徐 凡

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036)

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的日益強(qiáng)盛，航天事業(yè)也步入一個(gè)飛速發(fā)展的黃金期，各類衛(wèi)星包括微小衛(wèi)星的研發(fā)和應(yīng)用不斷推陳出新，作為配套測(cè)試衛(wèi)星載荷的地面測(cè)試系統(tǒng)也面臨新的挑戰(zhàn)。美國(guó)早在2007年就提出了快速響應(yīng)空間(ORS)的概念，其中就重點(diǎn)明確指出快速響應(yīng)衛(wèi)星(有效載荷)要具備快速測(cè)試能力[1]。近些年我國(guó)發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量也呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)，衛(wèi)星生產(chǎn)流程不斷精益優(yōu)化，研制周期隨之縮短。衛(wèi)星載荷作為衛(wèi)星的主要功能載體，從開始研發(fā)到最終裝備，經(jīng)歷各種嚴(yán)格而全面的地面電性能測(cè)試[2-3]和在軌測(cè)試，其中地面測(cè)試階段的電性能測(cè)試具有測(cè)試組合態(tài)多、測(cè)試階段多、測(cè)試項(xiàng)目多、測(cè)試用例多和測(cè)試結(jié)果比對(duì)多的“五多”特點(diǎn)，在整個(gè)衛(wèi)星載荷的研發(fā)周期中占據(jù)大量時(shí)間，對(duì)衛(wèi)星載荷關(guān)鍵功能和性能指標(biāo)測(cè)試和驗(yàn)證起到至關(guān)重要的作用。

目前，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星載荷地面電性能測(cè)試主要以人工測(cè)試為主，只在部分地方引入了自動(dòng)測(cè)試[4-11]，導(dǎo)致載荷測(cè)試效率依舊低下。同時(shí)由于不同衛(wèi)星載荷功能和接口變換多樣，導(dǎo)致適配的地面測(cè)試系統(tǒng)[12-15]開發(fā)難度大，復(fù)用程度不高。本文通過(guò)梳理衛(wèi)星載荷與衛(wèi)星平臺(tái)[16-17]的接口關(guān)系、地面常規(guī)測(cè)試流程和測(cè)試內(nèi)容要求，采用常規(guī)通用信號(hào)源、定制信號(hào)模擬設(shè)備、載荷接口適配器[18-20]、計(jì)算機(jī)和以太網(wǎng)交換機(jī)，建立了一種衛(wèi)星載荷地面測(cè)試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，開發(fā)測(cè)試平臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制和管理，最大程度實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星載荷的全流程自動(dòng)化測(cè)試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

某型衛(wèi)星載荷功能在同類衛(wèi)星載荷產(chǎn)品中較具代表性，其地面測(cè)試依據(jù)交付前后分為系統(tǒng)測(cè)試階段和整星測(cè)試階段，2個(gè)階段測(cè)試矩陣均圍繞性能指標(biāo)測(cè)試項(xiàng)開展設(shè)計(jì)，測(cè)試項(xiàng)目上存在重疊，系統(tǒng)測(cè)試項(xiàng)目更加細(xì)致和繁多。設(shè)計(jì)載荷地面測(cè)試系統(tǒng)的目的是既能在交付前方便、快捷地對(duì)衛(wèi)星載荷各類組成單機(jī)和分系統(tǒng)的性能指標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，又能在交付后的整星測(cè)試中，通過(guò)修改地面測(cè)試系統(tǒng)配置，快速適應(yīng)整星測(cè)試環(huán)境，配合整星測(cè)試平臺(tái)完成載荷性能指標(biāo)的自動(dòng)測(cè)試。

1.1 測(cè)試系統(tǒng)原理

衛(wèi)星載荷地面測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。對(duì)衛(wèi)星載荷進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先由中心控制計(jì)算機(jī)輸出信號(hào)控制參數(shù)至測(cè)試儀器，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)送至衛(wèi)星載荷，然后星務(wù)模擬計(jì)算機(jī)輸出指令和任務(wù)包到衛(wèi)星載荷，引導(dǎo)衛(wèi)星載荷執(zhí)行測(cè)試任務(wù)，星地、星間數(shù)傳模擬接收設(shè)備接收載荷下發(fā)的結(jié)果數(shù)據(jù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送至地面處理終端，地面處理終端對(duì)載荷結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、解析、分析和統(tǒng)計(jì)，生成測(cè)試結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫(kù)。本地面測(cè)試系統(tǒng)的核心在于載荷接口適配器的集成設(shè)計(jì)和基于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的全流程自動(dòng)化測(cè)試軟件平臺(tái)的構(gòu)建、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

圖1 衛(wèi)星載荷地面測(cè)試系統(tǒng)組成

1.2 載荷接口適配器設(shè)計(jì)

載荷接口適配器統(tǒng)一集成了與衛(wèi)星載荷接口緊密聯(lián)系且支撐載荷正常工作的多種功能單元模塊，組成如圖2所示。根據(jù)衛(wèi)星載荷所處的不同測(cè)試階段，載荷接口適配器可靈活配備不同數(shù)量的接口板、數(shù)傳接收板，構(gòu)成不同的測(cè)試功能載體，滿足不同測(cè)試需要。

圖2 載荷接口適配器組成

1.2.1 接口板設(shè)計(jì)

接口板上集成了與衛(wèi)星載荷相關(guān)的大量通用控制接口，如圖3所示。同步接口PPS的輸入源可選擇外部輸入源或內(nèi)部時(shí)鐘，通過(guò)FPGA對(duì)輸入的PPS進(jìn)行分路，并同時(shí)通過(guò)串口輸出一路軟件同步信號(hào)，用做保障地面測(cè)試系統(tǒng)的控制時(shí)鐘和衛(wèi)星載荷的工作時(shí)鐘嚴(yán)格同步，適用于對(duì)時(shí)統(tǒng)要求特別嚴(yán)格的星座組網(wǎng)類載荷。OC接口符合一般的OC門電路接口要求，最低下拉電平可以低至0.2 V。

圖3 接口板設(shè)計(jì)

1.2.2 數(shù)傳接收板設(shè)計(jì)

數(shù)傳接收板上設(shè)計(jì)了兩類數(shù)據(jù)接收接口，如圖4所示。數(shù)據(jù)接收卡中的單向2路數(shù)傳通道實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星載荷下發(fā)的各類數(shù)據(jù)，通道位寬(1X2X4X8X)可根據(jù)被測(cè)試衛(wèi)星載荷的實(shí)際設(shè)計(jì)靈活配置。為適應(yīng)不同載荷輸出數(shù)據(jù)流的速率，設(shè)計(jì)了2種不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式：通過(guò)PCI-e接口存于主控板上的SSD固態(tài)硬盤方式，適用于載荷數(shù)據(jù)流速率小于2 Gbps，當(dāng)數(shù)據(jù)流速率大于2 Gbps，可直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)傳接收卡上的256 GB的FLASH陣列上，等待數(shù)據(jù)接收完畢之后，轉(zhuǎn)儲(chǔ)至主控板SSD硬盤上。數(shù)傳轉(zhuǎn)發(fā)卡具備載荷數(shù)據(jù)接收、緩存并轉(zhuǎn)發(fā)的功能，可滿足星座組網(wǎng)類載荷星間數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試需要。

圖4 數(shù)傳接收板設(shè)計(jì)

1.3 地面測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

地面測(cè)試軟件以通用衛(wèi)星載荷測(cè)試硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫(kù)為中心，輔以各種配套軟件保證整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的有機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，地面測(cè)試軟件的組成如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星載荷地面測(cè)試軟件組成

1.3.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地面測(cè)試主控軟件根據(jù)層次結(jié)構(gòu)劃分，采用3層架構(gòu)設(shè)計(jì)，即應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和I/O層，層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。應(yīng)用層向測(cè)試人員或用戶展示各種界面，測(cè)試人員或用戶通過(guò)界面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，并通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試人員或用戶的各種操作，包括測(cè)試指令編輯、測(cè)試腳本編輯等、載荷任務(wù)管理、測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)和出具報(bào)表等，同時(shí)還負(fù)責(zé)維護(hù)登錄數(shù)據(jù)庫(kù)的用戶權(quán)限；業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，包括解析測(cè)試指令邏輯、腳本邏輯、載荷任務(wù)管理邏輯；I/O層封裝了通用測(cè)試儀器、定制類測(cè)試儀器設(shè)備及各類測(cè)試資源的接口驅(qū)動(dòng)、載荷接口適配器接口、載荷接口和數(shù)據(jù)庫(kù)的接口操作。

圖6 衛(wèi)星載荷地面測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)

1.3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)是載荷地面測(cè)試系統(tǒng)能夠維持有序運(yùn)行的核心，存儲(chǔ)了載荷地面測(cè)試系統(tǒng)的計(jì)劃任務(wù)數(shù)據(jù)、儀器控制參數(shù)、測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行日志、載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)、載荷測(cè)試原始數(shù)據(jù)、終端處理結(jié)果數(shù)據(jù)等。測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)為地面測(cè)試系統(tǒng)中所有其他軟件提供數(shù)據(jù)支持和數(shù)據(jù)交換服務(wù)，測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)與各軟件間數(shù)據(jù)信息流情況如圖7所示。

圖7 測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)信息流

1.3.3 自動(dòng)測(cè)試設(shè)計(jì)

載荷地面測(cè)試系統(tǒng)可以調(diào)用預(yù)先存儲(chǔ)在測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)里的單個(gè)或多個(gè)測(cè)試計(jì)劃，根據(jù)載荷測(cè)試的通用流程和測(cè)試要求，編排并生成測(cè)試指令序列，測(cè)試指令序列是對(duì)本次測(cè)試過(guò)程載荷狀態(tài)切換、設(shè)置，同時(shí)包含了對(duì)載荷任務(wù)模式參數(shù)設(shè)置包和儀器設(shè)置參數(shù)包的調(diào)用信息與執(zhí)行過(guò)程，通過(guò)有序控制不同的設(shè)備，自動(dòng)完成測(cè)試流程。同一個(gè)測(cè)試計(jì)劃內(nèi)可以包含不同的測(cè)試任務(wù)，多個(gè)測(cè)試計(jì)劃通過(guò)指令編排，可以依次自動(dòng)順序或多次執(zhí)行。自動(dòng)測(cè)試流程如圖8所示。

圖8 自動(dòng)測(cè)試流程

2 應(yīng)用結(jié)果與分析

按照上述設(shè)計(jì)方案，完成了衛(wèi)星載荷地面測(cè)試系統(tǒng)的通用化設(shè)計(jì)。根據(jù)載荷測(cè)試系統(tǒng)組成搭建測(cè)試環(huán)境，對(duì)載荷進(jìn)行測(cè)試，其主要工作步驟如下：

① 測(cè)試前準(zhǔn)備：依據(jù)測(cè)試要求，利用地面測(cè)試軟件對(duì)載荷測(cè)試項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試任務(wù)分解，生成載荷任務(wù)模式參數(shù)設(shè)置包、儀器設(shè)置參數(shù)包和測(cè)試指令序列，并將載荷任務(wù)模式參數(shù)設(shè)置包和儀器設(shè)置參數(shù)包存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

② 測(cè)試計(jì)劃自動(dòng)執(zhí)行：載入已編輯完畢的測(cè)試指令序列(包含單個(gè)或多個(gè)測(cè)試項(xiàng))，以儀器設(shè)置參數(shù)包為執(zhí)行主線，以時(shí)間為觸發(fā)條件，根據(jù)不同的測(cè)試項(xiàng)，輸出相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)，從而引導(dǎo)載荷執(zhí)行測(cè)試任務(wù)，形成測(cè)試數(shù)據(jù)。

③ 測(cè)試數(shù)據(jù)處理：地面測(cè)試軟件自動(dòng)監(jiān)測(cè)是否有新數(shù)據(jù)文件進(jìn)行生成，對(duì)新的數(shù)據(jù)文件解包、解析、處理及結(jié)果顯示，將測(cè)試結(jié)果寫入測(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)，并與被測(cè)試文件關(guān)聯(lián)，更新文件處理標(biāo)識(shí)，完成本次測(cè)試。同時(shí)，地面測(cè)試軟件具備對(duì)特定階段或某一時(shí)間段內(nèi)測(cè)試結(jié)果依據(jù)測(cè)試報(bào)告模板生成測(cè)試報(bào)表的功能，可以方便對(duì)載荷測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行一致性比對(duì)、完整性記錄。

對(duì)比某工程項(xiàng)目載荷應(yīng)用地面測(cè)試系統(tǒng)前后的測(cè)試情況，測(cè)試結(jié)果如表1所示。應(yīng)用地面測(cè)試系統(tǒng)后測(cè)試人員大幅減少，測(cè)試時(shí)間明顯縮短，出具測(cè)試報(bào)告環(huán)節(jié)節(jié)約了大量時(shí)間，測(cè)試效率顯著提升。

表1 地面測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用前后效果對(duì)比表

測(cè)試階段設(shè)備數(shù)量測(cè)試人員/人測(cè)試時(shí)間/天出具測(cè)試報(bào)告時(shí)間/h應(yīng)用前應(yīng)用后應(yīng)用前應(yīng)用后應(yīng)用前應(yīng)用后單機(jī)測(cè)試10臺(tái)×2套4121482分系統(tǒng)測(cè)試11臺(tái)×2套3231482

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著未來(lái)衛(wèi)星載荷項(xiàng)目的增多，地面測(cè)試系統(tǒng)作為衛(wèi)星載荷的配套服務(wù)設(shè)備，應(yīng)逐漸走向通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的道路。通用衛(wèi)星載荷地面測(cè)試系統(tǒng)能最大程度的滿足衛(wèi)星載荷測(cè)試的基本需求，同時(shí)通過(guò)少量的定制開發(fā)滿足不同任務(wù)載荷測(cè)試的具體要求，可達(dá)到加快載荷研制進(jìn)度、縮短載荷測(cè)試周期、提高載荷測(cè)試遍歷性的作用。該地面測(cè)試系統(tǒng)已獲得工程化應(yīng)用，效果良好，大大減少了載荷測(cè)試工作量，節(jié)省了寶貴的人力資源，測(cè)試效率得到質(zhì)的飛躍。本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星載荷地面測(cè)試系統(tǒng)可供同行從業(yè)者參考借鑒。