分级管理的通用卫星综合测试系统设计

2018-08-22程鹏罗悦郝金凤郭袆

现代防御技术 2018年4期

程鹏，罗悦，郝金凤，郭袆

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

卫星综合测试系统是一个技术复杂、规模庞大的系统，不仅要在卫星各次电测试验中完成对卫星的控制、测量、数据收集处理、信息加工等操作，还要实现各种模拟、激励和仿真功能[1]。系统中既包括处理能力很强的承担整个系统测试任务的软件及硬件[2]，也包含用于卫星分系统检测的多种专用测试设备。

随着卫星技术复杂程度的提高，配套研制的卫星综合测试系统的要求也越来越高，从研制周期层面、成本费用层面、后续技术发展层面等方面分析，为每颗卫星或每型卫星配套研制专用的测试系统显然不经济、不可取[3]。因此，设计一种适用于不同型号卫星的综合测试系统通用平台尤为必要[4]，该平台采用分级管理、功能模块化且可扩展、流程可配置、软件接口标准化等技术，通过软硬件的配置可快速重构生成不同型号卫星综合测试系统，缩短研制周期，降低研制成本，提升卫星综合测试系统的通用化和标准化水平[5-6]。

1 卫星测试系统

1.1 测试对象及测试级别

卫星作为长期在轨运行的空间平台，系统组成复杂，按功能分成若干个分系统，每个分系统又由若干设备组成，一般包括推进分系统、测控分系统、制导、导航与控制(guidance navigation and control,GNC)分系统(含星载计算机、星敏感器、卫星导航接收机、飞轮、磁力矩器等)、电源及电气分系统[7]、热控分系统、结构与机构分系统等部分[8]，在卫星平台基础上，还搭载有若干有效载荷。测试对象组成如表1所示。

表1 测试对象组成Table 1 Composition of the test object

为保证卫星在轨运行的质量，发射前要对其进行设备级、分系统级、系统级三级测试。各级测试的目的有所不同，设备级和分系统级测试需进行详细测试，重点是设备性能指标测试；系统级测试重点是系统功能测试，检验分系统间接口匹配性、相容性。各级测试所用的测试设备也有所不同，单元级测试设备一般由通用测试仪器和某些专用设备组成；分系统级专用测试设备(special check out equipment,SCOE)通常由计算机、通用测试仪器、专用测试设备和接口组成；系统级测试设备主要由总控设备、分系统专用测试设备、有效载荷专用测试设备等组成。三级测试设备不但从技术上可以共用，而且某些硬件和软件可以通用，单元级测试用的某些设备可以装到分系统专用测试设备上，分系统级测试设备的软件可以在系统级测试设备的总控设备控制下运行。

1.1.1 设备级测试

设备级测试是指对卫星上独立的单元设备在装配到卫星上之前进行的测试过程，或者在系统测试是出现故障后对其进行测试的过程。

(1) 所有功能模式和性能都要进行单元测试；

(2) 模拟被测设备的外部接口；

(3) 故障隔离到板级或元件级；

(4) 某些通用测试仪器可以与系统级测试设备共用；

(5) 对于含有星上总线接口的设备，可使用系统级测试设备进行测试。

1.1.2 分系统级测试

分系统级测试可以单独进行或者在系统级测试中进行。

(1) 分系统级测试在桌面状态或者某个舱段状态进行，通过检查所有功能模式下的性能来验证分系统的设计；

(2) 模拟分系统的接口功能；

(3) 某些通用测试仪器可以与系统级测试设备共用；

(4) 对于含有星上总线接口的分系统，可使用系统级测试设备进行测试。

1.1.3 系统级测试

系统级测试是在系统级试验过程的各个阶段完成的电气功能测试。

(1) 主要完成系统工作期间的功能性测试，也可以完成有限的分系统性能测试；

(2) 系统级测试使用综合测试系统，经由遥测/遥控链路[9]、专用表面电连接器、脱落电连接器(umbilical connector,UMB)或星载数据管理(on board data handling,OBDH)测试接口耦合器同系统连接；

(3) 故障隔离通常到单元设备级。

1.2 卫星综合测试任务

卫星综合测试主要指系统级的电性能测试，即对总装后的卫星进行测试，这时卫星上电气系统已连接，测试分别在总装厂、大型环境试验室、技术阵地厂房、发射阵地进行，根据需要对卫星上一些主要分系统的功能和性能参数进行测试[10]。综合测试按其测试场地和环境、供电检测方式、测试通道有不同分类。按照测试场地和环境，分为总装测试厂房综合测试、环境试验综合测试、技术阵地综合测试、发射阵地综合测试；按照供电方式，分为外电测试、内电测试；按照测试通道，分为有线测试、无线测试。卫星综合测试分类如图1所示。

卫星综合测试的任务主要包括以下内容：

(1) 检验卫星总体电气设计的正确性、合理性、匹配性及接地系统的正确性；

(2) 检验各分系统电气性能和参数指标是否符合总体提出的要求；

(3) 检验各分系统在系统级条件下能否完成规定的功能和性能；

(4) 检验各分系统之间接口的匹配性，包括电接口、热接口在内的正确性；

(5) 检验信息传输通道的可靠性、准确性和精确程度；

(6) 检测指令传输系统的准确性和可靠性；

(7) 检测部件级和卫星系统级的电磁兼容性；

(8) 检测卫星与运载器电气接口的匹配性；

(9) 检验火工品装置的安全性、工作的可靠性；

(10) 检验卫星空间飞行程序的正确性、软件的协调性。

在综合测试最初阶段，需要检测卫星与地面接口间的兼容性，检验控制通道的正确性，测试软件、测试参数和开关状态的正确性，检验测试文件的正确性。

1.3 卫星综合测试系统体制

卫星综合测试系统的组成包括总控设备，也包括众多类型的专业测试设备[11]。根据测试需求的不同，综合测试系统式以不同拓扑结构出现，一般有分散式、集中管理式、分级管理式3种体制模式。

(1) 分散式体制综合测试系统

分散式体制是指在卫星电性能测试工作中，测试设备按各分系统分成若干部分，并由综合控制台负责卫星供配电、模拟量测试及合格判决。各分系统的专用测试设备之间没有电气和信息的横向联系，对各自分系统进行自主测试，测试结果自己判决。当各系统测试完毕后，汇总判决系统测试是否完成。分散式体制综合测试系统结构见图2所示。

这种测试体制在早期的卫星电性能测试中普遍采用，主要是受当时计算机技术和信息处理技术水平所限。其优点是各分系统并行自主开发，使用中分散控制，系统使用方便，设备利用率较高；其缺点是测试信息分散，信息交流困难，故障分析难度大，测试周期较长[12-13]。

(2) 集中管理体制综合测试系统

集中管理式体制是通过标准接口和通道技术，对整星的测试进行集中管理。图3是通过通用接口实现部分集中管理综合测试系统的一个实例。卫星上大部分信息汇集到测控机箱的功能模块，机箱控制器对各模块进行读写操作，测控计算机通过对采用开关的选择，启动A/D采集所需模拟量，通过时频模块来测量航天器上的时间和频率参数，接收遥测解调模块的输出，实时采集遥测数据并处理成物理量，通过开入模块、开出模块，实施对航天器供电、开关量控制、状态量测量等，通过键盘操作，控制测试流程。

集中管理式体制比分散式体制前进了一步，系统管理比较方便，信息集中，便于整体判决。但对于分系统多、测试内容复杂、测试流程多变的卫星，整个测试设备很复杂，软件开发难度大，数据的采集、处理、测试程序的实时控制、激励信号等全部纳入一个主控计算机管理，使得系统软硬件的设计困难。因此，集中管理式体制一般适用于功能简单的小型卫星测试，对于功能复杂的卫星测试不建议采用。

(3) 分级管理体制综合测试系统

分级管理体制综合测试系统的基本特征是以总控设备的主测试计算机作为中心计算机，控制和管理各分系统专用测试设备(及前端设备)。在此体制中，各分系统专用测试设备与被测对象直接接口，在分系统测试阶段，它们是独立的测试设备，对相应的分系统有完全自主测试功能；进入系统测试阶段后，各分系统专用测试设备需和总控设备连成测试系统，按照测试流程，在总控设备统一调度下协调工作。

总控设备向各专用测试设备发出控制命令，启动它们的测试程序，通过各专用测试设备实现对卫星的供电、控制、数据加载、测量和激励；专用测试设备将测得的数据、状态、对控制和激励的响应以及各种测试结果送给总控设备进行分析判断；总控设备接收、处理并监视来自各专业测试设备(含遥测前端设备)的信息，并将处理结果、时间基准及有关数据分送给各专用测试设备。分级管理体制综合测试系统如图4所示。

此体制是一个两级管理体制，一级是面向被测对象的前置级(现场级)，它与被测对象有直接的电气接口，比较靠近被测对象，图中的各个SCOE属于这一级，包括电源分系统专用测试设备(power supply subsystem special check out equipment,PSS SCOE)、GNC分系统专用测试设备、遥测与测控分系统专用测试设备(telemetry telecommand,TT&C SCOE)、有效载荷专用测试设备(PayLoaD,PLD SCOE)；另一级是远离被测对象的远置级(远端控制级)，它与被测对象没有直接的电气接口，图中的总控设备(overall check out equipment,OCOE)属于这一级，包括主测试计算机(main test process,MTP)、遥测遥控前端设备(telemetry telecommand front end equipment,TM/TC FEE)、测试操作台(test conductor console,TCC)、网络设备、显示终端等设备。

分级管理体制兼有分散式和集中式两者的优点：

(1) 各分系统测试设备可与总控设备研制同时进行，研制周期短；

(2) 可实现卫星自动测试，保证运行协调和数据统一，实现各分系统之间的状态、事件与数据的相关测试；

(3) 总控设备具有很好的通用性；

(4) 分系统测试设备可在不同测试状态重复使用。

2 基于分级管理测试系统总体设计

按照被测对象及其分系统组况，采用分级管理体制，卫星综合测试系统总体原理框图见图5所示，设备组成见表2所示。

图4所示综合测试系统采用分级管理体制模式，总控设备与专用测试设备间通过网络、数据服务器连接在一起，在测试系统软件统一调度下，实施测试过程和信息交互，形成一个完整的卫星综合测试系统，其主要功能如下：

(1) 供电与供电测试功能

(2) 状态控制功能

综合测试系统具有控制卫星工作状态的功能，实现对航天器的供电控制、卫星上设备的开关机控制、在线设备与离线设备的切换控制、可调部件工作状态调整以及向星载计算机注入数据和代码。

直接的控制方式是通过脐带电缆等有线方式连接卫星，关键性的操作如紧急关机、内外电切换、工作状态设置等，采用此种控制方式；普遍采用的控制方式是通过遥控通道将配置好的遥控指令发送到卫星上，对卫星工作状态进行控制，包括直接指令、间接指令、延时指令和加载指令。

(3) 测量与测试功能

参数测量：对卫星上被测量采集，直接或经变换后，通过信号通路传送到综合测试系统设备，测出量值或状态；

开环性能测量：由综合测试系统经上行线路或通道向卫星施加供电、激励及控制，再经下行线路或通道检测卫星上系统的相应参数，测量和验证卫星对这些供电、激励及控制的响应；

闭环测试：利用综合测试系统的模拟器及星上回路形成闭环，检测回路的各项特性，特别是动态特性。

(4) 参数监视功能

对卫星的各种测试参数按照一定时间间隔(如遥测格式周期)周期地进行监视，并按判据检测出状态变化的状态量、越限的模拟量等参数。状态量判据为状态出现翻转变化，模拟量判据是上下限值、增量限值、危险限值。当被测量超限时，给出异常报告，当超出危险限值时，按预定程序或发送遥控指令进行处理。

(5) 测试过程管理功能

在卫星测试过程中，由于测试设备多，容易产生相互影响，各分系统设备不能随便操作，需要综合测试按要求进行统一管理。

SCOE级在线管理：SCOE在网络系统中，需要注册入网，等待主测试计算机授时，经确认后将其置于在线状态，开始与OCOE信息交互；

TCC级别管理：每个TCC按编号注册进入系统，中心TCC可对各操作台设置不同权限，确保测试流程安全；

遥控指令发送管理：遥控指令管理是测试过程的一个重要内容，包括完全禁止、授权发送、使能/禁止控制、按分系统分类控制、应急自动发送等。

(6) 时间基准

为保证综合测试系统各计算机时间基准统一，需配置一个专用的时间基准源，由主控计算机定期读取基准时间，通过网络分发给各分系统专用测试设备计算机，

(7) 测试数据记录与归档

综合测试系统需要记录测试过程中所有数据和事件，并按时间区间划分成独立的归档文件，便于数据分析和回放。

时间记录主要包括：人工干预记录、遥控指令发送记录、参数越限记录、测试程序运行状态记录、专用测试设备在线状态记录、遥测遥控链路状态记录、通信错误记录、测试程序产生的信息输出记录等；数据记录主要包括：遥测原始数据、专用测试设备原始数据、测试过程中键盘命令、遥控指令等。

(8) 后台准备功能

在卫星综合测试前需要在后台完成测试数据和测试程序准备工作，提高测试质量和效率。主要包括：数字量参数定义、模拟量参数定义、遥控指令定义、曲线定义、测试图形定义、测试环境生产、模拟测试等。

3 总控设备设计

总控设备负责完成测试数据库准备、测试过程管理、数据处理与验证、实时测试控制、数据归档及离线处理等。主要包括主测试计算机(MTP)、卫星综合测试软件(spacecraft test operational software,STOS)、测试操作台(TCC)、遥测/遥控前端设备(TM/TC FEE)、卫星模拟器、数据服务器、数据显示器和打印机等。

表2 卫星综合测试系统组成Table 2 Composition of the test object

(1) 主控计算机(MTP)

MTP是OCOE的的核心，在测试前支持数据监视表的生成、测试程序库的生成、测试图形库的生成、遥测指令块定义、遥控指令块定义、遥控禁止指令表生成、测试环境生成等测试数据库准备工作，在测试运行过程中完成数据的处理和监视、卫星状态和测试程序的控制、数据归档、事件记录等在线功能，此外，支持测试后的离线处理功能。

(2) 卫星综合测试软件(STOS)

STOS分为前台和后台软件，前台软件包括：监视程序、图形驱动软件、测试程序调度运行软件、键盘命令分析程序、数据归档、事件记录程序、遥测数据获取程序、遥控指令发送程序、通信接口管理程序、窗口驱动程序、公共数据区管理程序、接口驱动等；后台软件包括：监视参数表生产程序、图形生成程序、测试程序编译器、遥控指令表和遥控指令快生成程序、遥控禁止指令表生成程序、测试环境生成程序、测试数据库验证等。STOS前后台的结构示意图如图6所示。

(3) 测试操作台(TCC)

OCOE可配置多个TCC，方便不同工位人员的现场操作和观察，各个TCC包括命令输入终端、数据显示器和语音通信设备。命令输入终端提供人工干预测试流程的人机界面，用于发送指令、启动测试序列等，可以直接键入字符命令或鼠标点击方式；数据显示器提供多幅在线数据和图形显示，显示测试的数据和命令执行情况。

(4) 遥测/遥控前端设备(TM/TC FEE)

TMFEE是OCOE获取卫星上数据的主要接口，它可以经馈线直接从卫星上获取遥测数据，也可经TT&C SCOE解调后得到卫星遥测数据；TCFEE通过馈线或TT&C SCOE实现对卫星的遥控。

(5) 卫星模拟器

为在离线状态下验证检查总控设备测试数据库或操作训练，总控设备配置卫星模拟器和SCOE模拟器。卫星模拟器通过网络模拟卫星在轨状态，可设置故障模拟；SCOE模拟器模拟多个SCOE和OCOE的通信，模拟各SCOE执行总控命令的应答信号。

4 分系统专用测试设备设计

4.1 电源分系统专用测试设备

电源分系统专用测试设备(PSS SCOE)包括供太阳阵模拟器(SAS)、模拟负载、供配电测试计算机、供配电VXI组合、适配器。SAS用于模拟太阳能电池阵的电输出特性，在卫星测试过程中提供电源，能模拟卫星在轨运行时在不同光照和测试条件下的V-A输出特性；模拟负载模拟卫星上电源负载变化，用于检测电源分系统在负载变化情况下的适应性、调节特性及过渡过程，模拟负载可程序控制，使其负载连续变化或阶跃变化；供配电测试计算机和VXI组合控制SAS和模拟负载工作，采集工作参数，实现对卫星供电测量和控制，通过网络与OCOE通信；适配器实现卫星与PSS SCOE之间的隔离、匹配和驱动。

主要测试内容包括：

(1) 蓄电池充电功能测试，主要是对充电调节器功能测试；

(2) 蓄电池放电功能测试，主要是对放电调节器功能测试；

(3) 蓄电池充电效率测试；

(4) 分流调节器功能测试；

(5) 进出影音区供电方式切换功能测试；

(6) 电源主母线调节特性测试，主要是对蓄电池管理功能的测试；

(7) DC/DC变换器特性测试；

(8) 遥控指令和遥测参数测试；

(9) 太阳电池阵光照试验检查。

4.2 GNC分系统专用测试设备

GNC分系统专用测试设备(GNC SCOE)包括GNC测试计算机和VXI组合、隔离器、激励设备。GNC测试计算机和VXI组合控制测试过程；隔离器完成卫星与地面设备间的信号隔离匹配，主要通过星表专用连接器和UMB连接；激励设备包括敏感期模拟设备和执行部件模拟设备，主要有陀螺激励源/信号源、太阳模拟器/太阳敏感器信号源、地球模拟器/地球敏感器信号源，动量轮模拟器、太阳阵驱动模拟器、推进系统模拟器。

主要测试内容包括：

(1) 部件性能测试：敏感器件测试、动量轮测试、磁力矩器测试、推进驱动器测试、太阳驱动阵驱动机构测试、部件极性测试等；

(2) 星载计算机星地通信测试；

(3) 内部接口和外部接口测试；

(4) GNC 开环测试；

(5) GNC 闭环测试；

(6) 故障应急模式测试。

4.3 遥测与测控分系统专用测试设备

遥测遥控分系统是卫星在轨运行期间与地面交互的唯一通道，其功能和性能正确性直接影响卫星的在轨运行管理[14-15]，各个阶段都要进行测试。遥测与测控分系统专用测试设备(TT&C SCOE)由可程控的通用仪器(频谱仪、示波器、信号源、功率计等)和专用接口设备(接收机、发射机等)组成；通过天线或馈线与卫星通信，通过网络与OCOE连接，接收来自TCFEE发送的遥控信号，向TMFEE发送遥测信号。

主要测试内容包括：

(1) 遥测数据采集精度、数据格式和副载波测试；

(2) 遥控门限灵敏度测试；

(3) 遥控自检测试；

(4) 数据发送功能测试；

(5) 遥控大回路比对测试；

(6) 接收机/发射机供电、遥控、遥测接口检查；

(7) 发射机输出特性测试；

(8) 接收机特性测试；

(9) 测距功能测试；

(10) 测距门限灵敏度测试。