航天器遠程測試系統設計與應用

潘順良 張明江 李鴻飛 何永叢 許宗飛

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

航天器遠程測試系統設計與應用

潘順良 張明江 李鴻飛 何永叢 許宗飛

（中國空間技術研究院載人航天總體部，北京 100094）

為解決航天器批量測試、高密度發射、多地并行測試等問題，提出了一種支持航天器綜合測試的遠程測試方案，即通過建立前后方高可靠的通信鏈路，配合前端設備和遠程測試支持設備，將主要測試隊伍和測試設備置于后方，有效精簡前方設備和人員。文章分析了影響航天器遠程測試的設計約束，設計了遠程測試系統架構與部署，給出了航天器遠程測試的工作模式，并通過航天器測試驗證了系統的有效性。

航天器綜合測試；遠程測試；自動化測試

1 引言

隨著航天器型號批量生產、高密度測試發射研制任務進一步增加，存在多航天器、多地、并行測試的情況，傳統的航天器本地測試系統已經不能滿足要求。必須設計航天器遠程測試系統，建設專業化測試隊伍，提高發射效率，降低發射成本，解決人力、物力占用矛盾，以滿足多衛星、多地區綜合測試任務。

遠程測試是指被測對象與測試人員和測試設備處于不同的地域，它們之間少則相距幾千米，多則相距幾百上千千米。測試中的激勵和響應數據均通過特定的鏈路來傳輸［1］。國外對航天器遠程測試技術研究較為深入，而且開展時間較長。“國際空間站”（ISS）中由歐洲航天局（ESA）承擔研制的“哥倫布”（Columbus）艙于2008年2月10日發射升空，在“哥倫布”艙綜合測試期間，法國Alcatel公司提供了一種遠程測試解決方案，其前端設備位于艙段附近，測試數據監視通過以太網傳送到遠程客戶端，使用遠程網絡接入技術，遠程控制前端設備負責監視測試數據和故障分析［2］。美國SpaceX公司從設計之初就強調運載火箭的快速發射能力，最大限度地減少發射場測試項目，縮短發射場測試時間，采用大量的自動測試和遠程測試技術，相比其他衛星發射測試時間有了大幅度的縮短，獵鷹-9火箭實現了16.5天的快速到達［3-4］。而我國遠程測試技術尚處于初步階段［5-6］。中國空間技術研究院載人航天總體部在神舟九號飛船任務期間，率先在發射場實施了遠程監視測試系統，首次作為型號支持任務在北京實現了對發射場關鍵單機遠程判讀支持，助力了首次載人交會對接任務［7-8］，中國空間技術研究院通信衛星事業部也建成了一體化集成測試平臺和發射場遠程測試平臺，用于支持某型號通信衛星遠程監視［9］；中國運載火箭研究院也以組裝、測試及發射任務為背景，設計了運載火箭組裝與測試遠程協同應用系統，為運載火箭遠程測試、協同決策發射提供有效技術解決途徑［10］。

目前遠程測試已經是國內測試技術發展的一個重要方向，現有的遠程測試系統均采用了遠程監測的測試模式，即測試的發令和控制仍在被測航天器所在地，監視判讀在前方、后方均可部署的測試模式。這種測試模式是本地測試模式的延伸，可以減少部分判讀人員進駐發射場的人數。為了更高效地減少被測航天器所在地測試人員數量，需開展新的遠程測試模式研究。本文提出的遠程指控（指揮與控制）測試模式將主要測試隊伍和測試設備放置在后方，前方僅保留必需的前端設備，并配備少量現場實施與管理人員，主要測試隊伍在后方進行測試指令發送、測試流程控制、測試參數判讀與故障定位分析等工作；前方少量測試人員按照后方指揮統一安排，對前置設備進行管理，開展測試狀態設置及航天器供配電控制等操作；前方與后方遠程協同工作，共同完成航天器測試任務。遠程指控測試模式將更進一步減少前方測試人員數量；多型號遠程測試期間，通過前方測試設備和測試人員崗位組合優化設計，以及后方判讀專家對多航天器的聯合判讀實施，還可進一步提升測試設備與人員的使用效率、壓縮發射準備周期和降低成本。

2 遠程測試約束

遠程測試主要有以下約束：

（1）測試任務及場地約束：航天器在研制流程上會面臨航天器測試指揮中心、總裝中心、發射場等多個不同地點的測試。航天器出廠前，測試人員一般都在航天器測試指揮中心工作，當航天器轉運到航天器總裝中心和發射場時，測試人員需要長期出差。

（2）測試人員約束：在航天器密集發射情況下，專家面臨前后方長期多衛星、多地并行工作的問題，人員需求量及流動性大，工作任務狀態切換頻繁，缺少統一的指揮控制中心協同多地多型號并行開展測試。

（3）遠程鏈路實時性可靠性需求：航天器測試指揮中心、總裝中心、發射場各地通過遠程測試鏈路形成有機整體，為實現各地能夠在航天器測試指揮中心統一協同指揮下完成測試，必須要考慮遠程測試鏈路傳輸航天器上下行基帶數據、測試輔助數據、地面測試設備狀態管理數據的可靠性與實時性。

（4）遠程協同需求：遠程測試主要工作項目及流程為制定日計劃、班前會、崗位點名、測試狀態設置、測試實施（排除故障）、測試狀態恢復、班后會及小結。在測試期間，各方應具備調度及音視頻溝通，召集前后方人員進行問題排查與分析，實現前后方的測試協同。

3 航天器遠程測試總體架構

遠程測試總體架構以航天器測試指揮中心為核心開展。前方為航天器所在地點，包括航天器總裝中心以及各發射場。后方為判讀分析所在地。前后方以網絡為信息傳輸紐帶，實現各地資源共享，實現多地多方測試協同。圖1為航天器遠程測試總體架構圖。

3.1 航天器遠程測試系統組成

遠程測試系統包括4部分建設：遠程測試前端子系統、遠程測試處理與監視子系統、音視頻及調度系統和遠程測試鏈路系統，如圖2所示。

（1）遠程測試前端子系統是放置于發射場、航天器總裝中心等前端設備，前端設備通過有線或無線方式和航天器直接相連，完成航天器供電、上下行鏈路建立、遙測數據接收、遙控信號發送、模擬器信號激勵等功能，主要包括供配電前端、測控前端、數管前端、GNC前端、模擬器等設備。同時，這些前端設備具備遠程控制接口，可以通過可靠網絡，實現前后方航天器測試信息交互，信息內容包括：①將被測航天器下行數據通過遠程測試鏈路發送至后方航天器研制中心；②接收研制中心的上行遙控、話音等數據。前端設備本身也具備指令發送功能，在出現緊急情況時，前方操作人員能夠在本地通過指令控制，安全退出當前測試工況，執行緊急關機等操作。

圖1 航天器遠程測試總體構架圖Fig.1 Overall framework of spacecraft remote test

圖2 遠程測試系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of spacecraft remote test system

（2）遠程測試處理與監視子系統主要包含遠程測試服務器設備、終端判讀顯示設備、測試數據存儲設備、指揮控制設備，完成遠程測試數據的接收、解析、分發、判讀和存儲。主要功能包括：①發送遠程指令控制前端設備；②接收遠程測試網絡回傳的前方各類數據，提供數據接收、處理、存儲以及分發服務；③配置數據監視、查詢終端和專用數據處理設備，解析處理測控下行圖像話音，支持總體和分系統研制人員高效參與遠程測試任務執行，開展測試數據判讀分析的工作，具備航天器自動化測試的水平和能力。

（3）音視頻及調度系統主要保障前后方協同指揮，在前方、后方配置高清攝像頭、視頻會議終端設備和語音調度系統，完成前后方音視頻互通、會議協同召開。主要功能包括：①將視音頻信號轉發給后方航天器測試指揮中心，在后方實時監控航天器測試現場的狀態；②在后方接收、顯示航天器各角度的狀態信息，后方支持控制視角、遠近視景的控制，實現對被測航天器關鍵部位狀態監視；③在后方航天器測試指揮中心配置視頻會議多點控制單元（MCU）視頻設備，控制召開多點視頻會議，控制各地視頻會議正常進行；④支持前后方現場專家會議、技術問題分析、故障診斷，支持遠程測試任務調度。

（4）遠程測試鏈路系統，配置有防火墻、入侵檢測系統、加解密機、光纖網絡設備，完成前后方數據傳輸通信保障。主要功能包括：①實現后方指令控制信息、前方航天器下行遙測數據、載荷數據以及地面測試輔助數據的傳輸；②用于前后方協同的音視頻與調度數據等信息的實時傳輸。遠程鏈路必須滿足前后方并行測試數據傳輸所需的帶寬要求，實時性、準確性和安全性要求較高。

遠程測試前端子系統和遠程測試處理與監視子系統，通過遠程測試鏈路系統實現前后方指令控制與信息交互，通過前后方統一的GPS校時系統實現前后方時統同步，通過前后方測試設備統一的虛擬局域網（VLAN）網段設置實現前后方TCP/UDP協議通訊以及實現C/S（客戶機/服務器）和B/S（瀏覽器/服務器）混合模式通信，通過兩端防火墻和加解密機實現數據安全傳輸，通過網絡QOS服務以及帶寬分路保障技術實現前后方重要數據實時傳輸，通過音視頻及調度系統實現前后方遠程協同，通過前后方信息化系統保障支持電子流程審批，同時通過建立突發情況應急對策保障遠程測試質量。

3.2 遠程測試工作模式

遠程測試按照前后方功能分工不同，有遠程監測模式和遠程指控模式兩種工作模式，兩種工作模式的對比見表1。

表1 遠程監測與遠程指控模式對比Table 1 Comparison between remote monitoring mode and remote control mode

（1）圖3是遠程監測模式原理框圖。后方遠程監測模式將前方的測試數據實時回傳后方，設計師、測試分析人員、數據判讀人員在遠程進行關鍵測試數據的監視判讀和比對分析。測試指揮在前方通過音視頻及調度系統，前方與后方的人員進行溝通，分析問題、協同排除故障。該模式對網絡帶寬、實時性、可靠性等要求相對較低，但遠程監測平臺獲取的數據有限。

（2）圖4是遠程指控模式原理框圖。后方測試指揮在后方通過音視頻及調度系統，遠程調度前方測試人員開展各項測試和應急排除故障活動，監控前方測試現場狀態。該模式是遠程測試模式的延伸和發展，它可在后方處理前方各類數據，但對網絡帶寬、實時性、可靠性等要求均較高。后方分系統判讀人員在后方遠程判讀、分析航天器測試數據，進行測試數據歷史查詢。考慮到實時性及安全性要求，將序列存儲在前方前端設備，當需要發送指令序列時，由后方發出序列啟動命令，由前方前端設備自動發送序列。

圖3 遠程監測模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of remote monitoring mode

圖4 遠程指控模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of remote control mode

4 遠程測試應用與成效

在天宮一號目標飛行器與神舟九號載人飛船首次載人交會對接任務期間，首次實施了以發射場為前方、北京為后方的遠程監測模式的遠程測試，應用效果如下：

（1）驗證了遠程監測系統方案，系統架構合理，發射場測試數據實時回傳技術在網絡帶寬能夠保障的情況下不丟幀，方案可行。

（2）取消了常規的關鍵單機判讀人員進駐發射場，20多家關鍵單機判讀人員在北京同步參與發射場測試，發射場與北京兩地協同測試，實現了集中利用專家力量、合理使用測試人員、緩解發射場人力資源矛盾。

（3）首次實現了發射場與北京調度電話的交互，使北京遠程測試人員能實時了解前方測試項目的進展程度，雙方按照事先約定流程開展測試判讀工作，同步召開班前班后會，宣讀當天測試項目及注意事項，明確前后方分工，根據調度電話提示音進行測試與判讀工作，驗證了遠程測試前后協同的工作模式。

（4）開展了遠程指令發送驗證，為遠程指控測試模式實施提供借鑒。遠程指令發送驗證共進行了100個批次的試驗，計算了各個批次指令發出時間和回令時間的時間差，遠程指令發送時延平均為0.13 s，100個批次指令發送時延均在航天器測試設計指標范圍內。

5 結束語

搭建發射場、航天器總裝中心與航天器測試指揮中心遠程指控測試系統，建立前后方遠程指控測試模式，可以實現多地調度電話的實時交互，實現多地遠程協同測試，實現多地同步數據判讀，實現多地間遠程指令發送與數據可靠傳輸，能有效地提高測試人員對航天器的監控能力，提升多地遠程測試協同工作和管理能力，進而有效減少發射場與航天器總裝中心人員占用，充分利用后方專家支援，優化發射場、制造中心與研制中心人員配比，提高效率，提升航天器研制水平，實現后續航天器型號高效遠程測試任務。

（References）

［1］王慶成.航天器電測技術［M］.北京：中國科學技術出版社，2007：473-483 Wang Qingcheng.Electrical test technology of spacecraft［M］.Beijing：China Science and Technology Press，2007：473-483（in Chinese）

［2］Gerard Hermans.Trends in FEE/SCOE development［R］.Hoboken Belgium：Alcatel Bell Space N.V.EGSE Workshop Presentation，2003：1-21

［3］Vozoff M，Couluris J.SpaceX products-advancing the use of space，Space Exploration Technologies（SpaceX）［C］//AIAA SPACE 2008 Conference&Exposition. Washington D.C.：AIAA，2008：6

［4］趙麗娜.運載火箭快速響應技術發展研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013 Zhao Lina.Research on the development of launch vehicle quick response technology［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2013（in Chinese）

［5］韓慧蓮，徐力，代秀嬌，等.遠程測試系統與測試數據的安全傳輸［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1541-1543 Han Huilian，Xu Li，Dai Xiujiao，et al.Remote test system and security transmition of test data［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2006，27（6）：1541-1543（in Chinese）

［6］同江，蔡遠文，邢曉辰.下一代自動測試系統在我國航天測試體系結構中的應用［J］.航天控制，2011，29（2）：75-80 Tong Jiang，Cai Yuanwen，Xing Xiaochen.The application of“Nx Test”in the domestic aerospace test system architecture［J］.Aerospace Control，2011，29（2）：75-80（in Chinese）

［7］中國航天網.遠程監視測試系統助力首次載人交會對接任務［EB/OL］.［2015-06-15］.http：//www.cnsa. gov.cn/n1081/n7529/n308608/450244.html China Space Network.Remote test system helps first manned space rendezvous and docking mission［EB/ OL］.［2015-06-15］.http：//www.cnsa.gov.cn/ n1081/n7529/n308608/450244.html（in Chinese）

［8］何永叢，潘順良，李鴻飛，等.載人航天器自動化測試系統設計與應用［C］//第五屆國防科技工業試驗與測試技術發展戰略高層論壇.北京：中國計算機自動測量與控制技術協會，2014：389-392 He Yongcong，Pan Shunliang，Li Hongfei，et al.Design and application of automatic test system for manned spacecraft［C］//5th Defense Industry Experiment and Testing Technological Development Forum.Beijing：China Computer Automatic Measurement and Control Technology Association，2014：389-392（in Chinese）

［9］魏振超，李砥擎，周慧，等.開啟一體化遠程化測試模式全面提升衛星研制效率和質量［J］.航天器工程，2015，24（z1）：15-19 Wei Zhenchao，Li Diqing，Zhou Hui，et al.Open integration remote test mode to enhance the efficiency and quality of satellite development［J］.Spacecraft Engineering，2015，24（z1）：15-19（in Chinese）

［10］張晨光，安雪巖，易航，等.運載火箭組裝與測試遠程協同信息平臺技術［J］.宇航學報，2014，35（8）：901-907 Zhang Chenguang，An Xueyan，Yi Hang，et al.Remote collaboration information platform technique for assembly and test of launch vehicle［J］.Journal of Astronautics，2014，35（8）：901-907（in Chinese）

（編輯：張小琳）

Design and Application of Spacecraft Remote Test System

PAN Shunliang ZHANG Mingjiang LI Hongfei HE Yongcong XU Zongfei
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

To solve the problem of highly-frequent spacecraft launch missions，mass-product test and multi-location parallel test，a scheme of spacecraft integration test based on remote test is proposed.Through the front and rear high-reliability Ethernet link and by support of rear SCOE and remote OCOE，the main test team and main equipment for the remote test system of spacecraft are allowed to stay in the rear，to reduce the front test team.The paper analyzes the design constraints of the spacecraft remote test，and designs the system architecture and deployment of the spacecraft remote test，and presented the work mode of the spacecraft remote test.The effectiveness of the spacecraft remote test system is verified by spacecraft integration test.

spacecraft integration test；remote test；automatic test

V416

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.017

2015-06-11；

：2015-09-02

國家重大科技專項工程

潘順良，男，博士，高級工程師，研究方向為航天器綜合測試。Email：panshunliang@buaa.edu.cn。