宋海橋， 胡建平

(中國電子科技集團公司第十研究所， 四川 成都 610036)

0 引 言

在衛(wèi)星發(fā)射后， 需利用在軌測試系統(tǒng)設(shè)備對衛(wèi)星天線、 轉(zhuǎn)發(fā)器、 信標(biāo)等有效載荷以及衛(wèi)星平臺進行功能和性能指標(biāo)在軌測試， 測試周期通常長達3～6個月[1]. 傳統(tǒng)在軌測試方法以手工操作為主， 且需要跨單位、 跨區(qū)域協(xié)調(diào)人員和設(shè)備參與測試， 值班人員測試任務(wù)重， 壓力大. 傳統(tǒng)在軌測試系統(tǒng)的測試站與衛(wèi)星地面站都同址建設(shè)， 使用測試電纜和波導(dǎo)構(gòu)建測試鏈路， 只適用于短距離機房建設(shè)的場景， 且大多測試站在完成在軌測試后就廢棄了， 存在建設(shè)成本高， 使用周期短的特點.

本文探討的在軌測試系統(tǒng)具有如下特點： ①目標(biāo)衛(wèi)星載荷類別9種含70多類測試項目， 其中包括10多項耗時長的穩(wěn)定度指標(biāo)， 多個測試項目需測試幾十個通道； ②為避免某轉(zhuǎn)發(fā)器測試信號與衛(wèi)星地面站天線場區(qū)內(nèi)其他S頻段測控系統(tǒng)發(fā)生干擾， 需本地衛(wèi)星地面站與異址建設(shè)的測試站聯(lián)合完成在軌測試任務(wù)； ③為延長設(shè)備使用壽命， 還要兼顧地面鏈路測試及任務(wù)頻譜監(jiān)視要求. 部分載荷的部分測試項目如表 1 所示.

表 1 部分載荷的部分測試項目列表Tab.1 Part test items list of some satellite payloads

本文探討了采用新測試方法進行異址群時延測量， 對光傳輸鏈路應(yīng)用進行了可行性驗證， 并應(yīng)用于在軌測試的微波信號傳輸； 設(shè)計了柔性測試網(wǎng)絡(luò)用于各階段的測試鏈路切換及并發(fā)測試要求； 進行了軟件架構(gòu)設(shè)計， 后端的服務(wù)端軟件采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)， 測試客戶端軟件采用平臺加插件的軟件架構(gòu)， 實現(xiàn)了設(shè)備可定義、 流程可定制、 測試項目可并發(fā)自動測試， 并有良好的可擴展性.

1 測試平臺組成及工作原理

本文在軌測試系統(tǒng)由測試鏈路、 切換網(wǎng)絡(luò)、 測試儀器、 計算機測試系統(tǒng)組成， 在衛(wèi)星地面站和測試站的配合下， 完成衛(wèi)星在軌測試和任務(wù)頻譜監(jiān)視等任務(wù)， 并兼顧對地面站射頻鏈路指標(biāo)測試， 其工作原理如圖 1 所示.

圖 1 在軌測試系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-orbit test system working principle

2 測試平臺硬件設(shè)計

2.1 異址在軌測試群時延測量方法設(shè)計

目前， 衛(wèi)星在軌測試中比較難于測量的參數(shù)主要為群時延. 群時延不僅決定了系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)信號傳輸時延的大小， 而且與信號傳輸失真性能密切相關(guān)， 是衛(wèi)星通信、 航天測控等系統(tǒng)的一項主要技術(shù)指標(biāo)[2].

群時延的傳統(tǒng)測量方法主要有： 直接相位測量、 轉(zhuǎn)換技術(shù)和包絡(luò)延遲[3]. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀多采用直接相位測量方法， 但需配套混頻器和振蕩器才能在變頻器上進行群延遲測量， 測試成本較高， 多用于地面鏈路指標(biāo)測試. 轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用范圍窄且計算復(fù)雜， 很少使用. 包絡(luò)延遲測試方法采用微波分析儀對在軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的群時延指標(biāo)進行測試， 將信息加載到一個載波上形成一定帶寬， 并解調(diào)計算當(dāng)插入被測設(shè)備后有多少信息被延遲， 從而得出群時延指標(biāo)[4].

由于衛(wèi)星群時延測量的信號發(fā)端和接收端分別部署在相距數(shù)百公里的地面站和測試站， 采用基于FM調(diào)制的矢量信號源+頻譜儀+示波器的測量， 或采用微波分析儀/矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量的測試方法等等， 都要求用同一臺測試儀器產(chǎn)生和接收測試信號， 無法滿足異址測試要求. 本文采用矢量信號源和矢量頻譜儀(添加群時延選件)異地部署的多載波群時延測量方案， 利用矢量信號源可按需進行等孔徑設(shè)置， 產(chǎn)生等幅度多音信號， 經(jīng)星地鏈路后， 利用測量前已校準(zhǔn)的矢量頻譜儀接收下行信號， 可直接基于接收信號測量出各頻點群時延.

2.2 光傳輸鏈路設(shè)計及可行性驗證

2.2.1 光傳輸鏈路設(shè)計

為兼顧不同階段指標(biāo)測試要求， 測試儀器及測試鏈路部署有如下2種方案：

傳統(tǒng)方案： 在測試站塔基房、 衛(wèi)星地面站高頻房、 設(shè)備機房分別部署矢量信號源和矢量頻譜儀， 機房間采用波導(dǎo)進行傳輸， 根據(jù)機房間距離在波導(dǎo)傳輸鏈路中增加一級或兩級放大器. 方案特點： ①存在結(jié)構(gòu)設(shè)計壓力大、 中間級放大器遠距離供電有安全隱患、 放大器工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致性能不穩(wěn)定影響測量精度等缺點； ②需多點部署測試儀器， 測試儀器需求多.

本方案： 在設(shè)備機房部署矢量信號源和矢量頻譜儀， 設(shè)備機房與塔基房、 高頻房間通過模擬光傳輸鏈路進行信號傳輸. 方案特點： ①光傳輸具有長距離傳輸衰減小、 信號傳輸性能穩(wěn)定、 引入測量誤差小、 電磁兼容性好等性能， 能動態(tài)適應(yīng)機房距離布局； ②設(shè)備機房部署一套測試儀器， 可靈活構(gòu)建測試網(wǎng)絡(luò)滿足不同階段的測試要求.

光纖傳輸有數(shù)字傳輸和模擬傳輸2種方式， 模擬傳輸有非線性失真小、 系統(tǒng)成本低的特點. 本文采用光模擬傳輸方式代替波導(dǎo)傳輸?shù)募夹g(shù)方案實現(xiàn)了S/Ka頻段信號傳輸. 時頻、 時鐘類信號在通過光纖傳輸時需要對光傳輸設(shè)備進行性能優(yōu)化、 同步校正等處理， 目前已有成熟的設(shè)計方案和產(chǎn)品[5].

2.2.2 可行性驗證

微波光傳輸鏈路設(shè)備已廣泛應(yīng)用于數(shù)傳/測控信號傳輸和測控系統(tǒng)自動化測試鏈路， 但業(yè)界對光傳輸是否會影響在軌測試的群時延和相噪指標(biāo)測量結(jié)果尚有質(zhì)疑. 本文進行了單純使用光傳輸鏈路、 單純使用模擬轉(zhuǎn)發(fā)器、 光傳輸鏈路+模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的群時延指標(biāo)比對測試， 并對光傳輸鏈路進行了相噪指標(biāo)測試， 與目標(biāo)載荷的相噪指標(biāo)進行了對比， 結(jié)果表明其可以滿足在軌測試要求.

a) 群時延指標(biāo)比對測試

使用光端機(帶長度大于50 m光纖)作為測試鏈路設(shè)備， 衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器作為被測對象， 德國RS儀器公司的SMW200A型信號源和FSW43型頻譜分析儀作為測量儀器.

光端機收發(fā)模組(含光纖)和衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器分別測量群時延特性， 測量結(jié)果如圖 2 所示.

(a) 光端機收發(fā)模組

在衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器連接光端機收發(fā)模組(含光纖)條件下， 群時延測量結(jié)果如圖 3 所示.

使用光傳輸鏈路設(shè)備接入模擬轉(zhuǎn)發(fā)器， 對基于光傳輸?shù)脑谲墱y試鏈路驗證. 驗證實驗表明， 基于光傳輸?shù)亩噍d波群時延測量值≤0.3 ns， 對在軌測試精度不引入附加影響， 可以滿足測量精度1 ns的測量要求.

圖 3 光端機+衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器群時延測量結(jié)果Fig.3 Group delay time test result of satellite simulate transponders and optical transmission link of 30 GHz and 20 GHz frequency point

b) 相噪指標(biāo)測試

考慮到光傳輸鏈路可能會對傳輸信號的噪底產(chǎn)生附加影響， 故需要評估其相噪性能是否會惡化衛(wèi)星載荷相噪指標(biāo)， 影響指標(biāo)測試結(jié)果. 本文采用傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行光傳輸設(shè)備的相噪等指標(biāo)測試， 地面光傳輸鏈路相噪測量結(jié)果如圖 4 所示.

(a) 30 GHz

比較測試結(jié)果和載荷指標(biāo)要求可知， 模擬光端傳輸鏈路相噪指標(biāo)比衛(wèi)星載荷的相噪指標(biāo)低約20 dB， 可見光傳輸鏈路相噪不會影響衛(wèi)星載荷的相噪指標(biāo)測量.

2.3 柔性測試網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

測試網(wǎng)絡(luò)設(shè)計首先要求確定測試接口和測試儀器的配置和性能， 并考慮測試鏈路的信號電平分配， 確保發(fā)射信號滿足信號飽和點測試條件， 接收信號電平在頻譜儀的測量范圍內(nèi). 為了同時滿足在軌測試和地面鏈路測試的要求， 各鏈路的測試接口設(shè)計如圖 5 所示， 需覆蓋到所有的上行和下行鏈路， 并確保所有射頻測試接口都能連接到前端的射頻開關(guān)矩陣， 中頻測試接口連接到后端的測試開關(guān)矩陣.

圖 5 在軌測試系統(tǒng)的測試接口設(shè)計

在進行指標(biāo)測試前， 在信號發(fā)端需要完成地面發(fā)射鏈路的校準(zhǔn)和發(fā)射信號的測量， 在信號接收端需完成接收鏈路的校準(zhǔn)和接收信號測量. 不同指標(biāo)的測試方法參照衛(wèi)星有效載荷在軌測試方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行測試， 如三階交調(diào)測試時， 可根據(jù)需要由矢量信號源發(fā)雙音信號， 或由矢量信號源和射頻信號源同時發(fā)上行信號， 功率計用于發(fā)射信號功率測量和接收信號功率校準(zhǔn).

射頻測試信號通過射頻測試鏈路逐一連接到前端的射頻開關(guān)矩陣， 經(jīng)光傳輸鏈路連接到后端開關(guān)矩陣， 中頻信號接口連接到后端開關(guān)矩陣， 從而滿足設(shè)備機房測試儀器對所有測試接口的信號注入或測量要求， 測試鏈路設(shè)計如圖 6 所示， 完整覆蓋在軌測試、 地面鏈路指標(biāo)測試、 任務(wù)頻譜監(jiān)視的測試鏈路切換要求， 通過開關(guān)矩陣預(yù)留測試儀器備份接口， 支持補充測試儀器增加通道并發(fā)測試的能力.

圖 6 在軌測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

3 測試平臺軟件架構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)代自動測試系統(tǒng)的發(fā)展方向是標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化和系列化， 而標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù)和軟件技術(shù)是實現(xiàn)這“三化”的關(guān)鍵技術(shù)[6]. 比較成熟的自動化測試平臺一般采用插件開發(fā)框架， 使系統(tǒng)開發(fā)具有更強的可擴展性； 插件是可獨立完成某個或一系列功能的模塊， 插件之間通過統(tǒng)一的接口即規(guī)范式的接口進行組合， 形成一個完整的系統(tǒng)[7].

計算機測試系統(tǒng)軟件由服務(wù)端軟件和測試客戶端軟件組成. 服務(wù)端軟件采用面向服務(wù)體系架構(gòu)(SOA)， 實現(xiàn)服務(wù)之間的松耦合， 且服務(wù)間接口通信不涉及到底層編程接口和通信模型， 可通過xml文件動態(tài)定義儀器設(shè)備. 測試客戶端軟件采用通用平臺+插件架構(gòu)， 主要功能如下所述.

通用平臺的主要功能如下：

1) 實現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)、 核心的功能， 例如動態(tài)數(shù)據(jù)處理、 日志服務(wù)等；

2) 自動加載、 運行、 管理各個插件模塊的功能；

3) 通過服務(wù)或事件的方式實現(xiàn)插件間的通信， 切斷了模塊之間的耦合， 插件開發(fā)時具體業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)不大， 所有的軟件配置項都是在該軟件架構(gòu)基礎(chǔ)上， 開發(fā)各種業(yè)務(wù)功能插件；

4) 插件支持熱插拔功能， 支持不關(guān)閉軟件的條件下實現(xiàn)功能的擴展及升級. 提供可視化界面對插件進行管理.

插件的要求如下：

1) 各種功能模塊和顯示界面模塊都是以插件的形式存在；

2) 插件必須遵循插件開發(fā)規(guī)范， 并以接口形式對外提供服務(wù).

計算機測試系統(tǒng)采用分層式體系架構(gòu)， 如圖 7 所示. 應(yīng)用層提供一體化界面展現(xiàn)， 并支持插件式動態(tài)加載； 業(yè)務(wù)服務(wù)層提供各類業(yè)務(wù)服務(wù)， 且服務(wù)可擴展， 并支持任務(wù)流程定制和自動化調(diào)度； 平臺服務(wù)層提供基礎(chǔ)服務(wù)支撐， 基礎(chǔ)設(shè)施層提供系統(tǒng)運行必需的硬件基礎(chǔ). 系統(tǒng)可通過xml文件動態(tài)配置儀器設(shè)備， 定制并行流程， 提供并行測試擴展能力.

圖 7 計算機測試系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Software hiberarchy figure of compute test system

4 在軌測試流程

傳統(tǒng)在軌測試任務(wù)通常是通過手動配置方式進行測試， 本系統(tǒng)可支持自動化流程執(zhí)行在軌測試任務(wù). 需要中心統(tǒng)一下發(fā)測試任務(wù)計劃， 并由上級監(jiān)控下發(fā)任務(wù)， 在衛(wèi)星地面站和測試站的配合下完成測試， 系統(tǒng)測試任務(wù)自動化運行流程如圖 8 所示. 由于每個指標(biāo)的測試方法各有差異， 鏈路配置和具體測試流程會有差異， 可通過測試項目編號實現(xiàn)與測試流程的對應(yīng)綁定， 并需先完成地面鏈路校準(zhǔn)再進行指標(biāo)測量. 不同測試項目的測試方法不同， 而具體測試方法已有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)， 且相對成熟[8-10]， 限于篇幅不再展開描述.

圖 8 在軌測試任務(wù)自動化運行流程圖

5 結(jié) 論

本文探討了利用矢量信號源與矢量頻譜儀進行異址群時延測量的測試方法， 提出了在在軌測試系統(tǒng)中應(yīng)用模擬光傳輸鏈路替代傳統(tǒng)波導(dǎo)傳輸鏈路的設(shè)計思路， 并通過可行性試驗驗證這一方法可有效提升測試鏈路的信號穩(wěn)定性和傳輸安全性， 可適應(yīng)天線端與設(shè)備機房的距離變化； 設(shè)計了一種柔性測試網(wǎng)絡(luò)， 可滿足一套測試儀器同時進行在軌測試、 地面鏈路測試和任務(wù)頻譜監(jiān)視的多任務(wù)、 多模式自動化測試需求； 提出了面向服務(wù)的服務(wù)端軟件設(shè)計和平臺+插件的應(yīng)用端軟件架構(gòu)， 可支持基于xml定義儀器設(shè)備、 系統(tǒng)流程定制、 多任務(wù)并行測試等能力， 提升了測試效率， 并具有良好的擴展性. 本文提出的設(shè)計思路及測試方法具有良好的測試性能和工程實用性， 可為多類衛(wèi)星在軌測試或衛(wèi)星地面站的收發(fā)鏈路指標(biāo)測試提供設(shè)計參考.