杜 雪 張 軍 曾繁彬 王亞賓 劉 靜

中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海201210

根據(jù)北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)總體規(guī)劃，2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務(wù)。在發(fā)射高峰年，每年可能需要并行研制8-10顆衛(wèi)星。在組網(wǎng)衛(wèi)星進(jìn)入批生產(chǎn)AIT(總裝集成試驗(yàn))階段后，需要對(duì)構(gòu)成衛(wèi)星實(shí)體的單機(jī)、分系統(tǒng)以及整星的功能和性能進(jìn)行全面的綜合測試。衛(wèi)星綜合測試是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星批生產(chǎn)階段檢驗(yàn)衛(wèi)星電氣功能、性能指標(biāo)，確保衛(wèi)星工程品質(zhì)的重要技術(shù)手段[1-3]。

然而，適合單星測試的地面綜合測試系統(tǒng)[4]沒有一個(gè)統(tǒng)一的任務(wù)規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)，對(duì)于導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星研制所需的自動(dòng)測試和故障診斷、海量數(shù)據(jù)查詢等更缺乏必要的軟硬件設(shè)備支持。這種設(shè)備現(xiàn)狀已經(jīng)無法滿足導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星的批量化研制生產(chǎn)。具體差距如下：

1)總控設(shè)備同一時(shí)間只能支持單顆衛(wèi)星測試;

2)測試自動(dòng)化程度低。現(xiàn)有的測試設(shè)備基本依靠人工手動(dòng)進(jìn)行測試，測試方式落后，導(dǎo)致測試周期長，測試覆蓋性不全，人為因素對(duì)測試結(jié)果影響較大，個(gè)別功能項(xiàng)只能以分析代替測試等問題;

3)缺乏測試設(shè)備集中監(jiān)控。在系統(tǒng)工作過程中，需要在每個(gè)測試設(shè)備端進(jìn)行監(jiān)控，以避免軟、硬件隨時(shí)會(huì)發(fā)生的各種錯(cuò)誤，因此需要投入大量的測試員，效率低且成本高;

4)測試報(bào)告難以自動(dòng)生成。在當(dāng)前測試中，一次測試完成后，測試報(bào)告的生成只能通過測試人員手動(dòng)統(tǒng)計(jì)測試結(jié)果并撰寫，難以對(duì)測試全過程進(jìn)行全面的描述;

5)數(shù)據(jù)庫性能有限。在長時(shí)間的測試過程中，需要存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，因此，只有高性能的數(shù)據(jù)庫才能滿足數(shù)據(jù)對(duì)存儲(chǔ)、檢索和回放的要求。

以上這些問題對(duì)導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星的批生產(chǎn)[5]時(shí)間進(jìn)度和成本開支都造成了極大的影響，已不能滿足后續(xù)導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星研制進(jìn)度的要求。因此需要研制新的智能化綜合測試系統(tǒng)，降低測試人員的工作強(qiáng)度，提高測試效率，降低測試成本。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)由總控設(shè)備(OCOE)[6]和各分系統(tǒng)專用測試設(shè)備(SCOE)組成(如圖1所示)。

圖1 多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.1 總控設(shè)備(OCOE)

由主測試計(jì)算機(jī)MTP、操作控制臺(tái)TCC、數(shù)據(jù)中心DMS、時(shí)間基準(zhǔn)源、標(biāo)準(zhǔn)輸出外設(shè)、監(jiān)控顯示計(jì)算機(jī)、局域網(wǎng)和系統(tǒng)測試軟件等組成，主要負(fù)責(zé)完成綜合測試的數(shù)據(jù)管理，輔助測試人員管理所有專用測試設(shè)備、自動(dòng)化測試以及全生命周期的信息化管理。

1.2 專用測試設(shè)備(SCOE)

由各分系統(tǒng)測試計(jì)算機(jī)、專門研制的設(shè)備和通用儀器設(shè)備組成。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境連接總控設(shè)備和專用測試設(shè)備的測試計(jì)算機(jī)，通過標(biāo)準(zhǔn)的測試通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊，從而形成統(tǒng)一指揮和調(diào)度的衛(wèi)星電氣綜合測試體系。

1.2.1 綜合測試有線控制前端

包括能源前端、星務(wù)前端、綜合測試轉(zhuǎn)接線路盒和低頻電纜網(wǎng)，通過測試電纜建立綜合測試系統(tǒng)與被測衛(wèi)星之間的有線測試接口，完成衛(wèi)星供配電、參數(shù)監(jiān)測和指令控制(如圖2所示)。

圖2 綜合測試有線控制前端設(shè)備組成框圖

1.2.2 測控前端

由非相干數(shù)傳綜合基帶、擴(kuò)跳頻綜合基帶、上下變頻器、時(shí)頻系統(tǒng)及碼服務(wù)器等組成。實(shí)現(xiàn)測控信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、遙測遙控?cái)?shù)據(jù)接收及測距信號(hào)的生成與處理。

1.2.3 姿軌控前端

主要由星載計(jì)算機(jī)仿真機(jī)、星上單機(jī)仿真機(jī)、姿控動(dòng)力學(xué)仿真機(jī)、信號(hào)調(diào)理單元、軌道仿真機(jī)、地面測試終端、供電設(shè)備、監(jiān)視終端和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成。

1.2.4 Ka星間鏈路前端

由上行、下行信號(hào)測試子系統(tǒng)、衛(wèi)星信息處理測試子系統(tǒng)和時(shí)頻測試子系統(tǒng)組成。

1.2.5 RNSS載荷前端

包括上行、下行信號(hào)測試子系統(tǒng)、衛(wèi)星信息處理測試子系統(tǒng)和時(shí)頻測試子系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

導(dǎo)航組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)功能圖

2.1 供電及供電檢測

地面太陽電池陣模擬器和運(yùn)載上面級(jí)供電模擬器(恒壓源)供電，通過GPIB或網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)地面模擬電源的有線控制及參數(shù)監(jiān)測。

2.2 任務(wù)規(guī)劃與進(jìn)度管理

滿足多星并行測試需求，提供測試任務(wù)管理功能，實(shí)現(xiàn)從分系統(tǒng)測試到整星測試的各階段測試過程的規(guī)范化管理。

2.3 用戶管理與控制

對(duì)測試參與人員、測試設(shè)備等資源進(jìn)行規(guī)劃；專用測試設(shè)備SCOE的入網(wǎng)工作，首先要注冊管理；OCOE可對(duì)參與測試的SCOE設(shè)備設(shè)置權(quán)限，進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

2.4 配置管理與控制

包括遙控指令配置、ICD配置、測試界面配置、測試環(huán)境和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)配置。

2.5 測試管理與控制

2.5.1 地面時(shí)間基準(zhǔn)

配備專用時(shí)間基準(zhǔn)源，用于地面測試設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一以及對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)的校時(shí)。

2.5.2 狀態(tài)控制與參數(shù)監(jiān)測

通過測控?zé)o線或地測有線通道以遙控指令形式對(duì)衛(wèi)星施加供電、激勵(lì)及控制信號(hào)，再經(jīng)下行遙測檢測、驗(yàn)證星上設(shè)備相應(yīng)參數(shù)；對(duì)星上設(shè)備的各種參數(shù)按一定時(shí)間間隔進(jìn)行監(jiān)視，并按判據(jù)檢測出狀態(tài)變化參量；采集各SCOE的遙測數(shù)據(jù)，同時(shí)將采集到的遙測參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給姿軌控、測控及載荷等分系統(tǒng)前端機(jī)；通過網(wǎng)絡(luò)端口以及相關(guān)協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)各SCOE的管理與控制。

2.5.3 測試過程管理

支持單星或多星的單條指令以及測試序列的發(fā)送。用戶可以選擇性地對(duì)某顆星發(fā)送單指令或自動(dòng)執(zhí)行指令序列。對(duì)整個(gè)測試系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接、硬件連接及軟件運(yùn)行的狀況進(jìn)行監(jiān)控，確保測試系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.5.4 測試數(shù)據(jù)監(jiān)測

不同數(shù)據(jù)通道的數(shù)據(jù)顯示可通過監(jiān)顯軟件界面靈活切換，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)監(jiān)顯。提供監(jiān)顯窗口分組管理。通過衛(wèi)星遙測參數(shù)構(gòu)建衛(wèi)星運(yùn)行的三維虛擬空間環(huán)境并由終端顯示。

2.5.5 自動(dòng)測試功能

實(shí)現(xiàn)測試細(xì)則的執(zhí)行，包括指令下發(fā)、遙測數(shù)據(jù)采集及工程數(shù)據(jù)接收等測試任務(wù)。自動(dòng)判讀與自動(dòng)測試相結(jié)合，具有基于專家經(jīng)驗(yàn)的實(shí)時(shí)自動(dòng)判讀衛(wèi)星工程遙測數(shù)據(jù)功能。根據(jù)自動(dòng)判讀結(jié)果，對(duì)測試狀態(tài)、測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并自動(dòng)生成測試報(bào)告。

2.5.6 故障模擬與診斷功能

盡可能的將歷史測試經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)都搜集到衛(wèi)星知識(shí)庫中；設(shè)置故障模式，測試驗(yàn)證衛(wèi)星處理故障的能力，具備圖形化建模能力；對(duì)非確定故障，采用推理機(jī)實(shí)現(xiàn)精確推理，降低系統(tǒng)誤報(bào)率。

2.6 數(shù)據(jù)管理與控制

2.6.1 數(shù)據(jù)歸檔與回放功能

對(duì)測試過程中遙控指令發(fā)送記錄、遙測原始記錄、專用測試設(shè)備測試原始記錄等按時(shí)間存入測試數(shù)據(jù)庫中，以便事后離線回放。所有發(fā)出和接收命令的信息設(shè)備均有運(yùn)行日志歸檔。對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，根據(jù)存儲(chǔ)的測試時(shí)間段來選擇回放數(shù)據(jù)。

2.6.2 數(shù)據(jù)分析功能

可按測試數(shù)據(jù)、測試日志、操作日志、指令執(zhí)行統(tǒng)計(jì)及衛(wèi)星加電時(shí)間統(tǒng)計(jì)等查詢，對(duì)查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果能夠以列表或圖表的形式進(jìn)行分別顯示。

2.6.3 數(shù)據(jù)挖掘功能

根據(jù)測試過程中出現(xiàn)的故障數(shù)據(jù)，以及故障注入測試的參數(shù)信息，使用相應(yīng)的算法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)可能出現(xiàn)的故障及出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測。

2.6.4 圖像快視功能

在數(shù)據(jù)監(jiān)視界面定義過程中，支持多種顯示控件的調(diào)用，包括文本顯示控件、表單顯示控件、曲線顯示控件及圖形圖像控件等內(nèi)容。

3 智能測試設(shè)計(jì)

測試過程智能化是指對(duì)于整個(gè)測試任務(wù)，系統(tǒng)可根據(jù)時(shí)間安排及設(shè)備狀況給出合理化的任務(wù)安排，自動(dòng)化執(zhí)行測試流程，智能分析故障情況。要實(shí)現(xiàn)測試過程智能化[7]，系統(tǒng)必須具有“學(xué)習(xí)”的能力，即具有獲取知識(shí)、積累知識(shí)和改進(jìn)知識(shí)的能力。因此，測試平臺(tái)智能化的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)多星測試自動(dòng)化，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)自動(dòng)判讀監(jiān)控、故障診斷和自動(dòng)測試報(bào)告生成(如圖4所示)。導(dǎo)航地面智能綜合測試系統(tǒng)的智能化主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 測試任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度

根據(jù)任務(wù)自動(dòng)生成測試細(xì)則、用例、指令序列，可以對(duì)指令序列修改編輯；對(duì)測試依據(jù)文件、測試仿真數(shù)據(jù)、測試計(jì)劃調(diào)度、測試流程信息、接口關(guān)系以及數(shù)字簽名等文件進(jìn)行版本入庫管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)測試需求變更的追蹤管理。

3.2 自動(dòng)化測試

根據(jù)任務(wù)安排調(diào)用相對(duì)應(yīng)的測試用例執(zhí)行，自動(dòng)執(zhí)行指令和發(fā)送數(shù)據(jù)，自動(dòng)判讀和存儲(chǔ)測試結(jié)果，最終自動(dòng)化完成項(xiàng)目的執(zhí)行和測試。

3.3 自動(dòng)判讀

預(yù)先定義判讀規(guī)則模板，對(duì)判讀規(guī)則進(jìn)行管理，自動(dòng)判讀數(shù)據(jù)的理論值和臨界值，給出超差結(jié)論，并能對(duì)判讀結(jié)果生成的判讀報(bào)告進(jìn)行存儲(chǔ)和導(dǎo)出。

圖4 智能測試執(zhí)行工作原理圖

3.4 故障診斷報(bào)警

衛(wèi)星測試過程中產(chǎn)生的海量特征數(shù)據(jù)蘊(yùn)含了大量的故障信息，智能故障診斷軟件的輸入信息[8-10]有：采集和記錄的故障信息、設(shè)備狀態(tài)、執(zhí)行狀態(tài)和測試結(jié)果，以及自動(dòng)判讀標(biāo)記的異常記錄。依據(jù)有效算法分析訓(xùn)練測試數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)的訓(xùn)練模型；應(yīng)用聚類、決策樹等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)挖掘[11-12]，獲得與故障有關(guān)的診斷規(guī)則，通過加載診斷策略模型，實(shí)現(xiàn)測試結(jié)果的故障診斷，經(jīng)分析、推理確定故障類型，為異常數(shù)據(jù)的處理和分析提供初步結(jié)論。在故障識(shí)別和定位的基礎(chǔ)上對(duì)故障進(jìn)行解釋和評(píng)估，并提供處理決策。同時(shí)，對(duì)異常數(shù)據(jù)可以定義不同的報(bào)警等級(jí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)警。

3.5 測試報(bào)告自動(dòng)生成

根據(jù)測試結(jié)果和判讀結(jié)果自動(dòng)生成指定模板的測試報(bào)告，根據(jù)預(yù)期測試結(jié)果與故障診斷結(jié)論自動(dòng)生成診斷報(bào)告，并給出初步診斷結(jié)論。

3.6 大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析

衛(wèi)星綜合測試中產(chǎn)生多種類型、多種表現(xiàn)形式的數(shù)據(jù)，衛(wèi)星綜合測試數(shù)據(jù)庫的建設(shè)過程是一個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)不斷積累，數(shù)據(jù)表現(xiàn)多樣化的過程。通過建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)中心(如圖5所示)，能夠支持多星大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。

圖5 數(shù)據(jù)中心信息交互圖

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 多星并行分布式測試技術(shù)

多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)的并行多任務(wù)設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在采用獨(dú)立硬件接口、軟件模塊復(fù)用以及多任務(wù)處理架構(gòu)3個(gè)方面。并行測試模式下，將測試任務(wù)與測試系統(tǒng)的測試工程相對(duì)應(yīng)，通過多個(gè)測試工程加載不同的測試模型，連接不同的測試前端實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并行測試[13-16]，保證各測試任務(wù)的獨(dú)立性，同時(shí)提供相應(yīng)的接口滿足多任務(wù)間數(shù)據(jù)交互的需求。采用分布式測試方案，各子操作臺(tái)可以單獨(dú)進(jìn)行SCOE測試工作，同時(shí)通過主操作臺(tái)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)各子操作臺(tái)的集中控制與管理，可以滿足不同測試場景的需求。

4.2 海量測試數(shù)據(jù)管理分發(fā)技術(shù)

在導(dǎo)航批生產(chǎn)衛(wèi)星研制過程中，通過整星功能性能級(jí)測試、大型試驗(yàn)、對(duì)接試驗(yàn)和發(fā)射場測試等綜合測試，會(huì)產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)。隨著導(dǎo)航全球組網(wǎng)運(yùn)行，除了處理在研衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還要比對(duì)可能高達(dá)10顆以上的在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和回放都對(duì)數(shù)據(jù)庫的性能提出了較高的要求?？偪豋COE提供了性能較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)星海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和事后分析的功能。用戶可以查詢到測試中所有操作、命令和數(shù)據(jù)，詳查每個(gè)過程的細(xì)節(jié)，并且可以復(fù)現(xiàn)任一時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)。

4.3 測試標(biāo)準(zhǔn)化通用化技術(shù)

導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星地面綜合測試系統(tǒng)有很多設(shè)備，各設(shè)備之間交換的信號(hào)類型眾多、數(shù)量龐大且交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜。分系統(tǒng)的地檢有些是標(biāo)準(zhǔn)儀器，有標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)外開放接口；有些是專用設(shè)備接口，無對(duì)外接口或?qū)ν饨涌诓粯?biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一到1個(gè)故障模擬和測試系統(tǒng)中。制定標(biāo)準(zhǔn)化的接口協(xié)議，OCOE和SCOE之間按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行通訊，符合協(xié)議規(guī)范的SCOE設(shè)備能夠快速接入整個(gè)平臺(tái)，以應(yīng)對(duì)地面設(shè)備變化帶來的整星研制進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

智能化測試是未來衛(wèi)星地面和在軌綜合測試的發(fā)展方向，衛(wèi)星智能測試是傳統(tǒng)衛(wèi)星測試與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和人工智能的有機(jī)融合。北斗導(dǎo)航全球組網(wǎng)衛(wèi)星多星分布式智能綜合測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了批生產(chǎn)衛(wèi)星并行測試，集中監(jiān)控管理，性能較強(qiáng)的數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和事后分析的功能，提升了測試過程中的自動(dòng)化程度，減少了人員的投入，降低了生產(chǎn)測試成本，提高了測試的效率和完整性，有效支撐了北斗全球組網(wǎng)的建設(shè)。