航天器綜合測試技術發展與展望

王華茂

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

航天器綜合測試技術是一項具有總體屬性的專業技術；是在航天器總裝集成和環境試驗過程中，依據激勵-響應測試基本原理，運用“實物+仿真”測試方法和手段，獲取被測航天器定性、定量信息，并進行處理和評定的技術；是對航天器接口、功能、性能指標，正常模式、故障模式、模擬飛行，系統間及大系統兼容性等進行全面測試驗證和診斷評估的技術[1]。航天領域的科學理論研究和現代裝備的成功試驗和定型，都需要先進的測試技術的支持，測試所獲取的定性或定量的信息是科學研究、改進設計及試驗分析的依據。航天器綜合測試是航天器研制過程中重要的組成部分，并與航天器系統的設計、制造和系統集成構成一個完整的研制鏈條，是航天器系統研制的最后的重要環節，是評價航天器研制質量的重要依據，是確保航天器發射成功、在軌穩定運行的重要保證[2]。自我國第1顆人造地球衛星研制起，航天器綜合測試有力地支持和保障了通信、遙感、導航、載人航天、深空探測、科學試驗等各類航天器的研制和發射；形成了涵括總控、供配電、測控、數管、熱控、綜合電子、控制、有效載荷等分系統完整的綜合測試專業體系；具備測試任務分析、測試方案設計、測試系統研制、測試用例設計、測試實施和測試分析評估等全流程的綜合測試能力。面對正在或即將開展的空間站建設、月球基地、月球著陸巡視探測、載人登月及火星著陸巡視探測、小行星探測等航天任務，航天器綜合測試也將迎來重大發展機遇和前所未有的挑戰。

1 航天器綜合測試技術體系架構

測量或測試是依據激勵-響應測試基本原理，獲得反映事物物理屬性信息的過程。對一個系統進行測試的過程，實際上是為了獲取表征被測試系統特性的信息的過程。航天器產品的實物測試驗證，同樣是對產品施加各種形式的外部激勵，包括機、電、熱、壓、磁等，獲取產品產生的響應，根據判別準則判定航天器產品設計的正確性，或發現產品存在的故障和隱患。航天器綜合測試技術體系架構，如圖1所示。

注：OCOE為總控測試設備；MTP為主測試計算機；RTS為實時數據服務器；SCOE為分系統專用測試設備。圖1 航天器綜合測試技術體系架構Fig.1 Spacecraft comprehensive testing technology architecture

雖然實物測試驗證方法能夠解決目前航天器產品設計的測試驗證的大部分問題；但仍有很多實物測試沒有辦法在地面完成，如在軌環境下的失重、真空、起爆、伸展等。因此，只能通過重力卸載、抽真空等手段模擬在軌環境進行有限的測試驗證，但實物測試驗證方法在遇到在軌姿態和軌道控制的測試驗證時就無法應用了。在航天器測試中，通過實物、半實物、仿真模型，如姿態和軌道的動力學仿真，很好地解決了僅僅靠實物測試無法實現的難題。航天器綜合測試研制技術流程，如圖2所示。

圖2 航天器綜合測試研制技術流程Fig.2 Spacecraft comprehensive testing development technology process

在奠定了“實物+仿真”的測試驗證方法的基礎上，以“遙控遙測”作為整器測試激勵-響應手段，通過基于自動化測試序列的測試用例設計，實現航天器軟硬件的功能類的測試；以物理信號作為整器測試激勵-響應手段，通過基于板卡驅動的測試插件的自動化測試用例設計，實現航天器軟硬件的性能指標類的測試。上述設計實現了基于“測試序列+驅動程序”的自動測試，并在此后嘗試基于“專家知識+人工智能”的智能測試，以及探索基于全數字模型的數字測試。

我國航天器綜合測試技術，經過了50多年的發展歷程。從我國首顆衛星東方紅一號手動操作和人工判讀的測試開始，到20世紀80年代末，在學習引進ESA自動化測試技術的基礎上，跟蹤ESA和NASA航天器測試技術發展，形成了今天覆蓋各類航天器測試需求、專業齊全、批產的全流程綜合測試技術體系架構和研制技術流程[3]。

2 航天器綜合測試設計與實施

測試一般處于產品研制流程的末端，被動地對已完成設計和生產的產品來開展。在產品設計階段，重點考慮的是功能、性能的實現，往往忽視產品設計的可測試性或進行測試性設計。事實上，測試與被測試產品的設計密不可分。對復雜系統的測試，需要從被測試產品的設計入手，在研制初期就綜合考慮測試和診斷問題，使被測試產品的設計為測試、診斷提供便利，同時具備一定的自測試和自診斷能力，即可測試性要求。

2.1 測試性設計研究

航天器結構和功能復雜度、集成度的提高，帶來了測試覆蓋不充分、故障檢測不完全、故障隔離不到位等問題，給航天器的發射和在軌運行留下了可靠性、安全性隱患，也降低了系統效能和研制效率。測試性代表方便測試和故障處理的能力，是指產品能及時、準確地確定其狀態并隔離其內部故障的一種設計特性。

系統的測試性要求要與可靠性、維修性、保障性、安全性等相關特性及資源相協調，保證與任務需求、使用要求、維修保障策略一致，并滿足可靠性、維修性、保障性、安全性工作的有關輸入要求，結合進行，減少重復，降低壽命周期費用。為此，系統應當滿足測試性的定量和定性要求。

當前，國內外雖然出臺了很多相關的標準規范對測試性設計進行了規定，但仍然停留在定性要求的層面，沒能給出具體的定量的設計方法，也沒有成熟的工具手段。要提出測試性定量設計要求，首先要解決的是，如何把系統設計指標分解轉化為測試性設計指標，然后對系統設計進行測試性建模，得出模型的初步測試性指標值，最后根據測試性設計指標與模型指標的差異，對模型進行迭代和優化。這里的模型就是滿足測試性設計指標的系統設計模型。通過定量的系統設計指標，借助測試性設計工具，從初始模型逐步得出優化的系統設計模型。測試性設計工作流程，重點圍繞測試性設計定量指標(故障檢測率、隔離率、檢測時間、隔離時間和虛警率等)展開。

(1)測試性設計面向測試，其指標要求的輸入來源于系統可用度、可靠度、最優化設計等影響因素，通過對系統測試過程的確定與隨機Petri網(DSPN)建模分析，以及對模型的數學求解，確定測試性指標輸入輸出函數關系式，并最終得出測試性指標的輸出值。

(2)根據器地大回路的激勵-響應測試原理，基于多信號流圖建模方法，利用測試性工程和維修系統(TEAMS)軟件建立具備通用性的航天器系統級測試性模型。從系統級出發，以航天器多層次功能結構為框架，按照功能和信息流，逐級向下確定各級功能模塊的供電、信息及故障傳播關系。

(3)利用測試性分析對設計進行量化評估，反映系統測試性設計的質量。測試性分析包括測試性概況報告、故障診斷狀況、冗余測試項目等幾部分工作，需要綜合各項結果對系統進行評估，并由TEAMS給出測試性量化評估報告。

(4)為使系統級測試性分析結果滿足測試性指標要求，需要對測試性初始模型進行優化。根據測試性初步分析，測點設計、故障隔離開關設計和自測試(BIT)設計為主要優化方向，并使得最終設計模型滿足測試性指標要求[4]。

在航天器復雜光、機、電設備的測試性設計上，故障碼設計和菊花鏈設計是典型范例。

2.2 航天器測試原理

2.2.1 系統測試研究的兩類科學問題

系統測試研究包括兩類科學問題。一類是通過給被測試對象一系列輸入(或稱激勵)Xi和測量相應的一系列輸出(或稱響應)Yi，通過輸入和輸出之間關系的分析和處理，求出變換函數F，從而得出Yi=F(Xi)。這類測試是為了獲取系統的數學模型或系統特性。另一類是系統的數學模型或系統特性已知，通過對輸入和輸出特性的分析，檢查和確認系統是否達到了要求，系統中是否存在故障。這類測試是對系統的功能和性能測試檢查和確認，以及判斷系統是否有故障的過程。航天器綜合測試一般側重的是第二類科學問題。

2.2.2 測試基本原理

測試的基本原理即激勵-響應基本原理，是通過上行鏈路對被測對象進行控制和激勵，通過下行鏈路對其響應情況進行采集和判斷。對于航天器測試來說，模擬航天器在軌經歷的環境激勵必不可少。

2.2.3 測試建模

建模就是通過抽象、理想化、簡化和類比等方法形成仿真模型的過程。一個設計的成功與否，取決于物理系統是否正確地被描述。物理系統可以用它的仿真模型正確地描述。除被測對象航天器模型外，通常還需要建立兩類模型：測試系統模型和測試模型。①測試系統模型：理想模型為時不變、線性系統；實際測試系統模型為時變、非線性系統，且存在系統干擾。②測試模型：由航天器模型和測試系統模型組成。由于被測對象航天器的數學模型已知，根據激勵-響應測試原理，通過測試系統模型，提供輸入激勵，取得輸出響應，再根據相應判據，最終獲得測試結果。

2.3 航天器測試方案設計

2.3.1 測試驗證基本策略

測試驗證的基本策略包括：①遵循先進行“通過/不通過”(GO/NOGO)鏈測試，再進一步做故障尋跡或診斷性測試的原則。②由上至下方法(Start-Top)，也稱降級法，把被測試對象分為幾個大的部分(A，B，C等)。對A進行測試，若A通過，則測試B；若B通過，則測試C；直到各部分測試都通過。③由下至上方法(Start-Down)，也稱為升級法或滾雪球法。從被測試對象的最小可測試部分T1開始進行測試。若T1通過了測試，則把被測試對象的另一小部分T2加上去，同T1一起進行測試；直到整個系統通過測試為止。④混合方法，也稱重新劃分法。對被測對象的某一部分(由A和B組成)做測試T1，然后再對另一部分(由B和C組成)做測試T2。2次測試的部分有一部分是公共部分B，不同的部分是A和C。測試T1包含了A和B，測試T2包含了B和C。綜合運用上述策略，進行邏輯推理，就能最終進行故障定位。

2.3.2 航天器測試總體設計

航天器系統的功能性能驗證通過電性能測試來完成，一般分為總裝測試、試驗測試和發射場測試3個階段。具體為：①總裝測試是航天器總裝過程的測試，根據航天器的總裝狀態的不同，分為A，B，C，D等電測狀態。②試驗測試包括航天器模擬電磁兼容性(EMC)、力學、熱真空、在軌運行等空間環境的電性能測試。③發射場測試包括航天器再總裝測試、與運載和發射場系統聯合測試、發射前設置等測試工作。

航天器系統的功能性能測試驗證安排在4個層級完成。①單機、分系統交付整器總裝集成后，通過地面測試系統模擬整器供電，建立上行、下行信息通道和測試環路，在整器環境下開始接口匹配測試和功能性能測試。②分系統級測試，即主要測試整器的組成分系統，如供配電分系統、測控分系統、數管分系統、熱控分系統、控制分系統、有效載荷分系統。③系統級測試，主要包括系統級功能和主要技術指標、正常工作模式、故障工作模式、冗余設計項目的測試，以及系統聯試、模式測試、模飛測試，大系統測控對接測試、運控對接測試，以及專項試驗測試等。④環境適應性試驗測試，包括地面運輸環境、發射環境、空間環境、磁環境等的試驗測試。

2.3.3 器地測試系統

為了實現上述測試需求，需要設計、研制電氣地面支持設備(EGSE)，構建器地測試系統，如圖3所示。EGSE各部分主要功能如下。①OCOE：測試數據庫準備、測試過程管理、數據處理、數據歸檔和事后離線回放處理。它包括MTP、遙測前端設備(TMFEE)、遙控前端設備(TCFEE)、測試控制臺(TCC)，其中MTP是OCOE的核心。②SCOE：完成自身分系統測試，在系統級測試時，在MTP管理下完成相關的測試和信號激勵。③局域網(LAN)：用以太網(TCP/IP)協議，通過局域網互聯，構成完整的EGSE。④數據庫(Database)：測試過程的記錄和歷史數據、事件查詢。

作為EGSE核心軟件的MTP軟件，通常采用前后臺作業分開的方式開發。前臺軟件也稱作實時處理軟件，負責測試軟件的執行；后臺軟件負責被處理參數的屬性定義。前臺、后臺軟件通過測試數據庫接口，后臺軟件定義和修改數據庫，前臺軟件使用測試數據庫。兩者之間的關系如圖4所示。

注：PSS為供配電分系統；AOCS為姿態軌道控制分系統；TM/TC為遙測/遙控。圖3 器地測試系統的基本組成Fig.3 Basic components of spacecraft-ground testing system

2.3.4 測試環路設計

航天器系統級測試是由2個基本測試環路來實現的。①遙控/遙測(TC/TM)數據測試環路。這個環路同航天器在軌運行時的測控環路相似。在MTP控制下，TC前端設備產生遙控指令通過上行鏈路發送給航天器，對應分系統設備接收指令后產生相應的響應，并反映在相關遙測參數的變化上。TM前端設備通過遙測下行鏈路接收航天器遙測信號，經過解調后將數據送往MTP作處理比對，作出正確性判斷，TC和TM的鏈路可以是射頻(RF)或是通過傳輸線的視頻接口。②信號激勵/響應測試環路。在MTP控制下，分系統SCOE產生的上行激勵信號經傳感器或測試專用接口傳送到航天器分系統。激勵信號引起的分系統響應也反映在相關遙測參數的變化上，這些參數也是經過遙測下行鏈路，經過MTP把數據轉送給SCOE計算機，進行監視，SCOE也可以把非遙測數據返回給OCOE，在OCOE中被監視。

2.4 航天器測試詳細設計

在完成航天器測試方案設計后，要進行測試方案的詳細設計，包括測試系統設計、測試文檔設計、測試方法用例設計、測試判讀設計等內容。這里重點介紹測試用例設計、遙測數據處理方法和測試判讀方法。

2.4.1 測試用例設計

測試用例設計的依據是測試方法標準規范、用例設計規范和用例設計方法。測試用例需要覆蓋航天器單機、分系統、系統和大系統等各個層級，以及從初樣、正樣、環境試驗到發射等各個階段的所有電測項目的測試原理，以及測試方法的設計需求和實現。測試方法標準規范為：根據測試項目，選擇相關測試原理和測試方法，依據相應測試方法的標準規范，具體化測試用例設計。用例設計方法一般包括狀態圖分析法、等價類劃分法、邊界值分析法、錯誤推測法、因果圖法、正交表分析法和任務場景分析法等[5]。

2.4.2 遙測數據處理方法

遙測數據處理通常是以一個遙測幀為周期，一個完整的幀結束使處理程序被啟動，把一幀結束做為“幀事件”。程序根據數據表定義的屬性，逐一對數據進行處理，直到這一幀的所有數據處理完畢，再等待下一個幀事件的到來。遙測數據處理是按照流程來驅動數據表、啟動幀事件，數據處理過程中要多次訪問數據表。對于空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)包遙測，需要先進行源包的緩存與拼接預處理，再按照上述幀遙測數據處理方式對包遙測進行處理。

2.4.3 測試數據判讀方法

測試數據判讀一般包括實時數據判讀和歷史(離線)數據判讀。①實時數據判讀。對于某個參數P來說，其期望值V與當前下行遙測P、控制指令C、飛行事件E及當前時刻T之間的關系是確定的，可以表示成函數V=f(P,C,E,T)。那么，有關參數P的數據判讀過程，也就是在相應條件下，計算函數V=f(P,C,E,T)的值是否與設計指標相符的過程。②歷史(離線)數據判讀。它是一種離線、時間跨度較長、針對數據歷史趨勢、同時結合不同數據間相關性、包括數據分類和提取、基于知識過程分析和利用統計學方法比對的技術[6]。其按流程可以大體劃分為數據分類、數據提取、相關性分析、一致性比對分析、結合知識的過程分析5個模塊。

2.5 航天器測試故障診斷

在航天器研制和在軌運行過程中，出現故障后，首先要對故障進行定位。一般步驟為：先地面后器上，先系統后部件，從大到小、從易到難、逐步縮小檢查范圍，直至定位故障部位為止。然后，要對故障進行診斷。只有準確地找出故障原因，才能進行故障對策研究。有許多因素都能引起故障，故障的表現形式也是多種多樣，故障處理和診斷的方法也各不相同[7-8]。通常使用故障仿真的方法進行故障定位、診斷和驗證。①分析討論故障的各種可能原因；②應用故障仿真方法對可能原因進行仿真試驗，對故障進行診斷定位；③討論此故障的對策；④應用故障仿真方法對此對策進行仿真試驗，驗證對策有效性；⑤發出相應遙控指令，執行故障對策。

故障仿真可以通過3種方式進行：數學仿真、半物理仿真和全物理仿真。

(1)數學仿真。對于不同軌道的航天器，以其軌道動力學的數學模型為基礎，進行在軌航天器軌道和姿態設計的測試驗證或故障排查，包括正常模式仿真、故障模式仿真及故障對策仿真等。其重點是建立和不斷完善航天器模型庫，包括故障模型。數學仿真方法是最基礎的方法，對硬件的要求最簡單，有合適的計算機即可以進行數學仿真。在具有比較精確的數學模型情況下，數學仿真可以得到較滿意的結果。

(2)半物理仿真。一般在進行飛行程序、復雜邏輯、并發性、實時性等設計的測試驗證或故障排查時，航天器上計算機用實物，其余用數學模型。由于航天器上計算機的行為十分復雜，很難用精確的數學模型去表達，若用純數學仿真方法很難有滿意的結果。其余部件不用實物，而用數學模型后，有利于故障模式的實現。

(3)全物理仿真。仿真試驗中應用模擬器設備，如氣浮臺、重力卸載架、振動臺、真空罐、微波暗室等，模擬航天器工作環境狀態，將整個航天器或部分航天器設備實物接入仿真試驗回路，進行航天器設計的測試驗證或故障排查。該方法仿真逼真度最高，仿真試驗系統也最復雜。

3 航天器綜合測試技術展望

隨著航天技術空前的發展，航天器測試技術取得了長足進步。ESA的自動化系統正經歷著從傳統自動化系統(SCOS-2000)向以公共核(EGS-CC)為代表的新型自動化系統的轉型。NASA的任務服務評估(GMSEC)系統定義了一套開放的框架和協議，采用基于消息的中間件結構整合商業軟件和開源軟件，以消息服務的形式支持、兼容現有在軌控制和地面測試，并開展了基于模型測試(MBT)技術的研究應用。

跟蹤測試需求和測試技術發展趨勢，對標EGS-CC和GMSEC等測試技術發展成果，在奠定了激勵-響應基本測試原理，以及“實物+仿真”的測試驗證基本方法的基礎上，航天器綜合測試技術的發展，也越來越明確和聚集在基于“實物航天器+數字航天器”的自動測試、智能測試、數字測試等測試技術上，如圖5所示。

圖5 基于“實物航天器+數字航天器”的測試技術Fig.5 Testing technology based on “physical spacecraft + digital spacecraft”

基于以上所述，建立航天器數字化測試技術體系架構，按照基于模型的系統工程(MBSE)設計思想，開展航天器系統級、分系統級、單機級測試建模，建立被測航天器實物模型的數字孿生體，搭建航天器數字模型及其測試驗證平臺和環境，形成復雜航天器數字化測試驗證及故障診斷能力，是解決問題的關鍵。在航天器數字模型的建模過程中，必須逐級進行航天器實物模型與航天器數字模型的對照驗證，以確保數字模型的準確性。在完成航天器數字模型建模后，即可開展基于“實物航天器+數字航天器”的自動測試、智能測試、數字測試[9-12]。航天器數字化測試技術體系架構，如圖6所示。

圖6 航天器數字化測試技術體系架構Fig.6 Spacecraft digital testing technology architecture

1)航天器自動測試

通過統一的航天器測試語言編寫測試序列，自動執行測試序列，并對指令及數據進行判讀，實現自動化測試。但是，存在兩點局限性：發指令-判遙測的“簡單自動化”；全測試業務中“局部自動化”。

全測試業務自動化測試系統體系架構為：面向“實物航天器+數字航天器”，以總控和數據庫為核心，以綜合測試信息管理為頂層，以功能自動化測試和性能自動化測試為支柱，以前端設備為支撐，實現綜合測試全過程的信息化管理，滿足全過程的自動化測試需求。其中：①功能自動化測試是以遙控遙測作為整器測試激勵-響應手段，通過基于自動化測試序列的測試用例設計，實現航天器軟硬件的功能類的測試。②性能自動化測試是以物理信號作為整器測試激勵-響應手段，通過基于板卡驅動的測試插件的自動化測試用例設計，實現航天器軟硬件的性能指標類的測試。③測試信息管理是對測試用例設計、測試流程安排、測試過程監控、測試資源管理、測試綜合評估等全生命周期測試業務流程，應用動態工作流技術，建立工作流引擎模型，根據任務表中當前任務觸發對應的工作流運行，實現測試全流程的信息化管理手段。

2)航天器智能測試

隨著航天器功能越來越復雜，測試工作要求遠超出了現有人工或自動化測試能力，需要有更智能的手段。面向“實物航天器+數字航天器”，基于知識的人工智能技術，將原來以自動化測試序列為核心的自動化測試過程，由知識處理和知識推理為核心的智能測試過程代替。利用自動化測試和判讀工具、故障診斷技術及專家知識庫，建立航天器智能測試驗證技術體系與支持環境。

3)航天器數字測試

實物測試一般處于研制流程末端，問題暴露滯后并且有限，研制周期過長，投入過大。其致命弱點為：地面環境實物不可測試；測試方法和用例在測試前難以得到驗證。這都可能導致航天器設計存在的問題或缺陷無法充分暴露。面向“實物航天器+數字航天器”，基于實時仿真數據、實時測試數據、歷史測試數據等，逐級進行航天器實物模型與航天器數字模型的對照驗證，以確保數字模型的準確性。建立航天器數字化電性能測試模型，模擬航天器在軌運行環境，使得航天器在方案設計階段就能提前得到驗證。

4 結束語

經過50多年的發展，航天器綜合測試有力地支持和保障了各類航天器的研制和發射任務，形成了完整的綜合測試專業體系，具備全流程的綜合測試技術能力。當前，隨著航天器測試需求越來越復雜，測試技術發展越來越快，對標國際先進測試技術發展成果，航天器綜合測試將面臨從傳統的“實物航天器”的測試模式向“實物航天器+數字航天器”測試模式的轉變。