趙欣 李鵬 梁巖里 宋宏江 吳偉 劉鶴 潘順良 應(yīng)鵬 刁偉鶴 儲(chǔ)海洋 呂偉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

由于航天器具有長(zhǎng)壽命、高可靠、高成本、高風(fēng)險(xiǎn)，以及一旦發(fā)射入軌難以維修等突出特點(diǎn)[1]，航天器測(cè)試成為航天器系統(tǒng)研制的關(guān)鍵一環(huán)，進(jìn)行航天器系統(tǒng)級(jí)電氣功能和性能指標(biāo)的全面驗(yàn)證，其結(jié)果是評(píng)價(jià)航天器研制質(zhì)量、完善設(shè)計(jì)或改進(jìn)工藝以及能否發(fā)射的重要依據(jù)[2]。目前，航天器研制模式已經(jīng)由單顆研制發(fā)展到多航天器批產(chǎn)并行、星座級(jí)研制、多艙段多器聯(lián)合驗(yàn)證[3]，呈現(xiàn)出“三多”的特點(diǎn)：一是新研技術(shù)、高難度技術(shù)、首次驗(yàn)證技術(shù)多；二是判讀準(zhǔn)確度、執(zhí)行目標(biāo)精度高，多艙多器狀態(tài)耦合多；三是批產(chǎn)并行多、數(shù)據(jù)復(fù)雜多、資源占用多，這些特點(diǎn)對(duì)高質(zhì)量、高效率、高效益完成測(cè)試任務(wù)提出了很高的要求。

面對(duì)航天器研制模式新特點(diǎn)，傳統(tǒng)航天器測(cè)試工作模式體現(xiàn)出一些不足：①傳統(tǒng)的單航天器獨(dú)占測(cè)試資源、單配一套測(cè)試隊(duì)伍的模式導(dǎo)致人力資源、軟硬件設(shè)備利用不足；②航天器高密度測(cè)試、發(fā)射需要在多地并行開(kāi)展工作，北京與發(fā)射場(chǎng)之間協(xié)同測(cè)試能力不足，數(shù)據(jù)共享性差，專(zhuān)家資源發(fā)揮不夠；③重大工程航天器測(cè)試模式復(fù)雜，設(shè)計(jì)-研制-測(cè)試-在軌各階段模型數(shù)據(jù)未得到有效的數(shù)字化傳遞，航天器測(cè)試知識(shí)和模型在不同航天器間未得到有效共享。本文針對(duì)以上問(wèn)題，調(diào)研國(guó)內(nèi)外企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成功案例和技術(shù)基礎(chǔ)，基于系統(tǒng)工程方法和數(shù)字化技術(shù)，提出了航天器測(cè)試數(shù)字化轉(zhuǎn)型的思路，適應(yīng)大型復(fù)雜航天器研制的發(fā)展要求，促進(jìn)航天器測(cè)試能力提升。

1 航天器測(cè)試數(shù)字化轉(zhuǎn)型思路

數(shù)字化轉(zhuǎn)型核心是打造以用戶(hù)為中心的數(shù)據(jù)閉環(huán)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)能夠形成從采集處理、分析到最后決策支持的數(shù)據(jù)閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)客戶(hù)需求驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)實(shí)踐的新業(yè)務(wù)模式[4]。目前云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、人工智能、加密算法、分布式統(tǒng)籌等方式眾多，借鑒企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的成功案例，結(jié)合航天器測(cè)試工作實(shí)際和急需解決的問(wèn)題，形成航天器測(cè)試數(shù)字化轉(zhuǎn)型的解決方案。

國(guó)外企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型緊隨數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，2013年，SpaceX公司通過(guò)當(dāng)時(shí)最新的數(shù)字化工具和產(chǎn)品：如體感控制器軟件Leap Motion、虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)軟件Siemens NX等，經(jīng)過(guò)改良應(yīng)用，在航天產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、測(cè)試、運(yùn)營(yíng)中建立“數(shù)字孿生”的工作模式，通過(guò)數(shù)字化生產(chǎn)方式解決了傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中緩慢的方案流程和昂貴的改動(dòng)成本[5]。美國(guó)太空軍2021年開(kāi)始建設(shè)全數(shù)字化軍種，采用新型虛擬云系統(tǒng)技術(shù)，為軍事設(shè)備總裝和測(cè)試、運(yùn)營(yíng)的各環(huán)節(jié)提供項(xiàng)目審查、數(shù)字模型分享、基于數(shù)據(jù)和模型的分析決策等能力，提高人員工作效率。國(guó)內(nèi)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型也走在世界前列[6]。航天科工集團(tuán)有限公司于2020年發(fā)布自主創(chuàng)新研發(fā)的航天智云3.0及其一站式應(yīng)用方案，以數(shù)據(jù)安全可控為基礎(chǔ)，可應(yīng)用于航天器設(shè)計(jì)、總裝、測(cè)試等不同復(fù)雜場(chǎng)景，具備智能協(xié)同云特征，并且可以為其他行業(yè)提供行業(yè)云平臺(tái)建設(shè)和數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)[7]。航天科技集團(tuán)有限公司在數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作中，首先構(gòu)建數(shù)字化“新基建”，實(shí)現(xiàn)不同地域局域網(wǎng)互聯(lián)互通，開(kāi)展高性能計(jì)算中心建設(shè)；其次基于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，建設(shè)完成航天器電子信息接口數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、電源數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、總裝狀態(tài)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和模型共享[8]。

通過(guò)調(diào)研，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的目標(biāo)是引入技術(shù)、整合數(shù)據(jù)、加強(qiáng)協(xié)作，從而形成數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)，解決企業(yè)的實(shí)際問(wèn)題。航天器測(cè)試數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也是在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)電子化管理的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字化手段，開(kāi)展以下方面數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

(1)針對(duì)傳統(tǒng)的單航天器獨(dú)占測(cè)試資源引起的軟硬件設(shè)備利用不足、軟件分支較多不利于測(cè)試能力提升、航天器間數(shù)據(jù)共享不足等問(wèn)題，引入虛擬化、容器云等技術(shù)手段，構(gòu)建數(shù)字化航天器測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同航天器的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源集約化管理和按需分配。

(2)針對(duì)航天器異地并行研制時(shí)數(shù)據(jù)共享性差，專(zhuān)家資源發(fā)揮不夠的問(wèn)題，在現(xiàn)有遠(yuǎn)程測(cè)試專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)的基礎(chǔ)上，以數(shù)字化航天器測(cè)試平臺(tái)為支撐，構(gòu)建“云”、“網(wǎng)”、“端”的異地協(xié)同工作和數(shù)據(jù)共享環(huán)境，為北京地區(qū)、發(fā)射場(chǎng)、天津聯(lián)試基地提供一致、彈性、動(dòng)態(tài)的數(shù)字化測(cè)試服務(wù)。

(3)針對(duì)重大工程航天器測(cè)試模式復(fù)雜，各階段模型數(shù)據(jù)未得到有效的數(shù)字化傳遞的問(wèn)題，在充分調(diào)研數(shù)據(jù)和模型通用傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化信息傳遞接口，建立信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)，在航天器設(shè)計(jì)、研制、測(cè)試、在軌之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型無(wú)縫傳遞，實(shí)現(xiàn)各階段數(shù)字化協(xié)同。

2 構(gòu)建數(shù)字化測(cè)試云平臺(tái)

基于虛擬化、容器云等技術(shù)手段，構(gòu)建數(shù)字化測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同航天器的計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源集約化管理和按需分配，解決傳統(tǒng)的單星獨(dú)占測(cè)試資源引起的軟硬件設(shè)備利用不足、軟件分支較多不利于測(cè)試能力提升、航天器間數(shù)據(jù)共享不足等問(wèn)題。航天器測(cè)試云平臺(tái)包括“硬件基礎(chǔ)云”、“測(cè)試服務(wù)引擎”、“測(cè)試應(yīng)用云”三級(jí)架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 測(cè)試云平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture diagram of test cloud platform

“硬件基礎(chǔ)云”使用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)多航天器測(cè)試資源高效集約，將服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)等物理資源抽象成按需提供的彈性虛擬資源池，實(shí)現(xiàn)資源云端共享、動(dòng)態(tài)分配，提高了系統(tǒng)可靠性，穩(wěn)定支撐多航天器高并發(fā)測(cè)試業(yè)務(wù)。

“測(cè)試服務(wù)引擎”使用微服務(wù)技術(shù)和容器化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)敏捷彈性構(gòu)建，將航天器測(cè)試服務(wù)程序解耦為69個(gè)細(xì)粒度應(yīng)用，進(jìn)行程序重構(gòu)，并運(yùn)行于容器云環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)按照航天器測(cè)試需求進(jìn)行靈活調(diào)度、動(dòng)態(tài)協(xié)同，全面提高測(cè)試業(yè)務(wù)的敏捷迭代能力。平臺(tái)具備跨地域、跨平臺(tái)的程序容器快速遷移和部署能力，實(shí)現(xiàn)發(fā)射場(chǎng)、京外場(chǎng)地測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程高可靠一鍵式投放部署；對(duì)于外場(chǎng)試驗(yàn)，可以根據(jù)試驗(yàn)需求快速部署便攜的“移動(dòng)云”，將本航天器需要的程序和數(shù)據(jù)一鍵式導(dǎo)入“移動(dòng)云”。

“測(cè)試應(yīng)用云”實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)試應(yīng)用。在測(cè)試設(shè)計(jì)階段，基于總體設(shè)計(jì)模型，測(cè)試人員通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)航天器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)一鍵式導(dǎo)入，測(cè)試服務(wù)程序一鍵式配置，批產(chǎn)測(cè)試流程庫(kù)、通用測(cè)試用例庫(kù)、判讀知識(shí)庫(kù)一鍵式重用和自動(dòng)糾錯(cuò)；在測(cè)試實(shí)施階段，依托成熟的測(cè)試用例和自動(dòng)判讀成果，以下單的方式進(jìn)行測(cè)試計(jì)劃的自動(dòng)編排和測(cè)試實(shí)施。按照測(cè)試流程形成測(cè)試用例組合，自動(dòng)控制測(cè)試關(guān)鍵點(diǎn)、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)每日測(cè)試“一鍵式”啟動(dòng)，自主完成；在測(cè)試評(píng)估階段，建立測(cè)試評(píng)估模型，構(gòu)建測(cè)試指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)“橫向比、縱向比、關(guān)聯(lián)比”的智能化分析功能，建立數(shù)據(jù)成功包絡(luò)線的分析基線，制定各類(lèi)測(cè)試評(píng)估總結(jié)模板，自動(dòng)生成規(guī)范的測(cè)試總結(jié)報(bào)告。

3 異地?cái)?shù)字化測(cè)試協(xié)同

針對(duì)航天器異地并行研制時(shí)數(shù)據(jù)共享性差，專(zhuān)家資源發(fā)揮不夠的問(wèn)題，以航天器測(cè)試云平臺(tái)為支撐，構(gòu)建“云”、“網(wǎng)”、“端”的異地協(xié)同工作環(huán)境，為北京地區(qū)、發(fā)射場(chǎng)、天津聯(lián)試基地提供一致、彈性、動(dòng)態(tài)的測(cè)試服務(wù)，實(shí)現(xiàn)以北京為中心，其他地域?yàn)榉种У目绲赜颉⒖绾教炱?、跨部門(mén)協(xié)同測(cè)試環(huán)境，如圖2所示。

圖2 多地域多專(zhuān)業(yè)數(shù)字化測(cè)試體系Fig.2 Multi-region,Multi-profession digital test system

在航天器測(cè)試網(wǎng)，測(cè)試云平臺(tái)在不同廠房建立雙節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)雙活，計(jì)算資源共享，數(shù)據(jù)異地災(zāi)備，存儲(chǔ)資源滿(mǎn)足近三年航天器地面測(cè)試存儲(chǔ)需求。同步建立融合數(shù)據(jù)中心，歷史成功飛行航天器測(cè)試數(shù)據(jù)一鍵式遷移到融合數(shù)據(jù)中心內(nèi)，滿(mǎn)足歷史數(shù)據(jù)分析和查詢(xún)需求。在天津建立異地?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在測(cè)航天器數(shù)據(jù)的異地備份。在發(fā)射場(chǎng)使用移動(dòng)云，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的快速構(gòu)建和遷移，滿(mǎn)足發(fā)射場(chǎng)航天器測(cè)試需求，以及北京對(duì)發(fā)射場(chǎng)數(shù)據(jù)判讀。如圖3所示。

圖3 基于異地多活云平臺(tái)的數(shù)字化協(xié)同F(xiàn)ig.3 Digital collaboration based on multi-live cloud platforms in different places

在建立異地?cái)?shù)字化協(xié)同機(jī)制的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)多航天器業(yè)務(wù)實(shí)踐，形成三種數(shù)字化測(cè)試組織運(yùn)作模式：①骨干式，測(cè)試骨干隊(duì)伍保持5人左右規(guī)模，獨(dú)立完成測(cè)試任務(wù)，后方進(jìn)行臨時(shí)人員補(bǔ)充和技術(shù)聯(lián)動(dòng)；②遠(yuǎn)程指控式，在發(fā)射場(chǎng)巡檢、天津聯(lián)式基地僅配置1～2名測(cè)試人員負(fù)責(zé)測(cè)試設(shè)備準(zhǔn)備，所有指控操作和數(shù)據(jù)判讀均由北京后方遠(yuǎn)程控制完成；③多域互補(bǔ)式，北京地區(qū)和發(fā)射場(chǎng)地區(qū)可差額配置測(cè)試隊(duì)伍，跨地域聯(lián)合組成完整的測(cè)試隊(duì)伍配置，同步并行開(kāi)展測(cè)試工作。

4 上下游數(shù)字化模型傳遞共享

針對(duì)重大工程航天器測(cè)試模式復(fù)雜，各階段模型數(shù)據(jù)未得到有效的數(shù)字化傳遞，航天器測(cè)試知識(shí)和模型在不同航天器間未得到有效共享的問(wèn)題，提出數(shù)字化模型傳遞共享工作機(jī)制。

縱向上錨定模型共享，基于XML格式的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言(XML Telemetry and Command Exchange,XTCE)設(shè)計(jì)航天器測(cè)試云平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化信息傳遞接口，建立設(shè)計(jì)-研制-測(cè)試-在軌的模型轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)模型無(wú)縫傳遞，提升了測(cè)試上下游全鏈條數(shù)字化協(xié)同能力。測(cè)試設(shè)計(jì)方面，實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)遙控設(shè)計(jì)、測(cè)試需求模型、飛行任務(wù)設(shè)計(jì)模型等模型數(shù)據(jù)自動(dòng)傳遞給測(cè)試系統(tǒng)，自動(dòng)生成測(cè)試用例、測(cè)試流程模型。測(cè)試實(shí)施方面實(shí)現(xiàn)研制計(jì)劃和整星技術(shù)狀態(tài)管理模型實(shí)時(shí)傳遞。測(cè)試反饋方面，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)級(jí)測(cè)試驗(yàn)證后的模型數(shù)據(jù)可以自動(dòng)反饋給各設(shè)計(jì)系統(tǒng)，協(xié)助其完成設(shè)計(jì)模型修正；系統(tǒng)級(jí)測(cè)試建立的飛控驗(yàn)證模型，可以輔助修正在軌航天器數(shù)字孿生模型。如圖4所示。

圖4 上下游模型共享、內(nèi)部模型復(fù)用Fig.4 Model sharing for upstream and downstream,reuse of internal modes

橫向上建立規(guī)范化、模塊化、可復(fù)用的測(cè)試用例模型庫(kù)和判讀知識(shí)庫(kù)。按照“通用+專(zhuān)用”的思路，制定統(tǒng)一的測(cè)試用例和判讀知識(shí)設(shè)計(jì)規(guī)范，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)測(cè)試流程、測(cè)試用例、判讀知識(shí)數(shù)字化，進(jìn)一步加強(qiáng)了數(shù)字化測(cè)試用例的航天器間復(fù)用。如圖5所示。

圖5 組批航天器模型庫(kù)Fig.5 Model library for group spacecraft

5 實(shí)踐效果

航天器測(cè)試數(shù)字化轉(zhuǎn)型圓滿(mǎn)支撐了以空間站建造、天問(wèn)一號(hào)成功降落火星、北斗三號(hào)成功組網(wǎng)等為代表的國(guó)家重大工程任務(wù)，具有以下實(shí)踐效果。

(1)構(gòu)建“云協(xié)同、云判讀、云共享”的協(xié)同機(jī)制，解決了高密度測(cè)試、發(fā)射任務(wù)時(shí)多地并行開(kāi)展工作情況下，跨地域協(xié)同測(cè)試能力不足的問(wèn)題，單航天器人員年出差規(guī)模減少700人·天。特別是在疫情期間，北京地區(qū)骨干人員經(jīng)常缺崗的情況下，發(fā)射場(chǎng)多地測(cè)試專(zhuān)業(yè)骨干、專(zhuān)家、兩總隊(duì)伍可以遠(yuǎn)程支持北京地區(qū)測(cè)試，保障了航天器任務(wù)的順利進(jìn)行。

(2)打通基于模型的測(cè)試協(xié)同業(yè)務(wù)鏈，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-研制-測(cè)試-在軌各階段模型數(shù)據(jù)有效的數(shù)字化傳遞，測(cè)試設(shè)計(jì)時(shí)間減少50%以上；航天器測(cè)試知識(shí)和模型在不同航天器間有效共享，對(duì)于載人飛船組批測(cè)試，80%以上的自動(dòng)化測(cè)試用例和判讀知識(shí)實(shí)現(xiàn)一鍵式復(fù)用。

(3)建設(shè)數(shù)字化測(cè)試云平臺(tái)，解決了傳統(tǒng)的單星獨(dú)占測(cè)試資源、單配一套測(cè)試隊(duì)伍的模式導(dǎo)致人力資源、軟硬件設(shè)備利用不足的問(wèn)題。同時(shí)，提高了航天器測(cè)試設(shè)計(jì)、測(cè)試實(shí)施、測(cè)試評(píng)估的自動(dòng)化程度，縮短測(cè)試時(shí)間。

6 結(jié)束語(yǔ)

航天器綜合測(cè)試作為提高任務(wù)成功率的重要手段之一，其在航天器研制過(guò)程中的重要性也日益提高。本文總結(jié)了航天器測(cè)試數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景、必要性、具體做法和實(shí)踐效果，該探索和實(shí)踐已成功應(yīng)用于航天重大工程任務(wù)，并取得很好的提升質(zhì)量、提高效率、降低成本的效果。

面對(duì)后續(xù)航天器研制新特點(diǎn)和新挑戰(zhàn)，還需要針對(duì)實(shí)踐中遇到的新情況、新問(wèn)題，不斷總結(jié)規(guī)律，建立能力提升長(zhǎng)效機(jī)制，持續(xù)推進(jìn)航天器測(cè)試任務(wù)提質(zhì)增效，推動(dòng)航天器系統(tǒng)研制模式的跨越發(fā)展，為我國(guó)航天器產(chǎn)業(yè)化能力提升奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。