全數字仿真測試環境在航天軟件測試中的應用研究

胡經民 郭璞 武宏偉 孫靖

摘要：為了高效地實現對航天軟件的測試，保證所開發軟件的質量。本文研究了基于全數字仿真測試環境在航天軟件測試中的應用，詳細介紹了硬件仿真測試環境、全數字仿真測試環境的基本概念，并從全數字仿真測試環境的體系結構，軟件測試流程等方面闡述了軟件測試的原理及實現方法。最后，通過實際的應用分析并總結了全數字仿真測試環境下航天軟件測試的優勢。

關鍵詞： 全數字仿真硬件測試環境航天軟件測試應用研究

Abstract： In order to test aerospace software efficiently， it is necessary to ensure the quality of the developed software. This paper investigates the application of an all-digital simulation-based test environment in aerospace software testing. The basic concepts of hardware simulation test environment and full digital simulation test environment are introduced in detail. And the principle and implementation of software testing are described from the aspects of architecture of full digital simulation testing environment and software testing process. Finally， combined with actual applications， the advantages of aerospace software testing under the all-digital simulation test environment are analyzed and summarized.

Key Words： All-digital simulation; Hardware test environment; Aerospace software testing; Application research

隨著科學技術的不斷發展，航天系統對系統集成化、智能化的需求愈發迫切，在硬件逐漸完善的同時，軟件質量直接關系到整個系統的穩定性、容錯性、可靠性等。而軟件測試是保障軟件質量最基本也是最重要的途徑。目前，在航天類的軟件中，可以粗略地將測試環境分為硬件仿真測試環境、全數字仿真測試環境兩大類。

圖1為通用的硬件仿真測試環境示意圖。由圖可知該測試環境主要由四大部分硬件組成。其中，彈載計算機部分主要是用于完成飛行控制軟件的相關操作;仿真測試平臺主要是用于對輸入信號的測試并將其結果顯示到界面上，同時還用于實現其他硬件之間的數據交換。遙測和地面計算機的主要作用是對航天設備進行實時的監測，并結合任務需求及實際狀態向彈載計算機上傳所需的運行程序，同時接收其發回的反饋信息及遙測數據。仿真計算機的主要任務是結合所運行的航天設備的動態方程，獲得該設備在實際的運行過程中的狀態估計，并將其數據傳輸給彈載計算機。然后，彈載計算機根據目標當前的位置及設定的任務需求進行數據處理并將控制量輸出給仿真計算機。最后，通過仿真計算機來執行模型控制。

通常情況下，對于與不同的航天型號相對應的硬件仿真測試環境不盡相同，因此無法實現測試環境的資源共享。由于不同設備的內部硬件結構不同，導致當測試環境出現故障、或后期需要維護更新時，將耗費極大的時間、人力及物力，從而造成了極為嚴重的資源浪費。鑒于該仿真測試環境存在的一系列缺點，基于航天軟件測試的全數字仿真測試環境應用而生。因此，下文將對該測試環境進行詳細的研究。

1全數字仿真測試環境簡介及模型

1.1 全數字仿真測試環境簡介

圖2全數字仿真測試環境設計示意圖。該測試環境同樣由4個部分組成，其主要作用是所需測試的航天軟件構建一個模擬的測試環境[1]，從而無需通過如圖1所示的硬件設備來獲取測試數據，只需通過仿真測試環境來產生所需的模擬數據。因此全數字仿真測試環境相較于硬件測試環境更加的靈活，經濟。

在上圖中，對于模擬輸入部分，通常以腳本為主要的輸入方式。這樣的好處在于可以根據實際情況設計不同的故障腳本，從而實現對航天軟件更加全面的測試。圖2中間的兩部分的主要作用是仿真、模擬實現硬件部分的工作過程。而最后的結果記錄主要是用于對結果的分析，便于對所進行測試的軟件進行相應修正，與維護。

1.2 全數字仿真測試環境模型

在實際的場景中，嵌入式的航天軟件與外部設備進行數據交互主要是通過數據總線來完成的。即與軟件相連的外部設備首先將所需處理的數據通過總線發送給軟件，軟件利用內部的算法完成相應的操作后，再通過總線將其結果輸出，從而完成不同系統、設備之間的交互與通信[2]。

利用模擬數據總線的方法，可以將全數字仿真測試環境中的航天軟件和其他LRU（Lille Replaceable Unit）進行互聯，并實現數據傳輸，其功能和真實的總線完全相同。同時，還可以根據進程調度來同步不同模塊的數據[3]。圖3為全數字仿真測試環境模型示意圖。

此外，為了在全數字仿真測試環境中對所需的航天軟件進行測試，還需調用相應的測試命令或操作應用程序接口來來仿真外部設備的數據輸入。需要注意的是，該輸入及通過測試后輸出的全部過程都是利用模擬總線結構來進行調用和數據交互的。

2 全數字仿真測試環境的體系結構及軟件測試流程

2.1 全數字仿真測試環境的體系結構

為了保證仿真測試環境的維護性、擴展性，降低后期使用成本。全數字仿真測試環境采用了分層的體系結構[4]，如圖4所示。

其中，用戶界面的主要任務完成人機交互的功能。一方面是將所需的測試命令發送到相應的測試環境中;另一方面是將測試的結果反饋給操作人員或用于，便于進一步分析與操作。激勵系統、測試代理的主要作用是完成用戶界面與虛擬機之間的數據交互，從而實現對虛擬機的控制，并完成靜態、動態的測試功能。虛擬機主要用于運行被測軟件[5-6]。

分層的體系結構的基本思想是將總的測試任務進行分解，并將分解后的每部分任務單獨的放在一個抽象的層中，該體系結構的優勢主要體現在以下幾點。

（1）層的重用。當某一獨立的抽象層具有較為標準或通用化的接口時，則該層可以在不同的航天軟件測試中被重復使用，從而最大程度地降低了開發成本。

（2）標準化支持。抽象層準確劃分，能夠有效的促進標準、規范、統一化的任務接口開發。

（3）局部依賴性。獨立層之間的準確劃分，可以明確各層之間的任務及關聯性，減少了由于某一部分的修改對整個環境的影響。

（4）可替換性。不同測試軟件相同的需求仿真測試環境可以實現單個獨立層的輕松替換。

2.2全數字仿真測試環境的軟件測試流程

在全數字仿真環境下軟件測試步驟如下：

（1）仿真測試環境的初始化。將待測的航天軟件編譯后加載到當前的測試環境中;

（2）通過靜態測試工具對所測試的航天軟件執行靜態分析，并生成相關的檢測數據;

（3）通過動態測試工具對所測試的航天軟件執行動態分析，并進行相應的調試;

（4）驗證測試環境的自動化，即利用仿真測試環境來產生諸如中斷等事件，保證被測的航天軟件可以按照“閉環”的方式運行;

（5）對輸出的結果進行詳細分析，并生成相應的結果報告。

4 結語

測試是保證和提高航天軟件的質量及其重要的途徑，本文研究了全數字仿真測試環境在航天軟件測試中的應用，詳細闡述了全數字仿真測試環境及其模型，構建了全數字仿真測試環境的體系結構，并總結了軟件測試的基本流程，最后通過實際的應用并結合硬件仿真測試環境分析并總結了全數字仿真測試環境的有效性。對航天軟件的測試具有一定的參考價值。

參考文獻

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[2]滕俊元，徐忠賓，高猛.基于全數字仿真的虛擬軟件測試環境[J].機電一體化，2017（9）：23-27.

[3] Gao F， Deng F， Yan Y， et al. Full Digital Simulation Testing of Networked Embedded Software[C]//2018 IEEE International Conference on Software Quality， Reliability and Security Companion （QRS-C）.IEEE，2018：45-50.

[4]李毅，楊豐輝，蔡棟材，等.飛行管理系統仿真測試環境研究與應用[J].航空計算技術，航空計算技術，2020，50（3）：66-70.

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