于思博，咸競天，吳 瑾，鄭家寧，張 寧

(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春 130033)

空間光學載荷在空間偵查、探測中起著至關重要的作用.空間光學載荷通常由多種類、多功能的電子設備及數(shù)據(jù)管理和通信系統(tǒng)組成［1-3］，為確保性能，空間光學載荷從研制到正式發(fā)射，通常需要經(jīng)過電接口測試、桌面聯(lián)試、電性測試、力學試驗測試、熱真空試驗驗證、電磁兼容性測試、發(fā)射場區(qū)技術測試等多次仿真測試［4-6］.空間光學載荷各分系統(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)調及各計算機軟件系統(tǒng)運行的正確性、可靠性等都需要進行測試.只有通過全面系統(tǒng)測試，充分暴露空間光學載荷設計和生產(chǎn)的工藝缺陷，發(fā)現(xiàn)設備及軟件的缺陷，才能保障空間光學載荷達到設計要求的生命周期［7］.根據(jù)空間光學載荷研制流程，各分系統(tǒng)第1次對接測試為電接口測試，為保證空間光學載荷電接口信號的統(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］.當空間光學載荷的成像單元數(shù)量較多時，直接使用真實的成像單元參與空間光學載荷電接口聯(lián)試存在空間光學載荷主體與各成像單元之間接口不一致、通信協(xié)議錯誤等問題，且使聯(lián)試時間變得十分漫長.因此，在空間光學載荷的電接口測試階段，首先需要測試空間光學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，返回遙測參數(shù)、科學圖像數(shù)據(jù)，形成完整的閉環(huán)測試.本文建立的成像單元模型仿真測試設備利用仿真測試的方法對載荷主體電接口性能進行測試，不受硬件條件制約.通過對空間光學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、工作模式以及對應的功率進行建模仿真，實現(xiàn)對空間光學載荷電接口的完整閉環(huán)測試.

圖1 空間光學載荷電接口測試原理Fig.1 Principle of space optical load electrical interface test

1 測試設備組成及測試原理

空間光學載荷電接口測試原理見圖1.空間光學載荷測試系統(tǒng)由被測單元和成像單元仿真系統(tǒng)兩部分組成.該系統(tǒng)通過后端模型仿真機箱模擬真實的后端設備電接口狀態(tài)，并對空間光學載荷的電接口功能和通信鏈路進行測試.成像單元仿真系統(tǒng)通過對空間光學載荷發(fā)出的1553B數(shù)據(jù)和程控指令等進行解析［9-10］，控制各后端機箱的工作狀態(tài)，并根據(jù)當前工作模式控制功率仿真裝置的功率大小，模擬出真實后端設備接收到空間光學載荷指令時的工況.

成像單元模型仿真測試設備主要包括數(shù)據(jù)庫服務器、主控臺計算機、后端模型仿真計算機、功率模擬設備、圖像模擬源等.主控臺計算機中的軟件部分由C#編寫，該軟件主要完成試驗配置、存儲ICD規(guī)則至數(shù)據(jù)庫服務器、注入數(shù)據(jù)、向成像單元仿真計算機發(fā)布XML等功能;后端模型仿真單元通過NI機箱與Labview編程實現(xiàn)，解析XML中的內容，獲得數(shù)據(jù)解析規(guī)則，完成數(shù)據(jù)的解析和傳遞［11］;功率模擬設備采用艾德克斯的可編程電子負載，該設備通過接收模型仿真計算機發(fā)送的指令，模擬不同工作模式下的后端模塊功率［12-14］;圖像模擬源通過計算機模擬生成圖像數(shù)據(jù)并將圖像發(fā)送給被測單元.空間光學載荷測試系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖見圖2.

在空間光學載荷電接口測試過程中，通過發(fā)送1553B數(shù)據(jù)指令、圖像數(shù)據(jù)等對空間光學載荷和各成像單元之間的通信、控制功能進行測試.通過主控臺計算機注入數(shù)據(jù)、模型仿真數(shù)據(jù)解析規(guī)則存儲和ICD管理，通過計算機對后端仿真系統(tǒng)解析出的參數(shù)進行判讀，通過空間光學載荷地面檢測設備中的快視系統(tǒng)對圖像數(shù)據(jù)進行拼接和判讀［15］.空間光學載荷主體聯(lián)試流程見圖3.

以成像單元端模塊為例詳述空間光學載荷測試原理.在測試開始之前，通過主控臺軟件將ICD規(guī)則存入數(shù)據(jù)庫中，并通過發(fā)布XML的方式，將數(shù)據(jù)解析規(guī)則發(fā)布給各后端機箱;測試開始時，首先由主控臺軟件發(fā)送母線電源和主控箱上電指令，然后注入壓縮存儲上電指令，并將電源遙測狀態(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)判讀終端通過解析各參數(shù)的狀態(tài)位判斷當前狀態(tài)，并給出判讀結果，然后注入成像單元上電指令，電源遙測狀態(tài)字1的bit1置1.完成成像單元上電動作，同時將電源控制發(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的功率值.通過數(shù)據(jù)判讀終端顯示當前電流、電壓和功率模擬裝置的功率值，并與參考值進行比較，完成對成像單元上電動作的判讀.

注入數(shù)據(jù)控制壓縮存儲開始執(zhí)行成像單元任務存儲，并控制圖像模擬源向壓縮存儲發(fā)送成像單元任務數(shù)據(jù)［16-18］，當壓縮存儲的文件計數(shù)值停止時，成像單元任務數(shù)據(jù)發(fā)送完畢.當注入下行通道打開指令時，壓縮存儲工作模式bit3置1，進入允許下行狀態(tài)，再次注入成像單元數(shù)據(jù)下行指令后，快視服務器將接收到壓縮存儲經(jīng)萬兆網(wǎng)下行的成像單元數(shù)據(jù).萬兆網(wǎng)下行包計數(shù)從零開始遞增，直至不再增長后，數(shù)據(jù)下行完畢.比較快視接收服務器的接收數(shù)據(jù)包計數(shù)與壓縮存儲下行數(shù)據(jù)包計數(shù)得到數(shù)據(jù)下行的判讀結論，最后注入下行通道關閉指令，工作模式指示bit3置0，壓縮存儲下電，電源遙測狀態(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 空間光學載荷主體聯(lián)試流程Fig.3 Joint test process of space optical load main body

2 仿真試驗及數(shù)據(jù)分析

測試空間光學載荷的電接口.通過模擬成像單元的電接口狀態(tài)和通信鏈路，對空間光學載荷的電接口功能和各成像單元之間的數(shù)據(jù)交互功能進行完整測試.通過模擬成像單元工況和解析指令后返傳的參數(shù)，對空間光學載荷測試數(shù)據(jù)進行判讀，形成完整的測試閉環(huán).測試過程中通過主控臺軟件按測試用例逐步注入測試指令，并判讀注入結果.測試用例見表1.

表1 空間光學載荷成像單元電接口測試用例Tab.1 Test case of space optical load imaging unit electrical interface

2.1 數(shù)字遙測量數(shù)據(jù)、工程參數(shù)測試

在成像單元模型仿真入網(wǎng)測試過程中，成像單元仿真系統(tǒng)接收主控單元發(fā)來的數(shù)字遙測量和工程參數(shù)，通過實測值與預期值比對，驗證電接口的正確性.成像單元仿真測試系統(tǒng)覆蓋了各個成像單元的所有數(shù)字遙測量.測試成像單元模塊數(shù)字遙測量數(shù)據(jù)見表2.

表2 成像單元數(shù)字遙測量數(shù)據(jù)Tab.2 Imaging unit digital telemetry data

2.2 模擬成像單元工作模式和功率測試

在成像單元模型仿真系統(tǒng)入網(wǎng)測試過程中，成像單元仿真計算機將主控單元發(fā)送的工作指令和消息進行解析，并為成像單元功率模擬裝置設定相應的工作模式，同時按照協(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

2.3 圖像數(shù)據(jù)傳輸測試

快視解壓縮服務器接收壓縮存儲下行的圖像數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行解壓，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，圖像模擬源將產(chǎn)生圖像信息，并通過光纖將數(shù)據(jù)傳送給壓縮存儲單元.由于圖像數(shù)據(jù)巨大，壓縮存儲采用先壓縮、再存儲的方式，將壓縮后的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)萬兆網(wǎng)發(fā)送至快視磁盤陣列中，隨后解壓縮服務器對磁盤陣列中的圖像數(shù)據(jù)進行解壓，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.為測試空間光學載荷圖像下傳接口的穩(wěn)定性，對成像單元圖像數(shù)據(jù)下行功能進行8 h壓力測試，每輪測試時長1 h.圖像快視系統(tǒng)接收的數(shù)據(jù)結果見表4.

表4 圖像快視系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)分析結果Tab.4 Analysis results of image quick view system receives data

3 結 論

為測試空間光學載荷電接口功能，同時避免因電接口不匹配、通信協(xié)議錯誤等問題損毀后端設備，設計了一種測試成像單元的通用仿真方法.通過對成像單元電接口、數(shù)據(jù)解析通信、功率模擬和圖像數(shù)傳功能的模擬和驗證，完整地對空間光學載荷主體電接口性能和通信鏈路進行測試，保證了空間光學載荷電接口的魯棒性，為后續(xù)試驗時成像單元入網(wǎng)提供了安全保障.同時，空間光學載荷在作為成像單元測試設備時具有更高的可靠性.試驗表明:本文設計的空間光學載荷主體電接口仿真測試方法有效地驗證了其電接口功能，為真實的成像單元入網(wǎng)提供了安全保障;同時，8 h圖像下傳測試無誤，證明空間光學載荷具有較強的魯棒性.