衛星通用化綜合測試鑒定評估系統設計與實現

馮科峰

(上海航天壹亙智能科技有限公司,上海201306)

隨著現代科學技術和軍事武器裝備的發展,試驗鑒定評估工作在國防科研和裝備建設中發揮著越來越重要的作用。為全面貫徹落實全軍開展武器裝備試驗鑒定的總體思路,通過改進試驗鑒定工作模式,強化軍民融合發展理念,建立型號任務鑒定評估體系,形成全面鑒定評估能力對于確保任務成功具有重要意義。

目前國內對衛星的鑒定評估工作的研究和論證比較少,還處于探索驗證階段,各總體單位相對成熟的測試系統還只是停留在衛星電測試功能和性能層面要求上,無法從系統鑒定和專家打分綜合評估衛星的各項指標,通過構建“衛星通用化綜合測試鑒定評估系統”可實現衛星發射場測試及試驗鑒定工作“流程規范化、接口標準化、設備通用化、軟件信息化、評估智能化”的目標,最終形成發射場試驗鑒定能力。

本文共有五個部分,第一部分介紹了項目背景和總的要求；第二部分列出了項目的基本要求和驗收標準；項目的系統設計工作和應用驗證工作分別安排在了本文的第三部分和第四部分；最后一部分作為本文結論。

1 項目概況

在整個衛星試驗鑒定流程中,發射場作為承前啟后的關鍵環節,是衛星上天之前的最后一道關口,對于航天裝備列裝前質量把控、效能評估意義毋庸置疑。開展發射場航天裝備試驗鑒定,是確保航天裝備在未來戰場上形成實戰能力的重要途徑,是航天裝備試驗鑒定模式創新發展的必然趨勢。航天裝備試驗鑒定正逐步從過去傳統的“研制單位主導技術指標驗證”向“面向用戶整體效能指標考核”轉變。目前,航天裝備發射場試驗鑒定尚處于摸索與起步階段,發射場己經開展運載火箭發射場綜合測試和鑒定評估等相關工作,因此對衛星在發射場的測試和鑒定評估提出了新的要求,該系統的設計和實現將對衛星的真實作戰能力和滿足作戰功能需求程度作出全面的評價和鑒定,將會對衛星快速形成戰斗力產生重大影響。

2 技術標準

項目技術指標要求主要有以下5 項:

2.1 在配置完成、操作熟練、任務明確的前提下,完成一次鑒定試驗驗證系統的全流程測試時間小于20min。

2.2 通過軟件配置適應性調整及星地接口轉換,可適用于目前主流類型微小衛星(小于100kg)的鑒定試驗。

2.3 預留接口,可適應不少于3 顆衛星的并行測試和鑒定試驗。

2.4 在滿足常規S 頻段測控和X 頻段數傳的基礎上,預留接口,可方便轉換為U/V、X 頻段和S 頻段數傳。

2.5 利用簡單的人機界面和數據接口,可實現一鍵化快速測試及鑒定評估,實現測試流程自動生成、鑒定測試自動化執行、實時數據檢測、測試數據自動處理、常用故障自動診斷等功能。

3 系統設計要點

3.1 系統架構設計

鑒定試驗驗證系統設計采用分層架構,單一計算機測試無法實現,設計采用多計算機控制結構,具體可分為四層,系統分層組成圖如圖1 所示。

圖1 系統架構圖

第一層為直接測控層,直接測控層是與衛星直接相連的環節,衛星采集信號和控制信號都是由前端系統來完成的。鑒定試驗驗證系統和衛星直接聯系的通道包括以下幾個方面:衛星通過脫落插頭傳送的星上地測信號、直接測控信號和衛星供電；星上測控系統通過有線或無線方式傳送的衛星測控信號。直接測控層前端設備包括:能源前端、星務前端以及測控數傳前端。每個前端系統相對獨立,既可脫離網絡自成系統獨立工作,也可通過網絡在控制中心管理下協調工作,以滿足不同測試模式的要求。前端設備作為地面系統與衛星的通信通道,指令由主控制中心統一調度。前端設備將配備標準一體化機柜實現集成化設計,通過外接局域網實現遠程控制,通過這樣的設計可以靈活布控前端設備。

第二層為中心控制管理層,中心控制管理層作為整個鑒定試驗驗證系統的核心,該層在系統中起到至關重要的管理和控制功能,負責整個測試系統的協同工作、測試設備監控。中心控制層包括:主控制中心系統和數據路由管理系統。在主控制中心可直接登陸數據庫進行數據配置和管理,可實時、自動進行指令發送等操作和控制；數據路由中心設計采用虛擬網絡技術,實現虛擬信道,適應多星多類型數據共享物理鏈路的功能,同時在衛星測試任務中,可在路由中心實時監控下行通道的網絡連接狀態,數據接收狀態,以保證數據傳輸通暢。

第三層為數據存儲服務層,數據存儲服務層作為綜合測試系統的數據中樞,負責接收數據路由系統發送的所有衛星測試數據,存儲衛星測試生命周期內的所有數據及測試日志,為衛星研制人員的設計提供數據分析支持。

第四層為終端監控鑒定評估層,主要由實時判讀終端、查詢分析終端、鑒定評估終端以及打印終端組成。實現衛星測試過程監控、數據實時顯示與自動判讀、測試數據的查詢分析,測試數據的回放、生成鑒定評估報告以及測試數據的導出和打印等功能。

3.2 功能模塊設計

3.2.1 能源前端模塊

功能要求:能源前端模塊主要負責給整星供電、衛星狀態控制(主要電源分系統的充放電控制、內外電切換和星載計算機的切換和復位控制等)及有線測量信號(主要是電源分系統的有線測試信號)的采集等功能。

設計難點:太陽方陣模擬設備特性和輸出電纜接口類型要能夠覆蓋多類衛星型號的供電需求；能源設備控制軟件需動態識別接入設備并完成自檢。

解決思路:太陽方陣模擬器設計采用模塊化管理和集成方式,電纜接口設計采用適配器設計方式,通過電纜適配箱轉接不同接口；能源設備軟件通過配置表更新自動觸發機制,實現設備動態初始化和接入自檢。

3.2.2 星務前端模塊

功能要求:星務前端模塊主要通過RS-422 異步通信串口實現與星載計算機的交互。異步通信的地測串口把星上的所有信息實時傳遞給地面:包括星上自主遙測數據、軟件運行狀態、各個分系統的工作情況；也支持把地面的數據發送至衛星:包括間接遙控指令、程序注入、數據注入,以方便綜測過程中的交互式調試。

設計難點:對于不同串口下行傳輸速率的適配性問題,容易造成數據丟包現象。

解決思路:設計串口下行數據包動態緩沖機制,構建了線程安全隊列,該安全隊列可以根據實際數據速率動態調整緩沖隊列空間大小。

3.2.3 測控前端模塊

功能要求:測控前端模塊由PXI 機箱、零槽控制器、中頻信號處理與模擬單元上變頻、下變頻、信道調理單元以及CAN 總線接口測試單元組成。所有單元都以PXI 板卡形式集成在PXI機箱中。

設計難點:不同衛星型號的測控體制和測控頻段不同,測控上下行通道數量不確定,要求設備具有擴展性。

解決思路:機箱結構設計上通過模塊化、標準化思想；測控體制上通過FPGA 軟件版本在線升級的方式實現。

3.2.4 主控中心模塊

功能要求:主控中心模塊負責完成測試人員向衛星或某些前端設備發送指令,對試驗鑒定系統中各子系統所需要的配置信息提供人機管理接口,配置信息包括各軟件運行所需要的初始化數據,衛星遙測遙控數據協議格式信息,各系統設備網絡通信配置信息,判讀規則數據、數據處理腳本管理以及衛星測試命令幀等。

設計難點:主控中心作為連接系統內部的數據中轉樞紐,具有承上啟下的作用,要能夠保證數據的暢通和故障時的快速切換。

解決思路:通過虛擬化技術,多虛擬機部署,基于心跳檢測機制快速實現程序切換,程序設計上采用多線程架構,實現多數據源的處理轉發。

3.2.5 數據存儲模塊

功能要求:數據存儲模塊主要用于存儲包括包括遙測包格式信息、指令幀格式信息、網絡配置信息、設備連接信息、測試用例數據、數據類型信息、測試計劃調度信息等所有配置數據。通過與采集存儲軟件對接,將流數據形式的測試數據永久化存儲在數據庫中,能夠存儲TB 甚至PB 級的數據。

設計難點:數據存儲架構要適應多并發查詢要求,具備可擴展性和容錯性。

解決思路:采用分布式存儲架構,基于Hadoop 底層存儲框架技術和HBase 分布式存儲技術實現數據的安全本分和高效寫入。

3.2.6 監控評估模塊

功能要求:監控評估模塊主要用于實時顯示衛星平臺測試數據和前端機設備采集來的數據。實時顯示模塊支持數據分組分頁顯示,實時對發送來的測試數據進行數據有效性判讀。通過用戶自定義的各項評定指標,對相關的衛星工作狀態、遙測數據、測試用例執行結果進行統計計算和判別分析,形成約定格式的鑒定評估結果報告,報告中包含評定指標明細和各項結果以及最終結論。

設計難點:鑒定評估指標涉及多級指標,指標類型多樣化,指標計算方法要具備通用性和擴展性。

解決思路:構建標準的指標評估體系和指標計算方法庫,通過層次分析法設計鑒定評估模塊架構,基于指標計算可編輯接口擴充更新指標方法庫,結合專家打分方式綜合評估各級指標。

3.3 鑒定評估模型的設計

在衛星效能評估中,通過使用層次分析法計算出在當前層級中指標的權重,換句話說該指標在此層級下的重要程度。層次分析法主要有建立遞歸層次結構模型、構造判斷矩陣、層次單排序和一致性檢驗。本文中采用層次單排序及一致性檢驗,層次單排序即為各個指標在該層次下所占的權重值(判斷矩陣最大特征值所對應的特征矩陣)由計算得到。采用EM法計算層次單排序,算法步驟如下所示:

(1)對判斷矩陣每一列進行歸一化處理

(5)計算一致性比例CR=CI/RI,其中CI=(λmax-n)/(n-1),隨機一致性指標RI 由查表得到(如表1 所示),當CR＜0.1 時認為判斷矩陣的一致性可接受,則結果可以作為權值數。

表1 隨機一致性指標

4 系統應用與驗證

系統在微小衛星聯合實驗室進行了硬件的安裝部署和系統各軟件模塊的聯調,選取了實驗室存放的某單位軟件星電性件產品作為系統應用和驗證對象,部署的軟硬件條件和系統配套清單；按如圖2 的測試流程完成了各項測試工作。

圖2 系統測試流程

按照以上測試流程對系統的各個模塊功能、模塊接口數據協議、系統集成測試以及系統的穩定性、安全性等性能指標進行了半個月的聯合測試,系統整體上已經具備了任務書要求的各項功能指標和性能指標,可適應于不同微小衛星的快速電測試和基于評估指標體系的快速鑒定評估能力。

5 結論

微小衛星鑒定試驗驗證系統按照用戶技術要求逐項進行了測試,滿足要求,通過了出廠系統測試和用戶試用。系統開發過程受控,質量監管到位,配套文檔資料齊全。系統開發過程符合軟件工程的有關要求,采用設計、編碼、測試三分離原則,配置項狀態受控,并已通過用戶試用。通過系統聯試和軟件測試等,系統軟件滿足任務書要求,可以開展現場部署、聯調、測試工作。