星載相機地面電性能測試系統的設計與實現

張雅琳，杜以強，王淳，林喆，孫偉健

1. 北京空間機電研究所，北京 100094 2. 中國資源衛星應用中心，北京 100094

航天遙感探測廣泛應用于民用與軍事各個領域[1]，對光譜細分測量可以獲取準確的測量數據，為氣候預測與氣候效應評估、農業、漁業、環境監測、礦產開發、軍事偵察等提供科學依據。其中星載相機是航天遙感最重要的一種成像方式。星載相機一旦升空便無法對其進行維修，因此要求在衛星發射之前對相機各部分進行嚴格的測試。星載相機地面檢測系統[2-4]是在衛星相機升空前對其進行可靠性和穩定性測試的重要系統，地面測試系統模擬衛星平臺數管分系統、遙控分系統、供電分系統、遙測分系統等功能和接口，完成對光學相機的控制，并為星載相機進行性能測試、相機自檢、相機問題排查及配合各種試驗研制。

目前的航天遙感類地面測試文獻著重于衛星整星測試或相機專檢測試兩個方面，而沒有針對星載相機地面測試方法的論述。采用衛星整星的地面測試方法[5-6]并不合適，整星測試只著重測試星載相機的直接指令和直接遙測信號，而間接指令、間接遙測和輔助數據等信號量無法完全覆蓋到；而采用相機專檢設備的測試方法[7]也不合適，因為專檢設備只是相機的一部分，同樣不夠全面。因此本文總結了星載相機地面測試的需求，提出了針對星載相機的電性能地面測試方案并實現了測試系統。

而且隨著高軌、大口徑等新型相機的研制任務增多，相機有了結構更復雜、載荷更多的新特性。這些新特性增加了相機的測試內容，在保證測試全面性、可靠性、安全性方面增加了難度。因此需要針對性的設計星載相機的地面測試系統和測試方法，以滿足測試的新需求。

本文分析了星載相機的地面測試需求，開發了一套地面電性能測試系統，并針對新型星載相機全面性、可靠性、安全性的測試需求，設計了星載相機的地面測試方法。通過試驗表明該系統實現了星載相機的地面測試，提高了工作效率。

1 測試系統方案

星載相機地面測試系統的測試原理是通過仿真與模擬衛星平臺數管分系統、遙控分系統、供電分系統、遙測分系統等系統的功能和接口，以完成對星載相機的控制，并對相機的性能進行測試。星上地面測試系統總體功能需求如下：

1)供電功能。為相機控制器等相機載荷提供供電，并實時測試一次電源、二次電源的電壓及電流，對超限異常電壓報警。

2)控制功能。主要完成對被測星載相機的某項狀態啟動/停止、狀態設置、狀態切換控制、測控回路建立、測控通道選擇、狀態復位等，使星載相機處于某種工作狀態或完成某項/系列動作。模擬整星對相機發送1553B總線指令，具有超限處理功能，并將指令名稱、指令時間和指令內容進行存儲。

3)狀態遙測功能。實時采集模擬遙測量及1553B總線遙測量，能夠解析、判讀、顯示并存儲。對超限異常數據報警。

4)一次電源設備具有應急加斷電控制功能和電流、電壓保護功能，避免地面測試設備故障損壞星上其他設備。

因此地面測試系統包括一次電源、控制終端、電源模擬組建、星上數管模擬組件、星上GPS模擬組件幾個模塊。其中一次電源輸入AC 220V，輸出可調直流電壓；控制終端由控制主機、顯示器、鍵盤、鼠標等組成；星上電源模擬組建包括電源配電，配套電纜；星上數管模擬組建包括遙控指令模擬模塊，遙測模擬接收模塊，1553B總線BC端；星上GPS模擬組件則是模擬秒脈沖信號發送單元。

地面測試控制臺與相機連接框圖如圖1所示。

圖1 地面測試系統與相機連接框圖Fig.1 The connection between ground testing system and camera

而針對地面測試系統上位機軟件需要實現的功能則包括一次電源監控單元、直接指令控制單元、間接指令控制單元、指令發送監測單元、直接遙測監測單元、間接遙測監測單元、速變數據監測與通斷控制單元、緩變數據監測與通斷控制單元、GPS秒脈沖通斷控制單元、各廣播數據的監測與通斷控制單元、指令和遙測數據存儲檢索單元、批指令編輯和發送單元、曲線繪制顯示單元等。這些單元實現以下5個主要功能：

1)初始化功能。初始化為整個程序最初執行的部分，初始化程序設計主要包括軟件初始化、讀取配置文件、數據庫連接、創建日志文件等。

2)遙控功能。遙控指令發送及數據注入用于模擬星務向星載相機發送遙控指令，基于星載相機相關遙控指令數據格式，提供用戶可視化的指令選擇平臺。具備直接指令、間接指令、注入數據指令等指令的生成、發送、保存、查詢等功能。支持單此發送、連續發送、輪詢發送。

3)遙測功能。星載相機地面測試計算機以輪詢的方式每隔一定時間向星載相機發送遙測數據請求命令，接收并實時顯示星載相機的遙測數據，以測試星載相機的實時運行情況和各個參數的正確性。

4)輔助測試功能。主要針對星載相機地面測試的幾個關鍵指標編寫的測試模塊，例如錯誤指令統計數據包、提供相機星上系統鐘的時間廣播數據包、提供地面測試系統計算機內存數據的內存下卸數據包等。

5)數據存儲功能。星載相機地面測試系統的測試指令發送記錄信息、接收的遙測原始數據和分包解析處理后的遙測參數，在程序運行過程中生成的數據文件、測試中產生的信息都由數據庫功能模塊來存儲和管理。

地面測試系統上位機軟件結構如圖2所示。

圖2 地面測試軟件結構Fig.2 Ground testing software constructure

此外，與傳統星載相機相比，高軌、大口徑等新型相機的地面測試設計上具有以下特點。

(1)新型相機測試的全面性

新型相機成像系統的體制復雜程度與等效口徑成正比，并且新型相機的力載荷、控溫熱載荷等載荷數量也遠多于傳統星載相機。這些特性增加了地面測試系統接口的種類，增加了相機的測試內容，因此需要針對測試內容多的特點進行全面性測試。

(2)新型相機測試的可靠性

因為新型相機載荷增多，測試數據量大對測試系統通信鏈路的可靠性有了更高的要求。針對測試的可靠性需求，設計了基于1553B總線的通信鏈路，并提出了冗余網絡的切換系統設計方法，提高了總線通信的可靠性。同時高速大數據量存儲容易引發數據庫訪問沖突的問題，需要對測試系統的存儲功能進行針對性設計。

(3)新型相機測試的安全性

測試系統選用高可靠性的冗余型總線通信鏈路，但冗余型總線會在鏈路故障、消息發送失敗等情況下自動跳轉到備用通道，從而容易掩蓋問題點，給相機帶來安全性隱患。因此設計針對冗余鏈路的測試方法和錯誤注入的測試方法，提高新型相機測試的安全性。

2 測試系統與測試方法設計

2.1 針對全面性的新型相機測試系統設計

新型相機的測試接口種類增多，測試內容增多，在這個背景下為保證對星載相機進行全面性的測試，地面測試系統必須實現對所有接口進行模擬。

1)電源模擬模塊。為了實現模擬衛星供電分系統為被測的星載相機系統提供電源，設計方式為上位機通過CAN總線向配電與開關指令模塊發送配電指令，由處理器單元進行指令解析，通過控制相應的繼電器通斷實現配電，從而輸出被測試相機所需要的各種形式的直流電源。電源模塊采用具有監視各路電源的電壓和電流的功能的設計，自動進行過壓過流保護，確保被測對象的安全。整星為分系統提供主備分開的配電通路，主備通路可單獨配電，也可聯合配電。因此地面測試系統也設計為能夠控制主備份的一次供電輸入。

2)直接指令模擬模塊。直接指令采用開關量的形式實現模擬。地檢臺向相機控制器提供兩種輸出線：一是遙控專用供電線，二是命令線。當命令作用時命令線與地面測試系統的地電位間呈低阻低電壓狀態。

3)直接遙測模擬模塊。直接獲取被測對象的參數設置情況、開關狀態。例如星載相機的電源開關狀態、相機調焦開關狀態、相機增益設置狀態等。設計為AN量參數的形式，AN量通道由兩條線組成，一條稱為信號線(高線)，另一條稱為回線(低線)。接收端量取高線和低線之間的電位差。

4) GPS秒脈沖模擬模塊。該模塊為星載相機提供精確的時間、頻率信息。測試時由地面測試系統發送，視頻控制器為信號的接收端。信號采用RS422差分電壓信號的形式實現，也分主備份兩路。

5)1553B總線模擬模塊。設計1553B總線通信鏈路和通信協議，從而實現星載相機通過1553B總線與地面測試系統(模擬衛星數管分系統)進行數據交換，接收數據型間接指令和輪詢指令，并把打包好的相機遙測參數發往地檢臺。通過1553B總線可以實現間接遙控、間接遙測和輔助數據的測試功能。

2.2 針對可靠性的新型相機測試系統設計

新型相機的載荷增多，接口多同時測試內容增多同時測試數據也大量增多。因此需要選用吞吐量大同時可靠性高的1553B通信總線鏈路。同時利用1553B總線的雙冗余通道的特性提高測試系統的可靠性。高速實時的數據存儲還容易帶來數據庫存儲訪問沖突的問題，因此需要對設計庫進行避免訪問沖突的設計。

(1)總線選擇

為了提高新型相機地面測試系統的可靠性，選擇1553B總線作為通信總線。1553B總線具有1個BC和31個RT可實現1Mbit/s的高吞吐量通信。同時該總線廣播式分布處理的模式可使遠程終端的故障不會引起網絡系統的失效，具有很好的可靠性。此外，1553B總線是主從式結構，其網絡機構不存在爭搶總線控制權的問題，數據傳輸和響應都具有確定的時間。因此該總線可保證星載相機測試高可靠性需求。

(2)冗余網絡切換設計

1553B總線采用雙冗余的總線結構，包括A、B兩條總線，互為熱備份。冗余總線的備份設計使得1553B總線在實際使用時更可靠。通過對1553B總線的BU-61580芯片的寄存器配置，來實現對冗余網絡的切換策略。配置參數采用結構體指針形式，結構體參數定義如表1所示。

表1 寄存器參數

通過設置是否重試、重試次數、消息錯誤重試和狀態字設置重試來解決鏈路上出現丟包、錯包等問題時，確保通信鏈路的可持續性從而提高測試系統網絡通信的可靠性。

(3)針對數據庫訪問沖突的設計

由于需要實時、大量地存儲星載相機的測試數據，容易引起數據庫Access寫入沖突的問題。因此采用互斥體技術，互斥對象能夠確保線程擁有單個資源的互斥訪問權。在WaitForSingleObject函數里獲取共享資源的使用權后，動態創建DAO智能指針_pConnectionPtr和_RecordsetPtr，從而保證避免訪問沖突，提高了相機測試系統存儲功能的可靠性。

2.3 針對安全性的新型相機測試系統設計

星載相機地面測試系統的一個重要意義就是查找相機設計的功能缺陷、性能漏洞，從而實現星載相機的安全性。因此地面測試系統通過針對冗余鏈路的測試方法和采用錯誤注入的測試方法來保證相機的安全性測試。

(1)針對冗余鏈路的測試方法

冗余總線的備份設計使得1553B總線在實際使用時更可靠，但在測試時卻存在隱患，容易掩蓋出問題的地方。因此在安全性測試時通過將重試功能和通道改變的功能全部關閉來實現。具體測試方法為將表1中的寄存器參數Retry_ENABLE、Retry_IF_MSGErr和Retry_IF_StatusSet設置為禁止消息重試，同時將AlterChan_On_Retry1和AlterChan_On_ Retry2設置為禁止改變通道。

(2)采用錯誤注入的測試方法

錯誤注入的測試方法通過主動注入錯誤數據來查找星載相機的功能、性能設計缺陷，提高星載相機的安全性。測試方法為根據1553B總線的協議，實時解析1553B的命令字，然后將錯誤數據替換原總線數據。具體實現方法為利用FPGA判斷出消息的同步頭位，再跟據采集數據的大小和持續時間來分析命令字的同步頭，然后根據分析命令字按需求替換數據、改變數據傳送方向等。

3 系統實現

3.1 硬件實現

星載相機的地面測試系統硬件設計關鍵技術是實現各模塊中地面測試計算機與相機各組件之間通信的接口適配轉換，其中地面測試計算機與1553B總線的通信及接口適配轉換是核心功能之一。本地面測試系統的1553B總線數據通信電路由4部分組成：CPCI接口協議電路單元、現場可編程門陣列(FPGA)時序和邏輯電路單元、1553B總線通信電路單元、秒脈沖電路單元(產生秒脈沖信號，并以此觸發1553B總線發送秒脈沖對應的時刻數據)，通信電路的結構如圖3所示。

圖3 通信電路的結構Fig.3 Block diagram of the communication board

CPCI接口電路單元采用的協議芯片為PCI9054[8-9](其配置芯片為NM93CS56)。CPCI與本地總線的數據傳送速率高達132 Mbyte/s[10]。

FPGA時序和邏輯電路單元選擇的芯片為EP1C3T144，該款芯片具有2910LE邏輯單元，13條M4KRAM(共6.5 Kbyte)，還有1個數字鎖相環[11-12]。

1553B總線收發器選用HOLT公司的HI-1573，它能夠實現信號在單極性曼徹斯特Ⅱ型碼與雙極性曼徹斯特Ⅱ型碼之間的轉換。1553B總線控制器選用BU-61580，實現了總線控制器(BC)，遠程終端(RT)和監視器終端(MT)模式[13-14]。

3.2 軟件實現

地面測試系統的上位機軟件由基于MFC框架并采用多文檔軟件架構形式編程實現。軟件框架如圖4所示，以CMainFrame類為程序主軀干和神經樞紐，和各CDialog類建立的指令窗口、遙測窗口以及數據總線進行數據交換。指令類數據以指令數據格式進行通信，而總線接收到的遙測數據以多線程的結構進行接收，并以事件方式觸發遙測界面線程，進行數據更新顯示。而實時數據、歷史數據則以CView類進行曲線繪制。數據庫選用Access數據庫。數據庫訪問技術采用數據訪問對象DAO(Data Access Object)技術。

圖4 地檢上位機軟件框架Fig.4 Host computer software framework

軟件運行流程為：執行初始化操作，首先對相機進行上電操作。直接指令、間接指令等開關指令或需要輸入參數的指令在界面上手動點擊、輸入設置后立即生效，通過總線傳輸到相關板卡，總線采集遙測數據后啟動中斷，并觸發相關線程解析、顯示數據到各界面。

4 系統功能驗證

本文采用某高軌相機型號地面測試系統為例，測試流程為：

1)電源電壓電流測量：電源輸出設置為30.5 V、電子負載輸入電流設置為2 A。點擊管理器電源主備份、前后視二次電源箱主備份，測量電源輸出電流，測量值見表2。由表2可知,地面測試系統的電源模擬模塊可以很好地為星載相機提供電源。測量精度達到整星測試水平。

2)直接指令測試：測量繼電器負載的負脈沖的幅值與信號脈寬。幅值均為29.3 V，信號脈寬均值80 ms。誤差不大于0.001%。地面測試系統的直接指令可有效實現模擬控制功能。測量精度達到整星測試水平。

3)直接遙測測試：模擬量輸入1為3.5 V，模擬量輸入2為0.3 V。測試輸出1為3.51 V，測試輸出2為0.31 V。測量精度達到整星測試水平。

4)秒脈沖測試：打開地檢設備GPS秒脈沖輸出，用示波器測量M-M連接器的相關引腳。要求負脈沖寬度：1 ms±1 μs；脈沖周期：1 s±1 μs。測量的負脈沖寬度：0.999 8 ms，脈沖周期：999.999 8 ms。

5)總線測試：設置1553B測試儀，設置RT地址和子地址；地檢設備發送軟件指令，檢查接收數據一致。間接遙測遙控測試如表3所示。

表2 電源電流測量

表3 間接遙測遙控

由表3可見，本文提出的測試系統間接測控可實現連續72 h零誤碼率的水平，實現了新型星載相機全面、可靠的地面測試，并對相機的安全性充分測試。

5 結束語

本文設計并實現一種星載相機的電學性能地面測試系統，同時根據高軌、大口徑新型相機的特點，針對性地設計了測試系統和測試方法。設計的地面測試系統已在某高軌型號星載相機的研制中得到實際應用，并對星載相機的研制具有重要意義：1)針對高軌、大口徑新型相機測試內容多、測試數據量大等特點，實現了對相機全面性、可靠性、安全性的地面測試。2)加速星載相機的研制速度。衛星平臺與相機分系統很難一次保證對接的成功，利用地面測試設備無需等衛星平臺與相機、相機各載荷全部研制成功再對接，可根據各系統研制周期進行地面測試，及時驗證功能。地面檢測系統能夠使衛星平臺相機、相機與相機上各載荷組裝和對接的成功率大大提高。3)保證星載相機的研制質量。星載相機地面檢測系統對相機的電性能進行了全面的檢測，保證了星載相機的研制質量。