蔡遠(yuǎn)文,程 龍,辛朝軍,劉黨輝,李 巖,張 宇,解維奇

(1.航天工程大學(xué) 研究生院，北京 101416；2.航天工程大學(xué) 宇航科學(xué)與技術(shù)系，北京 101416)

0 引言

航天工程在政治、經(jīng)濟(jì)、社會方面影響巨大，是綜合國力的重要體現(xiàn)。測試是航天工程項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)保證，它以航天產(chǎn)品為對象，開展?fàn)顟B(tài)、功能等測量與檢查，并依據(jù)工程目標(biāo)給出分析結(jié)果。

航天裝備測試貫穿于航天產(chǎn)品研制、試驗(yàn)鑒定、發(fā)射前準(zhǔn)備、在軌運(yùn)行與回收全過程，其重要作用體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1)對航天產(chǎn)品性能和可靠性進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)并排除故障，尤其是發(fā)射前測試是否全面準(zhǔn)確，直接關(guān)系到發(fā)射任務(wù)的成功與否。

2)對測試信息尤其是關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測和快速分析，是航天工程指揮決策的重要依托。

3)測試所得的大量數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，可為航天產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計與研制改進(jìn)提供原始依據(jù)。

由于航天工程投入和影響巨大，實(shí)施進(jìn)度控制嚴(yán)格，測試信號種類繁多，測試流程復(fù)雜，航天裝備測試技術(shù)面臨高時效性、高可靠性、高環(huán)境適應(yīng)性等要求，主要存在四方面的挑戰(zhàn)：

1)航天裝備測試技術(shù)要“快”。確保測試數(shù)據(jù)獲取快、傳輸快、分析處理快，縮短測試時間，以不斷提高產(chǎn)品研制和縮短發(fā)射周期；

2)航天裝備測試技術(shù)要“全”。確保航天產(chǎn)品的各類電量、非電量信號的同步全面采集，對數(shù)據(jù)格式、判讀要求各異的海量測試信息進(jìn)行綜合處理分析；

3)航天裝備測試技術(shù)要“穩(wěn)”。確保測試自身的高可靠性，為航天產(chǎn)品全壽命運(yùn)用提供全程穩(wěn)定的檢測分析服務(wù)；

4)航天裝備測試技術(shù)要“準(zhǔn)”。確保在各類不同信號測試需求下，保證不同的精度要求，滿足產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計改進(jìn)和任務(wù)指揮決策要求。

全球各航天強(qiáng)國和技術(shù)實(shí)體都高度關(guān)注航天裝備測試技術(shù)的可靠性和高效性，積極開展測試新體系、新技術(shù)的探索應(yīng)用[1-6]。我國早已進(jìn)入了高密度航天發(fā)射時期，多種新型號運(yùn)載器和航天器的研制試驗(yàn)任務(wù)密集，測試工作量與日俱增、需求不斷拓展。

本文從航天裝備測試技術(shù)在航天任務(wù)全過程中的需求出發(fā)，分析其重要性及面臨的挑戰(zhàn)，立足電氣系統(tǒng)測試國內(nèi)外現(xiàn)狀對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行分析梳理，并提出航天裝備測試工作未來發(fā)展的思考與建議。

1 航天裝備測試現(xiàn)狀

1.1 國外航天裝備測試現(xiàn)狀

全世界范圍來看，航天裝備測試技術(shù)和測試系統(tǒng)最重要的進(jìn)步可以概括為“三化”——即通用化、信息化和智能化。

1)通用化：

國外航天裝備測試主要思路是采用貨架式商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行組合與適應(yīng)性開發(fā)，在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的指導(dǎo)下，盡可能使用通用硬件平臺和可重用的軟件模塊。

肯尼迪航天中心的兩個發(fā)射工位和火箭總裝廠房，均采用通用信號調(diào)理放大器加VME總線設(shè)備的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集；在各類運(yùn)載器、航天器的測試中基于VXI、PXI等總線的通用設(shè)備均有使用，這些硬件多與LabVIEW軟件相結(jié)合構(gòu)建功能通用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。俄羅斯、歐空局、日本等主要航天國家或組織也大都采用類似測試架構(gòu)[7-10]。

2)信息化：

在采用上述通用化測試架構(gòu)的基礎(chǔ)上，航天裝備測試系統(tǒng)圍繞測試信息處理構(gòu)建測試體系，實(shí)現(xiàn)了將測試工作重心從以往的前端數(shù)據(jù)采集到后方信息綜合分析利用的轉(zhuǎn)移，充分利用新型現(xiàn)代信息技術(shù)完成了測試信息的判讀、故障診斷等工作。

美國獵鷹9運(yùn)載火箭的測試系統(tǒng)中，系統(tǒng)核心為測試與飛行數(shù)據(jù)評估中心。航天發(fā)射任務(wù)中，測試系統(tǒng)在3個不同地點(diǎn)的測試中，均要將數(shù)據(jù)匯集于數(shù)據(jù)評估中心完成處理，再將結(jié)果反饋于各系統(tǒng)，如圖1所示[11]。

圖1 美國獵鷹9火箭測試系統(tǒng)與流程圖

此外，美國陸軍的夸賈林導(dǎo)彈靶場、空軍的東/西試驗(yàn)靶場，歐空局法屬圭亞那航天中心以及日本Epsilon火箭發(fā)射系統(tǒng)先后研究了運(yùn)載火箭測試信息的處理方法，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭測試信息的自動處理。尤其是日本在Epsilon火箭測試中，提出了移動測試發(fā)射控制的概念，借助箭載測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測試信息處理前移的同時，借助網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了測試發(fā)射的遠(yuǎn)程控制[12]。

3)智能化：

運(yùn)用深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析等智能方法實(shí)現(xiàn)高效測試，也是當(dāng)前航天裝備測試領(lǐng)域取得的一個重要進(jìn)展。日本Epsilon火箭建立了一套動態(tài)數(shù)據(jù)的趨勢評估系統(tǒng)，將歷次呈現(xiàn)良好狀態(tài)的波形數(shù)據(jù)確定為正常數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)庫中，采用模式識別技術(shù)，將評估對象與正常數(shù)據(jù)進(jìn)行核對，確定“正?！边€是“異常”[12-13]。

美國、歐空局也先后對航天運(yùn)載器測試信息的處理方法進(jìn)行了智能化改造。一方面，是基于人工智能技術(shù)構(gòu)建了相應(yīng)的測試信息自動判讀系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測試信息的智能化處理與故障診斷。如，美國NASA在地面測試系統(tǒng)中運(yùn)用基于專家系統(tǒng)的故障診斷隔離與恢復(fù)技術(shù)，將原有的人工數(shù)據(jù)分析轉(zhuǎn)變?yōu)闇y試系統(tǒng)的智能自動分析，將上述技術(shù)集成于新型號火箭設(shè)計中后，大幅提升了測試過程的自主程度[14-15]。

智能化發(fā)展的另一個重要途徑是測試與被測對象融為一體的智能化機(jī)內(nèi)測試(BIT)技術(shù)，就是將數(shù)據(jù)融合等智能理論應(yīng)用于BIT的設(shè)計、測試、診斷、修復(fù)等方面，提升BIT綜合效能。如，NASA運(yùn)用BIT理念研制了一種將設(shè)備集成于被測對象的器件級電子裝配維修系統(tǒng)，適合于航天器在軌故障的診斷和排除。

1.2 國內(nèi)航天裝備測試現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國成功研制了多代多類型航天裝備自動化測試系統(tǒng)，形成了以計算機(jī)控制為中樞的自動化測試體系，逐步探索出以信息處理應(yīng)用為主旨的智能化發(fā)展方向。主要表現(xiàn)在以下方面：

1)形成了航天裝備測試體系的通用化發(fā)展共識，測試方法不斷完善：

根據(jù)運(yùn)載器和航天器測試的共性要求，優(yōu)化了航天裝備測試體制，在部分型號的分系統(tǒng)測試中實(shí)現(xiàn)了硬件靈活增減、軟件按需調(diào)整的柔性配置；初步形成了基于總線技術(shù)的通用化測試體系[16-17]。

航天東方紅有限公司設(shè)計的有效載荷自動化測試系統(tǒng)，具備高內(nèi)聚、低耦合的特點(diǎn)，提高了測試準(zhǔn)確性[18]。上海微小衛(wèi)星工程中心提出的批量衛(wèi)星流水線自動化測試系統(tǒng)，優(yōu)化了衛(wèi)星總裝、集成與試驗(yàn)工作流程，提升了衛(wèi)星自動化測試效率[19]。航天工程大學(xué)提出了基于標(biāo)準(zhǔn)總線的通用航天裝備測試系統(tǒng)總體構(gòu)架，研發(fā)的通用化運(yùn)載火箭測試產(chǎn)品配置于我國四大發(fā)射場，常態(tài)化參加航天發(fā)射任務(wù)，覆蓋了我國4個系列11型號在役主力火箭。

2)開展測試一體化集成化設(shè)計，多功能多模式協(xié)同不斷優(yōu)化：

測試系統(tǒng)采用一體化設(shè)計，開展電測信號分類集成測試，從而具備了信號采集、發(fā)控配電、判讀分析等功能，優(yōu)化了測試系統(tǒng)整體效率。如，航天工程大學(xué)研發(fā)的遠(yuǎn)征上面級測發(fā)控系統(tǒng)，提出了基于協(xié)同控制的多卡多類信號綜合采集測試方法，集測試、發(fā)控功能于一體，測發(fā)效率顯著提升[20]。

測試模式上，采用內(nèi)部外部測試兼容的集成模式，積極探索機(jī)內(nèi)測試(Built-in Test)、無線測試等方法。航天科技集團(tuán)、科工集團(tuán)均開展了無線測試技術(shù)攻關(guān)，提出了基于遠(yuǎn)控裝置的無線測發(fā)方案。

3)拓展了以軟件功能為重點(diǎn)的測試控制思路，綜合處理多類型異構(gòu)測試信息：

利用軟件自適應(yīng)控制測試進(jìn)程，動態(tài)變換測試控制參數(shù)，可提高航天裝備測試數(shù)據(jù)綜合處理效率，實(shí)現(xiàn)測試信息的快速自動判讀。

國內(nèi)多家科研院所提出了基于知識庫、歷史數(shù)據(jù)包絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的航天裝備測試數(shù)據(jù)處理方法[21-25]。航天工程大學(xué)研發(fā)的通用化測試系統(tǒng)，設(shè)計了基于軟件的變頻率存儲和多類型數(shù)據(jù)自動判讀方法，判讀效率得到大幅度提高。

總之，目前我國航天裝備測試技術(shù)和系統(tǒng)基本能夠滿足特定型號任務(wù)需求，但也存在一定挑戰(zhàn)和難題。首先是通用化測試標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺，專用航天裝備測試系統(tǒng)類型繁多，測試系統(tǒng)設(shè)計協(xié)調(diào)面廣，國產(chǎn)化軟硬件應(yīng)用不夠廣泛。其次，是測試有效性有待加強(qiáng)，存在“過測試”帶來的測試效率低、保障需求高等問題，以及“欠測試”帶來的測試覆蓋性、可信性不足等問題。再次，是測試信息管理效率有待提升，海量異構(gòu)數(shù)據(jù)共存，利用率不高，大數(shù)據(jù)、云計算平臺應(yīng)用不夠深入。最后，是測試新技術(shù)應(yīng)用偏于保守，測試信息分析、應(yīng)用模式有待拓展，智能化技術(shù)應(yīng)用不夠廣泛，故障溯源及決策支持水平有待提升。

2 航天裝備測試技術(shù)的發(fā)展趨勢

未來航天裝備測試技術(shù)的發(fā)展，一定是在以測試數(shù)據(jù)為中心的基礎(chǔ)上，融入人工智能技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)等在新科技革命中閃耀著光輝的新技術(shù)，建成會學(xué)習(xí)、有經(jīng)驗(yàn)、高效率的測試體系，研發(fā)可在復(fù)雜情況下自主應(yīng)對突發(fā)、疑難故障的聰慧型測試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對被測對象的快速、準(zhǔn)確、全面、可靠測試。

2.1 基于先進(jìn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高效全面檢測

對被測對象全方位的有效測試數(shù)據(jù)獲取，是測試能力提升的基礎(chǔ)，而先進(jìn)傳感網(wǎng)絡(luò)、嵌入式傳感器以及非接觸測量技術(shù)的發(fā)展，可為測試數(shù)據(jù)的全面充分獲取提供技術(shù)基礎(chǔ)。

低耗能、小尺寸，并可以安裝在表面或嵌入內(nèi)部的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)[13]，將會越來越多的把神經(jīng)末梢深入到航天產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)中，和航天產(chǎn)品融為一體，更全面、更持久的從多個維度獲取測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測試覆蓋的大幅度提升，也可以為未來航天產(chǎn)品的重復(fù)使用提供便利、可靠的檢測手段。先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò)，將成為未來智能化航天產(chǎn)品的主要技術(shù)途徑。例如，光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、應(yīng)力、加速度等100余種參量的測量，并能便利地實(shí)現(xiàn)單根光纖間隔1 cm的高密度網(wǎng)絡(luò)化分布，克服傳統(tǒng)傳感網(wǎng)絡(luò)體積大、重量大、線纜多、易受電磁干擾的不足，具有很強(qiáng)的航天應(yīng)用優(yōu)勢，有望成為下一代航天系統(tǒng)健康監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)核心。

2.2 基于云技術(shù)和邊緣計算的測試信息融合利用

隨著數(shù)據(jù)獲取手段的提升，航天裝備測試將會獲得大量測試數(shù)據(jù)，僅單個測試系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)量將可達(dá)1 Tbps量級，這些數(shù)據(jù)具有異構(gòu)、非標(biāo)準(zhǔn)、多來源、海量等特點(diǎn)。由于航天任務(wù)的特殊性，判斷與處置的時機(jī)往往稍縱即逝，從而要求測試系統(tǒng)能夠提供快速甚至實(shí)時準(zhǔn)確的判讀結(jié)果以輔助決策，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一可靠的存儲以備不時之需。

具備強(qiáng)大計算能力的云測試系統(tǒng)，通過構(gòu)建共享資源池，可以提升測試系統(tǒng)大數(shù)據(jù)計算能力，支持測試操作人員在任意位置測試操作[26-27]，而多點(diǎn)備份的儲存方式，也保證了測試數(shù)據(jù)的高可靠性。但如果將所有測試數(shù)據(jù)短時間內(nèi)快速傳輸給云計算中心，網(wǎng)絡(luò)則可能產(chǎn)生擁堵，也可能影響數(shù)據(jù)的保密性，難以滿足航天裝備測試高實(shí)時性的要求。

基于邊緣計算的測試中，計算和存儲資源可部署在邊緣上(邊緣服務(wù)器或終端被測設(shè)備)，從而可以進(jìn)行本地的數(shù)據(jù)采集，就近進(jìn)行數(shù)據(jù)的即時處理，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)處理帶來的時間延遲。這種分布式測試方法，可以分散云中心的數(shù)據(jù)處理壓力、減輕網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，使云端應(yīng)用程序更高效快速的運(yùn)行。其中，由云中心對測試任務(wù)進(jìn)行總體統(tǒng)籌，負(fù)責(zé)長周期測試數(shù)據(jù)的處理與決策，并將大數(shù)據(jù)分析結(jié)果下發(fā)至邊緣處。邊緣計算著眼于實(shí)時、短周期測試數(shù)據(jù)的分析處理，為云端提供預(yù)處理后的測試數(shù)據(jù)，支持云端數(shù)據(jù)分析。邊緣計算與云計算互相協(xié)同，彼此優(yōu)化互補(bǔ)。

2020年，百度公司在北京試驗(yàn)的Apollo無人汽車服務(wù)就是云技術(shù)和邊緣計算結(jié)合的一個典型應(yīng)用[28]。

2.3 融合大數(shù)據(jù)與人工智能的健康管理技術(shù)

航天產(chǎn)品的健康管理技術(shù)，主要利用測試數(shù)據(jù)進(jìn)行健康狀態(tài)的監(jiān)測、故障的診斷與趨勢預(yù)測，以及設(shè)備壽命預(yù)測等，是未來航天裝備測試技術(shù)發(fā)展的主要方向之一[29-31]。目前的健康管理技術(shù)，尚只能簡單的根據(jù)已知判據(jù)，例如閾值，進(jìn)行故障診斷，而難以進(jìn)行故障的預(yù)測以及對未知故障的診斷。

提升自主學(xué)習(xí)能力，是提高健康管理系統(tǒng)對故障的監(jiān)測、診斷與預(yù)測能力的關(guān)鍵途徑[32-35]?；跀?shù)據(jù)的健康管理技術(shù)主要是根據(jù)系統(tǒng)的輸出與故障之間的聯(lián)系，對被測對象的測量信號進(jìn)行分析處理，判斷故障并定位。這種方法在理論上是完備的，但其診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性直接依賴于測試數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

然而，由于航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工作過程的復(fù)雜性，故障表現(xiàn)形式各異，在故障模式不清晰不全面的情況下，健康管理系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)對航天產(chǎn)品故障的準(zhǔn)確預(yù)測、診斷和定位。故障數(shù)據(jù)小樣本與模型訓(xùn)練需求大樣本之間的矛盾，有望通過結(jié)合大數(shù)據(jù)的人工智能技術(shù)來解決。

生成對抗網(wǎng)絡(luò)方法是當(dāng)前人工智能技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點(diǎn)，借助這一方法，將有望解決故障數(shù)據(jù)缺乏的問題，如圖2所示[36]。

圖2 生成對抗網(wǎng)絡(luò)方法概念圖

首先，通過大量的正常測試數(shù)據(jù)對智能網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,得到正常數(shù)據(jù)的分布特征。然后，生成與正常數(shù)據(jù)分布差異最大的分布，作為故障數(shù)據(jù)的分布特征，也就是利用大量的正常數(shù)據(jù)，反向訓(xùn)練，生成大量的故障數(shù)據(jù)，解決故障數(shù)據(jù)不足的問題。最后，按照試驗(yàn)確定判據(jù)，就可以從實(shí)際測試數(shù)據(jù)中精確檢測出故障數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對測試異常數(shù)據(jù)的精確檢測。

可以看出，在大數(shù)據(jù)、云技術(shù)以及人工智能技術(shù)的支持下，有望解決欠測試和過測試的不足，有效提升測試覆蓋性，增強(qiáng)系統(tǒng)應(yīng)對突發(fā)新型故障的能力，保障航天裝備測試的全面、穩(wěn)定、可靠。

3 思考與建議

通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢的分析梳理，我國在航天裝備測試領(lǐng)域需要盡快開展以下幾方面的工作。

1)盡快統(tǒng)一航天裝備測試體系和測試標(biāo)準(zhǔn)：

遵循測發(fā)控一體化設(shè)計規(guī)范，構(gòu)建通用測試體系架構(gòu)，加強(qiáng)前端邊緣計算和后端云計算測試體系設(shè)計，制定航天裝備測試的行業(yè)或國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，提升航天產(chǎn)品各階段測試結(jié)果統(tǒng)一性和可信性。

2)積極研究采用先進(jìn)的無線測試技術(shù)：

萬物互聯(lián)是未來發(fā)展趨勢，充分利用先進(jìn)的無線傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、無線遠(yuǎn)控技術(shù)等，借助無線廣域網(wǎng)、高速5G等網(wǎng)絡(luò)，簡化測試接口，減少線纜布設(shè)，降低測試保障要求，提高測試效率。

3)大力推進(jìn)航天裝備測試智能技術(shù)應(yīng)用研究：

為提高航天裝備測試的智能化，就必須加大前端測試信息的采集量，多方面發(fā)展基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的測試技術(shù)。在BIT測試信息的基礎(chǔ)上建立故障模型，是進(jìn)行智能故障診斷、健康管理的基礎(chǔ)；發(fā)展人工智能的多源信息融合技術(shù)，可以有效提取測試數(shù)據(jù)的特征信息；發(fā)展人工智能的測試數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理分析技術(shù)，可以快速發(fā)現(xiàn)并識別復(fù)雜故障現(xiàn)象背后的故障機(jī)理，滿足未來的智能一鍵測試、自主測試、并行測試等多種測試任務(wù)需求。

4)加快航天裝備測試大數(shù)據(jù)中心和測試技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)：

加快構(gòu)建航天裝備測試大數(shù)據(jù)中心建設(shè)，共享數(shù)據(jù)資源，開展數(shù)據(jù)挖掘研究，是提高航天裝備測試效益的必經(jīng)之路。同時，加快航天發(fā)射測試測控自動化技術(shù)創(chuàng)新中心建設(shè)，加強(qiáng)運(yùn)載器測試發(fā)控自主管理與智能決策新技術(shù)研發(fā)平臺、運(yùn)載器和航天器集成健康管理系統(tǒng)等建設(shè)，也是提升航天裝備測試技術(shù)水平進(jìn)步的有力手段。

5)堅定不移發(fā)展國產(chǎn)化航天裝備測試系統(tǒng)：

當(dāng)前，航天裝備測試系統(tǒng)部分傳感器、數(shù)據(jù)采集、核心控制器等器件國內(nèi)沒有替代品，國產(chǎn)操作系統(tǒng)配套的高性能采集模塊底層驅(qū)動缺乏，為確保在航天裝備測試領(lǐng)域不被國外卡脖子，需要針對相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)重點(diǎn)攻關(guān)，堅持走國產(chǎn)化、自主化發(fā)展之路。

4 結(jié)束語

近年來，我國在探月工程、深空探測、空間站建設(shè)等各個航天工程項(xiàng)目中不斷取得突破和發(fā)展，航天裝備測試技術(shù)在其中發(fā)揮了重要作用，未來，航天發(fā)射和各項(xiàng)建設(shè)任務(wù)會更繁重。為進(jìn)一步提升我國航天裝備測試的高效性和可靠性，保障各項(xiàng)航天工程項(xiàng)目順利推進(jìn)，在航天裝備測試新體系、新技術(shù)方面仍需要開展更多更深入的研究。