自動測試技術在航天中的應用現狀及發展趨勢

劉向陽 冷春雪 黃啟陶 王寧飛

（北京理工大學宇航學院，北京 100081）

1 引 言

隨著我國航天事業和信息技術的發展，航天器型號研制任務呈高速增長趨勢，航天產品的復雜程度也日益提高，航天測試任務十分繁重，傳統的人工檢測維護或者低水平的自動測試手段已經無法滿足航天裝備的支持保障要求，亟需對現有的測試系統進行升級換代，以有效減少人力、物力損耗和顯著提高測試效率。

目前自動測試技術已經廣泛應用于產品全壽命周期的每個環節，在國防、交通和能源等重要領域發揮著不可替代的作用。然而，現有自動測試（ATS）系統依然存在應用范圍有限、開發和維護成本高、系統間缺乏互操作性、測試診斷新技術難以融入已有系統等諸多不足。基于此，以“NxTest”為代表的新一代自動測試系統力圖建立開放式體系結構，聚焦公共測試接口、儀器互換性等關鍵技術，以進一步提高自動測試系統的工作效能［1］。就自動測試技術的特點而言，自動測試技術在如下場合具有明顯的應用優勢：1）試驗項目多，試驗持續時間長；2）試驗過程產生的數據量較大，對數據處理分析要求較高；3）試驗測試參數和測點較多；4）試驗產品數量大，試驗工作量大。

我國針對航天產品開展自動化測試系統的研制開始于20世紀80年代，但由于自動測試系統相對獨立，通用性不強，設備檢修維護不便，嚴重制約了測試效率的提高［2］。因此，有必要通過梳理自動測試技術在航天中的應用現狀，探索航天自動測試系統的發展趨勢和關鍵技術。

2 國內外研究現狀

2.1 關鍵部件地面性能試驗

飛行器關鍵部件如飛行器結構、發動機、燃料供應系統等對飛行器的功能、安全性和可靠性具有重要影響［3］。以下就自動測試技術在一些較有代表性的試驗場合的應用現狀進行分析。

牛明提出了一種彈用沖壓發動機試車臺的自動測控系統設計方案。該測控系統采用雙級管理模式［4］：上位機負責與下位機控制器間的數據通訊和控制畫面顯示；下位機控制單元負責管理現場的所有設備動作、現場參數讀取和運算以及接收上位機的控制指令等。

鑒于某些發動機試驗時內部壓力傳感器較多，采用傳統電校方法費時費力，李正兵等提出基于程控電源的發動機測試系統自動校準方案［5］。當進行內部傳感器電校時，通過計算機控制信號轉接器組合開關，選擇采集裝置輸入信號為程控電壓，通過分檔控制程控電源輸出基準電信號，以實現測試系統的自動校準。實踐表明：自動校準系統操作簡單、運行可靠、使用方便，縮短了壓力測量系統試車準備時間。

雷達導引頭是安裝在導彈頭部的探測裝置，是導彈制導控制系統中最重要的部件。它具有電子器件密集型復雜電子系統的特點，測試技術指標多，單次測試時間長。張樂［6］采用虛擬儀器技術，編制雷達導引頭自動化測試軟件，用軟件實現了部分硬件功能完成了雷達導引頭的自動化測試，有效提高了導引頭測試準確性和工作效率。

2.2 關鍵部件健康監測

在飛行器結構損傷檢測中曾使用CT掃描等傳統無損檢測技術，但這些技術無法對飛行器關鍵部件的健康狀態進行實時監測，無法檢測隱藏部位的損傷，現場檢測局限性較大。此外，由于材料技術的發展，輕質復合材料已開始廣泛應用于飛行器結構。相對于金屬材料，復合材料不但損傷模式復雜多樣，而且不易察覺，由此引發的結構失效更為隱蔽和突然。因此，永久安裝在表面或嵌入內部的分布式傳感器網絡將是未來飛行器健康監測的主要技術途徑［7］。表1列出了國內外關于關鍵部件健康監測的研究進展情況。從表中可以看出：

1）目前可用于結構健康監測的傳感器，除傳統的應變片以外，光纖光柵傳感器、壓電傳感器和MEMS傳感器等也被視為很有發展潛力的技術途徑。近年來，隨著國際上對結構健康監測技術的重視程度逐步提高，研究人員對傳感器和壓電驅動器的集成以及以Lamb波作為損傷信息傳遞媒介等新的方法和技術進行了多方面的研究和嘗試。NASA有一項計劃就是研究常溫和低溫條件下應用于復合材料高壓容器的多用光纖傳感器，應用對象為可重復使用的運載火箭以及復合材料燃料箱。

2）固體火箭發動機健康監測的基本原理是通過內置或嵌入力學、化學、環境監測等傳感器，監測與固體推進劑裝藥力學、化學性能變化和缺陷有關的參數，從而對發動機健康狀況監測與評估。為區別傳統的固體火箭發動機，有人將此類發動機稱為固體儀器發動機［8］。美國Hercules公司曾經制定了標定試樣試驗和全尺寸發動機試驗兩項試驗計劃，使用內嵌式應力傳感器系統測定發動機的推進劑模量［9］。但是，到目前為止，化學傳感器僅處于初步探索階段，埋入式傳感器也還只是用于亞尺寸的驗證發動機中，并未用于實際系統；［10］。

3）相比于其他類型的發動機，液體火箭發動機的結構復雜、工作環境更加惡劣。其健康監測的技術途徑主要有兩種：①對其中關鍵組件（如工作在高溫、高壓和強振動環境下的渦輪泵）引起的振動信號進行監測，從而獲得渦輪泵的實時工作狀態；②對燃料供給等多個環節的壓力、溫度等參數進行監測，以獲得液體火箭發動機的工作狀態。

表1 國內外關鍵部件健康監測研究進展［11-15］Tab.1 Research Progress on health monitoring of key components at home and abroad[11-15]

2.3 航天器綜合測試

針對已有的自動測試系統無法適應不同型號測試問題，賀友益提出分塊設計的概念，將測試系統分為通用部分和專用部分，并對其中的自動測控部分進行了VXI化研制，取得了良好的效果［16］。其核心思想為：通用部分主要面向操作人員，在統一框架之內，在按各型號的實際需求確定其規模的基礎之上，依據相應技術的發展狀況對具體內容進行及時更新換代；對于不同型號飛行器的專用部分須針對其特性分別研制。這種分塊式設計不僅可以大量節省人力、經費和研制時間，而且能夠及時跟蹤最新最優技術。

針對現有衛星測控測試系統無法與外部進行信息交互、無法適應不同型號測試等問題，付偉達等構建了基于“開放式模塊化”設計思想的小衛星測控的自動測試系統，使系統具有很好的互操作性和可移植性［17］。同時，自動測試系統完善的對外接口設計，可以滿足測試系統間、與外部環境間的無縫交互需求和信息共享。

為提高航天綜合測試系統的柔性，蔡遠文等結合國際上正在開展的“AXLe”測試體系結構和“Nx-Test”體系結構，提出了基于先進混合總線的航天測試體系結構［18］。其中，以技術優勢明顯的LXI總線型儀器設備為主，其他總線型儀器共存。該系統主要由兩部分構成：一是測試過程部分，主要完成對包括激勵源、測試系統、服務器等在內的數據采集功能；二是測試信息綜合利用部分，如遠程信息瀏覽、查詢、故障診斷等。

2.4 航天測控系統

航天測控系統（TT&C）負責對在役狀態的運載器及航天器進行跟蹤、監視、測量、控制，是任何空間活動中不可缺少的一個重要組成部分。在過去50多年的時間內，我國航天測控系統已逐步建立了能夠實現對載人飛船、運載火箭、返回式衛星和各類不同軌道應用衛星進行全生命周期測控的網絡。目前我國在用的航天測控網主要包括統一S頻段航天測控網和統一C頻段航天測控網，正在積極建設深空測控通信網和天基測控通信網［19］。

我國未來的航天測控需求主要體現在以較低的測控成本實現以高軌道覆蓋率、高軌道精度、高數據傳輸速率和遠測控距離為技術特征的多目標更復雜測控任務。比如，在深空探測中，除利用傳統的多普勒和雙向距離測量體制，深空測控通信網還需積極探索符合深空探測要求的三向測速測距技術和 VLBI（Very Long Baseline Interferometer）精密測角技術；為節省成本，深空測控通信網應最大限度地執行國際標準和國際通用作法，以便國際聯網和實現國內外交互［20］。此外，通過設備改造，傳統的地基測控站設備在數據信息處理能力、設備控制模式創新和設備集成度上有了較大突破，具備了更強的自動化運行能力，可以滿足測控系統對測控站提出“有人值守、無人操作”的操作模式要求［21］。

3 自動測試技術的關鍵技術

3.1 基于LXI總線的網絡化體系架構

LXI(LAN extension for instrumentation)是一種基于局域網的模塊化測試平臺標準。對于大多數的航天試驗任務來說，構建網絡化的自動測試系統體系架構是不可避免的。鑒于LXI總線在技術上的先進性，未來的網絡化自動測試系統體系必然是以LXI測試總線為核心、兼顧已有的其它總線儀器的體系結構，以便能夠實現不同測試系統間以及測試系統與外部的信息共享和復用。

3.2 面向信號的先進測試軟件開發技術

自動測試系統一般包含儀器硬件、驅動軟件、操作系統、軟件控制平臺、測試語言、系統環境和附加功能等內容［22］。面向信號的先進測試軟件開發技術通過建立相關的標準接口，使得測試軟件可以逐步擺脫儀器硬件、驅動軟件、操作系統、測試語言等內容的制約，可以大幅提高測試軟件的可移植性和互操作性。

SATS(Standard Automatic Test System)硬件接口標準和IEEE1P505等公共測試接口標準為儀器硬件制定了統一的機械連接和電氣標準，為方便物理更換儀器硬件奠定了基礎。

VISA［23］是虛擬儀器軟件體系結構的簡稱，是基于VPP(VXI的即插即用）系統規范的具有與硬件特性無關的通用接口驅動程序庫，解決了儀器驅動程序與硬件接口的無關性。VISA相當于在儀器驅動程序與儀器之間加入了一個過渡轉換層，因而允許用戶將同一軟件應用于不同的硬件架構。

IVI是可互換虛擬儀器（Interchangable Virtual Instrument）的簡稱，定義了一個開放的驅動架構、一套儀器類型和共享的軟件組件，著眼于解決應用軟件與儀器驅動程序的無關性。

3.3 測試數據共享與重用

基于自動測試系統的航天試驗產生了大量的測試數據。然而，由于不同測試平臺和系統的兼容性，這些數據并不會必然提高測試診斷效率和準確性。因此，實現被測對象全壽命周期內各階段測試數據的共享和重用是提升測試診斷效率的有效途徑。

為實現測試數據的共享和重用，必須解決如下問題：①建立開放、兼容的測試數據接口標準，為實現測試數據的共享奠定基礎；②建立多功能信息處理平臺，融合不同系統測試數據，為測試數據重用奠定基礎。③建立基于專家經驗和知識系統的故障診斷和評估系統，為高效利用測試數據提供專業知識儲備。

3.4 校準自動化

校準是量值溯源的重要方式。對于具有高度綜合化、集成化等特點的自動測試系統，不具有自動校準功能就意味著無法高效地保障測量結果的可靠性，因此會嚴重影響自動測試系統的工程應用效果。測試系統自動校準時，需將整個系統視為一個整體單元進行校準，滿足自動測試系統現場性、整體性、高效性、準確性的要求［24］。

3.5 內嵌式探測傳感器研制

應用于健康監測的內嵌式探測傳感器在使用時需要組成分布式傳感網絡，以便獲得監測參量在長期工作過程中在不同位置的變化情況。該類傳感器研制時要解決如下幾方面的問題［3，25］：①傳感器的安裝與連接技術；②傳感器的自我診斷與維護技術；③老化、電磁干擾以及環境溫度等參量影響的補償技術；④傳感器的長期穩定性問題。

4 發展趨勢

4.1 關鍵部件性能試驗

不同于其它類型的航天試驗，關鍵部件性能試驗持續時間并不長，但試驗準備需要花費大量時間。因此，制約關鍵部件地面試驗的關鍵問題在于如何縮短試驗準備時間，具體技術措施主要體現在測試系統校準自動化和外圍設備控制自動化。

4.2 關鍵部件健康監測

關鍵部件健康監測的關鍵在于構建與材料和結構相適應的傳感器網絡。傳感器是其中的核心部件，具有很大的技術難度。微型化、供電、信號傳輸、校準、以及能反映材料特性變化的化學等新型傳感器是研究中需要突破的主要技術問題。光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾、耐腐燭、化學性能穩定、靈敏度高、集成性好、復用性強等特點，有望成為下一代健康監測傳感器網絡的技術途徑。

4.3 綜合測試

綜合測試面對的測試對象是不同型號產品，因此兼顧通用性與專用性是綜合測試需要面對的首要問題。其次，鑒于電子產品的更新換代較快，綜合測試系統的維護和升級換代是其中的一個重要問題。因此，未來的綜合測試系統應具有一定的開放性和很強的互換性。

4.4 航天測控系統

航天測控系統是一個巨型的由若干自動測試系統組成的網絡。因此，其頂層架構應保持系統的開放性和可擴展性，以適應未來各種不同類型航天探測任務的需求。系統的開放性主要體現在數據接口和測控體系與國際標準接軌，預留足夠國際合作空間；可擴展性主要體現在能夠容納新的測控手段，以便為深空探測等任務提供必要的技術支持。

5 結束語

自動測試技術在航天領域有著廣泛的應用需求，在航天關鍵部件性能試驗和健康監測、航天產品綜合測試以及航天測控系統中發揮了不可替代的作用。針對未來的航天發展需求，需著力于基于LXI總線的網絡化體系架構、面向信號的先進測試軟件開發技術、測試數據共享與重用、校準自動化以及內嵌式探測傳感器研制等關鍵技術，以進一步提升航天試驗可靠性和效率。

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