星上實時處理半實物測試系統的設計與實現

吉 宇，張 君，郭 輝，翟宏駿，宋大偉

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著航天事業的飛速進步，衛星產品蓬勃發展，星上有效載荷的功能性和穩定性備受重視，由于其特殊性，在發射入軌正常工作前，都無法獲取實際運行條件下的各種參數，需要采用分析、仿真、試驗等方法進行模擬，因此，測試工作對于衛星產品的研制愈發重要。測試環境是測試的基礎條件，測試環境的功能、性能，測試環境下的試驗執行方式，測試數據分析能力，乃至測試環境的搭建方式，都很大程度地影響著產品性能的準確鑒定，尤其是現在的衛星產品任務急劇增加，測試環境的開發效率也成了影響調試和產品交付的重要環節。所以，盡可能逼真地模擬實際環境，是評估星上產品能力的關鍵配套。

針對星上有效載荷如何測試的問題，先后發展起來了三種主要的測試方案：全實物仿真測試環境、全數字仿真測試環境和半實物仿真測試環境。全實物仿真需要對待測系統進行完全真實的目標環境下的運行和測試，實物仿真系統復雜，數學建模難度巨大；全數字仿真是給予待測系統完整數學模型的仿真方法，成本低廉，但仿真的效果取決于代碼的質量，也往往會出現軟件模擬硬件運行環境不可靠的情況。與此同時，半實物仿真技術的出現，很大程度地改變了傳統的測試方法，其定義是：在仿真實驗系統的仿真回路中接入部分實物的實時仿真。采用半實物仿真技術，一方面可以構建被測軟件運行所需的實時物理環境，測試結果可信度高，保證測試的真實性；另一方面，輸入數據、采集結果、軟件運行狀態可以實時觀察和控制，保證測試的可控性，最大程度地兼顧了上述2種測試環境的優勢。

對于有效載荷星上實時定位處理的驗證問題，由于星載平臺環境的特殊性，搭建全實物仿真測試環境不夠現實，全數字仿真測試環境又不夠可靠。本文嘗試搭建一套半實物測試系統為主體的測試環境，利用構建逼真的星上運行環境，將軟件仿真的數據注入到有效載荷，在保持與入軌運行相同處理時序的條件下，充分測試星上實時定位能力，并自動對定位結果進行評估。

1 測試系統設計

本測試系統搭建了一種模型驅動的仿真測試環境，以此次測試產品為例，通過對輻射源真實位置和衛星運行軌跡的模擬，構建數字相位干涉儀真實運行環境的仿真模型，從測試系統軟件仿真中得到定位所需的具體參數，通過測試系統的硬件設備播放，驅動被測星上分系統運行，收集從被測系統返回的數據，實現仿真模型與被測系統之間的交互，比對定位結果，完成測試任務。

1.1 工作原理

衛星在軌運行過程中，有效載荷將會偵收到特定區域內存在的雷達、通信、廣電、導航、軍用民用等電磁復合信號，除了感興趣輻射源外，還包括各類干擾信號。所以，在地面對有效載荷功能和性能進行測試的過程中，為了模擬有效載荷面臨的真實電磁環境，需要從以下幾個方面開展工作：

1）分析各類輻射源的信號模型，根據頻率、脈寬、幅度、重復周期等參數對信號進行分類，建立重點目標庫和背景目標庫（干擾輻射源庫）；

2）根據不同作戰條件下對電磁環境模擬的需求，設定特定區域內目標和干擾輻射源的分布，產生對應的想定場景；

3）綜合考慮特定區域內多個輻射源的地理位置、波形特性、天線特性和掃描方式等參數，結合空間傳播特性和衛星平臺軌道參數的影響，動態更新各目標的輻射特性；

4）根據有效載荷偵收原理，對場景內多目標信號進行合理消隱，降低電磁環境模擬系統對系統硬件的需求。

上述參數需要依靠軟件進行模擬，并部署在硬件設備上實現與載荷的互聯互通。基于此，構建如圖1所示的測試系統，包括數據模擬軟件、存儲播放設備、地檢設備，對有效載荷待測設備進行測試。

圖1 測試系統功能框圖

數據模擬軟件部署在系統的硬件平臺上，對設備進行數據管理和功能控制，將在下文中進行詳細描述。本軟件平臺的優勢在于：通過提供圖形用戶界面(GUI)，做到人機交互，方便測試結果的直觀展現，實現所見即所得。

存儲播放設備受系統的軟件平臺控制，主要作用是將軟件中仿真得到的各參數做同步且符合相位要求的輸出和存儲，用途包括注入載荷或播放至通用設備端等。硬件平臺主要由主板、DAC 模塊、光纖數據收發卡、時鐘模塊、存儲模塊、萬兆光纖卡搭建而成。

1.2 工作流程

測試系統的工作流程如圖2 所示，數據模擬軟件根據場景想定參數輸入，模擬產生各類定位參數，存儲到存儲播放設備，并發送控制參數、平臺參數到地檢設備；地檢設備產生同步信號，控制待測設備與存儲播放設備同步工作，實現中頻、全脈沖、平臺數據的同步播放；待測設備完成星上實時處理，通過地檢設備轉發定位結果到數據模擬軟件，自動對比分析完成效果評估。

圖2 測試系統工作流程圖

2 半實物環境構建

2.1 硬件設計

根據圖1 可知，硬件部分主要包括主控模塊、DAC模塊、光纖收發模塊、時鐘模塊等組成。

2.1.1 主控模塊

主控模塊是硬件系統的核心，如圖3 所示，以高性能標準服務器主板為主體架構，配備2 塊intel Xeon(R) CPU E5-2683V4 處 理 器，每 個CPU 有16 個 核 心處理器；配備4 條內存提供128 GB 內存空間，最大可擴展到16 條內存；同時提供10 個高性能PCIE 3.0 X8插槽和1 個PCIE 2.0 X8 插槽，滿足所有現有功能模塊的應用，剩余的插槽可繼續擴展PCIE 存儲模塊或者其他標準PCIE 模塊。

圖3 主控模塊功能框圖

2.1.2 DAC 模塊

如圖4 所示，DAC 模塊由DAC 載板與DAC 子卡組成。其中DAC 載板接收光纖數據緩存板傳輸過來的中頻發送數據，將數據緩存在載板DDR 中，通過PCIE 接口接收運行在服務器上的仿真控制軟件的控制指令，通過FMC 接口控制DAC 子板，并將中頻數據通過FMC 接口傳輸給DAC 子卡，通過DAC 芯片將中頻信號發出。

圖4 DAC 模塊功能框圖

2.1.3 光纖收發模塊

如圖5 所示，光纖數據收發模塊實現接收輸入信號和發送信號功能。設計采用專用的光模塊實現光電信號轉換，轉換后信號直接 與FPGA 進 行 連 接，FPGA 完成信號采集，并通過外部DDR 進行緩存，最后通過PCIE 接口完成傳輸功能。數據收發卡的同步信號采用SMA 接口，為同步25 M時鐘和同步脈沖信號，由設備內的數字光纖接口卡提供。

圖5 光纖收發模塊功能框圖

2.1.4 時鐘模塊

時鐘模塊提供1×10s 的時鐘信號，可將高精度時鐘信號輸出給DAC 模塊和被測設備，提供測試精度，單個時鐘模塊提供5 路時鐘信號輸出接口，1 路輸出給DAC，4 路輸出給被測設備。采用高精度、高穩定度100 MHz 恒溫晶振作為時鐘參考源，通過高性能PLL 輸出100 MHz 時鐘源。

2.2 軟件設計

數據模擬軟件主要包括參數設置、場景規劃、控制管理等模塊。

2.2.1 參數設置模塊

參數設置界面如圖6 所示，首先選擇設置重點目標庫、背景目標庫等目標類型；通過全隨機、半隨機或者全人工方式建立常規脈沖信號，頻率分集、脈間捷變、脈組捷變等頻率變化信號，重頻參差、抖動、滑變、成組等時間變化信號，線性調頻、非線性調頻、二相/四相編碼、頻率編碼等脈內調制信號，塔康/DME 信號等敵我識別信號；根據建立的信號模型，模擬生成多信號偵收場景的原始輻射源參數和全脈沖數據并保存；通過統計坐標顯示PDW 中的重要信息（TOA 和RF），實現交互并實時監控。

圖6 參數設置界面

2.2.2 場景規劃模塊

場景規劃界面如圖7 所示，由目標參數設置頁面中生成的單個場景，通過畫圖或鍵入圓心和半徑可以在地圖中選取場景發生區域（圓形ROI 區域），隨機生成圓內或圓上的輻射源真實位置點；同樣可以直接通過鍵入坐標值的方式和導入文本文檔的方式直接將輻射源真實位置顯示在地圖上。通過Matlab 互聯STK 仿真衛星的星歷數據和姿態數據，并由此生成對應的實時姿態矩陣，將產生的全脈沖數據和與之對應的星歷、姿態數據，實時姿態矩陣、基線轉角數據等保存成文件，并通過網口發送到系統的其它硬件設備。按照寫定的進制和格式提取地檢設備所需的注入式數據；根據重點目標庫、背景目標庫、衛星平臺參數以及控制參數產生模擬有效載荷中頻數據。

圖7 場景規劃界面

2.2.3 控制管理模塊

控制管理模塊如圖8 所示，數據交互將存儲在存儲播放設備中的中頻數據進行同步輸出，頻率和功率皆可調，可選擇直接播放頻譜和波形，也可以注入載荷進行后續驗證操作；硬件管理將Super DOC 嵌入GUI 中，實現對系統硬件的電壓監測、溫度檢測、系統檔案信息管理等。

圖8 控制管理界面

整個測試系統軟件部分采用標準C 和Matlab 實現，采用人機交互的方式運行，其可視化、輸入靈活的結構特點，為測試的實施及測試結果的記錄提供了方便。

3 測試實例

3.1 實施方案

測試的目的是檢驗由軟硬件搭建的整體系統是否滿足星上定位測試的所有功能和性能需求。測試應按以下的步驟進行：

1）仔細閱讀軟硬件需求和設計說明書等文檔，深入了解被測系統的功能及實現細節，并進行細化分解，明確各功能測試方法。

2）針對軟件功能，主要采用黑盒測試的方法，為了涵蓋全部功能的驗證與仿真，對其實行全流程測試；針對硬件部分，主要采用性能達標分析，將功能分解后，對每一個子模塊的每一個功能設計測試用例。

3）編輯并根據測試用例實施操作，詳細記錄測試結果。

4）對測試結果進行分析，編寫測試報告，提出測試方法、測試環境搭建等的改進意見。

此次半實物仿真測試環境的搭建，因為系統構型以及軟硬件的同時存在，所以測試用例的生成便成為測試的關鍵環節，測試時不僅要包括合理的數據輸入，更要包含不合理的或無意義的數據，通過異常數據發現程序是否存在錯誤。

3.2 測試過程

按上述構建半實物系統測試環境，對某有效載荷數字接收機星上實時處理性能進行測試，利用數據模擬軟件，產生32 部雷達輻射源對應的全脈沖、中頻等數據，存儲到存儲播放設備，在控制管理模塊控制下，按時序播放存儲的數據，實現對數字接收機星上實時處理的測試，實時定位處理對比分析結果如圖9 所示，結果表明系統能夠較好地完成對設備的測試。

圖9 測試效果示意圖

4 結束語

本文設計了一套適用于衛星有效載荷產品的半實物測試系統，利用數據模擬軟件可以構建逼真的試驗環境，并通過存儲播放設備按時序發送數據，充分驗證了星上實時定位處理能力，協助嵌入式軟件開發調試，提高地面測試驗證的全面性和有效性，為保證衛星在軌可靠運行提供支撐。■