解鎖復(fù)位等幾種，因此通用測試平臺發(fā)送的測試指令亦包含上述幾種類型。根據(jù)安控執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量，以及實際安控邏輯，同時考慮到測試過程中可能遇到的各種問題，完成測試程序編寫，如圖4所示。

圖4 北斗安控測試程序

圖4為北斗安控測試程序的主要流程，包括狀態(tài)信息確認(rèn)、指令發(fā)送等，由圖4可知，每10條指令為一個循環(huán)，共執(zhí)行10個循環(huán)，即發(fā)送100條指令，一個循環(huán)中包括解鎖、閥門開啟/關(guān)閉、囊體切割裝置開啟/關(guān)閉以及解鎖復(fù)位等10條指令；同時，該循環(huán)嚴(yán)格按實際安控邏輯執(zhí)行流程進行，只有解鎖完成之后囊體切割裝置開啟指令才有效。

完成試驗布局后在通用測試平臺的軟件平臺上運行北斗安控測試程序。在測試程序運行過程中，通用測試平臺會實時顯示每條測試指令發(fā)送狀態(tài)、測試指令回讀狀態(tài)以及安控執(zhí)行機構(gòu)的實際執(zhí)行狀態(tài)，并給出通過與否的判斷。若判斷通過，如圖所示，顯示正常，若判斷不通過，則這條結(jié)果就會顯示為紅色，能幫助測試人員快速做出應(yīng)對措施。

由于主體的運行界面有限，顯示的內(nèi)容是一些能表示測試過程成功與否的指令狀態(tài)，但是在變量監(jiān)視區(qū)則可以對所有測試過程中的變量進行監(jiān)視，其中就包括北斗指令發(fā)送成功次數(shù)以及北斗測試成功次數(shù)等關(guān)鍵變量。具體測試程序執(zhí)行界面以及執(zhí)行結(jié)果如圖5所示。

圖5 北斗安控測試程序執(zhí)行界面

3.3 測試結(jié)果分析

針對某型平流層飛艇的北斗安控測試，測試結(jié)果如圖5所示，圖中測試指令發(fā)送成功次數(shù)為100，測試成功次數(shù)為98，北斗安控測試的成功率為98%，每條指令均能正常發(fā)出，安控執(zhí)行機構(gòu)作動正常，狀態(tài)信息反饋正常，且北斗監(jiān)測系統(tǒng)也能準(zhǔn)確采集到艇載/地面北斗終端的微波信號信息。

在測試過程中出現(xiàn)以下情況：

3.3.1 測試指令回讀狀態(tài)為4

轉(zhuǎn)發(fā)軟件判斷測試指令回讀狀態(tài)為4，表示飛艇平臺目前狀態(tài)無法執(zhí)行測試指令，該指令執(zhí)行超時，通用測試平臺會重復(fù)發(fā)送該條測試指令，第二次發(fā)送指令正常，超時的第一次指令不計入指令發(fā)送成功次數(shù)，第二條正常發(fā)出的測試指令計入到指令發(fā)送成功次數(shù)中。

3.3.2 飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)全部為0

飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)包括飛艇系統(tǒng)的所有設(shè)備狀態(tài)，不可能全部為0。通用測試平臺在一段時間內(nèi)未收到飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)，則會將測試過程中的所有變量都置為0。檢查地面北斗終端監(jiān)測系統(tǒng)沒有收到微波信號，且轉(zhuǎn)發(fā)軟件與北斗地面站、通用測試平臺通信正常，且安控執(zhí)行機構(gòu)已正常執(zhí)行該條測試指令，通用測試系統(tǒng)表示未收到此測試指令下行數(shù)據(jù)，再次接收一次飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示正常，由于北斗鏈路狀態(tài)不佳下行丟失導(dǎo)致，但是一般來說，不可能連續(xù)兩次下行都丟失，第二次接收正常，判斷該測試指令成功。

3.3.3 接收到的飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)與安控執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)不一致

測試指令發(fā)送成功且安控執(zhí)行機構(gòu)作動及反饋正常，但是飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)中安控執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)為未執(zhí)行，再次接收飛艇狀態(tài)數(shù)據(jù)，一致，判斷該測試指令成功。第一次狀態(tài)不正常是由于北斗鏈路可能存在延時，導(dǎo)致接收到的是前一條的狀態(tài);不一致，檢查地面北斗終端監(jiān)測系統(tǒng)接收到微波信號，且轉(zhuǎn)發(fā)軟件與北斗地面站、通用測試平臺通信正常，表示雖收到下行數(shù)據(jù)，但不是該測試指令相對應(yīng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)，判斷為該指令失敗。

4 結(jié)論

本文分析了北斗安控分系統(tǒng)的組成、工作模式，提出了基于通用測試平臺的平流層飛艇的北斗安控測試方法，確定了測試模式，編寫了北斗安控測試程序，并利用測試程序完成了某型飛艇北斗安控系統(tǒng)測試，按照測試要求完成了北斗安控測試，通用測試平臺的測試結(jié)果與人工監(jiān)測記錄的結(jié)果一致，具有實用價值。

參考文獻：

[1] 楊秋萍，席德科.飛艇技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].航空制造技術(shù)，2010(19)：78-81.

[2] 劉 艷.北斗短報文電網(wǎng)狀態(tài)監(jiān)測及應(yīng)急通信系統(tǒng)[J].總線與網(wǎng)絡(luò)，2015(1):43-47.

[3] 劉艷麗.北斗衛(wèi)星短報文技術(shù)在輸電線在線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力信息與通信技術(shù)，2016，14(11):28-32.

[4] 劉基余.GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位遠離與方法[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[5] 丁 寧.基于測試管理軟件的測試平臺軟件架構(gòu)技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2014,5.

[6] 吳良波.基于ATML的平臺管理模塊開發(fā)測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2016,3.

[7] 張進星.航天電子設(shè)備的地面測試系統(tǒng)自動化測試軟件設(shè)計與實現(xiàn)[M].中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心，2016,4.

[8] 蔡小斌.法國通用自動測試平臺ATE發(fā)展綜述[J].測控技術(shù)，2000,19(6):1-4.

[9] 劉 收.平流層飛艇地面通用測試原型系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機測量與控制，2016,24(7):82-89.

[10] 商 鋒，趙 薇.北斗一代S頻段低噪聲放大器的設(shè)計[J].西安郵電大學(xué)學(xué)報，2016,21(4):76-82.