一种卫星供配电快速重组测试系统设计

封硕 杨宏宇 胡琳 齐天乐 杜剑波

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

卫星供配电测试系统是卫星地面电气支持设备中的重要一环，在地面测试的全周期过程中负责完成卫星系统级加断电、脱插脱落控制、分系统级配电控制、充放电测试控制等功能，并实时检测卫星反馈的自身供电健康状态[1-3]。

不同卫星在供电通路、信号类型及数量，以及星地接口等方面要求不同，对供配电地面测试系统的需求存在或多或少的差异。目前，国内大部分卫星供配电测试系统是针对特定卫星或特定系列卫星进行专用设计[4-5]。因此，专用设备的通用化程度不高，造成重复利用率低，还会带来研制周期长、投入成本高等问题，这些都已经成为研制过程中亟待解决的问题。

针对以上问题，本文对供配电测试系统采用增强模块内聚性和模块间松散性的设计原则[6-7]，将卫星供配电测试系统的多单机专用设备按照功能性进行分类提炼，通过通用模块化定型设计，将设备层面的专用化转换为模块层面的通用化，同时优化供配电前端软件的通用化设计[8-9]，尽可能由软件来替代以往硬件完成的功能，在优化缩减系统繁琐架构的同时提高系统的集成化程度和复用性，增强系统模块层面在不同卫星之间的通用性，使系统具备快速重组的能力。

1 系统设计

以卫星传统的供配电测试系统为例，因不同卫星的技术状态存在差异，导致星地接口及配置不通用，为了满足差异化的技术状态要求，一般进行专用设备定制，系统通常包括多通道采集控制设备、太阳电池阵模拟器(SAS)配电器、直流电源配电器、信号适配器、系统电源箱、警示灯控制器等设备，如图1所示。专用设备体积庞大，集成在同一机柜，约占23U以上，为地面设备首次集成或转场运输后再集成时快速完成重组带来了很大的困难。另外，由于采用专用化设计，可拓展性差，复用程度低。当卫星任务更迭时，测试系统不具备快速重组能力，需要对地面系统进行改造甚至要重新投产。在供配电测试系统中，SAS及集中电源具有较强的专用性，不在本文讨论范围。

供配电前端软件完成对卫星的供电控制、有线指令发送、状态信号采集等功能，并通过测试网与总控设备(OCOE)实现数据交互。定制化的硬件系统开放性、灵活性有限，导致软件通常采用针对硬件设备功能和接口的定制编写，对开展软件的快速构建具有很大的局限性，并且使软件的开发占用更多的人力资源。

为解决上述问题，本文提出一种建立硬件功能板卡、软件数据流模块、匹配规则库的设计方式(如图2所示)。用户可根据卫星需求自由选配不同功能类型的板卡组成信号调理器，定制少量专用转接电缆，即可完成硬件系统快速重组，并且通过软件建立数据流模块，灵活匹配规则库实现对整个测试系统的快速重组，以适应具体卫星的通路匹配和满足输出特性的测试需求。

图1 传统供配电测试系统Fig.1 Traditional test system for power supply

图2 供配电快速重组测试系统Fig.2 Rapid recombination test system for power supply

1.1 硬件系统

为提高卫星供配电测试系统的复用程度，节省设备研制经费，减少研制周期，实现系统快速重组能力，将供配电测试系统按照功能模块化思路设计。对各单机设备进行切割剥离，梳理供配电系统信号需求，根据信号功能特点分类并设计为印制电路功能板卡(PCB)形式，如配电功能板卡、控制功能板卡、测量功能板卡、分离脱落功能板卡、电源板卡。硬件系统结构如图3所示，设备使用的所有功能板卡基于统一的机械和电气规则进行模块化设计，设备可根据需求通过匹配功能板实现功能组合。硬件结构采用主机-总线-功能板卡的形式，各功能板通过紧凑型总线接口(CPCI)接入母板上的总线，实现原有定制设备的通用化设计。

图3 硬件系统通用化结构

面向“星上设备统一”状态下的基本测试需求，配置1个测量功能板卡、1个控制功能板卡、1个电源板卡，即满足卫星基本测试准入条件。面向通用测试需求，通过板卡槽位还可以扩展除上述基本配置以外的5块板卡，因此，该硬件系统最大包络8块板卡槽，通过各功能板卡的扩展和组合满足未来不同卫星的测试需求。目前，各类功能板卡基本满足当前多领域卫星的使用需求，如表1所示；若不满足，可根据卫星具体要求作板卡定制化设计。各模块的功能关系以控制板卡、测量板卡为例，如图4和图5所示。

表1 供配电测试系统模块型谱

图4 控制板卡功能关系Fig.4 Control board card function relation

图5 测量板卡功能关系Fig.5 Measure board card function relation

转接电缆和背板连接如图6所示，配置机柜背板，通过电缆将矩形电连接器转接为通用Y2型电连接器。背板使用的转接电缆可依据各功能板卡对外接口定义与测试系统机柜背板接口定义进行研制，此过程已简化了插头数量和类型。只要按照测试需求配备对应功能数量的板卡及适配转接电缆，即可取代传统模式下整个链路研制专用电缆的方法，实现快速重组。

图6 硬件系统电缆转接示意

通过上述对硬件系统的优化设计，减少系统内冗余单机，内部各功能板卡之间交互接口更加清晰。从传统模式转变为更换适配部分功能板卡的模式，有效缩短研制周期，使卫星供配电测试系统的硬件部分具备快速重组能力。同时，相对于传统供配电测试系统，单模块具有可批产、易备份、系统成本低的优势。

1.2 软件系统

在传统卫星供配电前端软件中，硬件设备差异化设计造成软件不同开发环境，使实现方法差异较大；另外，软件对主程序的依赖性高，造成程序可移植性差，无法实现测试系统复用的快速重组。为使软件系统具有通用性、可扩展与可维护性，实现快速重组能力，软件中对测试资源进行建模(测试资源通常指完成测试任务使用的测试仪器)，通过模块化实现不同卫星之间的沿用与复用，简化软件的开发过程，延长软件生命周期，为后期进一步模块化奠定坚实基础。软件系统各模块之间的结构关系如图7所示，分别配置7个模块。①设备管理模块，完成卫星供配电测试系统所需硬件设备的配置管理。②任务管理模块，完成供、断电控制及状态设置等。③数据管理模块，完成对星上有线状态及有线测试设备状态的测量。④界面管理模块，实时显示供配电设备的状态及星上有线状态。⑤测试执行功能模块，完成指令设置及执行。⑥网络功能模块，完成与设备及总控网络之间的信息交互。⑦辅助功能模块，完成软件及硬件初始状态检测及运行环境检测与报警。

图7 软件系统各模块结构Fig.7 Software system internal module structure

本文从数据流与模块化设计的角度分析，使整个软件系统具有良好的模块层次结构。模块的接口包括输入输出数据，输入控制信号和输出状态信号。在软件系统中，模拟量和状态量的测量实现了对数据采集设备的读取功能，产生输入数据流；指令发送实现了对数据采集设备的写入功能，实现对硬件设备参数设置及指令的控制，产生输出数据流。通过输入输出数据流的界定，形成功能相对独立、结构清晰、接口简单的模块，降低了程序设计的复杂性，易于维护和功能扩充。

软件系统需要将采集的不同数据进行公式处理，转换为可读数据，以便监视判读。由于不同卫星对信号处理的差异化要求，数据采集通道定义不同，导致各通道无法实现规则统一。为解决这一问题，软件系统打破固定通道绑定固定参数的传统设计思路，将处理方式类别化，建立数据处理通用规则库，按照其在规则库中的定义号，通过调用的方式简单配置即可完成数据采集处理功能。该设计能为实现测试软件可移植性与测试仪器互换性提供可靠依据，进而实现软件系统的通用性，缩短开发周期。

2 工程应用

采用快速重组的卫星供配电测试系统在工程中进行应用，在卫星1任务结束后，为适用卫星2的技术状态，对测试系统进行迭代适应性改造。硬件系统方面，分析需求差异，在继承卫星1的基础上，调整部分功能板卡类别及数量，取代整机设备投产，详见表2。对于信号数量及通道的变化，快速重组硬件系统各功能模块最大包络，通过调整软件信号通道，映射匹配通用规则库，满足卫星2的需求变化。

表2 硬件系统适应性修改

软件系统方面，首先通过表2梳理卫星1和卫星2之间信号类型及数量的差异。由于硬件新增集中配电板卡，软件根据数据流的变化，仅需要调整软件中设备管理模块及任务管理模块；对于两星之间接点通道的变化，识别出各通道的使用规则，通过映射通用规则库实现软件信号快速匹配，避免对软件主程序框架进行调整和修改。软件系统适应性修改详见图8。

图8 软件系统适应性修改

(1)集成小型化、通用化程度高。采用快速重组的供配电测试系统，在实现基本功能的同时较大程度地缩减了系统体积，减少了接插件及设备间电缆的规模，简化了系统设计，集成化程度高，易于运输。以某遥感卫星为例，该系统与传统供配电测试系统的优化比对情况见表3。

表3 系统优化效果比对1

(2)成本控制低,研制周期短。采用快速重组的供配电测试系统,在系统的模块化、通用化、小型化、轻便化方面克服了传统系统的不足，更解决了传统系统面临的研发成本较高、研制周期长、搭建周期长、系统复用率低等问题。表4为2种测试系统的优化对比情况，通过分析得出，研制周期节省45天，集成周期节省4天，并且在硬件方面做到了成本有效控制。

表4 测试系统优化效果比对2

3 结束语

本文设计了一种快速重组的供配电测试系统，提高了系统的通用化程度和复用率；简化了繁琐的多机配置及连接关系，能提高系统容错率；同时，系统体积减小，更加便于开展转运集成等工作。在成本和研制周期方面，该系统也大大缩短研制周期和降低成本，适应当前卫星工程的发展方向。快速重组的供配电测试系统已在部分卫星研制中应用，效果明显。