智能化導航衛星地面測試系統研究

喬偉男 王亞賓 常景娜 徐冬 張軍

摘 ?要：為保證導航衛星的可靠運行需要開展大量的測試工作，文章針對導航衛星的地面測試，開展了智能化導航衛星地面測試系統設計研究，主要應用于從衛星桌面聯試到總裝集成以及發射各個階段的電氣測試。解決了衛星測試周期短、測試類型多、測試任務重且并行實施的問題。實現了測試的集成化、智能化，以解決衛星型號研制人員緊缺、多星并行測試的現實情況。

關鍵詞：綜合測試;智能化;導航衛星

中圖分類號：TN967.1 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0036-05

Abstract：In order to ensure the reliable operation of the navigation satellite，a lot of testing work is needed. In this paper，the design of intelligent navigation satellite ground test system is carried out for the ground test of navigation satellite，which is mainly applied to the electrical test of all stages from satellite desktop joint test to final assembly integration and launch. The problems of short test cycle，multiple test types，heavy test tasks and parallel implementation are solved. In order to solve the problem of shortage of satellite developers and multi satellite parallel test，the integration and intelligence of test are realized.

Keywords：comprehensive testing;intelligent;navigation satellite

0 ?引 ?言

北斗衛星導航系統是中國著眼于國家安全和經濟社會發展需要，自主建設、獨立運行的衛星導航系統，目前已完成最后一顆全球組網衛星的點火升空，為保障導航衛星的安全運營，地面測試至關重要[1-4]，本文針對MEO組網衛星研制工作，開展了智能化導航衛星地面測試系統的設計，應用于從衛星桌面聯試到總裝集成以及發射各個階段的電氣測試。實現不同類型地面綜測系統設備的集成化、智能化，解決衛星型號研制人員緊缺、多星并行測試的現實情況。

本文設計的智能化導航衛星地面測試系統可實現在統一供配電條件下，同時對2顆衛星的單機、分系統和整星系統規定的性能和功能做全面的檢測，支持包括桌面聯試、整星集成測試、整星環境試驗、發射場技術區綜合測試、發射場塔架綜合測試在內的各類測試。測試數據集中化。對于整星測試及試驗階段數據能夠統一管理，對于在軌衛星遙測/遙控數據也能夠導入到平臺中，進行各項數據的集中分析。

1 ?系統方案設計

1.1 ?系統功能結構

智能化導航衛星地面測試系統結構主要分為底層支撐、基礎服務、平臺基礎層以及上層應用[5]，每層的具體功能結構如圖1所示。

1.1.1 ?底層支撐

系統支持目前主流的操作系統與數據庫，具有良好的移植性和跨平臺性，支持Linux、Windows等多種操作系統。支持Oracle（11 G或以上）、SQL Server等傳統關系型數據庫和Cassandra等非關系型數據庫。通過關聯數據庫的應用配置，系統可根據各類數據自身的特點將其分別差異化地存儲于數據庫系統中，保證了各類數據管理的最優化。由于非關系型數據庫具有易擴展等特性，后期增加或修改測試數據類型都會很容易，可以提升系統在數據庫層架構上的可擴展能力。

1.1.2 ?基礎服務

為系統的正常運行提供各類操作引擎和服務，如數據處理引擎、數據存儲引擎、數據壓縮引擎、數據判讀引擎、數據查詢引擎等各項基礎服務與應用引擎。同時提供針對數據的建模引擎，保障了數據庫模型、數據模型、應用模型等各類模型的構建與界面化的維護，保障系統后期需求擴展、功能擴展、業務擴展等多方面需要，提升系統的擴展性與靈活性。另外，系統還提供同第三方數據處理程序的接口服務，方便對測試數據進行更深入的挖掘和應用。

1.1.3 ?平臺基礎層

為系統的測試系統開展提供基礎的管理支撐工具和基礎配置支撐工具，主要包括基本的組織機構管理、人員權限管理、安全管理、日志管理等系統的基礎管理功能;型號管理、測試項目管理和設備資源管理、遙測參數管理、測試用例管理、判讀知識管理等，支持測試的基本信息管理功能;以及協議配置工具、數據建模工具、數據訂閱工具、數據分發工具、數據解碼工具和數據接收配置工具等保障數據交互的基礎配置工具。

1.1.4 ?上層應用

用于用戶系統的前端應用，包括了綜合測試過程的管理、測試過程的自動化執行、測試過程控制、測試數據的監視、對測試數據和在軌數據的管理和查詢應用、以及數據綜合呈現等功能。同時，提供測試崗位管理實現對用戶角色功能的劃分與信息過濾，為每個登錄系統用戶提供相應工作界面、數據中心（數據查詢、數據監視報警、數據判讀等）、信息定位、統計視圖等多樣化管理界面，保障信息定位的準確性。

測試設備通過接口系統同前端各測試分系統進行連接，實現測試任務的規劃、準備和執行控制;實現測試過程中對各分系統的控制和指令的發送以及測試數據的實時接收、顯示和存儲;實現在軌數據的解析、導入、存儲;通過接口同第三方應用工具的集成，實現數據的回放、分析應用等功能，系統關系圖如圖2所示。

1.2 ?網絡部署結構

在整星測試過程中，主要包括三部分內容：前端測試系統、控制顯示終端、在軌數據管理。前端是分系統專用測試設備，主要包括：供配電、測控數傳、控制、數管、熱控等專用測試設備，負責為被測航天器提供能源、測控上下行信道、數傳下行信道、總線采集通道以及控制模擬器等;后端為總控設備，通過對前端設備的集中管理實現整個綜合測試過程，主要完成綜合測試的數據管理、自動化測試以及全生命周期的信息化管理;服務端主要是支持整個測試過程的支持服務端，包括主測試服務器、數據訂閱服務器、綜合管理數據庫服務器、地面測試數據庫服務器和在軌數據庫服務器等，所有系統和設備都通過測試網連接。系統支持多星的并行測試過程[6]，如圖3所示。

在測試過程中，用戶通過客戶端進行各衛星的測試設計、測試過程規劃和測試進度管理，協調控制測試過程。用戶使用主控臺對各星按照測試任務規劃進行分別控制測試或同步測試，通過主測試系統進行測試用例和上行指令的自動化執行和發送、前端設備的控制管理、測試數據的處理接收等，實現多星地面測試的自動化執行;在測試過程中，系統對所有測試過程數據進行集中存儲和管理，對所有測試數據進行分類壓縮存儲;用戶通過訂閱系統，使用客戶端進行測試數據的顯示和查看，以及測試后數據的查詢及分析應用。

2 ?系統功能設計

2.1 ?基礎信息管理

2.1.1 ?型號管理

所有的測試任務都是圍繞型號展開，所有測試任務、測試過程管理、測試結果記錄都是以型號為主線，因此在系統中需要對所承擔的測試型號信息進行管理，通過型號再對參與人員的管理來控制型號測試過程中的操作權限。

2.1.2 ?設備資源管理

對測試過程中需要用到的所有設備資源和場地資源進行集中管理，主要包括測試儀器、測試板卡、電源、工具儀表等。系統能夠對測試設備的信息、附件信息等進行管理，方便對所有設備資源進行集中掌握和控制，方便后期測試過程中設備資源的規劃和調用，主要功能包括分類管理、信息維護、設備履歷、標定管理等操作。設備資源管理應具備設備臺賬管理、設備套裝管理、測試工位管理、信息維護、使用履歷管理、標定管理、設備狀態管理等功能。

2.1.3 ?遙測參數管理

遙測參數管理包括遙測參數基礎信息管理、版本記錄、簽署發布、查詢統計等管理。支持用戶將已有的Excel參數表導入，支持參數表內容的修改和版本管理。同時支持將系統中的遙測參數、遙測指令、注入數據表等導出成Excel到本地。

通過對遙測參數、遙測指令、注入數據等在系統中的管理，方便后期進行數據解析存儲、指令序列定義、數據判讀設置等的配置工作調用。

2.2 ?綜合測試過程管理

綜合管理的核心功能在于測試任務從下達、設計、計劃安排到實施、綜合評估的整個過程。系統中提供整星綜合測試管理模塊，對整星測試過程中的測試項、測試用例、測試任務、測試進度安排和控制以及測試結果進行管理，可有效地對多星整星并行地面測試過程進行綜合管控。

測試過程主要分為測試準備、測試執行和測試評估三個階段。

（1）測試準備階段，主要進行相關的測試設計工作，用戶根據測試大綱、整星技術要求或相關的用戶要求文檔，設計生成對應的測試項目和測試用例、規劃測試過程中參與的人員和使用的設備資源，然后按照相關測試大綱或技術要求，將一個或多個測試項組合形成測試任務和測試計劃，根據測試技術規范設計制定測試流程;

（2）測試執行階段，根據測試任務和測試流程設計，在前端測試程序中，能夠從數據中獲取需要執行的測試任務、測試項以及對應的測試用例，并通過用戶的控制實現測試序列或指令序列的自動執行或手動發送，執行過程中系統自動記錄測試過程信息以及測試數據。在測試執行過程中，相關的測試負責人可以通過測試進度管理、測試現場監控、日志管理等手段跟蹤和控制測試進程;

（3）測試結束后進入測試評估階段，通過測試評估工具，對測試任務的完成情況、測試項的覆蓋情況、所發測試指令的覆蓋情況進行整體評估，并生成測試評估報告，用戶可以根據測試評估結果進一步完善測試設計，方便更有效地開展下一階段的測試工作。

在系統中，以通用測試任務的概念提供完備的測試任務管理的功能，實現對測試過程中測試任務涉及的任務信息、參試人員、測試項、測試設備、所用測試用例、相關文檔等信息的綜合管理。同時對于并行測試的衛星多、測試任務量大、測試內容復雜、測試任務時間緊等特點，通過對測試任務的合理組織，以及對測試任務的監控實現了目前通用的測試過程管理體系。主要功能結構如圖4所示。

系統提供測試設計功能模塊，用戶可以進行測試項管理、測試用例的創建和維護以及測試任務的創建和維護;測試流程計劃模塊對測試設計模塊接收的測試任務、測試項目進行統籌安排，實現多星并行的層次化進度安排;測試進度管理模塊，對測試流程在整個組織內的流動狀況進行監視，并提供一系列的管理功能，實現安全性、過程控制和授權操作等方面的管理;技術狀態管理負責隨時記錄系統中故障維修或者調整，同時進行星上設備管理、星上軟件管理、星地接口管理;測試問題管理模塊，能夠記錄測試過程中對出現的問題，當問題解決后相關負責人可以關閉該模塊;在完成測試設計、測試進度安排、測試進度管理后，形成的一系列測試過程數據，以及和總控軟件的重要數據同步，可以進行測試結果的綜合評估。

3 ?智能化軟件設計

智能測試是對智能化導航衛星地面測試系統的基本要求，也是系統設計的重點。從任務需求角度來說，系統的智能化主要體現在以下幾個方面。

3.1 ?測試任務規劃與調度

為滿足多星、多級別、并行測試的任務要求，智能化導航衛星地面測試系統要求實現對測試依據文件、測試仿真數據、測試計劃調度、測試流程信息、接口關系以及數字簽名等文件進行版本管理，實現對測試需求變更的追蹤管理。

3.2 ?自動化測試

自動化測試的要求是在滿足測試需求的情況下，經過配置測試細則實現一鍵測試及相關報告的輸出，因此，要求能夠根據測試序列及判讀結果、診斷結果，自動完成當前測試任務的測試序列，并輸出測試報告，對異常數據給出故障診斷報警。

3.3 ?自動判讀

自動判讀是實現自動化測試和故障分析的基礎，智能化導航衛星地面測試系統能夠根據測試需求以及測試模型，自動生成與測試任務對應的自動判讀模型，通過加載判讀模型，可實現對測試數據的實時監測。同時，提供相關參數編輯、修改的接口。

自動判讀建模主要分為兩大部分：指令識別和判讀規則提取。指令識別能夠根據測試任務的指令序列識別到接口級的測試指令;判讀規則提取主要是解析輸入的判讀信息，最后生成標準模型和誤差模型。

標準模型用于對測試數據進行常規性判讀;誤差模型提供測試數據與預期結果比較的規則，比較的結果有兩種：系統誤差和產品故障。對于判定為系統誤差的情況，平臺自動進行多次測量并進行平均;對于判定為產品故障的情況，將判讀結果輸入到故障診斷軟件中進行故障的初步診斷。

判讀模型的自動生成依賴于知識庫和測試模型的信息資源，如果自動生成的判讀無法滿足測試要求，智能化導航衛星地面測試系統提供手動建模工具。

3.4 ?故障診斷報警

故障診斷是滿足衛星測試任務自動化測試的關鍵，智能化導航衛星地面測試系統能夠根據測試需求以及測試模型，自動生成與測試任務對應的故障診斷策略，通過加載診斷策略模型，可實現對測試結果的故障診斷，為異常數據的處理和分析提供初步結論。同時，對異常數據可以定義不同的報警等級進行數據報警。

智能化導航衛星地面測試系統采用專家系統的方式，診斷模型的自動生成依賴于知識庫診斷策略、測試模型和判讀模型的信息資源。

3.5 ?測試報告自動生成

智能化導航衛星地面測試系統能夠根據測試結果和判讀結果自動生成指定模板的測試報告，同時根據預期測試結果與故障診斷結論自動生成診斷報告，并給出初步診斷結論。

4 ?系統界面設計

系統提供針對于整星地面綜合測試系統監視過程中的數據實時監控顯示功能，基于數據中心的訂閱服務與數據分發服務，實現對數據原碼顯示與解碼后數據的顯示操作。提供對各分系統的工程遙測量信息的實時顯示與綜合呈現。

在整星地面測試過程中，為了更加直觀地查看型號的測試運行狀態，系統提供三維模擬顯示方式，通過實際的測試數據驅動三維模型，模擬顯示衛星在太空中的運行情況。同時支持根據在軌數據對運行場景進行回放和重現。

系統通過對衛星在軌運行場景的數據組織，根據外部驅動，結合航天動力學軌道模型，設置和更新場景狀態，利用基礎圖形庫，實現場景的可視化輸出，直觀地展示地面飛行控制所需的各類測控信息。衛星多星顯示如圖5所示。

用于對導入采集數據的判讀操作，用戶可根據預定義的參數判據，實現對測試數據進行智能化自動判讀，事后判讀管理頁面如圖6所示。通過調用數據庫中測量參數的實測值，提取判讀對應參數的判據信息進行比對，對數據超差或不符合規定的結論，針對不符合規定的參數以紅色字體顯示超差參數信息。

5 ?結 ?論

本文設計的智能化導航衛星地面測試系統具有測試任務并行化、測試過程智能化、測試接口標準化、測試數據集中化等特點，能夠滿足多顆衛星同時進行測試工作，平臺具備擴展性，同時對于整個測試過程，系統可根據時間安排及設備狀況給出合理化的任務安排，測試流程能夠自動化執行，故障情況能夠智能分析。本系統已被應用于多個型號的航天衛星的測試檢驗，很好地解決了導航批生產衛星研制周期短、測試類型多、測試任務重、并行實施的難題，大大減輕了測試人員壓力。

參考文獻：

[1] 何銘俊，洪雷，曹麗君，等.一體化小衛星綜合測試系統的設計 [J].計算機測量與控制，2016，24（9）：15-18.

[2] 李培華，陳逢田，李立，等.小衛星測試技術發展與展望 [C]//航天東方紅衛星有限公司，中國空間科學技術編輯部.2011小衛星技術交流會論文集，2011：1-9.

[3] 趙光權，徐犇，張毅剛.小衛星測試系統設計與實現 [J].計算機測量與控制，2011，19（3）：503-505.

[4] 曹暉，畢建峰.基于PXI總線的實時綜合測試系統研究 [J].上海航天，2011，28（3）：64-68.

[5] 王慶成.航天器電測技術 [M].北京：中國科學技術出版社，2007.

[6] 劉洋，李家琦，李宗德.基于數據格式庫的衛星通用測試軟件設計 [J].計算機測量與控制，2014，22（8）：2680-2683.

作者簡介：喬偉男（1986.08—），男，漢族，吉林白城人，中級工程師一級，碩士，研究方向：衛星綜合測試。