適應于組網衛星的數字化及自動化測試技術研究

張福楨，閆海平，曾志敏，周 鑫，史禮婷，吳曉宇

(航天行云科技有限公司，武漢 430040)

0 引言

近年來，隨著航天技術的飛速發展，航天產品逐漸滲透到以通信、導航、遙感為代表的典型應用場景的各個領域。數據業務數據量的增加和對業務時間分辨率容忍度的降低使得單顆衛星工作模式難以滿足當前的業務需求。因此，以多星組網協同工作為基礎的衛星星座有利于提高系統覆蓋特性、縮短重訪周期、增加數據落地速度。因此，隨著衛星的高集成度、輕量化以及運載能力的提升，一箭多星、衛星批量化成為新的發展趨勢。星鏈(Starlink)計劃共發射4.2萬顆互聯網通信衛星構建全球互聯網通信天基網絡，為適應衛星組網需求，星鏈建立了衛星生產線，通過衛星自動化測試手段每月可實現接近120星的批產能力[1-2]。

早期，衛星主要采用定制化模式，地面綜合測試采用串行測試方式[3]，單次測試僅能進行一個被測衛星單元，進而造成衛星地面測試周期占整個衛星研制周期接近70%，且衛星測試主要采用人工操作和判讀的方式，需要大量的人力投入，這是傳統衛星研制周期長、成本投入高的最主要原因[4]。隨著國內外微小衛星星座的規劃和應用，采用自動化測試手段開展衛星并行測試，對于縮短衛星研制周期、實現星座快速組網和應用具有重要的價值。然而，目前國內衛星在衛星自動化、批量化和并行化地面測試方面的研究尚處于起步階段[5-6]。2009～2011年，航天東方紅衛星有限公司提出基于工作流的分布式小衛星自動測試系統[7-8]，小衛星自動化綜合測試開始得到實踐。在此基礎上，對衛星測試系統布局、遠程測試網絡布局等地面測試總體技術方案進行優化[9]，并研制了智能化測試系統[10]用于衛星單機驗收測試、整星電性能測試等環節。上海微小衛星工程中心對批量衛星流水線自動化測試系統進行研究[11-12]，對衛星批量流水式自動化測試系統的體系進行設計，并應用于衛星分級測試中。上述研究雖然在一定程度上提高了衛星測試效率，但研制仍舊采用串行工作方式，測試工作需要待產品齊套交付后方可開展后續AIT工作，且部分需要交互性的測試仍舊需要采用手動測試、人工判讀的方式進行。進一步的，銀河航天、九天微星、時空道宇以及航天科工空間工程有限公司等單位在多個地方建立衛星AIT(總裝、集成和測試)廠房和柔性智能生產線，并在廠房內部署自動化生產和測試設備，但在實際衛星研制過程中，仍舊以手動方式、串行測試為主，衛星測試自動化程度較低[13]。

本文提出了基于數字衛星的批量衛星自動測試技術，通過對綜合測試系統架構進行優化設計，可滿足單星或多星自動化測試；所提出數字衛星仿真控制平臺，通過單機模擬、分系統模擬可在單機研制階段便完成衛星的軟件測試工作，對衛星整體功能進行提前測試、驗證和優化，可大幅縮短后續測試時間。此外，通過在測試系統中加入機械臂等自動化設備，借助綜合測試系統，可實現對批產衛星的自動測試。

1 測試總體方案設計

隨著微小衛星組網應用需求的不斷擴張，衛星批量化研制、快速發射成為必然趨勢，而傳統的衛星串行測試模式存在步驟繁瑣、重復性工作多、人力成本投入高等缺陷，無法滿足快速組網需求，并且目前國內衛星測試以人工操作為主，操作流程復雜，耗費時間長，記錄準確度低。此外，傳統的基于真實單機的聯調測試對各單機研制進度同步性依賴性較高，而衛星研制過程中，各單機繼承性不同，研制進度差別較大，進而導致星務軟件反復更改、軟件版本短時間內無法固化。基于數字衛星的地面自動化測試技術借助數字孿生技術，以數字衛星代替真實衛星進行主要功能、接口協議的調試和測試。

1.1 綜合測試系統架構設計

為滿足衛星批量化研制和測試需求，同時兼顧型號發展的拓展需求，測試系統架構按照“測試可自動、并行可拓展、遠程可交互”原則進行設計。

1.1.1 綜合測試系統組成

如圖1所示，測試區域由衛星測試區域和測試控制區域兩部分組成。

圖1 衛星綜合測試系統架構圖

衛星測試區域主要包括衛星、射頻專檢設備(如測控專檢、數傳專檢、GNSS信號源等)、地面供電設備、星地CAN接口以及測試交互設備(操作機械臂及其控制設備等)等。單顆衛星采用獨立供電，供電設備可通過測試系統上位機進行控制；星上射頻單機通過射頻切換設備與地檢設備間實現無線通信。測試時，對設備切換矩陣設置不同參數，可實現地面設備與不同衛星間的無線通信，從而實現多星并行測試[14]。此外，衛星測試區域同時部署數字衛星，用于整星數字化測試以及衛星測試過程中的排故等，可用于部分代替電性星的功能。

測試控制區域包括主控服務器、PXI仿真設備、以及終端測試電腦等。主控服務器運行地面測試軟件，負責衛星型號管理、遙控指令發送、遙測參數解析、自動化測試任務執行監控、測試數據保存、用戶權限管理、遙控指令配置、遙測數據協議配置、參數的實時訂閱、歷史數據查詢和分析等[15]。PXI仿真設備主要為衛星測試時提供相應的時間、軌道、姿態等信息，以模擬衛星飛行狀態；終端測試電腦主要用于測試的操作等。由于不同衛星數據格式、解析方式、工程值轉換的不同，為保證系統通用性[16-17]，遙控指令和遙測數據解析按照相同數據格式配置的方式進行，并存儲在數據庫中。當遙控指令和遙測數據發生變化時，只需要修改配置文件即可實現。

相比傳統的衛星綜合測試系統[9,11-12]，本方案在測試區域增加操作機械臂等測試交互設備及其控制接口，用于衛星測試過程中單機交互操作。例如進行星敏有效性測試或極性測試中，要求將星模擬器靠近星敏感器，判斷星敏數據狀態是否滿足預期。傳統方法采用手工操作，既存在一定的安全風險，也降低了測試效率。將操作機械臂的上位機集成到綜合測試系統中，使用綜合測試系統統一管理，可用于手動或自動化測試過程。

1.1.2 綜合測試系統工作方式

綜合測試系統由地面測試軟件進行管理，基于B/S架構實現測試設備資源分配和計劃調度、數據查詢和分析、遙控指令發送和遙測數據解析、軟件上注、自動化測試指令配置和執行等，可滿足單星或多星測試。

單星測試可采用手動或自動方式進行。手動測試時根據測試任務需求發送遙控指令，并對遙測數據結果是否符合進行人工判讀。此外，測試系統可對遙測數據有效范圍進行配置和異常數據預警提示。自動測試則主要通過測試序列方式進行，測試序列可在線或離線配置，對指令執行邏輯、時序、執行條件、循環次數、判定依據等進行規定，綜合測試系統則可自動執行指令發送、遙測數據判讀以及異常數據預警等功能，并生成測試報告，自動測試流程如圖2所示。

圖2 衛星自動化測試流程示意圖

多星并行測試以單星測試為基礎，在不同測試區域部署衛星及相應測試設備，并通過星地有線或無線接口連接到服務器。如圖1所示，地面測試系統和不同衛星間的通信通過星碼進行標識，星碼具有唯一性[18]，為綜合測試系統數據分類處理的依據。發送遙控指令時，綜合測試系統根據所選衛星型號對遙控指令進行再組包，增加星碼信息并發送至相應衛星，只有本星預置星碼與指令中星碼信息匹配，衛星才會執行指令；星務處理遙測數據時，在遙測數據包中同樣增加本星星碼，綜合測試系統根據星碼對遙測數據進行解析、分發和存儲。并行測試時，在終端測試電腦選擇不同衛星型號，便可針對該星按照手動或自動測試方式進行測試。

1.2 數字衛星仿真測試平臺

數字衛星是借助數字孿生技術，采用數字化方法模擬衛星物理狀態，實現對衛星接口、功能、數據處理等的封裝和應用[19]。利用數字衛星模擬星務計算機硬件平臺和操作系統軟件平臺，可用于單機齊套前星務軟件邏輯控制層面軟件的調試和測試，如單元測試、配置項測試、星務各模式切換邏輯測試、單機或分系統管理測試、分離時序測試、單機遙控指令和遙測數據測試、分系統集成測試等。另一方面，數字衛星還可用于通信衛星組網狀態下多節點通信模擬測試等。

如圖3所示，基于數字衛星的仿真測試平臺主要由服務端與客戶端組成。客戶端主要實現命令行界面以及進行通信序列化和解序列化。數字衛星主要運行在服務端內，集成星務計算機操作系統模擬、硬件模擬、應用層模擬以及各單機和分系統模擬等，用于模擬衛星飛行狀況；同時集成數字衛星多種模型庫(如姿態動力學模型庫、軌道模型庫等)，為數字衛星仿真提供條件。綜合測試系統和星務軟件應用層模擬進行數據交互，實現數字衛星的遙控指令發送和遙測數據接收和處理。

圖3 數字衛星仿真測試平臺架構圖

單顆數字衛星進程部署于單個docker內，并使用Kubernetes進行動態管理。單星數字化測試時，通過設置模型庫參數，可為單機模擬、分系統模擬提供輸入，并以閉環方式進行實時更新。例如，調整模型庫中姿態軌道模型中時間、軌道和初始姿態等參數，模擬衛星星箭分離后整星狀態，結合其它模型庫，進而模擬衛星在各模式下姿態軌道變化、衛星能源平衡、衛星表面熱變化、過境特性等。數字衛星和真實衛星間通過星碼建立一一對應關系，可通過調動多個docker內的數字衛星進行模擬組網測試。數字衛星支持內部授時和外部授時兩種。單星模擬測試主要采用內部授時進行控制，多星模擬測試主要采用外部授時進行控制，以保證多星時間統一性。

2 衛星測試流程

通常衛星一般由結構與機構、電源、熱控、綜合電子、測控、姿態與軌道控制和載荷分系統等幾部分組成[20]，衛星在各單機完成驗收交付后，進行分系統級測試和桌面聯試。完成桌面測試后交付總裝并在總裝完成后進行整星綜合電性能測試。批量化衛星由于技術狀態具有高度一致性，借鑒美國GlobalStar系統AIT測試成功經驗[21]，僅在首發星進行完整測試，其余各星主要通過采用自動化測試手段進行測試。如圖4所示，星上產品驗收交付前，主要進行單星數字化測試，進行星上軟件功能的驗證；單機驗收后，按照分系統劃分進行分系統級接口、功能和性能指標的測試驗證，并根據測試情況進行數字衛星的模型修正；分系統驗證完畢后，進行整星級桌面和總裝后衛星測試，同時再次進行數字衛星模型修正。

圖4 衛星測試流程

借助數字衛星仿真測試平臺，可在衛星分系統測試前，提前開展衛星單機級、分系統級和整星級數字化測試，對星務軟件的軟件配置、單機管理、模式切換、故障處理等多種功能進行提前測試驗證。在星務軟件研制完成后，通過數字衛星實現單機模擬和分系統模擬進行衛星軟件測試，對星務軟件、分系統以及整星的功能進行測試驗證和優化，從而大幅減小后續分系統和整星測試工作。

2.1 首星測試

衛星首星測試主要用于衛星接口、功能和性能指標的調試驗證，進而明確后續衛星技術狀態基線。首星測試分為數字化測試、單星分系統級測試和單星整星級測試。

2.1.1 衛星數字化測試

首星數字化測試主要用于驗證星上軟件功能、軟接口協議驗證。在星務軟件研制完成后，利用數字衛星仿真測試系統可開展單星單機級、分系統級和整星級功能驗證。

1)單機級：按照單機與星務或者單機與單機之間的通信協議進行配置，在單機模擬層進行單機模擬，對接口協議進行測試。

2)分系統級：按照分系統組成，由各數字單機組成分系統，進行分系統數字化測試。分系統級測試主要驗證各分系統功能是否符合總體設計需求。以姿軌控分系統為例，如圖5所示，姿軌控分系統主要包括星敏、陀螺、磁強計、太陽敏感器等姿態測量裝置以及飛輪、磁力矩器、推進裝置等控制裝置。數字衛星模型庫中姿態動力學模塊、軌道動力學模塊以及時間模塊產生相應的信號發送至數字單機，姿軌控分系統模擬層中姿態軌道控制軟件結合單機信號產生相應的控制信號，驅動姿態控制數字單機產生控制信號并傳輸至模型庫姿態、軌道動力學模塊，實現數據閉環，從而可對姿態軌道控制算法進行驗證。

圖5 衛星姿軌控分系統數字化測試

3)整星級：完成單機級和分系統級測試后，通過數字衛星模擬，由各模型庫提供必要輸入，可進行整星級在軌功能數字測試。例如，姿態軌道模型庫提供測試期間任一時刻衛星的時間、軌道、姿態等信息；熱控系統模擬庫計算出衛星外熱流情況和各部組件溫度等信息；電源分系統模擬庫對衛星供電情況進行仿真等。通過數字模飛測試，可驗證衛星入軌后模式切換等多種功能。同時，通過對模型庫進行修改，制造各種異常工況，對衛星故障處理邏輯設計的正確性進行驗證。

2.1.2 單星分系統級測試

單星分系統級測試是整星單機齊套后，對分系統各單機接口、功能和性能指標的符合性進行驗證，同時對數字衛星單機模擬、分系統模擬的模型進行修正，并根據測試情況形成自動化測試序列，用于后續衛星的自動化測試。

以熱控分系統為例，熱控分系統主要包括控溫組件(如加熱帶、熱管等)和測溫組件(如熱敏電阻等)。測試時，打開控溫組件使控溫點附近溫度上升，監測測溫組件反饋遙測量是否正常；關閉控溫組件，一段時間后，測溫點處溫度應回到環境溫度。

2.1.3 單星整星級測試

整星級測試主要驗證衛星分系統間的連通性和兼容性以及考核整星整體的功能和性能，按照是否總裝分為桌面散態和衛星總裝后測試。

整星級測試主要包括整星電性能測試、整星模飛測試以及總裝后整星綜合電性能測試。以整星模飛測試為例，通過PXI仿真系統設置衛星飛行環境(如UTC時間、軌道高度、衛星軌道姿態、光照情況等)，模擬衛星星箭分離、初始入軌、在軌測試、業務運行以及各種故障工況，對整星在軌各項功能進行測試驗證。測試完成后，將上述流程整理并配置成自動化序列，用于后續衛星模擬飛行測試。

2.2 衛星自動化測試

首星測試階段，主要采用手動方式完成單機測試、分系統測試、桌面散態測試和總裝后測試，根據首星測試情況對測試邏輯、測試流程、測試結果進行確認，優化測試流程，并按照要求配置自動化測試序列。批量自動化測試階段，通過配置的自動化測試序列執行單機測試、分系統測試、桌面散態測試以及總裝后測試。自動化測試流程如圖6所示，主要分為測試序列配置、測試序列執行和測試序列判讀以及測試報告生成等。

圖6 自動化測試執行流程

1)測試序列配置：可根據測試要求在線創建或導入測試指令序列，并設置相鄰指令間的間隔時間、執行次數、判決條件等。測試序列的配置和測試在首星測試階段完成。

2)測試序列執行：根據配置的測試序列指令集以及間隔時間等信息，自動化測試系統以閉環方式自動向衛星發送遙控指令，并向需要的測試設備發送指令信息，控制其進行配合測試。例如衛星太陽敏感器進行極性測試時，該項測試前自動化測試系統將控制機械臂設備夾持測試設備到達指定位置，執行完成后向單機發送遙控指令。

3)測試序列判讀：單機根據測試序列配置的判決條件對遙測數據進行自動判讀，若判讀結果正常，繼續執行下一條序列，直至測試結束；若測試結果異常，將對異常信息進行提示，并根據異常情況判斷是否中斷測試。

4)測試報告生成：每次自動化測試指令結束后，自動化測試系統將自主生成測試記錄，保存每條測試指令執行情況、判讀單機或設備反饋數據原碼和工程解析值以及判讀條件、指令執行時間等信息。可根據測試報告對異常情況進行人工二次判斷，定位異常原因。

2.3 衛星并行測試

首星測試完成后，其余各星可進行并行測試，即可根據各星測試需求在同一時間內針對多星進行測試。如圖1所示，以6星測試為例，將全部待測試衛星置于衛星測試區域，各星采用獨立供電，星上射頻單機與射頻專檢設備間通過射頻切換矩陣進行連接。測試區域內各星測試人員登錄測試系統，選擇衛星型號(與星碼對應)、數據發送/接收通道等，并按照需求進行射頻切換矩陣設置，隨后便可按照測試計劃開展測試。不同測試人員通過選擇不同衛星型號進行并行測試，綜合測試系統根據星碼進行遙控指令發送和遙測數據解析、存儲和分析。

3 試驗結果與分析

衛星自動化測試是實現衛星高密度發射的關鍵一環。針對行云工程衛星項目，對衛星測試流程進行合理優化，即單機齊套前以數字衛星為基礎進行星務軟件的研發、測試工作；單機齊套后，以真實衛星為基礎進行分系統或整星功能的復測確認，并進行數字衛星模型修正，對星務軟件功能進行修改后可通過數字衛星進行復測，驗證通過后再在正樣星上進行軟件上注。多星測試階段，通過測試系統中的設備切換矩陣，可同時將多星接入系統中進行并行測試。此外，測試系統加入自動化測試功能，可根據測試需求進行測試序列功能配置和測試結果自動化判讀，并對非預期結果進行預警，方便測試人員進行故障定位，大大提高了測試效率。當然，上述測試流程對數字衛星、真實衛星和綜合測試系統間的匹配性要求較高，因此測試前期也出現較多問題，如數字衛星功能不完善而不能完全代替真實衛星。因此，首星測試階段重點對數字衛星功能進行迭代優化，為后續測試奠定基礎。上述測試流程的合理性在行云工程多星測試階段得到較好的驗證。

此外，綜合測試系統雖然可滿足多星并行測試，但受到硬件資源配置的限制。例如，射頻地檢設備僅可同時滿足和一顆星之間的交互，因此若進行多星射頻單機同時測試，需要配置多臺地檢設備。

4 結束語

隨著各種低軌衛星組網計劃的提出，未來衛星批量化設計、制造和生產成為新的趨勢。因此，在工程設計之初，便需要考慮衛星地面測試系統的可拓展性和自動化。本文結合衛星批量化研制流程，對基于數字衛星的地面批量自動化測試技術進行研究，提出了衛星自動化測試系統架構和測試流程，除首顆衛星外，基本可實現分系統測試階段、整星桌面測試階段以及總裝后衛星的全自動化測試，極大提高了測試效率，縮短了測試時間。本測試方法在行云工程首批6星批量化研制過程中得到應用，后續可根據需求進行拓展以滿足更多衛星的批量化并行測試。