自动测试技术在航天中的应用现状及发展趋势

2018-05-10刘向阳冷春雪黄启陶王宁飞

宇航计测技术 2018年1期

刘向阳冷春雪黄启陶王宁飞

（北京理工大学宇航学院，北京 100081）

1 引言

随着我国航天事业和信息技术的发展，航天器型号研制任务呈高速增长趋势，航天产品的复杂程度也日益提高，航天测试任务十分繁重，传统的人工检测维护或者低水平的自动测试手段已经无法满足航天装备的支持保障要求，亟需对现有的测试系统进行升级换代，以有效减少人力、物力损耗和显著提高测试效率。

目前自动测试技术已经广泛应用于产品全寿命周期的每个环节，在国防、交通和能源等重要领域发挥着不可替代的作用。然而，现有自动测试（ATS）系统依然存在应用范围有限、开发和维护成本高、系统间缺乏互操作性、测试诊断新技术难以融入已有系统等诸多不足。基于此，以“NxTest”为代表的新一代自动测试系统力图建立开放式体系结构，聚焦公共测试接口、仪器互换性等关键技术，以进一步提高自动测试系统的工作效能［1］。就自动测试技术的特点而言，自动测试技术在如下场合具有明显的应用优势：1）试验项目多，试验持续时间长；2）试验过程产生的数据量较大，对数据处理分析要求较高；3）试验测试参数和测点较多；4）试验产品数量大，试验工作量大。

我国针对航天产品开展自动化测试系统的研制开始于20世纪80年代，但由于自动测试系统相对独立，通用性不强，设备检修维护不便，严重制约了测试效率的提高［2］。因此，有必要通过梳理自动测试技术在航天中的应用现状，探索航天自动测试系统的发展趋势和关键技术。

2 国内外研究现状

2.1 关键部件地面性能试验

飞行器关键部件如飞行器结构、发动机、燃料供应系统等对飞行器的功能、安全性和可靠性具有重要影响［3］。以下就自动测试技术在一些较有代表性的试验场合的应用现状进行分析。

牛明提出了一种弹用冲压发动机试车台的自动测控系统设计方案。该测控系统采用双级管理模式［4］：上位机负责与下位机控制器间的数据通讯和控制画面显示；下位机控制单元负责管理现场的所有设备动作、现场参数读取和运算以及接收上位机的控制指令等。

鉴于某些发动机试验时内部压力传感器较多，采用传统电校方法费时费力，李正兵等提出基于程控电源的发动机测试系统自动校准方案［5］。当进行内部传感器电校时，通过计算机控制信号转接器组合开关，选择采集装置输入信号为程控电压，通过分档控制程控电源输出基准电信号，以实现测试系统的自动校准。实践表明：自动校准系统操作简单、运行可靠、使用方便，缩短了压力测量系统试车准备时间。

雷达导引头是安装在导弹头部的探测装置，是导弹制导控制系统中最重要的部件。它具有电子器件密集型复杂电子系统的特点，测试技术指标多，单次测试时间长。张乐［6］采用虚拟仪器技术，编制雷达导引头自动化测试软件，用软件实现了部分硬件功能完成了雷达导引头的自动化测试，有效提高了导引头测试准确性和工作效率。

2.2 关键部件健康监测

在飞行器结构损伤检测中曾使用CT扫描等传统无损检测技术，但这些技术无法对飞行器关键部件的健康状态进行实时监测，无法检测隐藏部位的损伤，现场检测局限性较大。此外，由于材料技术的发展，轻质复合材料已开始广泛应用于飞行器结构。相对于金属材料，复合材料不但损伤模式复杂多样，而且不易察觉，由此引发的结构失效更为隐蔽和突然。因此，永久安装在表面或嵌入内部的分布式传感器网络将是未来飞行器健康监测的主要技术途径［7］。表1列出了国内外关于关键部件健康监测的研究进展情况。从表中可以看出：

1）目前可用于结构健康监测的传感器，除传统的应变片以外，光纤光栅传感器、压电传感器和MEMS传感器等也被视为很有发展潜力的技术途径。近年来，随着国际上对结构健康监测技术的重视程度逐步提高，研究人员对传感器和压电驱动器的集成以及以Lamb波作为损伤信息传递媒介等新的方法和技术进行了多方面的研究和尝试。NASA有一项计划就是研究常温和低温条件下应用于复合材料高压容器的多用光纤传感器，应用对象为可重复使用的运载火箭以及复合材料燃料箱。

2）固体火箭发动机健康监测的基本原理是通过内置或嵌入力学、化学、环境监测等传感器，监测与固体推进剂装药力学、化学性能变化和缺陷有关的参数，从而对发动机健康状况监测与评估。为区别传统的固体火箭发动机，有人将此类发动机称为固体仪器发动机［8］。美国Hercules公司曾经制定了标定试样试验和全尺寸发动机试验两项试验计划，使用内嵌式应力传感器系统测定发动机的推进剂模量［9］。但是，到目前为止，化学传感器仅处于初步探索阶段，埋入式传感器也还只是用于亚尺寸的验证发动机中，并未用于实际系统；［10］。

3）相比于其他类型的发动机，液体火箭发动机的结构复杂、工作环境更加恶劣。其健康监测的技术途径主要有两种：①对其中关键组件（如工作在高温、高压和强振动环境下的涡轮泵）引起的振动信号进行监测，从而获得涡轮泵的实时工作状态；②对燃料供给等多个环节的压力、温度等参数进行监测，以获得液体火箭发动机的工作状态。

表1 国内外关键部件健康监测研究进展［11-15］Tab.1 Research Progress on health monitoring of key components at home and abroad[11-15]

2.3 航天器综合测试

针对已有的自动测试系统无法适应不同型号测试问题，贺友益提出分块设计的概念，将测试系统分为通用部分和专用部分，并对其中的自动测控部分进行了VXI化研制，取得了良好的效果［16］。其核心思想为：通用部分主要面向操作人员，在统一框架之内，在按各型号的实际需求确定其规模的基础之上，依据相应技术的发展状况对具体内容进行及时更新换代；对于不同型号飞行器的专用部分须针对其特性分别研制。这种分块式设计不仅可以大量节省人力、经费和研制时间，而且能够及时跟踪最新最优技术。

针对现有卫星测控测试系统无法与外部进行信息交互、无法适应不同型号测试等问题，付伟达等构建了基于“开放式模块化”设计思想的小卫星测控的自动测试系统，使系统具有很好的互操作性和可移植性［17］。同时，自动测试系统完善的对外接口设计，可以满足测试系统间、与外部环境间的无缝交互需求和信息共享。

为提高航天综合测试系统的柔性，蔡远文等结合国际上正在开展的“AXLe”测试体系结构和“Nx-Test”体系结构，提出了基于先进混合总线的航天测试体系结构［18］。其中，以技术优势明显的LXI总线型仪器设备为主，其他总线型仪器共存。该系统主要由两部分构成：一是测试过程部分，主要完成对包括激励源、测试系统、服务器等在内的数据采集功能；二是测试信息综合利用部分，如远程信息浏览、查询、故障诊断等。

2.4 航天测控系统

航天测控系统（TT&C）负责对在役状态的运载器及航天器进行跟踪、监视、测量、控制，是任何空间活动中不可缺少的一个重要组成部分。在过去50多年的时间内，我国航天测控系统已逐步建立了能够实现对载人飞船、运载火箭、返回式卫星和各类不同轨道应用卫星进行全生命周期测控的网络。目前我国在用的航天测控网主要包括统一S频段航天测控网和统一C频段航天测控网，正在积极建设深空测控通信网和天基测控通信网［19］。

我国未来的航天测控需求主要体现在以较低的测控成本实现以高轨道覆盖率、高轨道精度、高数据传输速率和远测控距离为技术特征的多目标更复杂测控任务。比如，在深空探测中，除利用传统的多普勒和双向距离测量体制，深空测控通信网还需积极探索符合深空探测要求的三向测速测距技术和 VLBI（Very Long Baseline Interferometer）精密测角技术；为节省成本，深空测控通信网应最大限度地执行国际标准和国际通用作法，以便国际联网和实现国内外交互［20］。此外，通过设备改造，传统的地基测控站设备在数据信息处理能力、设备控制模式创新和设备集成度上有了较大突破，具备了更强的自动化运行能力，可以满足测控系统对测控站提出“有人值守、无人操作”的操作模式要求［21］。

3 自动测试技术的关键技术

3.1 基于LXI总线的网络化体系架构

LXI(LAN extension for instrumentation)是一种基于局域网的模块化测试平台标准。对于大多数的航天试验任务来说，构建网络化的自动测试系统体系架构是不可避免的。鉴于LXI总线在技术上的先进性，未来的网络化自动测试系统体系必然是以LXI测试总线为核心、兼顾已有的其它总线仪器的体系结构，以便能够实现不同测试系统间以及测试系统与外部的信息共享和复用。

3.2 面向信号的先进测试软件开发技术

自动测试系统一般包含仪器硬件、驱动软件、操作系统、软件控制平台、测试语言、系统环境和附加功能等内容［22］。面向信号的先进测试软件开发技术通过建立相关的标准接口，使得测试软件可以逐步摆脱仪器硬件、驱动软件、操作系统、测试语言等内容的制约，可以大幅提高测试软件的可移植性和互操作性。

SATS(Standard Automatic Test System)硬件接口标准和IEEE1P505等公共测试接口标准为仪器硬件制定了统一的机械连接和电气标准，为方便物理更换仪器硬件奠定了基础。

VISA［23］是虚拟仪器软件体系结构的简称，是基于VPP(VXI的即插即用）系统规范的具有与硬件特性无关的通用接口驱动程序库，解决了仪器驱动程序与硬件接口的无关性。VISA相当于在仪器驱动程序与仪器之间加入了一个过渡转换层，因而允许用户将同一软件应用于不同的硬件架构。

IVI是可互换虚拟仪器（Interchangable Virtual Instrument）的简称，定义了一个开放的驱动架构、一套仪器类型和共享的软件组件，着眼于解决应用软件与仪器驱动程序的无关性。

3.3 测试数据共享与重用

基于自动测试系统的航天试验产生了大量的测试数据。然而，由于不同测试平台和系统的兼容性，这些数据并不会必然提高测试诊断效率和准确性。因此，实现被测对象全寿命周期内各阶段测试数据的共享和重用是提升测试诊断效率的有效途径。

为实现测试数据的共享和重用，必须解决如下问题：①建立开放、兼容的测试数据接口标准，为实现测试数据的共享奠定基础；②建立多功能信息处理平台，融合不同系统测试数据，为测试数据重用奠定基础。③建立基于专家经验和知识系统的故障诊断和评估系统，为高效利用测试数据提供专业知识储备。

3.4 校准自动化

校准是量值溯源的重要方式。对于具有高度综合化、集成化等特点的自动测试系统，不具有自动校准功能就意味着无法高效地保障测量结果的可靠性，因此会严重影响自动测试系统的工程应用效果。测试系统自动校准时，需将整个系统视为一个整体单元进行校准，满足自动测试系统现场性、整体性、高效性、准确性的要求［24］。

3.5 内嵌式探测传感器研制

应用于健康监测的内嵌式探测传感器在使用时需要组成分布式传感网络，以便获得监测参量在长期工作过程中在不同位置的变化情况。该类传感器研制时要解决如下几方面的问题［3，25］：①传感器的安装与连接技术；②传感器的自我诊断与维护技术；③老化、电磁干扰以及环境温度等参量影响的补偿技术；④传感器的长期稳定性问题。

4 发展趋势

4.1 关键部件性能试验

不同于其它类型的航天试验，关键部件性能试验持续时间并不长，但试验准备需要花费大量时间。因此，制约关键部件地面试验的关键问题在于如何缩短试验准备时间，具体技术措施主要体现在测试系统校准自动化和外围设备控制自动化。

4.2 关键部件健康监测

关键部件健康监测的关键在于构建与材料和结构相适应的传感器网络。传感器是其中的核心部件，具有很大的技术难度。微型化、供电、信号传输、校准、以及能反映材料特性变化的化学等新型传感器是研究中需要突破的主要技术问题。光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐烛、化学性能稳定、灵敏度高、集成性好、复用性强等特点，有望成为下一代健康监测传感器网络的技术途径。

4.3 综合测试

综合测试面对的测试对象是不同型号产品，因此兼顾通用性与专用性是综合测试需要面对的首要问题。其次，鉴于电子产品的更新换代较快，综合测试系统的维护和升级换代是其中的一个重要问题。因此，未来的综合测试系统应具有一定的开放性和很强的互换性。

4.4 航天测控系统

航天测控系统是一个巨型的由若干自动测试系统组成的网络。因此，其顶层架构应保持系统的开放性和可扩展性，以适应未来各种不同类型航天探测任务的需求。系统的开放性主要体现在数据接口和测控体系与国际标准接轨，预留足够国际合作空间；可扩展性主要体现在能够容纳新的测控手段，以便为深空探测等任务提供必要的技术支持。

5 结束语

自动测试技术在航天领域有着广泛的应用需求，在航天关键部件性能试验和健康监测、航天产品综合测试以及航天测控系统中发挥了不可替代的作用。针对未来的航天发展需求，需着力于基于LXI总线的网络化体系架构、面向信号的先进测试软件开发技术、测试数据共享与重用、校准自动化以及内嵌式探测传感器研制等关键技术，以进一步提升航天试验可靠性和效率。

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［7］卿新林，王奕首，赵琳．结构健康监测技术及其在航空航天领域中的应用［J］．实验力学，2012，27（5）：517-526．

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