王清泉 羅榮蒸 封碩 高英偉 文向陽 徐玉朋

(1北京空間飛行器總體設(shè)計部,北京 100094)(2中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

整星系統(tǒng)級電性能綜合測試是衛(wèi)星研制過程中的重要環(huán)節(jié),主要目的是驗證衛(wèi)星總體設(shè)計,同時為總體改進(jìn)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持,檢查衛(wèi)星各分系統(tǒng)間電接口的匹配性,驗證各分系統(tǒng)在裝星后的系統(tǒng)電氣性能、指標(biāo)與各級規(guī)范的一致性,驗證衛(wèi)星系統(tǒng)的電磁兼容性,驗證衛(wèi)星在軌的工作模式和工作程序的合理性,驗證衛(wèi)星在軌飛行任務(wù)的適應(yīng)性,考核星載計算機(jī)軟件的工作能力,提供整星技術(shù)流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)包支持,并為衛(wèi)星在軌運(yùn)行保障提供數(shù)據(jù)積累[1]。因此,衛(wèi)星發(fā)射前必須進(jìn)行全面和徹底的系統(tǒng)級測試[2]。

硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡(HXMT)衛(wèi)星為慣性空間定向的X射線探測衛(wèi)星,探測的X射線能區(qū)覆蓋1～250 ke V[3]。這些特點(diǎn)對整星測試系統(tǒng)提出了新需求,如慣性空間閉環(huán)動力學(xué)模型、X射線探測器裝星后的系統(tǒng)級地面驗證方法,因此要針對性設(shè)計地面測試系統(tǒng)及方案,以滿足其整星測試需求。

本文總結(jié)了HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)級測試特點(diǎn),并針對其特有測試需求進(jìn)行針對性設(shè)計,有效保障了HXMT衛(wèi)星整星測試及發(fā)射任務(wù)。

1 整星測試系統(tǒng)方案

衛(wèi)星綜合測試設(shè)備稱為電器地面支持設(shè)備(EGSE),是一個兩級分布式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),主要由總控設(shè)備(OCOE)和分系統(tǒng)專用測試設(shè)備(SCOE)組成[4-5]。采用可靠性高、通用性高、集成度高的設(shè)備配置和成熟的測試軟件,結(jié)合OCOE和SCOE兩級分布式的系統(tǒng)設(shè)計理念,設(shè)計了HXMT衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 HXMT衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)組成Fig.1 Integrated test system composition of HXMT satellite

OCOE負(fù)責(zé)完成測試數(shù)據(jù)庫準(zhǔn)備、測試過程管理、數(shù)據(jù)處理與驗證、數(shù)據(jù)歸檔與離線數(shù)據(jù)回放等。SCOE包括供配電專用測試設(shè)備、測控專用測試設(shè)備、姿態(tài)與軌道控制專用測試設(shè)備和有效載荷專用測試設(shè)備。供配電專用測試設(shè)備模擬太陽方陣、蓄電池的各種特性,包括不同負(fù)載下的伏安特性、電壓調(diào)節(jié)范圍、方陣組合及分流,實現(xiàn)對HXMT衛(wèi)星的供電和配電。測控專用測試設(shè)備可接收HXMT衛(wèi)星發(fā)送的載波信號,并解調(diào)出遙測信號,同時可發(fā)送射頻信號到衛(wèi)星,對衛(wèi)星進(jìn)行控制。姿態(tài)與軌道控制專用測試設(shè)備測試各種姿態(tài)、軌道參數(shù),提供各種模擬信號源與仿真程序,完成開環(huán)、閉環(huán)測試。有效載荷專用測試設(shè)備對HXMT衛(wèi)星有效載荷的工程數(shù)據(jù)和科學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、監(jiān)測,生成直方圖和時間觀測曲線,實時給出能反映有效載荷功能的統(tǒng)計信息。OCOE具有較強(qiáng)的通用性,SCOE的規(guī)模、組成和功能因不同衛(wèi)星有較大差異。

與其他對地觀測衛(wèi)星相比,HXMT衛(wèi)星在綜合測試設(shè)計上具有以下特點(diǎn)。

1)慣性定向動中探測姿態(tài)機(jī)動測試

與其他對地觀測衛(wèi)星不同,面向天文觀測的空間科學(xué)衛(wèi)星為慣性空間定向。為實現(xiàn)小天區(qū)掃描任務(wù),HXMT衛(wèi)星采用動中探測工作模式(如圖2所示),即在現(xiàn)有衛(wèi)星高精度控制的基礎(chǔ)上,在姿態(tài)機(jī)動過程中開啟有效載荷進(jìn)行工作,也就是衛(wèi)星在望遠(yuǎn)鏡工作過程中能夠?qū)崟r調(diào)整光軸對慣性空間的指向,從而實現(xiàn)姿態(tài)對天區(qū)指向不斷變化的X射線探測。現(xiàn)有的測試環(huán)境和測試用例已不能滿足動中探測模式的測試需求[3-4],需要針對這種模式的新特點(diǎn)開展測試方案的設(shè)計研究。

2)寬譜段X射線探測性能測試

HXMT衛(wèi)星的探測目標(biāo)為宇宙間波長在0.01～0.10 nm的硬X射線,通過高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡的聯(lián)合觀測,實現(xiàn)1～250 keV的X射線巡天和定點(diǎn)觀測。高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡的能區(qū)有相互重疊部分,總共覆蓋1～250 ke V能區(qū)。整星綜合測試需要對望遠(yuǎn)鏡探測功能進(jìn)行定性檢查,以驗證載荷分系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺接口的正確性,并檢查經(jīng)歷大型試驗后望遠(yuǎn)鏡功能、性能是否滿足設(shè)計要求。天體的X射線無法到達(dá)地面,人們所熟知的具有很強(qiáng)穿透力的X射線,僅僅是整個X射線譜中的一部分。因此,需要設(shè)計X射線源及打靶裝置,進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡性能測試。

圖2 小天區(qū)深度掃描原理示意Fig.2 Depth scan schematic of small sky coverage

2 測試設(shè)計與實現(xiàn)

針對HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)級測試需求,設(shè)計了動中探測姿態(tài)機(jī)動測試系統(tǒng)及X射線光管打靶測試系統(tǒng),并進(jìn)行了實現(xiàn),以有效保證HXMT衛(wèi)星開展整星測試及望遠(yuǎn)鏡性能測試。

2.1 動中探測姿態(tài)機(jī)動測試

傳統(tǒng)整星測試環(huán)境多針對靜態(tài)對地成像方式設(shè)計,地面注入指令設(shè)定衛(wèi)星的機(jī)動角度,通過衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)判讀驗證設(shè)計的正確性和指標(biāo)符合情況。應(yīng)用傳統(tǒng)的測試環(huán)境進(jìn)行空間科學(xué)衛(wèi)星的動中探測姿態(tài)機(jī)動模式測試存在如下問題。

(1)地面閉環(huán)測試系統(tǒng)采用以地固坐標(biāo)系為基準(zhǔn)的動力學(xué)模型,不適用于慣性空間定向衛(wèi)星的星地閉環(huán)測試。

(2)機(jī)動時間與望遠(yuǎn)鏡任務(wù)時間相對獨(dú)立,不能滿足動中探測過程中姿態(tài)機(jī)動與掃描任務(wù)之間嚴(yán)格的時間約束關(guān)系。

為解決上述問題,對整星測試環(huán)境中的自動測試用例、動力學(xué)閉環(huán)系統(tǒng)、時間同步系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)開展針對性設(shè)計。整星姿態(tài)機(jī)動測試環(huán)境主要由星上平臺產(chǎn)品、控制分系統(tǒng)產(chǎn)品、地面閉環(huán)測試系統(tǒng)和地面平臺服務(wù)測試系統(tǒng)組成(如圖3所示),各部分功能如下。

(1)星上平臺產(chǎn)品:為控制分系統(tǒng)提供遙測、遙控、時間等信息交互通道,同時與地面平臺服務(wù)系統(tǒng)建立遙測遙控通道。

(2)星上控制分系統(tǒng)產(chǎn)品:根據(jù)星上指令完成姿態(tài)機(jī)動任務(wù)規(guī)劃,接收閉環(huán)測試系統(tǒng)發(fā)送的敏感器信息,并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)信息傳輸至閉環(huán)測試系統(tǒng)。

(3)閉環(huán)測試系統(tǒng):實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)軌道動力學(xué)模型,并采集星上產(chǎn)品的執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號,通過動力學(xué)模型計算輸出信號至敏感器產(chǎn)品;建立星地統(tǒng)一時間信息,實現(xiàn)星地閉環(huán)時序統(tǒng)一。

(4)平臺服務(wù)測試系統(tǒng):由總控服務(wù)系統(tǒng)、自動化測試軟件和平臺分系統(tǒng)設(shè)備組成,主要任務(wù)是仿真測試平臺與總控數(shù)據(jù)的交互,同時可進(jìn)行測試數(shù)據(jù)的監(jiān)視與判讀。

圖3 整星姿態(tài)機(jī)動測試系統(tǒng)組成Fig.3 Composition of system-level attitude maneuver test system

為滿足衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)及動力學(xué)閉環(huán)測試星地時間統(tǒng)一系統(tǒng)的一致測試需求,設(shè)計雙頻GPS高動態(tài)信號模擬源。模擬源可以模擬產(chǎn)生GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號,通過高頻電纜發(fā)送給星上導(dǎo)航接收機(jī),導(dǎo)航接收機(jī)根據(jù)導(dǎo)航信號計算時間信息,為星上設(shè)備提供時間基準(zhǔn)。同時,模擬預(yù)案通過422接口與主控計算機(jī)通信,將參考時鐘與校時信息發(fā)送給動力學(xué)閉環(huán)測試系統(tǒng),完成星地時間統(tǒng)一。

高動態(tài)信號模擬源由數(shù)學(xué)仿真模塊、中頻信號生成模塊、射頻模塊和對外接口組成,如圖4所示。

(1)數(shù)學(xué)仿真模塊:完成GPS星座衛(wèi)星軌道計算、空間環(huán)境仿真、用戶軌跡仿真、導(dǎo)航電文生成、系統(tǒng)完好性信息生成及觀測數(shù)據(jù)生成等,具備衛(wèi)星事件仿真能力。

(2)中頻信號生成模塊:能夠產(chǎn)生獨(dú)立的GPS L1,L2頻點(diǎn)的中頻信號。

(3)射頻模塊:主要完成將中頻輸入的GPS L1,L2頻點(diǎn)QPSK信號進(jìn)行上變頻處理、功率調(diào)整,最終得到相應(yīng)的射頻信號。

(4)對外接口:包括射頻輸出(RFout)端口和422端口。其中:RFout端口通過高頻電纜將導(dǎo)航信息傳輸至星上設(shè)備;422接口通過電纜將時間信息傳輸至主控計算機(jī)。

圖4 GPS信號模擬源邏輯框圖Fig.4 Logic diagram of GPS signal simulation source

2.2 X射線光管打靶測試

射線源有放射源和X射線光管2種選擇,其中X射線光管斷電后就不會再產(chǎn)生X射線。從輻射防護(hù)安全考慮,在整星正樣階段測試中,以X射線光管作為性能測試的射線源。在望遠(yuǎn)鏡上方放置1個靶,基于不同金屬的二次熒光發(fā)射產(chǎn)生單能X射線[6],進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡性能測試。3個X射線光管同時照射,產(chǎn)生的X射線覆蓋高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡,可以同時進(jìn)行性能測試。

1)二次打靶方案

X射線光管發(fā)射的光子譜呈現(xiàn)比較典型的三角形(韌致輻射光子主導(dǎo)),見圖5。性能測試時利用該特征譜線,為減小連續(xù)譜的影響,采用二次打靶方案(見圖6)。X射線光管發(fā)射連續(xù)譜段X射線至靶板,經(jīng)靶板上不同金屬材料產(chǎn)生的熒光效應(yīng),獲得不同譜段的特征X射線,反射至相應(yīng)高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡接收區(qū)域,滿足高能、中能和低能望遠(yuǎn)鏡性能測試所需能譜范圍的X射線需求。不同望遠(yuǎn)鏡接收區(qū)域所使用的靶板材料和對應(yīng)的特征X射線,如表1所示。

圖5 X射線光管出射光子譜Fig.5 Photon emission spectrum of X-ray tube

圖6 X射線光管二次打靶示意Fig.6 Schematic diagram of X-ray tube two shooting

表1 靶板材料及對應(yīng)特征X射線Table 1 Target plate materials and corresponding characteristics X-ray

2)靶板安裝結(jié)構(gòu)

測試架主要由靶板、支撐環(huán)、支撐桿及X射線光管組成,靶板安裝如圖7所示。靶板選用鋁蜂窩板材,板面外形尺寸約為1900 mm×1650 mm,板厚15 mm,面向望遠(yuǎn)鏡的一側(cè)貼覆金屬膜,高能區(qū)域貼錫膜,中能區(qū)域貼鉬膜,低能區(qū)域貼銅膜。

圖7 靶板安裝示意Fig.7 Target plate assembly

3)X射線光管控制

X射線光管采用12 V直流電源供電,斷電后不保存工作狀態(tài),每次上電需要通過USB接口設(shè)置高壓和電流參數(shù),然后開啟X射線光管?？刂朴嬎銠C(jī)及電源放在地面,電纜由地面到望遠(yuǎn)鏡支撐桿再引向X射線光管。X射線光管在測試間通過網(wǎng)線遠(yuǎn)程控制。

4)熱試驗測試打靶方案

在熱真空罐內(nèi),望遠(yuǎn)鏡需要使用X射線光管產(chǎn)生熒光信號進(jìn)行性能測試。在熱真空罐側(cè)壁通過非標(biāo)法蘭安裝小型X射線光管,利用其在熱沉內(nèi)壁上激發(fā)的特征X射線對望遠(yuǎn)鏡性能進(jìn)行監(jiān)測;設(shè)計X射線發(fā)射角度,保證其軸線指向望遠(yuǎn)鏡軸線與熱沉交點(diǎn),并覆蓋望遠(yuǎn)鏡上方區(qū)域;X射線發(fā)射后,能夠照射至罐內(nèi)頂部,以便產(chǎn)生的熒光可以照射到望遠(yuǎn)鏡。另外,中能望遠(yuǎn)鏡還需要懸掛鉬靶,在中能探測器機(jī)箱正上方,距離整星遮陽板高度需要大于756 mm。熱試驗打靶方案如圖8所示。

圖8 熱試驗打靶方案Fig.8 Shooting scheme in thermal test

3 整星測試應(yīng)用

本文所設(shè)計的測試系統(tǒng)完成了HXMT衛(wèi)星初樣電測、正樣電測和發(fā)射場測試,為衛(wèi)星總體設(shè)計提供了依據(jù),為衛(wèi)星成功發(fā)射提供了保障,為衛(wèi)星在軌應(yīng)用積累了試驗案例與數(shù)據(jù)。

(1)應(yīng)用星地時間統(tǒng)一系統(tǒng)的閉環(huán)測試系統(tǒng),完成整星模擬飛行測試。測試結(jié)果表明:慣性空間定向衛(wèi)星在軌飛行流程,可滿足各分系統(tǒng)正常狀態(tài)建立及望遠(yuǎn)鏡在軌測試任務(wù),飛行程序方案可行。

(2)驗證小天區(qū)、巡天、定點(diǎn)等慣性空間定向多模式靜態(tài)和動態(tài)姿態(tài)指標(biāo)滿足設(shè)計要求,模式切換滿足在軌使用要求。

(3)通過X射線光管打靶試驗,驗證望遠(yuǎn)鏡在整星測試各階段性能正常穩(wěn)定,功能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文分析總結(jié)了HXMT衛(wèi)星系統(tǒng)級測試特點(diǎn),介紹了適應(yīng)其整星測試的測試系統(tǒng)設(shè)計方案。在此基礎(chǔ)上,本文著重設(shè)計了動中探測姿態(tài)機(jī)動系統(tǒng)級測試系統(tǒng),通過星地時間統(tǒng)一裝置保證動中探測實時性要求;采用X射線光管打靶設(shè)計了望遠(yuǎn)鏡性能測試系統(tǒng),在整星各階段完成對望遠(yuǎn)鏡的性能功能驗證。衛(wèi)星的初樣和正樣電綜合測試、力學(xué)試驗、熱真空試驗、出廠試驗,以及發(fā)射場測試和發(fā)射任務(wù)表明,該地面測試系統(tǒng)滿足測試需求,有力支撐了HXMT衛(wèi)星的成功發(fā)射和在軌運(yùn)行。本文的測試系統(tǒng)設(shè)計方案,可為未來空間科學(xué)衛(wèi)星的測試設(shè)計與實現(xiàn)提供參考。

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