航天器系统级测试现状分析

富小薇 王华茂 闫金栋 卢成志 王清泉

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)



航天器系统级测试现状分析

富小薇 王华茂 闫金栋 卢成志 王清泉

(北京空间飞行器总体设计部, 北京 100094)

从测试方法、测试计划、测试模式、测试用例设计方法、测试工具等方面对航天器系统级测试进行了探讨。测试方法主要包括测试覆盖性分析法、自上而下或自下而上的测试方法、面向对象或面向过程的测试方法等；测试计划参考了NASA航天器的分类方法，包括对低成本卫星、商业卫星及载人航天器等三大类航天器进行了论述；测试模式包括任务组织方式、测试系统部署方式及人员配置等；测试用例设计方法包括软件测试方法、基于模型的测试方法及试验测试方法等；测试工具主要包括手动工具、自动化工具、信息化管理工具等三个发展阶段。此外，文章还对当前航天器系统级测试的现状及面临的问题进行了分析。

航天器；系统级测试；现状；发展趋势

1 引言

现代的系统开发方法，始于20世纪50年代的大型导弹和潜水艇项目，并在20世纪60年代被用于航天系统开发。系统开发，是为了在可接受的成本、计划和风险范围内，生产出所需要的产品。系统项目都采用了类似的项目生命周期管理方式，包括需求定义、需求分解、结构描述、设计、开发、分系统集成、验收测试及运营等环节。航天器一般由航天产业部门负责生产、发射，最终交付政府或其他用户使用。验证过程是对系统是否满足功能及性能需求进行证明的过程，应该从需求定义开始，贯穿项目的全生命周期。验证方法包括测试、试验、建模与仿真、分析、证明、审查、复查等手段。航天器系统级测试是系统验证计划的关键步骤[1]。

验证测试建立了系统实现和建造规范之间的桥梁，目标是正确地构建产品。航天器系统级测试的目的，通常是用来证明提交的航天器产品满足用户需求中的各项规定，同时也为在项目决策时提供有用的信息。作为航天器产品发射前的系统验证，系统级测试地位极其重要。通过对实际的航天器项目进行跟踪调查，得到的统计数据也能够证明这一点。美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心(Ames)的Annalisa Weigel就曾经对224个航天器(包含20个不同类别的项目)的23 124个系统级测试中发现的异常问题进行了研究。统计结果显示：系统级测试中发现的系统级问题占35%，分系统级异常问题占36%。这充分说明系统级测试，对于发现系统级问题，及分系统级测试阶段不易发现的分系统级问题起到了重大作用。因此，应在航天器发射前，必须进行全面和彻底的系统级测试[1]。

航天器系统级测试的研究范围广泛，而国内外对于此方面的综述性文献仍然较少。本文尝试从测试方法、测试计划、测试模式、测试用例设计方法、测试工具等方面对其进行探讨；并对当前航天器系统级测试的现状以及面临的问题进行了总结。

2 系统级测试方法

测试方法是指导系统级测试工作开展的顶层理念。由于测试对象的已知性，工程系统中一般采用通过产生一系列的输入(或激励)和测试输出值来验证系统是否满足要求[2]；在系统集成测试过程中，“自上而下”或“自下而上”的测试方法和“面向对象”或“面向过程”的测试方法在工程系统中应用较为广泛；而在测试项目计划的设计中，通常采用基于测试覆盖性分析和参数容差的方法。我国目前的航天器系统级测试，主要是基于测试覆盖性分析，采用自下而上，面向对象与面向过程相结合的集成测试方法。

测试覆盖性是对于合同、研制的总要求，航天器设计和建造规范以及设计报告中，明确规定了技术指标及产品设计确定需要测试的项目及其在各级产品测试过程中所须达到的测试覆盖程度(包括系统级测试)。分析过程包括：依据文件规定的各项技术要求，对系统需测试的功能和主要技术指标、正常工作模式、已设计的故障工作模式、冗余设计项目等逐项进行分析梳理，识别并确定可测试项目和不可测试项目。对不可测试项目采取包括检验、分析、类比旁证等手段；对可测试项目，需要确定在单机级、分系统级、系统级、大系统间等不同阶段的测试时机，并形成设计性能确认矩阵，在出厂或交付前确认实施时机。

自上而下方法，也称为降级法[2]。把被测对象分为几个大的部分A、B、C等。A进行测试，若A通过，则测试B；若B通过，则测试C,依次类推，直到各部分测试都通过。如果某一部分(例如B)未通过，则把该部分再划分为几个小部分，如B1、B2等，再逐块进行测试。依次类推，直到诊断出故障为止。自下而上方法，也称为升级法或滚雪球法[2]。从被测对象的最小可测试部分T1开始测试。若T1通过了测试，则把被测对象的另一小部分T2加上去，同T1一起进行测试；若(T1+T2)部分通不过测试，则对T2部分进行故障诊断和维修，再进行测试；依次类推，直到整个系统通过测试为止。在实际工作中，“自上而下”方法和“自上而下”方法经常结合使用，被称为“混合方法”[2]。

此外，面向对象的工程化方法(图1)和面向过程的工程化方法(图2)，是当代工业界的两种主流工程实践方式[3]。这两个提法是彼此对立的，最早源于计算机编程的算法结构，并逐渐扩展应用到人类生活的各个方面。当前，面向对象的工程化方法非常流行，被大多数部门广泛采用，甚至普遍将其视为最高效的工程化方法。面向对象的系统级测试方法是基于模块化的工程实践方式。

在航天器系统级测试中的应用方式是，设计部门把系统级测试内容分解至相关分系统的功能验证项目，并由相关人员完成。该方法的优点在于简化了系统级测试架构集成的难度，在体系初建时，即能最大限度逼近“全局最优”，且后期升级改造不必“牵一发而动全身”；但其缺点在于随着专业技术的不断发展，为保障整个工程体系的稳定性和可靠性，局部的升级改造难以带动其他部分的同步升级改造，最终整体效能出现“稳中有降”的逐步退化趋势。面向过程的工程化方法是面向系统整体的工程实践方法，系统级测试设计部门需要关注被测对象的每个局部。这种工程化的特点是利于后续发展过程中的全局优化，每个局部的优化调整都会带动其他部分的同步升级变化；但另一方面，这种方法给初建时的系统级测试架构集成带来了难度，尤其是在局部面对很多难以突破的瓶颈技术的情况下。在实际工作中，两者也经常结合使用。

3 测试计划

在航天器发射之前，到底应该如何安排测试流程，应该进行多少系统级测试项，又应该在什么时机和条件下开展这些测试，是系统级测试研究的核心问题之一。测试计划的制定对项目成本、项目日程及项目风险都会产生影响。

NASA艾姆斯研究中心的Harry Jones认为，系统级测试应该与系统开发阶段的风险分析相似，在对任务的效费比进行全面分析基础上，形成系统级测试的各项决策[1]。Harry Jones把当前的美国航天器分为低成本卫星、商用卫星及载人航天器3个类别，并分别对其测试计划的制定思路进行了总结。

刘清建船是为了亦失哈下奴儿干所用，责任重大，工期有限。古人崇拜司水的龙王，因而刘清就在船厂附近修建起一座龙王庙，以便就近供奉，祈请风调雨顺，按期完成造船任务。

由于低成本卫星的制造遵循标准的开发规范，某些元器件甚至采用了对外采购而非自研的方式。因此对于此类卫星，应特别强调彻底的系统级测试。如果受测试成本和测试时间的制约，必要时候，甚至允许以不惜削减分系统测试的方法，来弥补系统级测试的不足，从而保证系统级测试的完备性。

商业卫星一般为合同制采办方式。根据合同中对测试需求的要求，商业卫星一般需要经过详细的系统级测试。这里需要指出，由于卫星开发者与用户之间理念的冲突，客户往往要求卫星进行较大范围的系统级测试。某些政府客户甚至要求进行强度测试，从而掌握系统性能的边界值。所以商业合同制卫星的系统级测试内容，往往是在双方协商的基础上形成，而非彻底的效费比分析。统计数据显示，在商业卫星系统级测试中，大约2/3的异常问题，发生在常温常压下，剩余1/3的异常问题，几乎都发生在热真空试验期间。追溯异常问题的根源，工艺和设计是两大来源，总之充分的系统级测试是不可避免的。

对于载人航天器，NASA肯尼迪航天中心的Keith Britton和Dawn Schaible调查了NASA的多位载人任务专家。他们认为针对NASA载人航天器提出的测试需求具有不够正式、不够客观和前后不一致等特点。与人们普遍的理念正相反，对载人航天器测试方面的决策并未经过充分的科学分析，反而在很大程度上取决于不同决策者的主观想法[4]。造成该现象的一个重要原因是，部分专家认为载人航天器能够接受更大风险，因为非致命错误可以通过在轨进行修复。

针对以上分析和总结，Harry Jones提出采用NASA的风险矩阵或类似的方法建立效费比模型，对测试成本以及不做某项测试的风险进行综合性分析和计算，通过确实的甄别过程，决定在航天器发射之前的各个阶段，应该确定系统级测试的程度及其具体内容。

4 测试模式

测试模式泛指测试任务组织方式、测试系统部署方式和人员配置方式等。一般包括单星测试模式、组批测试模式、远程测试模式、集中测试模式等。

从测试任务组织方式、测试系统部署方式角度讲，在系统级测试发展初期，航天器测试一直是以人为主、相对独立的测试模式。不同航天器的测试设备也相对独立，测试系统及测试设备的研制基本上是为单一航天器服务的，即单星测试模式和集中测试模式。随着测试需求的更新和发展，出现了新的测试模式。例如，北斗二号导航卫星的组批测试模式：针对北斗二号一期工程卫星产品多、测试密度大、发射间隔短等特点，提出了基于组批测试验证策略与方案设计等技术为核心的组批测试设计与实施方案。再如载人航天器的远程测试模式：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，有效地精简了前方设备和人员[5]。

从人员配置角度讲，当前系统级测试有两种方式。第一种方式为航天器设计人员直接负责航天器系统级测试任务，国内早期卫星测试均采用此测试模式。第二种方式为国外商业航天黑马——太空探索技术公司(SpaceX)创新性地制定的扁平化管理模式。该公司由副总裁和总师直接管理员工，没有严格意义的部门划分，大大降低了管理成本。该公司还采取“纵向一体化”供应链管理方式，通过自主设计并在一个厂房内制造、装配、测试几乎所有零部件，缩短供应链，精细控制成本。如果一个组织机构需要对集成、测试、发射和运行等环节负全责，则组织内部会出现以下现象，即一个部门的成本节约行为会引起另一个部门工作风险的提高，找到一个合适平衡点难度较大。因此，出现的第二种方式为系统级测试由第三方测试队伍主导完成，航天器设计部门下达测试任务以及测试需求，第三方测试人员根据相关要求完成测试任务，并提交测试报告。

5 测试用例设计方法

系统级测试用例设计方法多种多样。这些方法可以来自于系统级测试相对成熟的其他行业，也可以来自于航天器系统级测试自身的工作经验。本文对当前业界常用、并已经用于航天器系统级测试用例设计的软件测试方法、基于模型的测试方法和试验测试方法进行简要介绍。

软件测试方法中，常用于系统级测试的有黑盒测试方法(有效等价类法、边界值分析法、因果图法、错误推测法等)和白盒测试方法(逻辑覆盖法、基本路径覆盖法等)[6]。以上方法，支持对系统级软件功能的测试需求形成规定格式的描述，并在此基础上能够自动生成测试用例集合。此外，软件测试理论中对于测试目的(证伪)、测试原则(尽早地和不断地进行测试)和测试设计信息来源(需求和功能规范、输入输出域、操作特性、故障模型)的理念[7-9]对系统级测试概念的建立也起到了积极的推动作用。

基于模型的测试方法，常用于系统级测试的有基于多信号流图的建模方法[10-12]、基于场景的建模方法[13]、基于有限状态机[14-16]的建模方法等。通过多信号流图法能够对航天复杂信息流进行建模，再结合软件测试方法，也能够自动生成测试用例[17]；基于场景的建模方法又可以分为许多分支。比如，可以采用有向图的方式来描述测试用例中事件流复杂关系[18]。方法是有向图的主干为基本流, 描述了用例的典型事件流；支干为备选流, 描述了异常或者出现错误时会发生的事件流。搜索有向图的所有可能路径，并用树的方式表示出来，对树进行搜索直至搜索出所有以根节点开始、叶子节点结束的所有路径, 即可得到所有用例场景，最终形成针对场景的测试用例集合；复杂系统大致上可以分为两组，无状态系统和面向状态系统。复杂航天器系统可以认为是以控制为主导的复杂系统。控制部分通常可以建模成一个有限状态机(FSM)，基于有限状态机的建模方法适合于解决多状态复杂系统，状态间切换测试覆盖性的测试设计问题[19]。由于“状态”不再与时间要素有关联，使得场景节点个数大大减少，场景模型更加接近航天器设计状态。

试验测试方法，常用于系统级测试的为正交试验法，适合于安排因素较多、周期较长和多指标的试验。利用正交试验，可以合理地减少试验次数。该方法也常在软件等行业中用来优化测试用例集。在航天器测试中，此方法可用于多器组合体模飞测试过程和所有设备主备份状态设置的设计任务之中。

6 测试工具

在航天器系统级测试的发展过程中，首先出现的是单步手动测试；其后，随着航天器研制水平的提高，航天器数量的增多，研制周期的缩短，以及对航天器测试要求的逐渐提高，出现了自动化测试工具。然后，随着航天器数量的进一步增多，研制周期的进一步缩短，测试人员的日益紧缺，测试人力资源逐渐被压缩，自动化测试工具向通用化、小型化、智能化等方向迅速发展。例如中国空间技术研究院载人航天总体部提出的自动判读系统，其判读知识表达可支持多种运算符和函数，知识覆盖面广。推理机的设计充分考虑了载人航天器测试的特点，数据判读准确性高，实时性好[20]。该自动化测试系统以测试项目模块化思想为依托，提供了测试子项目设计平台，自动生成测试程序、测试细则文档，自动执行测试程序并实现无人值守，测试结束后自动生成测试报表并评估当前测试是否有效通过。此系统实现了测试各阶段流程化、自动化程控，提高了测试效率[21]。

近些年，面对来自测试管理层面包括资源管理、状态管理、不合格审理、补充测试等各种细致需求，测试工具的应用范围，又从技术工具快速地向技术加管理工具方向迈进。中国空间技术研究院总体部提出的多航天器全流程自动化测试系统[22]，如图3所示，该系统面向多航天器并行测试需求，以多星测试数据处理平台为核心，以全流程测试信息管理平台为顶层，以功能和性能自动化测试平台为支柱，以各类前端设备为基础，实现了测试设计通用化、测试实施自动化、测试过程信息化、测试评估智能化，大幅提高了测试效率和管理水平。中国空间研究院通信卫星事业部提出的一体化集成测试系统，支持航天器综合测试业务全过程的控制和实施，保证航天器研制任务的圆满完成。中国空间技术研究院东方红卫星公司提出的小卫星自动化测试系统[23]，基于状态图的智能测试建模方法、智能判读技术、面向多星的数据并行管理技术，实现了卫星综合测试全技术流程的测试设备信息化管理、测试设计与流程管理、测试执行自动化管理、测试判读和结果分析智能化管理；具备测试资源动态调配、测试细则快速生成、测试用例一键式执行判读、测试结果一键式分析记录等特点。

7 当前面临的问题

在当前的航天器系统级测试中，面临的问题主要有以下几方面。

(1)系统级测试中的技术决策存在一定的主观性[24]。这就使得“过测试”和“欠测试”的现象时有发生，主要有以下几个原因。①缺乏系统级测试理论的指导。当前，航天器系统级测试理论仍处于发展过程中。由于缺乏理论指导，使得实践探索过程中做出了欠佳甚至是风险较大的决策。②对系统级测试中的风险识别较为困难。由于航天器系统的复杂性以及无法在地面完全重构在轨运行环境等原因，对航天器在轨期间的风险因素与测试需求之间建立完备的映射，本身就是难度较大的事情。③航天器系统的测试需求各不相同。正如航天器设计人员经常需要回答“这是客户所需要的系统吗？”这类问题，类似地，航天器测试人员经常需要回答的问题是“我如何能证明这个系统能够按照期望正常运行？”由于航天器系统间功能需求的差异性，与其对应的测试需求也不可能相同。④航天器系统研制队伍的工作思路各不相同，不同类别航天器在长期的发展过程中，形成了具有自身特点的项目组织模式及工作习惯。又因为队伍间的技术交流沟通不够，对行业内部形成统一的航天器系统级测试的各项认识造成了巨大的障碍。⑤由于处于航天器研制流程的后端，受迫于研制成本和研制周期的压力，这往往导致对系统级测试进行时间的挤压甚至删减。

(2)对于航天器的设计缺乏了解，使得系统级测试的系统性不强。只有测试实施人员对被测试航天器的设计具有一定的了解，才能产生高质量的测试设计。当前研制模式，测试人员了解航天器设计的机会不多。通常情况下，只需要结合测试需求，依据“电测大纲”即可完成测试。部分测试人员还缺乏对测试需求的深入分析，对测试的激励信号和响应数据的路径以及测试数据的物理意义缺乏了解，满足于按照测试细则的要求按步骤完成测试。

(3)航天器系统在全生命周期各个阶段的测试程度和测试内容缺乏统一的规划和管理。航天器产品的测试应贯穿于其整个生命周期。当前，虽然在前期工作中的测试覆盖性分析阶段，对航天器发射前，各个阶段的测试程度和测试内容有所规定，但普遍缺乏有效的跟踪和管理手段。此外，由于各个阶段测试人员分属不同行政机构，缺乏能够全局掌控和有效调节系统级测试的专业人员。

8 结束语

航天器系统级测试作为提高任务成功率的重要手段之一，其在航天器研制过程中的重要性也日益提高[24]。随着现代航天器系统复杂性的提高，航天器的系统级测试也需要进一步发展，引入更多适用的测试理论、方法和技术。后续工作中，需要对航空业、嵌入式系统等系统级测试发展较为完备的行业，借鉴相关的工作思路和方法，并应用至实际工作之中。在理论和实践不断的交叉积累过程中，促进航天器系统级测试专业的不断发展。

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(编辑：张小琳)

Current Situation Overview of Spacecraft System Level Test

FU Xiaowei WANG Huamao YAN Jindong LU Chengzhi WANG Qingquan

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

This paper try to discuss the system level test of spacecraft in the aspects of test metho-dology, test plan, test mode, test cases design method and test tool. From the testing methodo-logy aspect, testing coverage analysis method, up-to-down or down-to-up method, object-oriented or process-oriented method are discussed. From the testing plan aspect, low cost satellite, commercial satellite and manned spacecraft are discussed according to the classification of spacecraft in NASA. In the testing mode aspect, task organization mode, test system deployment mode and the staff allocation mode are discussed. In the test case design aspect, software testing method, model-based testing method and test method are discussed. In the testing tools aspect, manual tool, automatic tool and information management tool are discussed. And then, the current situation and the problems are given.

spacecraft; system level test; current situation; development trend

2016-11-09；

2017-01-09

国家重大科技专项工程

富小薇，女，硕士，高级工程师，研究方向为航天器系统级测试设计。Email：xwfusmile@vip.sina.com。

V416

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.01.017