楊同智 閻 珺 劉廷玉 黨建成

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

目前衛(wèi)星可測試性、標(biāo)準(zhǔn)化水平還有待提升，衛(wèi)星測試主要還是依賴傳統(tǒng)的綜合測試模式，一顆正樣衛(wèi)星從電測試開始到衛(wèi)星出廠平均需要 8～10個(gè)月，在靶場的測試發(fā)射時(shí)間約為1.5～2個(gè)月，測試成為影響衛(wèi)星快速研制的重要因素。未來衛(wèi)星呈現(xiàn)批量化、低成本、快速研制的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的綜合測試模式已經(jīng)不適合批量衛(wèi)星研制需求，需要從設(shè)計(jì)的源頭出發(fā)，提升設(shè)計(jì)的可測試性，加強(qiáng)衛(wèi)星自測試設(shè)計(jì)，突破遙測遙控測試模式的局限，借鑒民用領(lǐng)域的批量測試經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)變綜合測試模式，提升衛(wèi)星的快速測試、快速維修與快速發(fā)射能力。本文參考民用汽車快速檢修的成功經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于總線調(diào)度的快檢系統(tǒng)，大大提高了衛(wèi)星自檢效率。

2 快檢原理

2.1 汽車快檢原理

傳統(tǒng)汽車總線主要分動(dòng)力和車身兩大塊，車身總線采用低速，動(dòng)力采用高速。汽車總線網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖1所示，網(wǎng)關(guān)是車內(nèi)總線中最重要的部件，不同總線網(wǎng)絡(luò)之間通信，全部依靠網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文。目前主流的汽車快速診斷方式是將車載自動(dòng)診斷系統(tǒng)(On Board Diagnostics，OBD)診斷盒接入網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)允許的情況下基本都能實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)各電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)的訪問和控制，不論是車身部分還是動(dòng)力部分[1]。

圖1 主流汽車電子總線網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.1 Schematic diagram of current automotive electronic bus network

汽車快速電檢通過OBD實(shí)現(xiàn)，為使汽車排放和驅(qū)動(dòng)性相關(guān)故障的診斷標(biāo)準(zhǔn)化，從1996年開始，凡在美國銷售的全部新車，其診斷儀器、故障編碼和檢測步驟必須相似，即符合OBD Ⅱ程序規(guī)定，我國自2007年開始，強(qiáng)制要求應(yīng)用OBD Ⅱ。OBD Ⅱ程序使得汽車故障診斷簡單而統(tǒng)一，OBD接口能在汽車運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)及車輛的其它功能模塊的工作狀況，如有發(fā)現(xiàn)工況異常，則根據(jù)特定的算法判斷出具體的故障，并以診斷故障代碼(DTC，Diagnostic Trouble Codes)的形式存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)器上。系統(tǒng)自診斷后得到的有用信息可以為車輛的維修和保養(yǎng)提供幫助，維修人員可以利用汽車原廠專用儀器讀取故障碼，從而可以對(duì)故障進(jìn)行快速定位，以便于對(duì)車輛的修理，減少人工診斷的時(shí)間[2]。

汽車快速測試通過OBD車載診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，工作組成如圖2所示，OBD系統(tǒng)包括各個(gè)ECU中的OBD硬件組件、ECU中的OBD軟件代碼、儀表盤上的故障指示部分、OBD測試接口與外接分析診斷設(shè)備組成[3]。通過OBD接口外接的故障分析診斷設(shè)備只是汽車快速檢驗(yàn)的一部分。在一個(gè)典型的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)軟件包中，OBD代碼占整個(gè)軟件內(nèi)容的一半，有超過150個(gè)可能的故障代碼。

圖2 車載故障診斷系統(tǒng)工作示意圖Fig.2 Vehicle on-board diagnosis system diagram

該系統(tǒng)利用硬件和軟件對(duì)與排放相關(guān)的功能和元器件的運(yùn)行狀況進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)控，監(jiān)控汽車是否尾氣超標(biāo)，一旦超標(biāo)，會(huì)馬上發(fā)出警示。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障指示燈(Malfunction Indicator Lamp, MIL)或檢查發(fā)動(dòng)機(jī)(Check Engine)警告燈會(huì)亮，同時(shí)動(dòng)力總成控制模塊(Power Control Module, PCM)將故障信息存入存儲(chǔ)器，通過一定的程序可以將故障碼經(jīng)由OBD接口從PCM 中讀出[4]。根據(jù)故障碼的提示，維修人員能迅速準(zhǔn)確地確定故障的性質(zhì)和部位。

2.2 衛(wèi)星快檢原理

通過分析汽車快速測試的設(shè)計(jì)架構(gòu)，得知汽車總線快速測試主要是依托汽車各個(gè)單元的自測試。各ECU單元產(chǎn)生故障代碼及相關(guān)數(shù)據(jù)，OBD接口外接測試設(shè)備發(fā)送測試序列激勵(lì)，解析故障代碼，分析總線數(shù)據(jù)，進(jìn)行故障診斷。

批量衛(wèi)星快檢主要面向硬件功能測試，不需再進(jìn)行軟件邏輯層面的檢查。衛(wèi)星硬件功能定期檢查主要采用“激勵(lì)—響應(yīng)”法。測試系統(tǒng)通過上下行通道進(jìn)行“激勵(lì)—響應(yīng)”閉環(huán)測試，實(shí)際響應(yīng)與預(yù)想結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，完成衛(wèi)星硬件功能快速檢查。充分應(yīng)用衛(wèi)星“內(nèi)建激勵(lì)—響應(yīng)”測試方式，比如載荷內(nèi)置基準(zhǔn)數(shù)據(jù)源，發(fā)送基準(zhǔn)數(shù)據(jù)至數(shù)傳分系統(tǒng)，將接收到的數(shù)傳數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，完成遙感數(shù)據(jù)鏈的硬件功能檢測；此外光學(xué)載荷內(nèi)置黑體、光源，電子載荷內(nèi)置自檢信號(hào)源、檢波電路，也可完成光路、電子微波組件性能的基本評(píng)估。

快速測試的技術(shù)核心是自測試[5]，參考汽車各個(gè)ECU中的OBD單元設(shè)計(jì)，建設(shè)衛(wèi)星總線各個(gè)終端的OBD功能模塊(至少包括OBD硬件模塊設(shè)計(jì)，OBD軟件層面的調(diào)度與診斷模型可交由總線快檢設(shè)備完成，減少星上OBD軟件代碼量)?？偩€快檢設(shè)備依托整星星載自測試(On Board Diagnosis,OBD)實(shí)現(xiàn)，衛(wèi)星各個(gè)總線終端集成了OBD硬件模塊，OBD軟件工作可由總線快檢設(shè)備完成。在總線快檢設(shè)備中設(shè)置了測試序列、分析模型、狀態(tài)評(píng)估與報(bào)告生成等模塊，將測試序列發(fā)送到被測終端OBD模塊，將被測終端OBD模塊的測試響應(yīng)反饋回總線快檢設(shè)備，總線快檢設(shè)備依據(jù)分析模型進(jìn)行故障診斷，完成衛(wèi)星狀態(tài)評(píng)估，自動(dòng)化生產(chǎn)測試報(bào)告[6]。

自測試設(shè)計(jì)應(yīng)從裝備的設(shè)計(jì)階段著手，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)劃分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)航線可更換單元(Line Replaceable Unit, LRU)之間的物理劃分，方便內(nèi)建自測試(Built-in Test, BIT)單元的設(shè)置，運(yùn)用信息流模型、多信號(hào)模型等方法建模分析系統(tǒng)的測試性設(shè)計(jì)，并通過故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effects and Criticism Analysis, FMECA)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用中的薄弱環(huán)節(jié)，改善系統(tǒng)的健壯性、測試性與維修性。

常用的多信號(hào)模型通過對(duì)系統(tǒng)的組件、信號(hào)、測試點(diǎn)之間關(guān)系進(jìn)行仿真建模，準(zhǔn)確反映了系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域，其模型核心要素如下：

(1)組件的有限集：F={f1,f2,…,fm}；

(2)信號(hào)集：FA={fa1,fa2,…,fak}；

(3)測試點(diǎn)集：TP={TP1,TP2,…,TPn}；

(4)有向圖：DG={F,TP,E}，表示系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系。

相應(yīng)的測試性分析設(shè)計(jì)工具如美國Qualtech Systems Inc.公司的TEAMS，它基于多信號(hào)模型，涵蓋了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、測試布局、測試流程、故障等信息，關(guān)聯(lián)分析各種故障、BIT、測試性缺陷與建議等信息，同時(shí)可以交互完成FMECA，形成測試性報(bào)告。此外還包括基于美國Aeronautical Radio Inc.公司信號(hào)流模型的系統(tǒng)可測試分析工具System Testability Analysis Tool、美國DETEX Systems, Inc.公司的混合診斷工具eXpress等。

自測試設(shè)計(jì)分配遵循逐級(jí)分配設(shè)計(jì)原則，完成大系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機(jī)、單板、功能組件的自測試設(shè)計(jì)分配。衛(wèi)星各類單機(jī)的功能組件組成按照類型可分為：核心數(shù)字電路、通信接口、傳感器、執(zhí)行器、輸入通道、輸出通道[7]。其組件測試類型與自測試方法如下:

(1)核心數(shù)字電路檢查：測試代碼比對(duì)、錯(cuò)誤檢測與糾正(Error Detection and Correction, EDAC)校驗(yàn)、看門狗、內(nèi)存(Random Access Memory, RAM)監(jiān)測等；

(2)通信接口檢查：回繞—自發(fā)自收比對(duì)、校驗(yàn)位、波形采集、長抱環(huán)等；

(3)傳感器檢查：基于測量信號(hào)之間的約束關(guān)系自檢，查找異常；

(4)執(zhí)行器檢查：比較仿真模型與實(shí)際執(zhí)行器響應(yīng)是否一致；

(5)輸入通道檢查：射頻上行激勵(lì)測試、基準(zhǔn)源測試，如將傳感器與后端調(diào)理采集電路斷開，傳感器接傳感器自測電路，調(diào)理電路接基準(zhǔn)源，查看響應(yīng)是否與預(yù)想一致；

(6)輸出通道檢查：射頻下行鏈路檢測、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)仿真比對(duì)法，如執(zhí)行驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)回采判斷，執(zhí)行器響應(yīng)與執(zhí)行模型仿真結(jié)果是否匹配；

單機(jī)各個(gè)功能組件的測試點(diǎn)選擇直接影響診斷策略與能力，應(yīng)基于系統(tǒng)層次分析并按照式(1)故障率加權(quán)分配方法進(jìn)行資源分配，故障率高、故障影響大的組件單元多分配測試資源。

(1)

式中：Pia——第i個(gè)單元的測試資源占有率；Psr——整體資源占用率；Ki——第i個(gè)單元的影響權(quán)重；λi——第i個(gè)單元的故障率。

測試點(diǎn)排布的優(yōu)選方法包括二元分裂法、信息熵法、相關(guān)矩陣分裂法等。二元分裂法類似折半搜索算法，利于快速定位問題，信息熵、相關(guān)矩陣在二元分裂法基礎(chǔ)上，考慮了組件的故障影響、信息模糊度等加權(quán)因素，進(jìn)一步優(yōu)化測點(diǎn)。

測試點(diǎn)集合應(yīng)具備完備性，應(yīng)在故障檢測率、檢測效率、故障定位能力與檢測資源代價(jià)之間權(quán)衡，達(dá)到近似最優(yōu)組合，通過測試點(diǎn)的合理分配與有效組織，形成覆蓋完備、冗余最優(yōu)的測試集。基于模型、信息流等方法，構(gòu)建故障診斷策略，以最少的測試時(shí)間、測試步驟及測點(diǎn)資源快速定位與隔離故障，提高系統(tǒng)的自診斷和外部診斷能力。

3 快檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汽車主用的控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)總線采用優(yōu)先級(jí)競爭控制機(jī)制，沒有主從單機(jī)之分，診斷設(shè)備通過OBD接口經(jīng)網(wǎng)關(guān)接入CAN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)定合適的優(yōu)先級(jí)即可參與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信，發(fā)送控制信號(hào)，采集需要的信息。衛(wèi)星常用的1553B總線采用總線控制器(Bus Controller,BC)與遠(yuǎn)程終端(Remote Terminal,RT)結(jié)合的主從機(jī)模式，總線調(diào)度由BC發(fā)動(dòng)。總線快檢設(shè)備作為BC，可以更好地進(jìn)行故障診斷，但需處理好中心計(jì)算機(jī)雙機(jī)均降級(jí)為RT和響應(yīng)快檢設(shè)備指令的問題，同時(shí)總線快檢設(shè)備也具備RT功能，可以用于中心計(jì)算機(jī)的功能測試。

如圖3所示，總線掛載的單機(jī)按照功能主要分為綜電、姿控、射頻(測控、數(shù)傳、中繼)、載荷、能源等，總線快檢設(shè)備采用集約化便攜式設(shè)計(jì)，應(yīng)用鋰電池供電，可支持3小時(shí)工作。

圖3 總線快檢工作示意圖Fig.3 Rapid test working diagram based on bus scheduling

如圖4，總線快檢設(shè)備發(fā)起測試會(huì)話，調(diào)度測試程序集，向目標(biāo)RT發(fā)送測試命令，目標(biāo)RT接收到測試命令后，將測試激勵(lì)信號(hào)發(fā)送至相應(yīng)執(zhí)行單元，執(zhí)行單元的測試響應(yīng)由目標(biāo)RT經(jīng)過總線發(fā)送回總線快檢設(shè)備?？偩€快檢設(shè)備根據(jù)判據(jù)、分析模型進(jìn)行故障診斷，評(píng)估各個(gè)總線單元硬件功能是否正常。

快檢系統(tǒng)在應(yīng)急快響類衛(wèi)星研制中起到了良好的技術(shù)保障作用，30分鐘內(nèi)即可完成衛(wèi)星內(nèi)部各單機(jī)間的通信接口與功能響應(yīng)檢查。而傳統(tǒng)的測控手段，則需要10小時(shí)以上才可完成。

圖4 測試程序集編輯與閉環(huán)執(zhí)行界面Fig.4 Software interface of test program set editor and closed loop executor

4 結(jié)束語

本衛(wèi)星快檢技術(shù)克服了傳統(tǒng)測控自檢模式效率低下的弊端，通過總線高速調(diào)度測試序列，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速檢修測試，滿足衛(wèi)星批量測試與應(yīng)急測試需求。后續(xù)將在測試點(diǎn)資源分配、自測試設(shè)計(jì)分析、測試序列組合優(yōu)化等方面進(jìn)一步展開研究。