一体化小卫星综合测试系统的设计

何铭俊，洪 雷，曹丽君，曾 鸿

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)



一体化小卫星综合测试系统的设计

何铭俊，洪 雷，曹丽君，曾 鸿

(航天东方红卫星有限公司,北京 100094)

在卫星的研制测试过程中，现有的测试设备通用性不强、开放性和灵活性不够、设备集成化程度低、自动化和智能化程度不高；通过提出一种小型化、一体化的综合测试系统的设计方法，并结合现有的资源进行了具体的项目开发，为未来的小卫星提升测试效率，降低系统成本，缩减系统规模探索出一条新路；实践表明，该方案在满足现有测试要求的情况下，在研制成本、系统体积、组建时间和无故障运行方面等均有较大改善。

一体化；小卫星；测试系统

0 引言

随着对航天产品需求的增加，我国航天事业飞速发展，小卫星已经成为了我国军用航天装备体系和民用航天服务体系的重要力量，目前在小卫星综合测试方面，已经形成了独具小卫星特色的自动化测试系统，有力地支撑了目前各类卫星的研制测试任务。然而，随着未来小卫星领域新型号的规划、新技术的应用、型号数量的急剧增加、任务复杂度的不断增长等，给未来小卫星测试带来了任务数量和技术难度的双重挑战，对综合电性能测试环节提出了更高的要求，而目前小卫星测试在通用性、开放性和灵活性、集成化程度、自动化和智能化程度方面还远远不足。如何提高测试效率，提高测试可靠性，进一步提高测试智能化水平，形成支持卫星全生命周期的测试技术，成为影响和制约系统级测试乃至小卫星技术发展的突出问题[1-4]。

为此，开发小型化、一体化地面综合测试系统，用于卫星单机及整星各个测试阶段，为未来的小卫星提升测试效率、缩短测试时间与降低系统成本，缩减系统规模探索出一条新路。

1 一体化综合测试系统的设计

小型化一体化地面测试系统的开发需要兼顾现有卫星测试需求和未来快速响应小卫星和批量生产小卫星的综合测试需求。以现有卫星测试需求为基础，以快速响应小卫星的测试需求为阶段目标，开发适用于平台测试的小型化、一体化地面测试系统。

PXI(PCI Extension for Instrumentation)是由美国NI公司于1997年推出的测控仪器总线标准。它将CompactPCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范，从而形成了新的虚拟仪器体系结构[5]。而一体化综合测试系统正是采用PXI总线技术、虚拟仪器以及NI公司的LabView软件开发平台。

一体化综合测试系统总体架构图如图1所示，一体化综合测试系统划分为硬件系统和软件系统两大部分，其中硬件部分是以标准PXI机箱和机箱控制器为系统核心，通过各类PXI板卡实现供配电、测控通信、接口适配等各项功能，各模块在电气、结构等方面符合PXI总线规范[6]。该系统与常规综合测试系统最大的不同是采用工业级板卡替代现有大型测试设备，广泛采用虚拟仪器技术，使得系统中的各个模块能够实现自动化的集中控制。

一体化综合测试系统软件分为硬件控制相关软件和一体化综合测试集中控制软件两大类。其中硬件控制相关软件与各阶段功能模块密切相连,一般选用NI公司的LabVIEW 软件进行软件系统的开发。一体化综合测试集中控制软件主要为综合测试系统上层应用软件系统。

卫星与一体化综合测试系统通过星地接口适配器建立连接，实现能源流和信息流的交互。

图1 一体化综合测试系统总体架构图

2 一体化综合测试系统的组成

2.1 硬件组成

典型的综合测试系统根据功能可以分为4个模块：卫星供电控制模块，星地测控通信模块，星地接口适配器部分和其他扩展模块。为满足一体化测试系统高度集成、集中控制、小型化、可重构、可扩展、模块化备份等要求，该系统采用统一PXI总线集成的方式[7]。一体化综合测试系统同时支持数传、姿控和载荷等设备的扩展，与其他分系统设备一样，统一采用PXI/PXI-e体系结构。对于个别分系统设备要求板卡比较多的情况，该系统可以支持使用多个PXI机箱，从而适应了更好的扩展需求及系统的灵活性。

综合测试系统硬件总体结构设计如图2所示。

图2 一体化综合测试系统硬件组成图

该系统是以标准PXI机箱和机箱控制器为系统核心，通过各类PXI板卡实现供配电、测控通信、接口适配等各项功能。该系统与现有系统最大的不同是采用工业级板卡替代现有大型测试设备，广泛采用虚拟仪器技术，使得系统中的各个模块能够实现自动化的集中控制。

系统机箱采用PXIe-1065，标准机柜宽度，与PXI、PXI Express、CompactPCI和Compact PCI Express模块兼容。该机箱具有较高性能，每插槽高达1GB/s的专用带宽和超过3GB/s的系统带宽。零槽控制器采用NI PXI-8133嵌入式控制器，其具有Intel core i7-820QM四核处理器，时钟频率达到1.73GHz，可以选用Windows XP系统或者Windows7 32位操作系统，支持Labview、Labwindows CVI、C/C++和microsoft Visual studio.NET等产品，可用于测试测量和控制应用。

2.1.1 供配电控制模块

一体化综合测试系统供配电分系统采用MAC Panel公司生产SCOUT大规模互联机构来实现星地接口适配器以及设备内部信号的自由分配，最终完成整体的供配电系统的内部结构和软硬件功能。供配电模块主要由模拟量采集卡、数字量采集卡、数字量控制卡、太阳能分阵模拟器、稳压源、电子负载等设备构成，可以实现供配电模拟量和数字量的采集、控制量的输出、完成模拟器和稳压源实时工作电压电流的采集、分阵自检等功能。

PXI继电器模块根据接收到控制器发送的控制输出指令，将控制电信号通过星地连接电缆发送至卫星，进而控制卫星上蓄电池的通断以及控制分系统的加断电。PXI采集模块根据接收到的模拟量和状态量采集指令，对卫星上单机设备输出的模拟量和状态量进行采集，并将状态量根据高低电压处理成1或0以及将模拟量根据卫星上单机设备物理量的处理方式进行相应变换处理。

2.1.2 测控模块

一体化综合测试系统测控模块主要由变频器插卡、基于FPGA的中频信号处理单元及中频信号模拟单元构成，分别对应上变频模块、下变频模块、解调基带处理模块、调制基带处理模块。可以实现测控上下行链路，完成遥测信号的下变频、解扩、解调、解码，遥控数据的编码、调制、扩频、上变频，实现对卫星的遥控调制和遥测解调功能。

下变频模块接收输入的S频段射频信号，下变频到中频信号。解调基带处理模块对中频信号进行采样，在数字域完成扩频捕获跟踪、载波同步、帧同步、解码等工作。调制基带处理模块，对输入的遥控数据，进行加扰、编码、码型变化、扩频等运算，在数字域实现载波调制，然后送给DAC，完成数模转换，输出中频信号送给上变频模块或直接输出待测设备。上变频模块接收调制基带处理模块输出的中频信号，上变频到对应的S频点射频信号。

2.1.3 接口适配器

接口适配器采用Mac Panel公司生产的SCOUT家族的SCOUTxt系列来完成通用平台接口方案，包含了数字、模拟、功率、射频、功率等信号。系统信号路由结构图如下图3所示。

图3 系统信号路由结构图

适配器包括板卡适配器和机箱适配器，板卡适配器根据PXI板卡型号进行选择，机箱适配器根据机箱尺寸选择，主要完成PXI各类接口板与卫星所需要的后面板航空插头之间的转接。

2.2 软件组成

一体化综合测试系统软件的主要任务是实现对被测对象的快速自动化测试能力，因此系统软件应该具备对各硬件模块的集中监控能力，提供测试数据服务，同时进行测试数据的深度挖掘分析利用，完成测试流程的自动执行等功能。系统软件分为硬件控制相关软件和一体化综合测试集中控制软件两部分。

硬件控制相关软件主要负责设备硬件相关模拟量、状态量的采集和开关量的控制。用户在界面上实时的监视各模块功能的当前数据，以曲线的方式显示数据趋势并保存到数据库。同时用户在软件界面上完成对综合测试系统硬件设备的控制以及各设备参数的设置。用户还可以查询已经保存到数据库中的历史数据并以表格或曲线的方式呈现。采集到的实时数据通过广播的方式发送给总控地面测试设备。

一体化综合测试集中控制软件按照功能模块划分，实现了通用化的测试程序[8]，随着不同卫星任务的开发，当可调用的模块化程序逐渐丰富后，新的测试程序的开发相当于不同功能模块的组合和调用，只需为某些特定的功能单独开发专用程序，可通过更换功能模块达到通用化的效果[9]，并且这些专用程序也可以打包被后续项目使用。目前一体化综合测试集中控制软件主要分为数据通信模块、数据管理模块、数据应用模块和任务调度模块。一体化综合测试系统的软件架构如图4所示。

图4 一体化综合测试系统软件组成图

1)数据通信模块。主要负责综合测试软件和星载测试单元、一体化设备硬件功能模块SCOE、MTP和数据库之间的通信。例如接收星上或SCOE传递的符合某种通信协议格式的测试数据流，解析出参数数据，将这些数据传递给数据管理模块进行存储，完成测试数据的接收等。

2)数据管理模块。本模块采用一体化的实时-关系数据库来管理两类不同的数据：星上下传遥测参数等以实时数据进行存储，而卫星基础信息、参数描述信息、判据信息等信息以关系数据进行存储。数据管理模块与功能及与其他模块的交互见如图5所示。

图5 数据管理模块交互图

3)数据应用模块。数据应用模块是一体化综合测试系统面向测试过程中的主要软件部分，具体可以分为实时监视软件、查询统计分析软件、趋势分析软件及智能总控等部分。实时监视软件主要是对数据管理模块的数据进行监控，查询统计分析软件主要是存储、管理、查询和统计数据点的历史数据，趋势分析软件主要是以图形化的界面对测试数据管理数据进行分析处理，智能总控主要完成星地之间的上行通道的交互。

4)任务调度模块。任务调度模块主要负责维护基础测试信息，将指令序列和各遥测参数的判据准则打包成上注数据块。同时该模块也负责测试序列调度。

3 试验结果与分析

小型化一体化综合测试设备完成之后， 对其进行了验收试验，试验结果见表1。

表1 一体化综合测试设备验收结果简表

续表

序号项目类别项目名称实测结果8硬件、软件联试脱离卫星等效器情况下的测试控制量、模拟量、状态量、手动控制功能均正常接入卫星等效器情况下的测试控制量、模拟量、状态量、手动控制功能均正常与总控软件远程通讯监测通讯正常9电缆导通绝缘检查对模块间连接电缆和系统间电缆进行导通绝缘检查指标正常10连接卫星等效器检查连接卫星等效器之后对软硬件复测指标正常

在对小型化一体化综合测试设备验收试验后，进行了桌面联试试验，通过联试，对上行遥控链路，下行遥测链路，设备监视状态，CAN总线数据接收，CAN总线数据的解析等项目进行了验证，试验结果均满足设计要求。

在后续的卫星型号测试过程中，通过对关键遥测/通道测量统计、比对，应答机AGC曲线标定，多普勒频偏，指令连发、遥测误码判读等测试结果表明测控分系统性能稳定、功能完备，与整星接口匹配。通过对供配电模拟量、状态量采集验证、控制量输出验证、归档数据查询、报警记录查询、系统设置、参数设置等测试，结果表明供配电分系统性能稳定、功能完备，与整星接口匹配。在整星测试过程中，系统各项功能正常，各项性能指标符合整星测试要求。

4 结论

通过采用一体化卫星综合测试系统，测试过程中系统除了具备现有卫星地面测试系统的功能和性能特点之外，与传统的测试系统相比，在研制成本、系统体积、组建时间和无故障运行方面均有较大改善，比较结果如图6所示。

小卫星小型化、一体化地面测试设备所代表的技术路线符合小卫星技术发展对卫星测试的技术需求，对于后续卫星测试技术的发展具有非常重要的意义。

图6 一体化测试设备与现有设备比较示意图

[1] 李培华，陈逢田，等.小卫星测试技术发展与展望[A]．航天东方红卫星有限公司.小卫星技术交流会优秀论文集[C].北京：航天东方红卫星有限公司,2011:100-107

[2] 赵光权，徐 辑，张毅刚，等.小卫星测试系统设计与实现[J]．计算机测量与控制,2011,19(3):503-505.

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[4] 林言，刘文定，岳世锋，等.基于PXI的多功能卡在卫星测试系统中的研究 [J]．测控技术，2012，31(7):54-57.

[5] 杨乐平，李海涛，肖 凯，等．虚拟仪器技术概论[M]．北京：电子工业出版社，2003．

[6] 张黎明，孙 宁，等.基于PXI的卫星综 合测试系统的设计与实现[J]．计算机测量与控制，2008，16(1):27-29.

[7] 王庆成,主编.航天器电测技术[M].北京:中国科学技术出版社,2007．

[8] 刘 洋，李家琦，李宗德，等. 基于数据格式库的卫星通用测试软件设计[J]．计算机测量与控制，2014，22(8):2680-2683.

[9] 赵光权，徐 彝，张毅刚，等.小卫星测试系统设计与实现[J]．计算机测量与控制，2011，19(3):503-505.

Design of Integrated Test System for Small Satellite

He Mingjun,Hong Lei,Cao Lijun,Zeng Hong

(DFH Satellite Co.，Ltd.，Beijing 100094,China)

During the development and testing process of satellite,the existing test equipments are not universal, lack of open and flexibility, low integration degree of equipment, not high in automation and intelligent level; This paper presents a method to design miniaturized, integrated test system, and developed by the specific project combined with the existing resources, exploring a new way with enhancing testing efficiency, reducing costs, reducing the system size for the future. Practice shows that the scheme to meet the test requirements, the development cost, the volume of the system, the formation of the time and trouble free operation and other aspects are greatly improved.

integrated; small satellite; test system

2016-03-14；

2016-04-19。

何铭俊(1979-)，男，北京人，硕士研究生，工程师，主要从事卫星综合测试设计与开发方向的研究。

1671-4598(2016)09-0015-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.005

TP273

A