于思博,咸競(jìng)天,吳 瑾,鄭家寧,張 寧
(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林長(zhǎng)春 130033)
空間光學(xué)載荷在空間偵查、探測(cè)中起著至關(guān)重要的作用.空間光學(xué)載荷通常由多種類、多功能的電子設(shè)備及數(shù)據(jù)管理和通信系統(tǒng)組成[1-3],為確保性能,空間光學(xué)載荷從研制到正式發(fā)射,通常需要經(jīng)過(guò)電接口測(cè)試、桌面聯(lián)試、電性測(cè)試、力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試、熱真空試驗(yàn)驗(yàn)證、電磁兼容性測(cè)試、發(fā)射場(chǎng)區(qū)技術(shù)測(cè)試等多次仿真測(cè)試[4-6].空間光學(xué)載荷各分系統(tǒng)主要性能和功能的合理性,分系統(tǒng)的電接口正確性,以及分系統(tǒng)間合理協(xié)調(diào)及各計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)運(yùn)行的正確性、可靠性等都需要進(jìn)行測(cè)試.只有通過(guò)全面系統(tǒng)測(cè)試,充分暴露空間光學(xué)載荷設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的工藝缺陷,發(fā)現(xiàn)設(shè)備及軟件的缺陷,才能保障空間光學(xué)載荷達(dá)到設(shè)計(jì)要求的生命周期[7].根據(jù)空間光學(xué)載荷研制流程,各分系統(tǒng)第1次對(duì)接測(cè)試為電接口測(cè)試,為保證空間光學(xué)載荷電接口信號(hào)的統(tǒng)一性,各成像單元雖功能不同,但大多采用相同的硬件接口和通信協(xié)議[8].當(dāng)空間光學(xué)載荷的成像單元數(shù)量較多時(shí),直接使用真實(shí)的成像單元參與空間光學(xué)載荷電接口聯(lián)試存在空間光學(xué)載荷主體與各成像單元之間接口不一致、通信協(xié)議錯(cuò)誤等問(wèn)題,且使聯(lián)試時(shí)間變得十分漫長(zhǎng).因此,在空間光學(xué)載荷的電接口測(cè)試階段,首先需要測(cè)試空間光學(xué)載荷主體電接口功能的完整性和魯棒性.為此,本文提出采用仿真建模的方法模擬成像單元的電接口功能、性能,參與載荷主體的聯(lián)網(wǎng)測(cè)試,模擬成像單元工作模式、功率,接收載荷主體的供電、命令和注入指令,返回遙測(cè)參數(shù)、科學(xué)圖像數(shù)據(jù),形成完整的閉環(huán)測(cè)試.本文建立的成像單元模型仿真測(cè)試設(shè)備利用仿真測(cè)試的方法對(duì)載荷主體電接口性能進(jìn)行測(cè)試,不受硬件條件制約.通過(guò)對(duì)空間光學(xué)載荷主體與各成像單元之間的通信、圖像數(shù)據(jù)交換功能、工作模式以及對(duì)應(yīng)的功率進(jìn)行建模仿真,實(shí)現(xiàn)對(duì)空間光學(xué)載荷電接口的完整閉環(huán)測(cè)試.
圖1 空間光學(xué)載荷電接口測(cè)試原理Fig.1 Principle of space optical load electrical interface test
空間光學(xué)載荷電接口測(cè)試原理見(jiàn)圖1.空間光學(xué)載荷測(cè)試系統(tǒng)由被測(cè)單元和成像單元仿真系統(tǒng)兩部分組成.該系統(tǒng)通過(guò)后端模型仿真機(jī)箱模擬真實(shí)的后端設(shè)備電接口狀態(tài),并對(duì)空間光學(xué)載荷的電接口功能和通信鏈路進(jìn)行測(cè)試.成像單元仿真系統(tǒng)通過(guò)對(duì)空間光學(xué)載荷發(fā)出的1553B數(shù)據(jù)和程控指令等進(jìn)行解析[9-10],控制各后端機(jī)箱的工作狀態(tài),并根據(jù)當(dāng)前工作模式控制功率仿真裝置的功率大小,模擬出真實(shí)后端設(shè)備接收到空間光學(xué)載荷指令時(shí)的工況.
成像單元模型仿真測(cè)試設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、主控臺(tái)計(jì)算機(jī)、后端模型仿真計(jì)算機(jī)、功率模擬設(shè)備、圖像模擬源等.主控臺(tái)計(jì)算機(jī)中的軟件部分由C#編寫(xiě),該軟件主要完成試驗(yàn)配置、存儲(chǔ)ICD規(guī)則至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、注入數(shù)據(jù)、向成像單元仿真計(jì)算機(jī)發(fā)布XML等功能;后端模型仿真單元通過(guò)NI機(jī)箱與Labview編程實(shí)現(xiàn),解析XML中的內(nèi)容,獲得數(shù)據(jù)解析規(guī)則,完成數(shù)據(jù)的解析和傳遞[11];功率模擬設(shè)備采用艾德克斯的可編程電子負(fù)載,該設(shè)備通過(guò)接收模型仿真計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令,模擬不同工作模式下的后端模塊功率[12-14];圖像模擬源通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬生成圖像數(shù)據(jù)并將圖像發(fā)送給被測(cè)單元.空間光學(xué)載荷測(cè)試系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見(jiàn)圖2.
在空間光學(xué)載荷電接口測(cè)試過(guò)程中,通過(guò)發(fā)送1553B數(shù)據(jù)指令、圖像數(shù)據(jù)等對(duì)空間光學(xué)載荷和各成像單元之間的通信、控制功能進(jìn)行測(cè)試.通過(guò)主控臺(tái)計(jì)算機(jī)注入數(shù)據(jù)、模型仿真數(shù)據(jù)解析規(guī)則存儲(chǔ)和ICD管理,通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)后端仿真系統(tǒng)解析出的參數(shù)進(jìn)行判讀,通過(guò)空間光學(xué)載荷地面檢測(cè)設(shè)備中的快視系統(tǒng)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和判讀[15].空間光學(xué)載荷主體聯(lián)試流程見(jiàn)圖3.
以成像單元端模塊為例詳述空間光學(xué)載荷測(cè)試原理.在測(cè)試開(kāi)始之前,通過(guò)主控臺(tái)軟件將ICD規(guī)則存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,并通過(guò)發(fā)布XML的方式,將數(shù)據(jù)解析規(guī)則發(fā)布給各后端機(jī)箱;測(cè)試開(kāi)始時(shí),首先由主控臺(tái)軟件發(fā)送母線電源和主控箱上電指令,然后注入壓縮存儲(chǔ)上電指令,并將電源遙測(cè)狀態(tài)字3的bit9置1,電源控制發(fā)送狀態(tài)3的bit13置1.數(shù)據(jù)判讀終端通過(guò)解析各參數(shù)的狀態(tài)位判斷當(dāng)前狀態(tài),并給出判讀結(jié)果,然后注入成像單元上電指令,電源遙測(cè)狀態(tài)字1的bit1置1.完成成像單元上電動(dòng)作,同時(shí)將電源控制發(fā)送狀態(tài)1的bit15置1.成像單元仿真系統(tǒng)向功率模擬裝置發(fā)送上電指令,控制其模擬成像單元上電時(shí)的功率值.通過(guò)數(shù)據(jù)判讀終端顯示當(dāng)前電流、電壓和功率模擬裝置的功率值,并與參考值進(jìn)行比較,完成對(duì)成像單元上電動(dòng)作的判讀.
注入數(shù)據(jù)控制壓縮存儲(chǔ)開(kāi)始執(zhí)行成像單元任務(wù)存儲(chǔ),并控制圖像模擬源向壓縮存儲(chǔ)發(fā)送成像單元任務(wù)數(shù)據(jù)[16-18],當(dāng)壓縮存儲(chǔ)的文件計(jì)數(shù)值停止時(shí),成像單元任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢.當(dāng)注入下行通道打開(kāi)指令時(shí),壓縮存儲(chǔ)工作模式bit3置1,進(jìn)入允許下行狀態(tài),再次注入成像單元數(shù)據(jù)下行指令后,快視服務(wù)器將接收到壓縮存儲(chǔ)經(jīng)萬(wàn)兆網(wǎng)下行的成像單元數(shù)據(jù).萬(wàn)兆網(wǎng)下行包計(jì)數(shù)從零開(kāi)始遞增,直至不再增長(zhǎng)后,數(shù)據(jù)下行完畢.比較快視接收服務(wù)器的接收數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)與壓縮存儲(chǔ)下行數(shù)據(jù)包計(jì)數(shù)得到數(shù)據(jù)下行的判讀結(jié)論,最后注入下行通道關(guān)閉指令,工作模式指示bit3置0,壓縮存儲(chǔ)下電,電源遙測(cè)狀態(tài)字3的bit9置0,電源控制發(fā)送狀態(tài)3的bit13置0,母線和主控下電,母線電壓、電流為0.
圖3 空間光學(xué)載荷主體聯(lián)試流程Fig.3 Joint test process of space optical load main body
測(cè)試空間光學(xué)載荷的電接口.通過(guò)模擬成像單元的電接口狀態(tài)和通信鏈路,對(duì)空間光學(xué)載荷的電接口功能和各成像單元之間的數(shù)據(jù)交互功能進(jìn)行完整測(cè)試.通過(guò)模擬成像單元工況和解析指令后返傳的參數(shù),對(duì)空間光學(xué)載荷測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀,形成完整的測(cè)試閉環(huán).測(cè)試過(guò)程中通過(guò)主控臺(tái)軟件按測(cè)試用例逐步注入測(cè)試指令,并判讀注入結(jié)果.測(cè)試用例見(jiàn)表1.
表1 空間光學(xué)載荷成像單元電接口測(cè)試用例Tab.1 Test case of space optical load imaging unit electrical interface
在成像單元模型仿真入網(wǎng)測(cè)試過(guò)程中,成像單元仿真系統(tǒng)接收主控單元發(fā)來(lái)的數(shù)字遙測(cè)量和工程參數(shù),通過(guò)實(shí)測(cè)值與預(yù)期值比對(duì),驗(yàn)證電接口的正確性.成像單元仿真測(cè)試系統(tǒng)覆蓋了各個(gè)成像單元的所有數(shù)字遙測(cè)量.測(cè)試成像單元模塊數(shù)字遙測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.
表2 成像單元數(shù)字遙測(cè)量數(shù)據(jù)Tab.2 Imaging unit digital telemetry data
在成像單元模型仿真系統(tǒng)入網(wǎng)測(cè)試過(guò)程中,成像單元仿真計(jì)算機(jī)將主控單元發(fā)送的工作指令和消息進(jìn)行解析,并為成像單元功率模擬裝置設(shè)定相應(yīng)的工作模式,同時(shí)按照協(xié)議規(guī)則控制功率模擬裝置的電流大小,使功率模擬裝置消耗相應(yīng)功率.成像單元功率模擬裝置采用艾德克斯IT8816可編程電子負(fù)載,最大電壓120 V,最大電流240 A,最大功率3 000 W.成像單元功率模擬裝置實(shí)現(xiàn)了成像單元全部工作模式的功率模擬,各模塊工作模式及功率見(jiàn)表3.
表3 成像單元的工作模式及功率模擬Tab.3 Working mode and power simulation of the imaging unit
快視解壓縮服務(wù)器接收壓縮存儲(chǔ)下行的圖像數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓,解壓完成后將數(shù)據(jù)發(fā)送給快視圖像監(jiān)顯終端,通過(guò)圖像監(jiān)顯軟件顯示圖像數(shù)據(jù).成像單元模型仿真收到圖像模擬源發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)指令時(shí),圖像模擬源將產(chǎn)生圖像信息,并通過(guò)光纖將數(shù)據(jù)傳送給壓縮存儲(chǔ)單元.由于圖像數(shù)據(jù)巨大,壓縮存儲(chǔ)采用先壓縮、再存儲(chǔ)的方式,將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)萬(wàn)兆網(wǎng)發(fā)送至快視磁盤(pán)陣列中,隨后解壓縮服務(wù)器對(duì)磁盤(pán)陣列中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓,使得圖像模擬源發(fā)送的圖像顯示在快視監(jiān)顯終端界面上.為測(cè)試空間光學(xué)載荷圖像下傳接口的穩(wěn)定性,對(duì)成像單元圖像數(shù)據(jù)下行功能進(jìn)行8 h壓力測(cè)試,每輪測(cè)試時(shí)長(zhǎng)1 h.圖像快視系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表4.
表4 圖像快視系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)分析結(jié)果Tab.4 Analysis results of image quick view system receives data
為測(cè)試空間光學(xué)載荷電接口功能,同時(shí)避免因電接口不匹配、通信協(xié)議錯(cuò)誤等問(wèn)題損毀后端設(shè)備,設(shè)計(jì)了一種測(cè)試成像單元的通用仿真方法.通過(guò)對(duì)成像單元電接口、數(shù)據(jù)解析通信、功率模擬和圖像數(shù)傳功能的模擬和驗(yàn)證,完整地對(duì)空間光學(xué)載荷主體電接口性能和通信鏈路進(jìn)行測(cè)試,保證了空間光學(xué)載荷電接口的魯棒性,為后續(xù)試驗(yàn)時(shí)成像單元入網(wǎng)提供了安全保障.同時(shí),空間光學(xué)載荷在作為成像單元測(cè)試設(shè)備時(shí)具有更高的可靠性.試驗(yàn)表明:本文設(shè)計(jì)的空間光學(xué)載荷主體電接口仿真測(cè)試方法有效地驗(yàn)證了其電接口功能,為真實(shí)的成像單元入網(wǎng)提供了安全保障;同時(shí),8 h圖像下傳測(cè)試無(wú)誤,證明空間光學(xué)載荷具有較強(qiáng)的魯棒性.