航天器远程测试系统设计与应用

潘顺良 张明江 李鸿飞 何永丛 许宗飞

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

航天器远程测试系统设计与应用

潘顺良 张明江 李鸿飞 何永丛 许宗飞

（中国空间技术研究院载人航天总体部，北京 100094）

为解决航天器批量测试、高密度发射、多地并行测试等问题，提出了一种支持航天器综合测试的远程测试方案，即通过建立前后方高可靠的通信链路，配合前端设备和远程测试支持设备，将主要测试队伍和测试设备置于后方，有效精简前方设备和人员。文章分析了影响航天器远程测试的设计约束，设计了远程测试系统架构与部署，给出了航天器远程测试的工作模式，并通过航天器测试验证了系统的有效性。

航天器综合测试；远程测试；自动化测试

1 引言

随着航天器型号批量生产、高密度测试发射研制任务进一步增加，存在多航天器、多地、并行测试的情况，传统的航天器本地测试系统已经不能满足要求。必须设计航天器远程测试系统，建设专业化测试队伍，提高发射效率，降低发射成本，解决人力、物力占用矛盾，以满足多卫星、多地区综合测试任务。

远程测试是指被测对象与测试人员和测试设备处于不同的地域，它们之间少则相距几千米，多则相距几百上千千米。测试中的激励和响应数据均通过特定的链路来传输［1］。国外对航天器远程测试技术研究较为深入，而且开展时间较长。“国际空间站”（ISS）中由欧洲航天局（ESA）承担研制的“哥伦布”（Columbus）舱于2008年2月10日发射升空，在“哥伦布”舱综合测试期间，法国Alcatel公司提供了一种远程测试解决方案，其前端设备位于舱段附近，测试数据监视通过以太网传送到远程客户端，使用远程网络接入技术，远程控制前端设备负责监视测试数据和故障分析［2］。美国SpaceX公司从设计之初就强调运载火箭的快速发射能力，最大限度地减少发射场测试项目，缩短发射场测试时间，采用大量的自动测试和远程测试技术，相比其他卫星发射测试时间有了大幅度的缩短，猎鹰-9火箭实现了16.5天的快速到达［3-4］。而我国远程测试技术尚处于初步阶段［5-6］。中国空间技术研究院载人航天总体部在神舟九号飞船任务期间，率先在发射场实施了远程监视测试系统，首次作为型号支持任务在北京实现了对发射场关键单机远程判读支持，助力了首次载人交会对接任务［7-8］，中国空间技术研究院通信卫星事业部也建成了一体化集成测试平台和发射场远程测试平台，用于支持某型号通信卫星远程监视［9］；中国运载火箭研究院也以组装、测试及发射任务为背景，设计了运载火箭组装与测试远程协同应用系统，为运载火箭远程测试、协同决策发射提供有效技术解决途径［10］。

目前远程测试已经是国内测试技术发展的一个重要方向，现有的远程测试系统均采用了远程监测的测试模式，即测试的发令和控制仍在被测航天器所在地，监视判读在前方、后方均可部署的测试模式。这种测试模式是本地测试模式的延伸，可以减少部分判读人员进驻发射场的人数。为了更高效地减少被测航天器所在地测试人员数量，需开展新的远程测试模式研究。本文提出的远程指控（指挥与控制）测试模式将主要测试队伍和测试设备放置在后方，前方仅保留必需的前端设备，并配备少量现场实施与管理人员，主要测试队伍在后方进行测试指令发送、测试流程控制、测试参数判读与故障定位分析等工作；前方少量测试人员按照后方指挥统一安排，对前置设备进行管理，开展测试状态设置及航天器供配电控制等操作；前方与后方远程协同工作，共同完成航天器测试任务。远程指控测试模式将更进一步减少前方测试人员数量；多型号远程测试期间，通过前方测试设备和测试人员岗位组合优化设计，以及后方判读专家对多航天器的联合判读实施，还可进一步提升测试设备与人员的使用效率、压缩发射准备周期和降低成本。

2 远程测试约束

远程测试主要有以下约束：

（1）测试任务及场地约束：航天器在研制流程上会面临航天器测试指挥中心、总装中心、发射场等多个不同地点的测试。航天器出厂前，测试人员一般都在航天器测试指挥中心工作，当航天器转运到航天器总装中心和发射场时，测试人员需要长期出差。

（2）测试人员约束：在航天器密集发射情况下，专家面临前后方长期多卫星、多地并行工作的问题，人员需求量及流动性大，工作任务状态切换频繁，缺少统一的指挥控制中心协同多地多型号并行开展测试。

（3）远程链路实时性可靠性需求：航天器测试指挥中心、总装中心、发射场各地通过远程测试链路形成有机整体，为实现各地能够在航天器测试指挥中心统一协同指挥下完成测试，必须要考虑远程测试链路传输航天器上下行基带数据、测试辅助数据、地面测试设备状态管理数据的可靠性与实时性。

（4）远程协同需求：远程测试主要工作项目及流程为制定日计划、班前会、岗位点名、测试状态设置、测试实施（排除故障）、测试状态恢复、班后会及小结。在测试期间，各方应具备调度及音视频沟通，召集前后方人员进行问题排查与分析，实现前后方的测试协同。

3 航天器远程测试总体架构

远程测试总体架构以航天器测试指挥中心为核心开展。前方为航天器所在地点，包括航天器总装中心以及各发射场。后方为判读分析所在地。前后方以网络为信息传输纽带，实现各地资源共享，实现多地多方测试协同。图1为航天器远程测试总体架构图。

3.1 航天器远程测试系统组成

远程测试系统包括4部分建设：远程测试前端子系统、远程测试处理与监视子系统、音视频及调度系统和远程测试链路系统，如图2所示。

（1）远程测试前端子系统是放置于发射场、航天器总装中心等前端设备，前端设备通过有线或无线方式和航天器直接相连，完成航天器供电、上下行链路建立、遥测数据接收、遥控信号发送、模拟器信号激励等功能，主要包括供配电前端、测控前端、数管前端、GNC前端、模拟器等设备。同时，这些前端设备具备远程控制接口，可以通过可靠网络，实现前后方航天器测试信息交互，信息内容包括：①将被测航天器下行数据通过远程测试链路发送至后方航天器研制中心；②接收研制中心的上行遥控、话音等数据。前端设备本身也具备指令发送功能，在出现紧急情况时，前方操作人员能够在本地通过指令控制，安全退出当前测试工况，执行紧急关机等操作。

图1 航天器远程测试总体构架图Fig.1 Overall framework of spacecraft remote test

图2 远程测试系统示意图Fig.2 Schematic diagram of spacecraft remote test system

（2）远程测试处理与监视子系统主要包含远程测试服务器设备、终端判读显示设备、测试数据存储设备、指挥控制设备，完成远程测试数据的接收、解析、分发、判读和存储。主要功能包括：①发送远程指令控制前端设备；②接收远程测试网络回传的前方各类数据，提供数据接收、处理、存储以及分发服务；③配置数据监视、查询终端和专用数据处理设备，解析处理测控下行图像话音，支持总体和分系统研制人员高效参与远程测试任务执行，开展测试数据判读分析的工作，具备航天器自动化测试的水平和能力。

（3）音视频及调度系统主要保障前后方协同指挥，在前方、后方配置高清摄像头、视频会议终端设备和语音调度系统，完成前后方音视频互通、会议协同召开。主要功能包括：①将视音频信号转发给后方航天器测试指挥中心，在后方实时监控航天器测试现场的状态；②在后方接收、显示航天器各角度的状态信息，后方支持控制视角、远近视景的控制，实现对被测航天器关键部位状态监视；③在后方航天器测试指挥中心配置视频会议多点控制单元（MCU）视频设备，控制召开多点视频会议，控制各地视频会议正常进行；④支持前后方现场专家会议、技术问题分析、故障诊断，支持远程测试任务调度。

（4）远程测试链路系统，配置有防火墙、入侵检测系统、加解密机、光纤网络设备，完成前后方数据传输通信保障。主要功能包括：①实现后方指令控制信息、前方航天器下行遥测数据、载荷数据以及地面测试辅助数据的传输；②用于前后方协同的音视频与调度数据等信息的实时传输。远程链路必须满足前后方并行测试数据传输所需的带宽要求，实时性、准确性和安全性要求较高。

远程测试前端子系统和远程测试处理与监视子系统，通过远程测试链路系统实现前后方指令控制与信息交互，通过前后方统一的GPS校时系统实现前后方时统同步，通过前后方测试设备统一的虚拟局域网（VLAN）网段设置实现前后方TCP/UDP协议通讯以及实现C/S（客户机/服务器）和B/S（浏览器/服务器）混合模式通信，通过两端防火墙和加解密机实现数据安全传输，通过网络QOS服务以及带宽分路保障技术实现前后方重要数据实时传输，通过音视频及调度系统实现前后方远程协同，通过前后方信息化系统保障支持电子流程审批，同时通过建立突发情况应急对策保障远程测试质量。

3.2 远程测试工作模式

远程测试按照前后方功能分工不同，有远程监测模式和远程指控模式两种工作模式，两种工作模式的对比见表1。

表1 远程监测与远程指控模式对比Table 1 Comparison between remote monitoring mode and remote control mode

（1）图3是远程监测模式原理框图。后方远程监测模式将前方的测试数据实时回传后方，设计师、测试分析人员、数据判读人员在远程进行关键测试数据的监视判读和比对分析。测试指挥在前方通过音视频及调度系统，前方与后方的人员进行沟通，分析问题、协同排除故障。该模式对网络带宽、实时性、可靠性等要求相对较低，但远程监测平台获取的数据有限。

（2）图4是远程指控模式原理框图。后方测试指挥在后方通过音视频及调度系统，远程调度前方测试人员开展各项测试和应急排除故障活动，监控前方测试现场状态。该模式是远程测试模式的延伸和发展，它可在后方处理前方各类数据，但对网络带宽、实时性、可靠性等要求均较高。后方分系统判读人员在后方远程判读、分析航天器测试数据，进行测试数据历史查询。考虑到实时性及安全性要求，将序列存储在前方前端设备，当需要发送指令序列时，由后方发出序列启动命令，由前方前端设备自动发送序列。

图3 远程监测模式示意图Fig.3 Schematic diagram of remote monitoring mode

图4 远程指控模式示意图Fig.4 Schematic diagram of remote control mode

4 远程测试应用与成效

在天宫一号目标飞行器与神舟九号载人飞船首次载人交会对接任务期间，首次实施了以发射场为前方、北京为后方的远程监测模式的远程测试，应用效果如下：

（1）验证了远程监测系统方案，系统架构合理，发射场测试数据实时回传技术在网络带宽能够保障的情况下不丢帧，方案可行。

（2）取消了常规的关键单机判读人员进驻发射场，20多家关键单机判读人员在北京同步参与发射场测试，发射场与北京两地协同测试，实现了集中利用专家力量、合理使用测试人员、缓解发射场人力资源矛盾。

（3）首次实现了发射场与北京调度电话的交互，使北京远程测试人员能实时了解前方测试项目的进展程度，双方按照事先约定流程开展测试判读工作，同步召开班前班后会，宣读当天测试项目及注意事项，明确前后方分工，根据调度电话提示音进行测试与判读工作，验证了远程测试前后协同的工作模式。

（4）开展了远程指令发送验证，为远程指控测试模式实施提供借鉴。远程指令发送验证共进行了100个批次的试验，计算了各个批次指令发出时间和回令时间的时间差，远程指令发送时延平均为0.13 s，100个批次指令发送时延均在航天器测试设计指标范围内。

5 结束语

搭建发射场、航天器总装中心与航天器测试指挥中心远程指控测试系统，建立前后方远程指控测试模式，可以实现多地调度电话的实时交互，实现多地远程协同测试，实现多地同步数据判读，实现多地间远程指令发送与数据可靠传输，能有效地提高测试人员对航天器的监控能力，提升多地远程测试协同工作和管理能力，进而有效减少发射场与航天器总装中心人员占用，充分利用后方专家支援，优化发射场、制造中心与研制中心人员配比，提高效率，提升航天器研制水平，实现后续航天器型号高效远程测试任务。

（References）

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（编辑：张小琳）

Design and Application of Spacecraft Remote Test System

PAN Shunliang ZHANG Mingjiang LI Hongfei HE Yongcong XU Zongfei
（Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

To solve the problem of highly-frequent spacecraft launch missions，mass-product test and multi-location parallel test，a scheme of spacecraft integration test based on remote test is proposed.Through the front and rear high-reliability Ethernet link and by support of rear SCOE and remote OCOE，the main test team and main equipment for the remote test system of spacecraft are allowed to stay in the rear，to reduce the front test team.The paper analyzes the design constraints of the spacecraft remote test，and designs the system architecture and deployment of the spacecraft remote test，and presented the work mode of the spacecraft remote test.The effectiveness of the spacecraft remote test system is verified by spacecraft integration test.

spacecraft integration test；remote test；automatic test

V416

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.05.017

2015-06-11；

：2015-09-02

国家重大科技专项工程

潘顺良，男，博士，高级工程师，研究方向为航天器综合测试。Email：panshunliang@buaa.edu.cn。