卫星控制系统测试数据自动判读系统设计

吴 婧，陆文高，常武军

(航天东方红卫星有限公司，北京100094)

0 引言

卫星综合测试系统的集成度、自动化程度和测试效率反映了卫星测试的技术水准.目前，我国卫星综合测试系统基本使用分散式测试设备，测试数据和结果也主要由人工判断［1］.随着卫星应用需求的不断增大，卫星自动测试技术愈显重要.提高卫星测试系统的智能化和自动化测试水准，不仅能满足快速测试的需要，而且可提高资源利用率.

目前中国对测试数据判读的自动化程度主要是对参数的越界判读，难以实现随着卫星工作状态变化的遥测量的动态判读;同时，也存在着参数范围无法进行准确定义的问题.如果有的参数发生细微变化但并没有超出正常值范围时，往往不能够在第一时间发现参数异常变化带来的问题，通常是通过后期数据查询、比对发现问题，而这些问题不能够及时发现，可能为整星测试带来安全隐患.

卫星控制系统测试数据量庞大、信号类型复杂、数据实时性、一致性和可靠性要求高、数据随环境变化快，对控制系统的测试数据判读和处理等均提出很高要求，传统手工数据判读方法无法满足卫星测试需求［2］.为了提高卫星控制系统测试数据的判读质量和判读速度，本文分析了卫星控制系统测试数据的特点，给出了自动判读系统的设计思想、基本组成和原理，并阐述了系统实现中的关键技术.

1 判读可行性分析

为了实现自动判读，首先需要分析卫星控制系统测试数据的特点，找出其变化规律并进行分类，然后再结合测试数据的判读要求进行判读规则设计.

1.1 测试数据特点分析

根据测试数据判读要求及数据属性的不同，测试数据主要可以分为以下两类:

1)指令驱动相关联的数据

执行测试指令后，在某些条件成立的情况下，数字量和模拟量的正确值为多少.测试指令包括遥控指令和设备指令.

当地面或者卫星上发出某个指令或者指令集的时候，相应的测试数据发生变化，数据是否异常的判断准则可能较指令执行前发生改变，应按新的判读规则进行判断.例如，地面发出运行姿态机动模式遥控指令，卫星判断指令无误后开始执行指令，控制系统工作模式字会发生变化，同时，相关执行机构开始动作，即执行机构工作状态会发生变化，各敏感器姿态测量数据同时也会发生变化，而当卫星机动到位后，执行机构工作状态数据和敏感器姿态数据会稳定在一定的范围内.测试数据新的变化范围与姿态机动前会有一定的差别，属正常情况，只是指令注入前后判读规则不同.

设备指令是指地面发送给控制系统测试设备的指令.例如，在进行姿态敏感器电信号测试时，设置测试设备信号源输出特定要求的姿态数据和姿态角速度数据，该指令即为设备指令.指令发送后，测试设备信号源根据姿态数据模拟产生光学敏感器光电器件产生的电信号来激励光学敏感器的处理线路，根据姿态角速度数据转换成与之成适当比例的电流信号施加到陀螺力矩器线圈上使惯性姿态敏感器电路工作，姿态敏感器采集姿态数据和姿态角速度数据，经控制器处理后通过遥测通道下传，正常情况下，遥测数据与测试设备设置值在满足部件性能指标测试要求的前提下是一致的.

2)条件驱动相关联的数据

测试数据的变化只与条件值的变化相关，与是否执行测试指令无关.某个条件值变化时，在其他某些条件成立的情况下，数字量和模拟量的正确值为多少.测试数据包括遥测数据和设备数据，变化方式包括在给定范围内变化和有特定变化规律这两种情况.

在给定范围内变化的数据包括数字量数据和模拟量数据.数字量用一个或多个字节的二进制数表示，其判读主要是正确性判读，在每一时刻它都有一个正确值，只有数字量的值等于该正确值时，才是正确的，否则错误［3］.表征卫星控制系统部件和系统工作状态的十六进制数字量大多属于此类，定义整个字节或者每一位表示某种工作状态.例如，红外数据有效性标志用二个二进制位表示，控制系统在所有引入红外的工作模式的每个控制周期均进行数据有效性判断，正常情况下应该为两红外数据有效.模拟量是一个电平值，其判读主要是超限判读，数据在给定的范围内的超限判读，通过对采集到的数据进行上下限比较就能很好的解决问题［4］.每一时刻它都有一个正确范围，当模拟量值在该范围内时正确，否则错误.在卫星设备状态未发生改变时，数据平稳变化，变化率不大.此类数据主要包括特定卫星状态下的电压、电流、温度参数等.例如，红外地球敏感器电机电流值、惯性姿态敏感器温度值、惯性姿态敏感器电源状态等遥测参数.

例如，某卫星飞行程序设定在星箭分离30分钟后，当卫星姿态角和姿态角速度满足一定条件后自主启动动量轮，动量轮控制电压会产生突变，动量轮转速会逐渐增加，动量轮电机电流也会增加，并且对卫星姿态会造成一定程度的扰动，然后动量轮转速稳定在标称值附近，此处变化的条件即为控制系统星时以及卫星姿态角和姿态角速度.此情况下，测试数据会发生突变，属正常情况，只是条件发生前后判读规则不同.

卫星有些测试数据的变化是按照某种规律进行变化，但是这种变化规律不是简单的上升或下降，它还包括沿着某种函数曲线变化［5］.例如，星敏感器姿态数据随卫星姿态和位置发生变化，以轨道周期按照一定的规律变化.

1.2 判读规则设计

由以上分析可知，控制系统测试数据的种类较多，导致了判读规则的形式比较复杂.本文总结了几种通用的判读规则形式，判读规则如下:

1)指令驱动的判读规则

为每一条遥控指令和设备指令定义测试判据，测试判据指测试执行过程中在测试指令发送前后根据设备数据、遥测数据进行指令执行正确性判断的依据，此处的设备数据是指控制系统测试设备的数据.另外，判读规则还应规定测试指令的执行时间，即判读延迟时间，超过设定的执行时间即认为该条测试指令执行异常.

2)在给定范围内的判读规则

数字量数据:设定初始状态下以及测试过程中满足某种条件下数字量的正确值.

模拟量数据:直接给出模拟量数据的上下限，一般表示为x=a±b的形式，b即为允许的阈值范围.

3)有特定变化规律的判读规则

对于某些有特定变化规律的数据，可对变化趋势预先进行理论推导［6］.如不易进行理论推导的，可以采取计算的方式对原始数据进行转换，如上述星敏感器姿态数据，可根据星敏感器安装矩阵、星敏感器原始姿态测量数据、星敏感器测量时刻卫星的轨道参数转换为卫星三轴对地姿态，进行直观判读.

各类规则都表示成“与”规则的形式，每条规则都包含一个前提部分和一个结论部分［7］，其一般形式如下:if条件1 and条件2 and…and条件nthen结论.

2 判读系统设计

2.1 系统组成

卫星控制系统测试数据自动判读系统由测试数据自动判读模块、判读结果存储模块、判读规则管理模块、管理客户端组成，测试数据自动判读系统结构示意图如图1所示.

图1 自动判读系统结构示意图Fig.1 Structure of the automatically diagnostic system

测试数据自动判读模块:接收卫星实时数据库发来的测试数据以及测试指令发送信息，从判读规则管理模块获得判读规则并加以解析，匹配判读规则，对测试数据进行自动判读，得到判读结果，将判读结果发送给判读结果存储模块进行存储以及发送给管理客户端进行实时显示，并将判读结果广播给其他订阅判读结果的外部系统.

判读结果存储模块:用于保存判读结果，测试人员可以通过管理客户端查看某一段时间的历史判读结果，方便测试人员对测试过程中的异常情况进行分析.

判读规则管理模块:通过管理客户端配置判读规则，以及存放自动判读所需要的判读规则.主要功能包括判读规则编辑、规则检查、规则查询、规则的批量导入导出等，支持用户对判读规则进行便捷的修改、添加和删除.

管理客户端:提供人机交互界面，从判读规则管理模块获取判读规则并将其显示给用户，同时为用户提供修改判读规则的接口;提供人机交互界面，从测试数据自动判读模块获取实时判读结果进行显示，并提供出错时的报警，提醒测试人员对当前出现的错误进行处理;提供人机交互界面，从判读结果存储模块获取历史判读结果，测试人员可以方便地查看某一段时间内的历史判读结果.

2.2 判读流程

在测试前，通过管理客户端使用判读规则管理模块配置需要应用的判读规则，测试数据自动判读模块加载并解析判读规则，得出判读所需的规则，创建测试数据参数列表，与卫星实时数据库连接，接着进入等待接收数据状态.若接收到了实时数据库发来的测试数据，首先判断数据是遥测数据、设备数据还是遥控指令、设备指令信息，并分别刷新测试数据参数列表.如果是遥测数据或设备数据，自动判读模块匹配条件驱动判读规则并执行自动判读;如果是遥控指令或设备指令，自动判读模块从实时数据库中读取该测试指令的发送时刻，并从判读规则管理模块读取该测试指令的判读延迟时间，从发送时刻起，自动判读模块在判读延迟时间内不断查询参数列表中的测试数据值，如果在判读延迟时间内未能正确匹配，则判断为测试指令执行异常.得出判读结果后，将判读结果发送给判读结果存储模块进行存储归档，并以广播的方式发送到其他订阅判读结果的外部系统.测试数据自动判读模块充分考虑了卫星控制系统的测试特点，使用条件驱动、指令驱动的方式来驱动判读规则匹配，得到了较好的效果，判读结论的准确性高、实时性好.测试数据自动判读系统的工作流程如图2所示.

图2 自动判读系统工作流程图Fig.2 The flow chart of the automatically diagnostic system

2.3 应用实例

例如，星敏感器姿态数据的判读属于有特定变化规律的判读，仅根据参数范围无法进行准确定义和判读.以往人工判读通常采取判断姿态四元数的趋势图是否平滑、无尖锋的方法，漏判概率较大.

在本自动判读系统中，首先将星敏感器惯性姿态四元数转换为卫星三轴对地姿态数据，再与判读规则设定的阈值范围进行比较.转换过程中需要用到的姿态矩阵包括卫星本体坐标系在星敏感器测量坐标系中的姿态矩阵(可由星敏感器的安装矩阵求得)、星敏感器测量坐标系在惯性坐标系中的姿态矩阵(可根据星敏感器实时姿态测量数据计算)、惯性坐标系在轨道坐标系中的姿态矩阵(可根据实时轨道数据计算)，再由对地姿态矩阵求得对地姿态四元数，考虑控制系统在不同的工作模式下所采用的转序，进行三次欧拉转动，得到卫星本体坐标系相对轨道坐标系的三轴对地姿态数据.阈值范围可设置为卫星姿态指向精度指标数据，例如某卫星姿态指向精度指标为≤0.1°(三轴，3σ)，选取该卫星2013年6月17日下午21:29—21:40过境、某一个星敏感器姿态数据进行转换计算，得到卫星三轴对地姿态数据的最大值为0.03°左右，说明阈值范围的设置是合理的.使用上述方法进行星敏感器姿态数据的判读，漏判率可降至为0%.

3 关键技术

3.1 测试数据整合技术

所有测试数据(包括测试设备数据、数字量遥测数据、模拟量遥测数据)均整合到卫星实时数据库中，数据库为每帧遥测数据和设备数据统一时间标识，便于进行数据比对.在数据库的数据整合功能支持下，为分析被测系统性能、查找问题提供了有效手段［8］.

3.2 数据预处理

自动判读系统对接收到的遥测数据，首先需要进行预处理.在遥测数据的接收和处理中会有野值，这些野值会导致判读不合格，如果不剔除，会影响自动判读的效率和质量.另外，由于星上设备通常是自主运行的，并且遥测数据产生具有一定的时间特性(如按采集周期产生)，因此需要对遥测数据的产生时间进行分析，判断该数据的产生时间是否正确［2］，如果存在异常，则通过管理客户端提交测试人员确认.

3.3 判读实时性

通过在测试数据自动判读模块内部创建测试数据参数列表，用以存放控制系统所有的遥测数据参数和设备数据参数.在测试过程中，自动判读模块接收到实时测试数据后，只需要根据当前测试数据刷新参数列表中的部分测试数据参数值，避免内存不断加载大量甚至海量测试数据，节省了时间，提高了判读实时性和判读效率.

3.4 缓变参数的曲线拟合

对于一些重点关注的变化复杂的缓变参数，为了更好地判读和分析，在对其进行判读规则设计时，就需要对该参数进行曲线拟合［7］.在曲线拟合时，首先需要确定理论曲线的关键点，再根据关键点选择合理算法，得出该拟合理论曲线.参考文献［9］讲述了一种基于多项式拟合进行外推的预测方法，该方法对于周期性随时间缓慢变化的遥测数据预测具有很好的效果.

4 结束语

本文针对卫星控制系统测试数据类型多和数据量大的特点，分析了测试数据的变化规律，建立了测试数据的判读规则，在此基础上完成自动判读方法设计和自动判读系统设计，该系统能够按照设置的判读规则进行自动判读，为测试人员提供了一种方便可靠的判读依据和判读方法，能够发现人工判读难以发现的参数细微跳变等问题，提升了卫星控制系统测试的有效性，提供了有效的技术支撑手段.

此外，自动判读系统中的判读规则知识组织清晰、继承性好，采用数据库技术后转移和沿用十分方便，极大地节省了人力物力.随着系列型号电测的不断进行，自动判读知识将得以不断改进和积累，判读规则知识的准确性和覆盖率将得到稳步提升.随着判读功能和判读知识的不断完善，自动判读系统将在未来的卫星控制系统测试中发挥重要的作用.

［1］党建成，俞洁，周晶.FY-2卫星综合测试系统自动测试技术［J］.上海航天，2005(1):72-77.DANG J C，YU J，ZHOU J.Automatic measurement technology of integrated test system for FY-2 meteorological satellite ［J］.Aerospace Shanghai，2005(1):72-77.

［2］吴限德，孙兆伟，陈卫东.小卫星测试数据在线时间序列判读方法［J］.哈尔滨工程大学学报，2012，33(3):383-388.WU X D，SUN Z W，CHEN W D.An on-line data interpretation method in a micro-satellite ground test system based on a time series analysis［J］.Journal of Harbin Engineering University，2012，33(3):383-388.

［3］吴晓，赵光恒，于英杰，等.仿真测试自动判读专家系统的设计与实现［J］.系统仿真学报，2005，17(12):3050-3052.WU X，ZHAO G H，YU Y J，et al.Designing and realizing automatically diagnostic expert system for simulation test［J］.Journal of System Simulation，2005，17(12):3050-3052.

［4］赵峰，文博武，孙洁，等.基于卫星数据判读的一种方法［C］//第十六届全国测试与故障诊断技术研讨会论文集.北京:中国计算机自动测量与控制技术协会，2007:225-229.ZHAO F，WEN B，SUN J，et al.An interpretation method based on satellite data［C］//The 16thNational Testing and Fault Diagnosis Technology Conference.Beijing:China Computer Automated Measurement and Control Technology Association，2007:225-229.

［5］李砥擎，朱维宝，王庆成，等.一种用于航天器数据监视的知识表示方法［J］.计算机测量与控制，2006，14(3):289-292.LI D Q，ZHU W B，WANG Q C，et al.Knowledge representation approach to spacecraft data monitoring［J］.Computer Measurement ＆ Control，2006，14(3):289-292.

［6］曹永梅，周剑敏，潘立鑫.卫星控制系统测试数据自动判读系统的设计与实现［J］.空间控制技术与应用，2013，39(5):58-62.CAO Y M，ZHOU J M，PAN L X.Design and implementation of automatic data discrimination system for satellite control system［J］.Aerospace Control and Application，2013，39(5):58-62.

［7］谢明明，沈湘衡，贺庚贤，等.空间相机仿真测试数据自动判读系统的设计［J］.计算机测量与控制，2010，18(6):1277-1279.XIE M M，SHEN X H，HE G X，et al.Design of data automatically diagnostic system for simulation test with space camera［J］.Computer Measurement ＆ Control，2010，18(6):1277-1279.

［8］戴居峰，袁利，王跃.基于开放式结构的航天器控制系统测试技术研究［J］.空间控制技术与应用，2012，38(5):34-37.DAI J F，YUAN L，WANG Y.OSA-based testing technology of spacecraft control system［J］.Aerospace Control and Application，2012，38(5):34-37.

［9］秦巍，郭永富.一种基于历史遥测数据的在轨卫星故障预警系统［J］.航天器工程，2010，19(6):40-45.QIN W，GUO Y F.A failure warning system based on historical telemetry data for satellites on orbit［J］.Spacecraft Engineering，2010，19(6):40-45.