一種衛星供配電快速重組測試系統設計

封碩 楊宏宇 胡琳 齊天樂 杜劍波

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

衛星供配電測試系統是衛星地面電氣支持設備中的重要一環，在地面測試的全周期過程中負責完成衛星系統級加斷電、脫插脫落控制、分系統級配電控制、充放電測試控制等功能，并實時檢測衛星反饋的自身供電健康狀態[1-3]。

不同衛星在供電通路、信號類型及數量，以及星地接口等方面要求不同，對供配電地面測試系統的需求存在或多或少的差異。目前，國內大部分衛星供配電測試系統是針對特定衛星或特定系列衛星進行專用設計[4-5]。因此，專用設備的通用化程度不高，造成重復利用率低，還會帶來研制周期長、投入成本高等問題，這些都已經成為研制過程中亟待解決的問題。

針對以上問題，本文對供配電測試系統采用增強模塊內聚性和模塊間松散性的設計原則[6-7]，將衛星供配電測試系統的多單機專用設備按照功能性進行分類提煉，通過通用模塊化定型設計，將設備層面的專用化轉換為模塊層面的通用化，同時優化供配電前端軟件的通用化設計[8-9]，盡可能由軟件來替代以往硬件完成的功能，在優化縮減系統繁瑣架構的同時提高系統的集成化程度和復用性，增強系統模塊層面在不同衛星之間的通用性，使系統具備快速重組的能力。

1 系統設計

以衛星傳統的供配電測試系統為例，因不同衛星的技術狀態存在差異，導致星地接口及配置不通用，為了滿足差異化的技術狀態要求，一般進行專用設備定制，系統通常包括多通道采集控制設備、太陽電池陣模擬器(SAS)配電器、直流電源配電器、信號適配器、系統電源箱、警示燈控制器等設備，如圖1所示。專用設備體積龐大，集成在同一機柜，約占23U以上，為地面設備首次集成或轉場運輸后再集成時快速完成重組帶來了很大的困難。另外，由于采用專用化設計，可拓展性差，復用程度低。當衛星任務更迭時，測試系統不具備快速重組能力，需要對地面系統進行改造甚至要重新投產。在供配電測試系統中，SAS及集中電源具有較強的專用性，不在本文討論范圍。

供配電前端軟件完成對衛星的供電控制、有線指令發送、狀態信號采集等功能，并通過測試網與總控設備(OCOE)實現數據交互。定制化的硬件系統開放性、靈活性有限，導致軟件通常采用針對硬件設備功能和接口的定制編寫，對開展軟件的快速構建具有很大的局限性，并且使軟件的開發占用更多的人力資源。

為解決上述問題，本文提出一種建立硬件功能板卡、軟件數據流模塊、匹配規則庫的設計方式(如圖2所示)。用戶可根據衛星需求自由選配不同功能類型的板卡組成信號調理器，定制少量專用轉接電纜，即可完成硬件系統快速重組，并且通過軟件建立數據流模塊，靈活匹配規則庫實現對整個測試系統的快速重組，以適應具體衛星的通路匹配和滿足輸出特性的測試需求。

圖1 傳統供配電測試系統Fig.1 Traditional test system for power supply

圖2 供配電快速重組測試系統Fig.2 Rapid recombination test system for power supply

1.1 硬件系統

為提高衛星供配電測試系統的復用程度，節省設備研制經費，減少研制周期，實現系統快速重組能力，將供配電測試系統按照功能模塊化思路設計。對各單機設備進行切割剝離，梳理供配電系統信號需求，根據信號功能特點分類并設計為印制電路功能板卡(PCB)形式，如配電功能板卡、控制功能板卡、測量功能板卡、分離脫落功能板卡、電源板卡。硬件系統結構如圖3所示，設備使用的所有功能板卡基于統一的機械和電氣規則進行模塊化設計，設備可根據需求通過匹配功能板實現功能組合。硬件結構采用主機-總線-功能板卡的形式，各功能板通過緊湊型總線接口(CPCI)接入母板上的總線，實現原有定制設備的通用化設計。

圖3 硬件系統通用化結構

面向“星上設備統一”狀態下的基本測試需求，配置1個測量功能板卡、1個控制功能板卡、1個電源板卡，即滿足衛星基本測試準入條件。面向通用測試需求，通過板卡槽位還可以擴展除上述基本配置以外的5塊板卡，因此，該硬件系統最大包絡8塊板卡槽，通過各功能板卡的擴展和組合滿足未來不同衛星的測試需求。目前，各類功能板卡基本滿足當前多領域衛星的使用需求，如表1所示；若不滿足，可根據衛星具體要求作板卡定制化設計。各模塊的功能關系以控制板卡、測量板卡為例，如圖4和圖5所示。

表1 供配電測試系統模塊型譜

圖4 控制板卡功能關系Fig.4 Control board card function relation

圖5 測量板卡功能關系Fig.5 Measure board card function relation

轉接電纜和背板連接如圖6所示，配置機柜背板，通過電纜將矩形電連接器轉接為通用Y2型電連接器。背板使用的轉接電纜可依據各功能板卡對外接口定義與測試系統機柜背板接口定義進行研制，此過程已簡化了插頭數量和類型。只要按照測試需求配備對應功能數量的板卡及適配轉接電纜，即可取代傳統模式下整個鏈路研制專用電纜的方法，實現快速重組。

圖6 硬件系統電纜轉接示意

通過上述對硬件系統的優化設計，減少系統內冗余單機，內部各功能板卡之間交互接口更加清晰。從傳統模式轉變為更換適配部分功能板卡的模式，有效縮短研制周期，使衛星供配電測試系統的硬件部分具備快速重組能力。同時，相對于傳統供配電測試系統，單模塊具有可批產、易備份、系統成本低的優勢。

1.2 軟件系統

在傳統衛星供配電前端軟件中，硬件設備差異化設計造成軟件不同開發環境，使實現方法差異較大；另外，軟件對主程序的依賴性高，造成程序可移植性差，無法實現測試系統復用的快速重組。為使軟件系統具有通用性、可擴展與可維護性，實現快速重組能力，軟件中對測試資源進行建模(測試資源通常指完成測試任務使用的測試儀器)，通過模塊化實現不同衛星之間的沿用與復用，簡化軟件的開發過程，延長軟件生命周期，為后期進一步模塊化奠定堅實基礎。軟件系統各模塊之間的結構關系如圖7所示，分別配置7個模塊。①設備管理模塊，完成衛星供配電測試系統所需硬件設備的配置管理。②任務管理模塊，完成供、斷電控制及狀態設置等。③數據管理模塊，完成對星上有線狀態及有線測試設備狀態的測量。④界面管理模塊，實時顯示供配電設備的狀態及星上有線狀態。⑤測試執行功能模塊，完成指令設置及執行。⑥網絡功能模塊，完成與設備及總控網絡之間的信息交互。⑦輔助功能模塊，完成軟件及硬件初始狀態檢測及運行環境檢測與報警。

圖7 軟件系統各模塊結構Fig.7 Software system internal module structure

本文從數據流與模塊化設計的角度分析，使整個軟件系統具有良好的模塊層次結構。模塊的接口包括輸入輸出數據，輸入控制信號和輸出狀態信號。在軟件系統中，模擬量和狀態量的測量實現了對數據采集設備的讀取功能，產生輸入數據流；指令發送實現了對數據采集設備的寫入功能，實現對硬件設備參數設置及指令的控制，產生輸出數據流。通過輸入輸出數據流的界定，形成功能相對獨立、結構清晰、接口簡單的模塊，降低了程序設計的復雜性，易于維護和功能擴充。

軟件系統需要將采集的不同數據進行公式處理，轉換為可讀數據，以便監視判讀。由于不同衛星對信號處理的差異化要求，數據采集通道定義不同，導致各通道無法實現規則統一。為解決這一問題，軟件系統打破固定通道綁定固定參數的傳統設計思路，將處理方式類別化，建立數據處理通用規則庫，按照其在規則庫中的定義號，通過調用的方式簡單配置即可完成數據采集處理功能。該設計能為實現測試軟件可移植性與測試儀器互換性提供可靠依據，進而實現軟件系統的通用性，縮短開發周期。

2 工程應用

采用快速重組的衛星供配電測試系統在工程中進行應用，在衛星1任務結束后，為適用衛星2的技術狀態，對測試系統進行迭代適應性改造。硬件系統方面，分析需求差異，在繼承衛星1的基礎上，調整部分功能板卡類別及數量，取代整機設備投產，詳見表2。對于信號數量及通道的變化，快速重組硬件系統各功能模塊最大包絡，通過調整軟件信號通道，映射匹配通用規則庫，滿足衛星2的需求變化。

表2 硬件系統適應性修改

軟件系統方面，首先通過表2梳理衛星1和衛星2之間信號類型及數量的差異。由于硬件新增集中配電板卡，軟件根據數據流的變化，僅需要調整軟件中設備管理模塊及任務管理模塊；對于兩星之間接點通道的變化，識別出各通道的使用規則，通過映射通用規則庫實現軟件信號快速匹配，避免對軟件主程序框架進行調整和修改。軟件系統適應性修改詳見圖8。

圖8 軟件系統適應性修改

(1)集成小型化、通用化程度高。采用快速重組的供配電測試系統，在實現基本功能的同時較大程度地縮減了系統體積，減少了接插件及設備間電纜的規模，簡化了系統設計，集成化程度高，易于運輸。以某遙感衛星為例，該系統與傳統供配電測試系統的優化比對情況見表3。

表3 系統優化效果比對1

(2)成本控制低,研制周期短。采用快速重組的供配電測試系統,在系統的模塊化、通用化、小型化、輕便化方面克服了傳統系統的不足，更解決了傳統系統面臨的研發成本較高、研制周期長、搭建周期長、系統復用率低等問題。表4為2種測試系統的優化對比情況，通過分析得出，研制周期節省45天，集成周期節省4天，并且在硬件方面做到了成本有效控制。

表4 測試系統優化效果比對2

3 結束語

本文設計了一種快速重組的供配電測試系統，提高了系統的通用化程度和復用率；簡化了繁瑣的多機配置及連接關系，能提高系統容錯率；同時，系統體積減小，更加便于開展轉運集成等工作。在成本和研制周期方面，該系統也大大縮短研制周期和降低成本，適應當前衛星工程的發展方向。快速重組的供配電測試系統已在部分衛星研制中應用，效果明顯。