分級管理的通用衛星綜合測試系統設計

程鵬，羅悅，郝金鳳，郭袆

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

衛星綜合測試系統是一個技術復雜、規模龐大的系統，不僅要在衛星各次電測試驗中完成對衛星的控制、測量、數據收集處理、信息加工等操作，還要實現各種模擬、激勵和仿真功能[1]。系統中既包括處理能力很強的承擔整個系統測試任務的軟件及硬件[2]，也包含用于衛星分系統檢測的多種專用測試設備。

隨著衛星技術復雜程度的提高，配套研制的衛星綜合測試系統的要求也越來越高，從研制周期層面、成本費用層面、后續技術發展層面等方面分析，為每顆衛星或每型衛星配套研制專用的測試系統顯然不經濟、不可取[3]。因此，設計一種適用于不同型號衛星的綜合測試系統通用平臺尤為必要[4]，該平臺采用分級管理、功能模塊化且可擴展、流程可配置、軟件接口標準化等技術，通過軟硬件的配置可快速重構生成不同型號衛星綜合測試系統，縮短研制周期，降低研制成本，提升衛星綜合測試系統的通用化和標準化水平[5-6]。

1 衛星測試系統

1.1 測試對象及測試級別

衛星作為長期在軌運行的空間平臺，系統組成復雜，按功能分成若干個分系統，每個分系統又由若干設備組成，一般包括推進分系統、測控分系統、制導、導航與控制(guidance navigation and control,GNC)分系統(含星載計算機、星敏感器、衛星導航接收機、飛輪、磁力矩器等)、電源及電氣分系統[7]、熱控分系統、結構與機構分系統等部分[8]，在衛星平臺基礎上，還搭載有若干有效載荷。測試對象組成如表1所示。

表1 測試對象組成Table 1 Composition of the test object

為保證衛星在軌運行的質量，發射前要對其進行設備級、分系統級、系統級三級測試。各級測試的目的有所不同，設備級和分系統級測試需進行詳細測試，重點是設備性能指標測試；系統級測試重點是系統功能測試，檢驗分系統間接口匹配性、相容性。各級測試所用的測試設備也有所不同，單元級測試設備一般由通用測試儀器和某些專用設備組成；分系統級專用測試設備(special check out equipment,SCOE)通常由計算機、通用測試儀器、專用測試設備和接口組成；系統級測試設備主要由總控設備、分系統專用測試設備、有效載荷專用測試設備等組成。三級測試設備不但從技術上可以共用，而且某些硬件和軟件可以通用，單元級測試用的某些設備可以裝到分系統專用測試設備上，分系統級測試設備的軟件可以在系統級測試設備的總控設備控制下運行。

1.1.1 設備級測試

設備級測試是指對衛星上獨立的單元設備在裝配到衛星上之前進行的測試過程，或者在系統測試是出現故障后對其進行測試的過程。

(1) 所有功能模式和性能都要進行單元測試；

(2) 模擬被測設備的外部接口；

(3) 故障隔離到板級或元件級；

(4) 某些通用測試儀器可以與系統級測試設備共用；

(5) 對于含有星上總線接口的設備，可使用系統級測試設備進行測試。

1.1.2 分系統級測試

分系統級測試可以單獨進行或者在系統級測試中進行。

(1) 分系統級測試在桌面狀態或者某個艙段狀態進行，通過檢查所有功能模式下的性能來驗證分系統的設計；

(2) 模擬分系統的接口功能；

(3) 某些通用測試儀器可以與系統級測試設備共用；

(4) 對于含有星上總線接口的分系統，可使用系統級測試設備進行測試。

1.1.3 系統級測試

系統級測試是在系統級試驗過程的各個階段完成的電氣功能測試。

(1) 主要完成系統工作期間的功能性測試，也可以完成有限的分系統性能測試；

(2) 系統級測試使用綜合測試系統，經由遙測/遙控鏈路[9]、專用表面電連接器、脫落電連接器(umbilical connector,UMB)或星載數據管理(on board data handling,OBDH)測試接口耦合器同系統連接；

(3) 故障隔離通常到單元設備級。

1.2 衛星綜合測試任務

衛星綜合測試主要指系統級的電性能測試，即對總裝后的衛星進行測試，這時衛星上電氣系統已連接，測試分別在總裝廠、大型環境試驗室、技術陣地廠房、發射陣地進行，根據需要對衛星上一些主要分系統的功能和性能參數進行測試[10]。綜合測試按其測試場地和環境、供電檢測方式、測試通道有不同分類。 按照測試場地和環境，分為總裝測試廠房綜合測試、環境試驗綜合測試、技術陣地綜合測試、發射陣地綜合測試；按照供電方式，分為外電測試、內電測試；按照測試通道，分為有線測試、無線測試。衛星綜合測試分類如圖1所示。

衛星綜合測試的任務主要包括以下內容：

(1) 檢驗衛星總體電氣設計的正確性、合理性、匹配性及接地系統的正確性；

(2) 檢驗各分系統電氣性能和參數指標是否符合總體提出的要求；

(3) 檢驗各分系統在系統級條件下能否完成規定的功能和性能；

(4) 檢驗各分系統之間接口的匹配性，包括電接口、熱接口在內的正確性；

(5) 檢驗信息傳輸通道的可靠性、準確性和精確程度；

(6) 檢測指令傳輸系統的準確性和可靠性；

(7) 檢測部件級和衛星系統級的電磁兼容性；

(8) 檢測衛星與運載器電氣接口的匹配性；

(9) 檢驗火工品裝置的安全性、工作的可靠性；

(10) 檢驗衛星空間飛行程序的正確性、軟件的協調性。

在綜合測試最初階段，需要檢測衛星與地面接口間的兼容性，檢驗控制通道的正確性，測試軟件、測試參數和開關狀態的正確性，檢驗測試文件的正確性。

1.3 衛星綜合測試系統體制

衛星綜合測試系統的組成包括總控設備，也包括眾多類型的專業測試設備[11]。根據測試需求的不同，綜合測試系統式以不同拓撲結構出現，一般有分散式、集中管理式、分級管理式3種體制模式。

(1) 分散式體制綜合測試系統

分散式體制是指在衛星電性能測試工作中，測試設備按各分系統分成若干部分，并由綜合控制臺負責衛星供配電、模擬量測試及合格判決。各分系統的專用測試設備之間沒有電氣和信息的橫向聯系，對各自分系統進行自主測試，測試結果自己判決。當各系統測試完畢后，匯總判決系統測試是否完成。分散式體制綜合測試系統結構見圖2所示。

這種測試體制在早期的衛星電性能測試中普遍采用，主要是受當時計算機技術和信息處理技術水平所限。其優點是各分系統并行自主開發，使用中分散控制，系統使用方便，設備利用率較高；其缺點是測試信息分散，信息交流困難，故障分析難度大，測試周期較長[12-13]。

(2) 集中管理體制綜合測試系統

集中管理式體制是通過標準接口和通道技術，對整星的測試進行集中管理。圖3是通過通用接口實現部分集中管理綜合測試系統的一個實例。衛星上大部分信息匯集到測控機箱的功能模塊，機箱控制器對各模塊進行讀寫操作，測控計算機通過對采用開關的選擇，啟動A/D采集所需模擬量，通過時頻模塊來測量航天器上的時間和頻率參數，接收遙測解調模塊的輸出，實時采集遙測數據并處理成物理量，通過開入模塊、開出模塊，實施對航天器供電、開關量控制、狀態量測量等，通過鍵盤操作，控制測試流程。

集中管理式體制比分散式體制前進了一步，系統管理比較方便，信息集中，便于整體判決。但對于分系統多、測試內容復雜、測試流程多變的衛星，整個測試設備很復雜，軟件開發難度大，數據的采集、處理、測試程序的實時控制、激勵信號等全部納入一個主控計算機管理，使得系統軟硬件的設計困難。因此，集中管理式體制一般適用于功能簡單的小型衛星測試，對于功能復雜的衛星測試不建議采用。

(3) 分級管理體制綜合測試系統

分級管理體制綜合測試系統的基本特征是以總控設備的主測試計算機作為中心計算機，控制和管理各分系統專用測試設備(及前端設備)。在此體制中，各分系統專用測試設備與被測對象直接接口，在分系統測試階段，它們是獨立的測試設備，對相應的分系統有完全自主測試功能；進入系統測試階段后，各分系統專用測試設備需和總控設備連成測試系統，按照測試流程，在總控設備統一調度下協調工作。

總控設備向各專用測試設備發出控制命令，啟動它們的測試程序，通過各專用測試設備實現對衛星的供電、控制、數據加載、測量和激勵；專用測試設備將測得的數據、狀態、對控制和激勵的響應以及各種測試結果送給總控設備進行分析判斷；總控設備接收、處理并監視來自各專業測試設備(含遙測前端設備)的信息，并將處理結果、時間基準及有關數據分送給各專用測試設備。分級管理體制綜合測試系統如圖4所示。

此體制是一個兩級管理體制，一級是面向被測對象的前置級(現場級)，它與被測對象有直接的電氣接口，比較靠近被測對象，圖中的各個SCOE屬于這一級，包括電源分系統專用測試設備(power supply subsystem special check out equipment,PSS SCOE)、GNC分系統專用測試設備、遙測與測控分系統專用測試設備(telemetry telecommand,TT&C SCOE)、有效載荷專用測試設備(PayLoaD,PLD SCOE)；另一級是遠離被測對象的遠置級(遠端控制級)，它與被測對象沒有直接的電氣接口，圖中的總控設備(overall check out equipment,OCOE)屬于這一級，包括主測試計算機(main test process,MTP)、遙測遙控前端設備(telemetry telecommand front end equipment,TM/TC FEE)、測試操作臺(test conductor console,TCC)、網絡設備、顯示終端等設備。

分級管理體制兼有分散式和集中式兩者的優點：

(1) 各分系統測試設備可與總控設備研制同時進行，研制周期短；

(2) 可實現衛星自動測試，保證運行協調和數據統一，實現各分系統之間的狀態、事件與數據的相關測試；

(3) 總控設備具有很好的通用性；

(4) 分系統測試設備可在不同測試狀態重復使用。

2 基于分級管理測試系統總體設計

按照被測對象及其分系統組況，采用分級管理體制，衛星綜合測試系統總體原理框圖見圖5所示，設備組成見表2所示。

圖4所示綜合測試系統采用分級管理體制模式，總控設備與專用測試設備間通過網絡、數據服務器連接在一起，在測試系統軟件統一調度下，實施測試過程和信息交互，形成一個完整的衛星綜合測試系統，其主要功能如下：

(1) 供電與供電測試功能

(2) 狀態控制功能

綜合測試系統具有控制衛星工作狀態的功能，實現對航天器的供電控制、衛星上設備的開關機控制、在線設備與離線設備的切換控制、可調部件工作狀態調整以及向星載計算機注入數據和代碼。

直接的控制方式是通過臍帶電纜等有線方式連接衛星，關鍵性的操作如緊急關機、內外電切換、工作狀態設置等，采用此種控制方式；普遍采用的控制方式是通過遙控通道將配置好的遙控指令發送到衛星上，對衛星工作狀態進行控制，包括直接指令、間接指令、延時指令和加載指令。

(3) 測量與測試功能

參數測量：對衛星上被測量采集，直接或經變換后，通過信號通路傳送到綜合測試系統設備，測出量值或狀態；

開環性能測量：由綜合測試系統經上行線路或通道向衛星施加供電、激勵及控制，再經下行線路或通道檢測衛星上系統的相應參數，測量和驗證衛星對這些供電、激勵及控制的響應；

閉環測試：利用綜合測試系統的模擬器及星上回路形成閉環，檢測回路的各項特性，特別是動態特性。

(4) 參數監視功能

對衛星的各種測試參數按照一定時間間隔(如遙測格式周期)周期地進行監視，并按判據檢測出狀態變化的狀態量、越限的模擬量等參數。狀態量判據為狀態出現翻轉變化，模擬量判據是上下限值、增量限值、危險限值。當被測量超限時，給出異常報告，當超出危險限值時，按預定程序或發送遙控指令進行處理。

(5) 測試過程管理功能

在衛星測試過程中，由于測試設備多，容易產生相互影響，各分系統設備不能隨便操作，需要綜合測試按要求進行統一管理。

SCOE級在線管理：SCOE在網絡系統中，需要注冊入網，等待主測試計算機授時，經確認后將其置于在線狀態，開始與OCOE信息交互；

TCC級別管理：每個TCC按編號注冊進入系統，中心TCC可對各操作臺設置不同權限，確保測試流程安全；

遙控指令發送管理：遙控指令管理是測試過程的一個重要內容，包括完全禁止、授權發送、使能/禁止控制、按分系統分類控制、應急自動發送等。

(6) 時間基準

為保證綜合測試系統各計算機時間基準統一，需配置一個專用的時間基準源，由主控計算機定期讀取基準時間，通過網絡分發給各分系統專用測試設備計算機，

(7) 測試數據記錄與歸檔

綜合測試系統需要記錄測試過程中所有數據和事件，并按時間區間劃分成獨立的歸檔文件，便于數據分析和回放。

時間記錄主要包括：人工干預記錄、遙控指令發送記錄、參數越限記錄、測試程序運行狀態記錄、專用測試設備在線狀態記錄、遙測遙控鏈路狀態記錄、通信錯誤記錄、測試程序產生的信息輸出記錄等；數據記錄主要包括：遙測原始數據、專用測試設備原始數據、測試過程中鍵盤命令、遙控指令等。

(8) 后臺準備功能

在衛星綜合測試前需要在后臺完成測試數據和測試程序準備工作，提高測試質量和效率。主要包括：數字量參數定義、模擬量參數定義、遙控指令定義、曲線定義、測試圖形定義、測試環境生產、模擬測試等。

3 總控設備設計

總控設備負責完成測試數據庫準備、測試過程管理、數據處理與驗證、實時測試控制、數據歸檔及離線處理等。主要包括主測試計算機(MTP)、衛星綜合測試軟件(spacecraft test operational software,STOS)、測試操作臺(TCC)、遙測/遙控前端設備(TM/TC FEE)、衛星模擬器、數據服務器、數據顯示器和打印機等。

表2 衛星綜合測試系統組成Table 2 Composition of the test object

(1) 主控計算機(MTP)

MTP是OCOE的的核心，在測試前支持數據監視表的生成、測試程序庫的生成、測試圖形庫的生成、遙測指令塊定義、遙控指令塊定義、遙控禁止指令表生成、測試環境生成等測試數據庫準備工作，在測試運行過程中完成數據的處理和監視、衛星狀態和測試程序的控制、數據歸檔、事件記錄等在線功能，此外，支持測試后的離線處理功能。

(2) 衛星綜合測試軟件(STOS)

STOS分為前臺和后臺軟件，前臺軟件包括：監視程序、圖形驅動軟件、測試程序調度運行軟件、鍵盤命令分析程序、數據歸檔、事件記錄程序、遙測數據獲取程序、遙控指令發送程序、通信接口管理程序、窗口驅動程序、公共數據區管理程序、接口驅動等；后臺軟件包括：監視參數表生產程序、圖形生成程序、測試程序編譯器、遙控指令表和遙控指令快生成程序、遙控禁止指令表生成程序、測試環境生成程序、測試數據庫驗證等。STOS前后臺的結構示意圖如圖6所示。

(3) 測試操作臺(TCC)

OCOE可配置多個TCC，方便不同工位人員的現場操作和觀察，各個TCC包括命令輸入終端、數據顯示器和語音通信設備。命令輸入終端提供人工干預測試流程的人機界面，用于發送指令、啟動測試序列等，可以直接鍵入字符命令或鼠標點擊方式；數據顯示器提供多幅在線數據和圖形顯示，顯示測試的數據和命令執行情況。

(4) 遙測/遙控前端設備(TM/TC FEE)

TMFEE是OCOE獲取衛星上數據的主要接口，它可以經饋線直接從衛星上獲取遙測數據，也可經TT&C SCOE解調后得到衛星遙測數據；TCFEE通過饋線或TT&C SCOE實現對衛星的遙控。

(5) 衛星模擬器

為在離線狀態下驗證檢查總控設備測試數據庫或操作訓練，總控設備配置衛星模擬器和SCOE模擬器。衛星模擬器通過網絡模擬衛星在軌狀態，可設置故障模擬；SCOE模擬器模擬多個SCOE和OCOE的通信，模擬各SCOE執行總控命令的應答信號。

4 分系統專用測試設備設計

4.1 電源分系統專用測試設備

電源分系統專用測試設備(PSS SCOE)包括供太陽陣模擬器(SAS)、模擬負載、供配電測試計算機、供配電VXI組合、適配器。SAS用于模擬太陽能電池陣的電輸出特性，在衛星測試過程中提供電源，能模擬衛星在軌運行時在不同光照和測試條件下的V-A輸出特性；模擬負載模擬衛星上電源負載變化，用于檢測電源分系統在負載變化情況下的適應性、調節特性及過渡過程，模擬負載可程序控制，使其負載連續變化或階躍變化；供配電測試計算機和VXI組合控制SAS和模擬負載工作，采集工作參數，實現對衛星供電測量和控制，通過網絡與OCOE通信；適配器實現衛星與PSS SCOE之間的隔離、匹配和驅動。

主要測試內容包括：

(1) 蓄電池充電功能測試，主要是對充電調節器功能測試；

(2) 蓄電池放電功能測試，主要是對放電調節器功能測試；

(3) 蓄電池充電效率測試；

(4) 分流調節器功能測試；

(5) 進出影音區供電方式切換功能測試；

(6) 電源主母線調節特性測試，主要是對蓄電池管理功能的測試；

(7) DC/DC變換器特性測試；

(8) 遙控指令和遙測參數測試；

(9) 太陽電池陣光照試驗檢查。

4.2 GNC分系統專用測試設備

GNC分系統專用測試設備(GNC SCOE)包括GNC測試計算機和VXI組合、隔離器、激勵設備。GNC測試計算機和VXI組合控制測試過程；隔離器完成衛星與地面設備間的信號隔離匹配，主要通過星表專用連接器和UMB連接；激勵設備包括敏感期模擬設備和執行部件模擬設備，主要有陀螺激勵源/信號源、太陽模擬器/太陽敏感器信號源、地球模擬器/地球敏感器信號源，動量輪模擬器、太陽陣驅動模擬器、推進系統模擬器。

主要測試內容包括：

(1) 部件性能測試：敏感器件測試、動量輪測試、磁力矩器測試、推進驅動器測試、太陽驅動陣驅動機構測試、部件極性測試等；

(2) 星載計算機星地通信測試；

(3) 內部接口和外部接口測試；

(4) GNC 開環測試；

(5) GNC 閉環測試；

(6) 故障應急模式測試。

4.3 遙測與測控分系統專用測試設備

遙測遙控分系統是衛星在軌運行期間與地面交互的唯一通道，其功能和性能正確性直接影響衛星的在軌運行管理[14-15]，各個階段都要進行測試。遙測與測控分系統專用測試設備(TT&C SCOE)由可程控的通用儀器(頻譜儀、示波器、信號源、功率計等)和專用接口設備(接收機、發射機等)組成；通過天線或饋線與衛星通信，通過網絡與OCOE連接，接收來自TCFEE發送的遙控信號，向TMFEE發送遙測信號。

主要測試內容包括：

(1) 遙測數據采集精度、數據格式和副載波測試；

(2) 遙控門限靈敏度測試；

(3) 遙控自檢測試；

(4) 數據發送功能測試；

(5) 遙控大回路比對測試；

(6) 接收機/發射機供電、遙控、遙測接口檢查；

(7) 發射機輸出特性測試；

(8) 接收機特性測試；

(9) 測距功能測試；

(10) 測距門限靈敏度測試。

5 結束語

本文設計了一種基于分級管理的通用衛星綜合測試系統，系統采用功能模塊化且可擴展、流程可配置、軟件接口標準化等技術，通過軟硬件的配置可快速重構生成不同型號衛星綜合測試系統，經測試驗證，可滿足多型衛星綜合測試需求。