航天裝備測試技術現狀與發展

蔡遠文,程 龍,辛朝軍,劉黨輝,李 巖,張 宇,解維奇

(1.航天工程大學 研究生院，北京 101416；2.航天工程大學 宇航科學與技術系，北京 101416)

0 引言

航天工程在政治、經濟、社會方面影響巨大，是綜合國力的重要體現。測試是航天工程項目實施的基礎保證，它以航天產品為對象，開展狀態、功能等測量與檢查，并依據工程目標給出分析結果。

航天裝備測試貫穿于航天產品研制、試驗鑒定、發射前準備、在軌運行與回收全過程，其重要作用體現在以下幾點：

1)對航天產品性能和可靠性進行檢查，發現并排除故障，尤其是發射前測試是否全面準確，直接關系到發射任務的成功與否。

2)對測試信息尤其是關鍵參數的實時監測和快速分析，是航天工程指揮決策的重要依托。

3)測試所得的大量數據和分析結果，可為航天產品優化設計與研制改進提供原始依據。

由于航天工程投入和影響巨大，實施進度控制嚴格，測試信號種類繁多，測試流程復雜，航天裝備測試技術面臨高時效性、高可靠性、高環境適應性等要求，主要存在四方面的挑戰：

1)航天裝備測試技術要“快”。確保測試數據獲取快、傳輸快、分析處理快，縮短測試時間，以不斷提高產品研制和縮短發射周期；

2)航天裝備測試技術要“全”。確保航天產品的各類電量、非電量信號的同步全面采集，對數據格式、判讀要求各異的海量測試信息進行綜合處理分析；

3)航天裝備測試技術要“穩”。確保測試自身的高可靠性，為航天產品全壽命運用提供全程穩定的檢測分析服務；

4)航天裝備測試技術要“準”。確保在各類不同信號測試需求下，保證不同的精度要求，滿足產品精細化設計改進和任務指揮決策要求。

全球各航天強國和技術實體都高度關注航天裝備測試技術的可靠性和高效性，積極開展測試新體系、新技術的探索應用[1-6]。我國早已進入了高密度航天發射時期，多種新型號運載器和航天器的研制試驗任務密集，測試工作量與日俱增、需求不斷拓展。

本文從航天裝備測試技術在航天任務全過程中的需求出發，分析其重要性及面臨的挑戰，立足電氣系統測試國內外現狀對未來發展趨勢進行分析梳理，并提出航天裝備測試工作未來發展的思考與建議。

1 航天裝備測試現狀

1.1 國外航天裝備測試現狀

全世界范圍來看，航天裝備測試技術和測試系統最重要的進步可以概括為“三化”——即通用化、信息化和智能化。

1)通用化：

國外航天裝備測試主要思路是采用貨架式商業產品進行組合與適應性開發，在統一標準、規范的指導下，盡可能使用通用硬件平臺和可重用的軟件模塊。

肯尼迪航天中心的兩個發射工位和火箭總裝廠房，均采用通用信號調理放大器加VME總線設備的方式進行數據的采集；在各類運載器、航天器的測試中基于VXI、PXI等總線的通用設備均有使用，這些硬件多與LabVIEW軟件相結合構建功能通用的數據采集系統。俄羅斯、歐空局、日本等主要航天國家或組織也大都采用類似測試架構[7-10]。

2)信息化：

在采用上述通用化測試架構的基礎上，航天裝備測試系統圍繞測試信息處理構建測試體系，實現了將測試工作重心從以往的前端數據采集到后方信息綜合分析利用的轉移，充分利用新型現代信息技術完成了測試信息的判讀、故障診斷等工作。

美國獵鷹9運載火箭的測試系統中，系統核心為測試與飛行數據評估中心。航天發射任務中，測試系統在3個不同地點的測試中，均要將數據匯集于數據評估中心完成處理，再將結果反饋于各系統，如圖1所示[11]。

圖1 美國獵鷹9火箭測試系統與流程圖

此外，美國陸軍的夸賈林導彈靶場、空軍的東/西試驗靶場，歐空局法屬圭亞那航天中心以及日本Epsilon火箭發射系統先后研究了運載火箭測試信息的處理方法，實現了運載火箭測試信息的自動處理。尤其是日本在Epsilon火箭測試中，提出了移動測試發射控制的概念，借助箭載測試系統，實現測試信息處理前移的同時，借助網絡信息技術，實現了測試發射的遠程控制[12]。

3)智能化：

運用深度學習和大數據分析等智能方法實現高效測試，也是當前航天裝備測試領域取得的一個重要進展。日本Epsilon火箭建立了一套動態數據的趨勢評估系統，將歷次呈現良好狀態的波形數據確定為正常數據，存儲在數據庫中，采用模式識別技術，將評估對象與正常數據進行核對，確定“正?！边€是“異?！盵12-13]。

美國、歐空局也先后對航天運載器測試信息的處理方法進行了智能化改造。一方面，是基于人工智能技術構建了相應的測試信息自動判讀系統，實現了測試信息的智能化處理與故障診斷。如，美國NASA在地面測試系統中運用基于專家系統的故障診斷隔離與恢復技術，將原有的人工數據分析轉變為測試系統的智能自動分析，將上述技術集成于新型號火箭設計中后，大幅提升了測試過程的自主程度[14-15]。

智能化發展的另一個重要途徑是測試與被測對象融為一體的智能化機內測試(BIT)技術，就是將數據融合等智能理論應用于BIT的設計、測試、診斷、修復等方面，提升BIT綜合效能。如，NASA運用BIT理念研制了一種將設備集成于被測對象的器件級電子裝配維修系統，適合于航天器在軌故障的診斷和排除。

1.2 國內航天裝備測試現狀

經過多年的發展，我國成功研制了多代多類型航天裝備自動化測試系統，形成了以計算機控制為中樞的自動化測試體系，逐步探索出以信息處理應用為主旨的智能化發展方向。主要表現在以下方面：

1)形成了航天裝備測試體系的通用化發展共識，測試方法不斷完善：

根據運載器和航天器測試的共性要求，優化了航天裝備測試體制，在部分型號的分系統測試中實現了硬件靈活增減、軟件按需調整的柔性配置；初步形成了基于總線技術的通用化測試體系[16-17]。

航天東方紅有限公司設計的有效載荷自動化測試系統，具備高內聚、低耦合的特點，提高了測試準確性[18]。上海微小衛星工程中心提出的批量衛星流水線自動化測試系統，優化了衛星總裝、集成與試驗工作流程，提升了衛星自動化測試效率[19]。航天工程大學提出了基于標準總線的通用航天裝備測試系統總體構架，研發的通用化運載火箭測試產品配置于我國四大發射場，常態化參加航天發射任務，覆蓋了我國4個系列11型號在役主力火箭。

2)開展測試一體化集成化設計，多功能多模式協同不斷優化：

測試系統采用一體化設計，開展電測信號分類集成測試，從而具備了信號采集、發控配電、判讀分析等功能，優化了測試系統整體效率。如，航天工程大學研發的遠征上面級測發控系統，提出了基于協同控制的多卡多類信號綜合采集測試方法，集測試、發控功能于一體，測發效率顯著提升[20]。

測試模式上，采用內部外部測試兼容的集成模式，積極探索機內測試(Built-in Test)、無線測試等方法。航天科技集團、科工集團均開展了無線測試技術攻關，提出了基于遠控裝置的無線測發方案。

3)拓展了以軟件功能為重點的測試控制思路，綜合處理多類型異構測試信息：

利用軟件自適應控制測試進程，動態變換測試控制參數，可提高航天裝備測試數據綜合處理效率，實現測試信息的快速自動判讀。

國內多家科研院所提出了基于知識庫、歷史數據包絡、神經網絡等技術的航天裝備測試數據處理方法[21-25]。航天工程大學研發的通用化測試系統，設計了基于軟件的變頻率存儲和多類型數據自動判讀方法，判讀效率得到大幅度提高。

總之，目前我國航天裝備測試技術和系統基本能夠滿足特定型號任務需求，但也存在一定挑戰和難題。首先是通用化測試標準尚未出臺，專用航天裝備測試系統類型繁多，測試系統設計協調面廣，國產化軟硬件應用不夠廣泛。其次，是測試有效性有待加強，存在“過測試”帶來的測試效率低、保障需求高等問題，以及“欠測試”帶來的測試覆蓋性、可信性不足等問題。再次，是測試信息管理效率有待提升，海量異構數據共存，利用率不高，大數據、云計算平臺應用不夠深入。最后，是測試新技術應用偏于保守，測試信息分析、應用模式有待拓展，智能化技術應用不夠廣泛，故障溯源及決策支持水平有待提升。

2 航天裝備測試技術的發展趨勢

未來航天裝備測試技術的發展，一定是在以測試數據為中心的基礎上，融入人工智能技術、云計算、大數據等在新科技革命中閃耀著光輝的新技術，建成會學習、有經驗、高效率的測試體系，研發可在復雜情況下自主應對突發、疑難故障的聰慧型測試系統，實現對被測對象的快速、準確、全面、可靠測試。

2.1 基于先進傳感網絡技術的高效全面檢測

對被測對象全方位的有效測試數據獲取，是測試能力提升的基礎，而先進傳感網絡、嵌入式傳感器以及非接觸測量技術的發展，可為測試數據的全面充分獲取提供技術基礎。

低耗能、小尺寸，并可以安裝在表面或嵌入內部的分布式傳感器網絡[13]，將會越來越多的把神經末梢深入到航天產品的結構細節中，和航天產品融為一體，更全面、更持久的從多個維度獲取測試數據，實現測試覆蓋的大幅度提升，也可以為未來航天產品的重復使用提供便利、可靠的檢測手段。先進的傳感網絡，將成為未來智能化航天產品的主要技術途徑。例如，光纖傳感器能夠實現對溫度、應力、加速度等100余種參量的測量，并能便利地實現單根光纖間隔1 cm的高密度網絡化分布，克服傳統傳感網絡體積大、重量大、線纜多、易受電磁干擾的不足，具有很強的航天應用優勢，有望成為下一代航天系統健康監測傳感器網絡技術核心。

2.2 基于云技術和邊緣計算的測試信息融合利用

隨著數據獲取手段的提升，航天裝備測試將會獲得大量測試數據，僅單個測試系統的測試數據量將可達1 Tbps量級，這些數據具有異構、非標準、多來源、海量等特點。由于航天任務的特殊性，判斷與處置的時機往往稍縱即逝，從而要求測試系統能夠提供快速甚至實時準確的判讀結果以輔助決策，并將數據進行統一可靠的存儲以備不時之需。

具備強大計算能力的云測試系統，通過構建共享資源池，可以提升測試系統大數據計算能力，支持測試操作人員在任意位置測試操作[26-27]，而多點備份的儲存方式，也保證了測試數據的高可靠性。但如果將所有測試數據短時間內快速傳輸給云計算中心，網絡則可能產生擁堵，也可能影響數據的保密性，難以滿足航天裝備測試高實時性的要求。

基于邊緣計算的測試中，計算和存儲資源可部署在邊緣上(邊緣服務器或終端被測設備)，從而可以進行本地的數據采集，就近進行數據的即時處理，避免網絡傳輸和遠端數據處理帶來的時間延遲。這種分布式測試方法，可以分散云中心的數據處理壓力、減輕網絡傳輸負擔，使云端應用程序更高效快速的運行。其中，由云中心對測試任務進行總體統籌，負責長周期測試數據的處理與決策，并將大數據分析結果下發至邊緣處。邊緣計算著眼于實時、短周期測試數據的分析處理，為云端提供預處理后的測試數據，支持云端數據分析。邊緣計算與云計算互相協同，彼此優化互補。

2020年，百度公司在北京試驗的Apollo無人汽車服務就是云技術和邊緣計算結合的一個典型應用[28]。

2.3 融合大數據與人工智能的健康管理技術

航天產品的健康管理技術，主要利用測試數據進行健康狀態的監測、故障的診斷與趨勢預測，以及設備壽命預測等，是未來航天裝備測試技術發展的主要方向之一[29-31]。目前的健康管理技術，尚只能簡單的根據已知判據，例如閾值，進行故障診斷，而難以進行故障的預測以及對未知故障的診斷。

提升自主學習能力，是提高健康管理系統對故障的監測、診斷與預測能力的關鍵途徑[32-35]。基于數據的健康管理技術主要是根據系統的輸出與故障之間的聯系，對被測對象的測量信號進行分析處理，判斷故障并定位。這種方法在理論上是完備的，但其診斷結果的準確性直接依賴于測試數據的質量。

然而，由于航天產品結構和工作過程的復雜性，故障表現形式各異，在故障模式不清晰不全面的情況下，健康管理系統很難實現對航天產品故障的準確預測、診斷和定位。故障數據小樣本與模型訓練需求大樣本之間的矛盾，有望通過結合大數據的人工智能技術來解決。

生成對抗網絡方法是當前人工智能技術領域的一個研究熱點，借助這一方法，將有望解決故障數據缺乏的問題，如圖2所示[36]。

圖2 生成對抗網絡方法概念圖

首先，通過大量的正常測試數據對智能網絡進行訓練,得到正常數據的分布特征。然后，生成與正常數據分布差異最大的分布，作為故障數據的分布特征，也就是利用大量的正常數據，反向訓練，生成大量的故障數據，解決故障數據不足的問題。最后，按照試驗確定判據，就可以從實際測試數據中精確檢測出故障數據，實現對測試異常數據的精確檢測。

可以看出，在大數據、云技術以及人工智能技術的支持下，有望解決欠測試和過測試的不足，有效提升測試覆蓋性，增強系統應對突發新型故障的能力，保障航天裝備測試的全面、穩定、可靠。

3 思考與建議

通過對國內外現狀以及發展趨勢的分析梳理，我國在航天裝備測試領域需要盡快開展以下幾方面的工作。

1)盡快統一航天裝備測試體系和測試標準：

遵循測發控一體化設計規范，構建通用測試體系架構，加強前端邊緣計算和后端云計算測試體系設計，制定航天裝備測試的行業或國家軍用標準，提升航天產品各階段測試結果統一性和可信性。

2)積極研究采用先進的無線測試技術：

萬物互聯是未來發展趨勢，充分利用先進的無線傳感器、物聯網、無線遠控技術等，借助無線廣域網、高速5G等網絡，簡化測試接口，減少線纜布設，降低測試保障要求，提高測試效率。

3)大力推進航天裝備測試智能技術應用研究：

為提高航天裝備測試的智能化，就必須加大前端測試信息的采集量，多方面發展基于數據驅動的測試技術。在BIT測試信息的基礎上建立故障模型，是進行智能故障診斷、健康管理的基礎；發展人工智能的多源信息融合技術，可以有效提取測試數據的特征信息；發展人工智能的測試數據挖掘技術、遠程數據處理分析技術，可以快速發現并識別復雜故障現象背后的故障機理，滿足未來的智能一鍵測試、自主測試、并行測試等多種測試任務需求。

4)加快航天裝備測試大數據中心和測試技術創新中心建設：

加快構建航天裝備測試大數據中心建設，共享數據資源，開展數據挖掘研究，是提高航天裝備測試效益的必經之路。同時，加快航天發射測試測控自動化技術創新中心建設，加強運載器測試發控自主管理與智能決策新技術研發平臺、運載器和航天器集成健康管理系統等建設，也是提升航天裝備測試技術水平進步的有力手段。

5)堅定不移發展國產化航天裝備測試系統：

當前，航天裝備測試系統部分傳感器、數據采集、核心控制器等器件國內沒有替代品，國產操作系統配套的高性能采集模塊底層驅動缺乏，為確保在航天裝備測試領域不被國外卡脖子，需要針對相關基礎技術重點攻關，堅持走國產化、自主化發展之路。

4 結束語

近年來，我國在探月工程、深空探測、空間站建設等各個航天工程項目中不斷取得突破和發展，航天裝備測試技術在其中發揮了重要作用，未來，航天發射和各項建設任務會更繁重。為進一步提升我國航天裝備測試的高效性和可靠性，保障各項航天工程項目順利推進，在航天裝備測試新體系、新技術方面仍需要開展更多更深入的研究。