一种小卫星在轨自主测试方法

张德全 蒋轶颖 赵婷 孔令波 施思寒

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

一种小卫星在轨自主测试方法

张德全 蒋轶颖 赵婷 孔令波 施思寒

（航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

提出了一种基于星上网络的小卫星系统层面的自主测试方法，能够在较少的人工参与下，可靠地完成卫星的在轨测试。主要测试内容有卫星重要参数监视、遥控指令的自主测试、指定任务的自主测试。该星载自主测试方法是通过软件实现的一种开放式的测试框架，藉此进行卫星上的各种测试。

自主测试；在轨测试；星上网络；小卫星

1 引言

卫星是由多个分系统组成的大系统。目前，在轨自主测试一般只能实现单机层面的简单的自检测试；开展过一些星载电子设备机内测试（Build in Test，BIT）技术的研究，但是其仍侧重于各个功能模块的测试，且在航天领域中研究和应用还较少［1］。对可能危及整个卫星和分系统安全的关键参数和以往在轨卫星易出现故障的地方，目前较普遍的做法是在卫星的设计阶段设计一些自主管理策略，作为整个卫星系统的一部分在轨运行，当出现预期的异常时，根据事先设计的策略对卫星进行自主操作［2－9］。而小卫星分系统级、整星系统级层面的地面和在轨功能、性能测试主要还是由人工来完成，测试周期也较长。卫星的在轨测试和长期运行管理，都依赖于地面测控和运行管理人员，只能在地面测控弧段内才能够进行。我国地面测控弧段有限，卫星绝大部分时间都运行在地面非测控弧段内，因此无法对卫星进行全天候的主动监视和测试，存在较大的风险。比如在地面测控弧段外使用载荷设备，如不能够进行系统级的自主测试，有问题则不能及时发现、不能及时自主处理或故障隔离，会影响该载荷设备的安全，乃至整个卫星的安全。

因此，一种能够较少人工参与的、可靠的、自主进行地面和在轨测试的小卫星测试方法显得尤为必要。本文提出了一种小卫星在轨自主测试的方法，在不用更改目前卫星信息流体系的情况下，达到小卫星系统级层面的在轨自主测试和快速的地面测试。

2 自主测试技术框架设计

星上网络（简称“星上网”）采用现场总线（CAN），将星上各功能模块有机地连接起来，实现星上信息交换和共享，实时地完成星上运行的管理、测量和控制，实现卫星运行操作控制工作［10］。目前，国内小卫星星上信息流的管理采用的是集中管理、分散控制的方案，使用CAN总线，统一由星务分系统进行调度和管理［11］。

卫星上用于标识设备和分系统运行状态、执行情况的所有遥测数据和部分载荷数据都通过星上网络汇集到星务分系统；用于控制设备和任务运行的所有上行数据型指令和数据块，以及已经存在于卫星上的能自主发送的管控指令（比如程控指令、相对程控指令、安全模式指令等），都通过星务分系统来完成解析或者自主发送，并通过星上网络转发给各个被控制和管理的设备［12］。星务分系统管控所有的遥测信息和所有数据型指令、数据块，它依托星上网，对卫星的运行情况进行实时的监视和测试。

卫星的控制信息与状态信息都由星务分系统管控，如在星务分系统中增加一套自主测试软件，就可以实现对卫星各个分系统或者设备的自主测试。为了适应不同卫星、不同分系统、不同设备的自主测试，自主测试软件架构应该设计为一个开放式的软件架构。具体来说，自主测试软件就是一个具有特定软件框架结构的软件，能够根据不同的拥有内在逻辑关系的输入，产生相应的输出结果。比如说，向卫星发送一条“GPS授时”指令，该条指令是否正确执行的判据，涉及到了两个设备——星务设备和GPS设备，只有这两个设备的遥测中相应的GPS时间和星务时间一致了，且星务指令计数增加了1，才可认为“GPS授时”指令正确发出了；向卫星发送一条“GPS断电”指令，该指令正确执行后会产生如下的结果：星务遥测中指令计数加1、电源遥测中电流减小和GPS不再有遥测，即该指令有三个判据，且这三个判据是相“与”的关系。星上指令成百上千条，其对应的遥测及其逻辑关系更多，把所有的指令及判据都固定地写在自主测试软件中，将使软件变得庞大且不易维护。

小卫星星务分系统都具备数据注入功能，因此将测试项目及测试项目的判据通过数据上注的方式注入星务分系统，星务分系统自主测试软件根据上注的测试项目及其判据进行逻辑判断，并给出判断结果。对测试结果中会危及设备安全或者卫星安全的部分，可以根据星上的异常处理表立即进行自主处理，异常处理表也是通过数据上注的方式进行设置。通过数据上注的测试项目、测试判据以及异常处理表存储在星载计算机的非易失性存储器中，数据上注一次后即可不再上注，便于应对不同环境下的重复性的测试需求。

因此，小卫星自主测试方法是在星务分系统的基础上须要嵌入一套测试软件，进行自主测试；测试软件中的测试项目、测试判据以及异常处理表都可以通过数据上注的方式更新。

3 小卫星自主测试方法

小卫星自主测试方法主要采用两种方法来实现：被动型的方法和主动型的方法。

被动型的方法是实时监视基于星上网络的信息流的数据和数据的变化。如果有变化，则确定这些变化是否在正常的或者允许的范围内。

主动型的方法是先主动给被测设备（可以是设备、分系统或者卫星的一个具体任务，下同）1个或者1组具体的外部激励，通过分析被测设备对这些外部激励的响应情况，来确定被测设备的在各种状态下的运行情况。小卫星的这些激励，绝大部分都可以通过遥控指令和数据来实现。

按照小卫星的信息流特点，将自主测试划分为：重要参数的监视、地面上行遥控指令的自主测试和指定任务的自主测试。

小卫星自主测试方法的原理图如图1所示。

图1 小卫星自主测试方法的原理图Fig．1 Schematic diagram of small satellite auto－test

3．1 重要参数监视

重要参数监视是自主测试软件实时监视小卫星重要的一些参数，判断这些参数是否在允许的范围内，然后形成监视记录表，记录表以固定周期下传到地面。如果某些重要参数超出允许范围，自主测试软件主动进行一些故障恢复或者故障隔离操作，以避免卫星在轨情况进一步恶化。

重要参数监视功能具体的实现方法如下：

（1）首先通过星上网络，依据参数监视表实时获取监视的参数数据。

（2）根据参数监视表和监视规则，判断参数是否正常。

（3）将监视结果按时间顺序放入监视记录表，卫星在境外时，将监视记录表的内容存放在固存中；在卫星过境时，监视记录表以固定的周期传送到地面测控站。

（4）对于重要的参数，如果监视到其异常，立即依据异常处理表进行处理，确保卫星的安全或者为地面专家处理赢得时间。

重要参数监视中设计了两张表：参数监视表和异常处理表。参数监视表中用于存放需要监视的参数、参数来源、参数的正常值范围等。异常处理表中存放监视表与异常处理表的映射关系、异常处理时要用到的数据指令等。监视规则由两部分组成：一部分是依据小卫星信息流特点制定的参数监视规则，另一部分对参数监视表进行逻辑分析得出的参数监视规则。

参数监视表和异常处理表通过数据注入的方式进行更改、增加和删除。通过这种注入的方式，以有限的资源来满足量级较大的地面测试和在轨测试需求。

参数监视的运行原理见图1中的“参数监视”部分。

3．2 地面上行遥控指令的自主测试

在自主测试模式下，地面上行遥控指令可以分为两种类型：增量型指令和阈值型指令。

增量型指令是指该指令被正确执行后，相关的星上数据是在原来的基础上增加或者减少一个具体范围的值。比如设备开机指令被正确执行后，电源负载电流是在原来的基础上增加一个具体范围的值。

阈值型指令是指该指令被正确执行后，相关的星上数据是变化为一个具体范围的值。比如设备开机指令被正确执行后，星上采集的该设备的电压模拟量就是一个具体范围的数值。

所有的遥控指令都可以分为以上两种类型。其指令及相关的星上数据可以制作两种数据表：增量型指令表和阈值型指令表。增量型指令表中存放所须测试的增量型指令、以及这些指令被正确执行后相应的星上数据变化的情况；阈值型指令表中存放所须测试的阈值型指令、以及这些指令被正确执行后相应的星上数据变化的情况。

1）地面上行的增量型指令的自主测试方法

（1）自主测试软件实时获取星上网络中的数据，将增量型指令表中相应的数据与获取的数据保持一致（即数据同步），同时一直监视星上网络中是否有增量型指令发送来。

（2）如果有增量型指令出现在网络中，则立即中止增量型指令表中相应的数据与实时获取的星上网数据的同步操作。

（3）待获取最新的该增量型指令对应的星上数据后，将新的数据与增量型指令表中的数据进行比对，依据增量型指令判断规则，判断出该增量型指令是否正确执行。增量型指令发送后，其对应的数据可能有延时变化的情况，因此可以多判断几组数据，采取表决的方式来进行增量型指令是否正确执行的判断。

（4）将指令执行结果以数据包方式返回给星务主机，便于星务主机依据执行情况进行处理；同时开启增量型指令表中数据与实时获取的星上数据间的同步操作。

（5）将指令执行结果存入指令记录表中，卫星在境外时，将指令记录表的内容存放在固存中；卫星在过境时，指令记录表以固定的周期传送到地面测控站。

2）地面上行的阈值型指令的自主测试方法

（1）自主测试软件实时获取星上网络中的数据，将阈值型指令表中相应的数据与获取的数据同步；同时一直监视星上网络中是否有阈值型指令发送来。

（2）如果有阈值型指令出现在网络中，等待该阈值型指令对应的星上数据的到来。

（3）在获取最新的数据后，依据阈值型指令判断规则，判断出该阈值型指令是否执行正确。阈值型指令发送后，其对应的数据可能有延时变化的情况，因此可以多判断几组数据，采取表决的方式进行阈值型指令是否正确执行的判断。

（4）将指令执行结果以数据包方式返回给星务主机，便于星务主机依据执行情况进行处理。

（5）将指令执行结果存入指令记录表中。如果执行不正确时，记录下是哪个相关的数据变化不正确，以便用于原因分析；在卫星过境时，指令记录表以固定的周期传送到地面测控站；同时也将结果保存到固存中，便于境外的数据分析。

对于一条数据型指令来说，其可能既是增量型指令，又是阈值型指令。如果是这样的话，采用的策略是分别判断其作为增量型指令的执行情况和作为阈值型指令的执行情况，两者都执行正确的情况下才认为指令执行正确。因此测试规则也由两部分组成：一部分是依据小卫星信息流特点制定的测试规则，另一部分对增量型指令表和阈值型指令表进行逻辑分析得出的测试规则。

增量型指令表和阈值型指令表也通过数据注入的方式进行更改、增加和删除。通过这种数据注入的方式，以有限的资源来满足量级较大的地面测试和在轨测试需求。

3．3 指定任务的自主测试

为完成指定的测试任务，往往须要去执行一组具有内在相互关联的指令。如果每个指令的执行结果都符合设计预期，则最后的测试任务就能正常完成。因此指定任务的自主测试实际上是基于单个指令的自主测试来完成的。

为完成指定任务的自主测试，须要为星载自主测试软件提供自测试任务表，表中包含：任务名称、每个任务的一组数据型指令以及这些指令的开始执行时间。这个自测试任务表也通过上行注入数据的方式进行更改、增加或删除。

对指定任务（由一组数据型指令组成）的自主测试方法如下：

（1）由遥控上行指令来启动指定的某组测试任务，同时开始计时。

（2）该组测试任务开启后，将任务中指令的开始执行时间与当前时间进行比对，时间一致时，将当前时间对应的数据型指令通过星上网络发送出去。

（3）星条分系统自主测试软件检测到该条指令后，判别其是增量型指令还是阈值型指令或者两者兼而有之，然后根据上节的方法来判断该指令是否被正确执行。

（4）如果该条指令被正确执行，继续将当前时间与下条指令的时间进行比对，时间到时执行下条指令，直到该组任务最后一条被正确执行完毕，然后自动关闭对该组任务的自主测试；如果该组中有任一条指令未被正常执行，则暂时中止该测试任务的后续执行。

（5）将指定任务的自主测试结果通过数据包方式发送给星务主机，以便星务主机进行后续处理。

计算采用SATWE，程序中选择按中震（大震）不屈服进行结构设计。验算时，水平地震影响系数最大值按中震取值（2.8倍小震=2.8×0.04=0.112），不考虑地震组合内力调整，荷载作用分项系数取1.0，组合值系数不变，材料强度取值标准值，抗震承载力调整系数1.0。底部加强区墙肢按中震不屈服及多遇地震（一级）分析结果的较大值进行设计。验算表明主要墙肢在此种工况下不出现整体受拉情况，保证了墙肢抗剪的有效性。

（6）将指定任务的自主测试结果存入任务记录表中，卫星在境外时，将任务记录表的内容存放在固存中。如果任务未正常执行，记录下未正常执行的相关内容，以便用于原因分析；卫星在过境时，任务记录表以固定的周期传送到地面测控站。

对指定任务（由一组数据型指令组成）的自主测试的原理图见图1中“自主测试”部分。

4 验证情况分析

小卫星在轨自主测试方法作为低轨科学试验卫星的一项试验搭载项目，已经通过了某卫星的正样装配、总装和测试（AIT）及在轨测试验证，在轨也已正常运行了两年。

卫星在地面及在轨期间，对该技术进行了多次试验。试验的方式是采用自主测试的同时，也采用人工判断，然后将两者的判断结果进行比较，如果两者完全一致即证明了自测试技术的可信性；如果自主方式比人工方式所用时间大为缩短，即证明了自测试技术的有效性。可以从测试的“占用时间”、“监视时段”、“处理异常的及时性”、“测试结果的正确性”这四个指标来比对传统的人工测试方法与自主测试方法。占用时间越短、监视时段越长、处理异常越及时、监视与异常处理越可靠，则此测试方法更优越。

比如在轨对某卫星的热控分系统进行的测试。热控分系统共32个控温回路，其相关的测温点有124个，测温点遥测数据有124byte；控温的门限有96byte的遥测数据；还有表征每个加热回路的软、硬件加热状态的遥测数据有64byte。也就是说热控相关的遥测数据共有284byte。地面专业热控人员须要分析完284byte的遥测数据后，才能对卫星的热控情况做出最终的判断。这其中还须要进行一些逻辑判断，比如要确定闭环控温是否正确，须要综合判断控温门限、软硬件加热状态、控温方式等遥测数据。因此，每次人工进行卫星热控是否正常的判断都需要10min以上的时间；并且由于卫星只有在境内才能收到其遥测数据，人工判断只能在每次卫星过境，地面站收到遥测数据时才能进行。

作为对比，采用自测试的方法。所有的判断内容都由星上的自测试软件进行。测试结果通过4byte的遥测数据传送到地面系统。这4byte中每个bit表征为一个控温回路的健康状态。哪一路正常，则在遥测界面显示该路“正常”；哪一路不正常，就在遥测界面显示该路“异常”。因此通过遥测界面，一目了然地即可看出整星热控是否正常，异常时是哪一路异常，总耗时不到1min，约为人工判断时间的1/10；并且可以全天时地进行，判断热控异常时，可以立即进行热控下位机复位或者切换到相应备份回路。

表1是针对热控分系统测试时，人工判断和自主测试方法的指标比对情况。

从某卫星整星测试结果和在轨的运行情况来分析，说明小卫星自主测试方法能够在减少人为参与的情况下，较快地完成卫星系统层面的自主测试。

5 结束语

小卫星在轨自主测试方法是一种较少人工参与的小卫星测试技术，能够对卫星进行全天时的监视和测试，实时地进行故障处理和隔离。它依托星上网络，在目前小卫星星务系统技术的基础上，借助高性能的星载计算机，在不须要对目前小卫星体系结构作大的改变的情况下，就可以完成对小卫星的自主测试，具有很好的应用前景。目前，此技术作为搭载试验已应用在某低轨卫星上，其地面和在轨测试结果良好，有效地缩短了卫星地面测试和在轨测试的时间。

本文提出的自主测试方法是以星上网络作为信息传输载体，而星上网络主要用于对小卫星的管理和控制，传送卫星控制信息和状态信息，较少涉及载荷，因此本文提出的方法无法分析载荷的数据信息。如果小卫星星上网数据流量过大，测试判据的逻辑过于复杂，则在轨自主测试软件的处理复杂度会增大，将对星务分系统软件的正常运行产生不良的影响。

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［1］兰超，王婧琼．BIT技术在星载电子设备的应用［J］．空间控制技术与应用，2015，41（1）：50－54 Lan Chao，Wang Jingqiong．Applications of BIT technology in satellite electronic equipment［J］．Aerospace Control and Application，2015，41（1）：50－54（in Chinese）

［2］曾声奎，Pecht M G，吴际．故障预测与健康管理PHM技术的现状与发展［J］．航空学报，2005，26（5）：26－32 Zeng Shengkui，Pecht M G，Wu Ji．Status and perspectives of prognostics and health management technologies［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2005，26（5）：26－32（in Chinese）

［3］李晴，孙国江，李孝同．基于星务管理系统的小卫星自主健康管理系统［J］．航天器环境工程，2012，29（5）：574－578 Li Qing，Sun Guojiang，Li Xiaotong．Autonmous healthy management system based on satellite keeping operator［J］．Spacecraft Environment Engineering，2012，29（5）：574－578（in Chinese）

［4］艾力，房红征，于功敬，等．基于数据驱动的卫星锂离子电池寿命预测方法［J］．计算机测量与控制，2015，23（4）：1262－1265 Ai Li，Fang Hongzheng，Yu Gongjinget al．Research on data－driven life prediction methods of satellite lithiumion battery［J］．Computer Measurement ＆Control，2015，23（4）：1262－1265（in Chinese）

［5］梁克，邓凯文，丁锐，等．载人航天器在轨自主健康管理系统体系结构及关键技术探讨［J］．载人航天，2014，20（2）Liang Ke，Deng Kaiwen，Ding Rui，et al．Autonomous on－orbit health management architecture and key technologies for manned spacecraft［J］．Manned Spaceflight，2014，20（2）（in Chinese）

［6］Inseok H，Sungwan K，Youdan K，et al．A survey of fault detection，isolation and reconfiguration methods［J］．IEEE Transaction on Control Systems Technology，2010，18（3）：636－653

［7］Raymond G．X－33/RLV system health managementvehicle health management，AIAA－98－1928［R］．Washington D．C．：AIAA，1998

［8］Lee J，Wu F，Zhao W，et al．Prognostics and health management design for rotary machinery systems—Reviews，methodology and applications［J］．Mechanical Systems and Signal Processing，2014，42（1－2）：314－334

［9］Johnson S B，Gormley T J，Kessler S S，et al．System health management with aerospace applications［M］．West Sussex，United Kingdom：John Wiley ＆Sons．Ltd．，2011

［10］彭宇，刘大同．数据驱动故障预测和健康管理综述［J］．仪器仪表学报，2014，35（3）Peng Yu，Liu Datong．Data－driven prognostics and health management：a review of recent advances［J］．Chinese Journal of Scientific Instrument，2014，35（3）（in Chinese）

［11］李孝同，施思寒，李冠群．微小卫星综合电子系统设计［J］．航天器工程，2008，17（1）：30－34 Li Xiaotong，Shi Sihan，Li Guanqun．Integrated electronic system of micro－satellite［J］．Spacecraft Engineering，2008，17（1）：30－34（in Chinese）

［12］李孝同．小卫星星务系统的遥测技术研究［J］．航天器工程，2008，17（2）：38－43 Li Xiaotong．Telemetry in computer integrated satellite system［J］．Spacecraft Engineering，2008，17（2）：38－43（in Chinese）

（编辑：张小琳）

Study of Space－borne Auto－test Method for Small Satellite

ZHANG Dequan JIANG Yiying ZHAO Ting KONG Lingbo SHI Sihan
（DFH Satellite Co．，Ltd．，Beijing 100094，China）

This paper describes the space－borne auto－test method of small satellite based on Control Area Network（CAN）bus and presents the technology principle and the implementation methods in detail．The method can reliably complete on－orbit auto－test of small satellite，with least human participation．The method is fit for system－level auto auto－test of small satellite，which includes three parts：monitoring important parameters，auto test of telecommands and autotest of specific tasks．The space－borne auto－test method is designed to realize open test framework by embedded software．

auto－test；space－borne test；field bus；small satellite

V443．5

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．017

2015－09－10；

2016－03－11

国家重大科技专项工程

张德全，男，硕士研究生，工程师，研究方向为星务系统设计、小卫星综合电子技术、小卫星自主测试。Email：zhangdequan＿2010@126．com。