智能化导航卫星地面测试系统研究

乔伟男 王亚宾 常景娜 徐冬 张军

摘  要：为保证导航卫星的可靠运行需要开展大量的测试工作，文章针对导航卫星的地面测试，开展了智能化导航卫星地面测试系统设计研究，主要应用于从卫星桌面联试到总装集成以及发射各个阶段的电气测试。解决了卫星测试周期短、测试类型多、测试任务重且并行实施的问题。实现了测试的集成化、智能化，以解决卫星型号研制人员紧缺、多星并行测试的现实情况。

关键词：综合测试;智能化;导航卫星

中图分类号：TN967.1      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0036-05

Abstract：In order to ensure the reliable operation of the navigation satellite，a lot of testing work is needed. In this paper，the design of intelligent navigation satellite ground test system is carried out for the ground test of navigation satellite，which is mainly applied to the electrical test of all stages from satellite desktop joint test to final assembly integration and launch. The problems of short test cycle，multiple test types，heavy test tasks and parallel implementation are solved. In order to solve the problem of shortage of satellite developers and multi satellite parallel test，the integration and intelligence of test are realized.

Keywords：comprehensive testing;intelligent;navigation satellite

0  引  言

北斗卫星导航系统是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，目前已完成最后一颗全球组网卫星的点火升空，为保障导航卫星的安全运营，地面测试至关重要[1-4]，本文针对MEO组网卫星研制工作，开展了智能化导航卫星地面测试系统的设计，应用于从卫星桌面联试到总装集成以及发射各个阶段的电气测试。实现不同类型地面综测系统设备的集成化、智能化，解决卫星型号研制人员紧缺、多星并行测试的现实情况。

本文设计的智能化导航卫星地面测试系统可实现在统一供配电条件下，同时对2颗卫星的单机、分系统和整星系统规定的性能和功能做全面的检测，支持包括桌面联试、整星集成测试、整星环境试验、发射场技术区综合测试、发射场塔架综合测试在内的各类测试。测试数据集中化。对于整星测试及试验阶段数据能够统一管理，对于在轨卫星遥测/遥控数据也能够导入到平台中，进行各项数据的集中分析。

1  系统方案设计

1.1  系统功能结构

智能化导航卫星地面测试系统结构主要分为底层支撑、基础服务、平台基础层以及上层应用[5]，每层的具体功能结构如图1所示。

1.1.1  底层支撑

系统支持目前主流的操作系统与数据库，具有良好的移植性和跨平台性，支持Linux、Windows等多种操作系统。支持Oracle（11 G或以上）、SQL Server等传统关系型数据库和Cassandra等非关系型数据库。通过关联数据库的应用配置，系统可根据各类数据自身的特点将其分别差异化地存储于数据库系统中，保证了各类数据管理的最优化。由于非关系型数据库具有易扩展等特性，后期增加或修改测试数据类型都会很容易，可以提升系統在数据库层架构上的可扩展能力。

1.1.2  基础服务

为系统的正常运行提供各类操作引擎和服务，如数据处理引擎、数据存储引擎、数据压缩引擎、数据判读引擎、数据查询引擎等各项基础服务与应用引擎。同时提供针对数据的建模引擎，保障了数据库模型、数据模型、应用模型等各类模型的构建与界面化的维护，保障系统后期需求扩展、功能扩展、业务扩展等多方面需要，提升系统的扩展性与灵活性。另外，系统还提供同第三方数据处理程序的接口服务，方便对测试数据进行更深入的挖掘和应用。

1.1.3  平台基础层

为系统的测试系统开展提供基础的管理支撑工具和基础配置支撑工具，主要包括基本的组织机构管理、人员权限管理、安全管理、日志管理等系统的基础管理功能;型号管理、测试项目管理和设备资源管理、遥测参数管理、测试用例管理、判读知识管理等，支持测试的基本信息管理功能;以及协议配置工具、数据建模工具、数据订阅工具、数据分发工具、数据解码工具和数据接收配置工具等保障数据交互的基础配置工具。

1.1.4  上层应用

用于用户系统的前端应用，包括了综合测试过程的管理、测试过程的自动化执行、测试过程控制、测试数据的监视、对测试数据和在轨数据的管理和查询应用、以及数据综合呈现等功能。同时，提供测试岗位管理实现对用户角色功能的划分与信息过滤，为每个登录系统用户提供相应工作界面、数据中心（数据查询、数据监视报警、数据判读等）、信息定位、统计视图等多样化管理界面，保障信息定位的准确性。

测试设备通过接口系统同前端各测试分系统进行连接，实现测试任务的规划、准备和执行控制;实现测试过程中对各分系统的控制和指令的发送以及测试数据的实时接收、显示和存储;实现在轨数据的解析、导入、存储;通过接口同第三方应用工具的集成，实现数据的回放、分析应用等功能，系统关系图如图2所示。

1.2  网络部署结构

在整星测试过程中，主要包括三部分内容：前端测试系统、控制显示终端、在轨数据管理。前端是分系统专用测试设备，主要包括：供配电、测控数传、控制、数管、热控等专用测试设备，负责为被测航天器提供能源、测控上下行信道、数传下行信道、总线采集通道以及控制模拟器等;后端为总控设备，通过对前端设备的集中管理实现整个综合测试过程，主要完成综合测试的数据管理、自动化测试以及全生命周期的信息化管理;服务端主要是支持整个测试过程的支持服务端，包括主测试服务器、数据订阅服务器、综合管理数据库服务器、地面测试数据库服务器和在轨数据库服务器等，所有系统和设备都通过测试网连接。系统支持多星的并行测试过程[6]，如图3所示。

在测试过程中，用户通过客户端进行各卫星的测试设计、测试过程规划和测试进度管理，协调控制测试过程。用户使用主控台对各星按照测试任务规划进行分别控制测试或同步测试，通过主测试系统进行测试用例和上行指令的自动化执行和发送、前端设备的控制管理、测试数据的处理接收等，实现多星地面测试的自动化执行;在测试过程中，系统对所有测试过程数据进行集中存储和管理，对所有测试数据进行分类压缩存储;用户通过订阅系统，使用客户端进行测试数据的显示和查看，以及测试后数据的查询及分析应用。

2  系统功能设计

2.1  基础信息管理

2.1.1  型号管理

所有的测试任务都是围绕型号展开，所有测试任务、测试过程管理、测试结果记录都是以型号为主线，因此在系统中需要对所承担的测试型号信息进行管理，通过型号再对参与人员的管理来控制型号测试过程中的操作权限。

2.1.2  设备资源管理

对测试过程中需要用到的所有设备资源和场地资源进行集中管理，主要包括测试仪器、测试板卡、电源、工具仪表等。系統能够对测试设备的信息、附件信息等进行管理，方便对所有设备资源进行集中掌握和控制，方便后期测试过程中设备资源的规划和调用，主要功能包括分类管理、信息维护、设备履历、标定管理等操作。设备资源管理应具备设备台账管理、设备套装管理、测试工位管理、信息维护、使用履历管理、标定管理、设备状态管理等功能。

2.1.3  遥测参数管理

遥测参数管理包括遥测参数基础信息管理、版本记录、签署发布、查询统计等管理。支持用户将已有的Excel参数表导入，支持参数表内容的修改和版本管理。同时支持将系统中的遥测参数、遥测指令、注入数据表等导出成Excel到本地。

通过对遥测参数、遥测指令、注入数据等在系统中的管理，方便后期进行数据解析存储、指令序列定义、数据判读设置等的配置工作调用。

2.2  综合测试过程管理

综合管理的核心功能在于测试任务从下达、设计、计划安排到实施、综合评估的整个过程。系统中提供整星综合测试管理模块，对整星测试过程中的测试项、测试用例、测试任务、测试进度安排和控制以及测试结果进行管理，可有效地对多星整星并行地面测试过程进行综合管控。

测试过程主要分为测试准备、测试执行和测试评估三个阶段。

（1）测试准备阶段，主要进行相关的测试设计工作，用户根据测试大纲、整星技术要求或相关的用户要求文档，设计生成对应的测试项目和测试用例、规划测试过程中参与的人员和使用的设备资源，然后按照相关测试大纲或技术要求，将一个或多个测试项组合形成测试任务和测试计划，根据测试技术规范设计制定测试流程;

（2）测试执行阶段，根据测试任务和测试流程设计，在前端测试程序中，能够从数据中获取需要执行的测试任务、测试项以及对应的测试用例，并通过用户的控制实现测试序列或指令序列的自动执行或手动发送，执行过程中系统自动记录测试过程信息以及测试数据。在测试执行过程中，相关的测试负责人可以通过测试进度管理、测试现场监控、日志管理等手段跟踪和控制测试进程;

（3）测试结束后进入测试评估阶段，通过测试评估工具，对测试任务的完成情况、测试项的覆盖情况、所发测试指令的覆盖情况进行整体评估，并生成测试评估报告，用户可以根据测试评估结果进一步完善测试设计，方便更有效地开展下一阶段的测试工作。

在系统中，以通用测试任务的概念提供完备的测试任务管理的功能，实现对测试过程中测试任务涉及的任务信息、参试人员、测试项、测试设备、所用测试用例、相关文档等信息的综合管理。同时对于并行测试的卫星多、测试任务量大、测试内容复杂、测试任务时间紧等特点，通过对测试任务的合理组织，以及对测试任务的监控实现了目前通用的测试过程管理体系。主要功能结构如图4所示。

系统提供测试设计功能模块，用户可以进行测试项管理、测试用例的创建和维护以及测试任务的创建和维护;测试流程计划模块对测试设计模块接收的测试任务、测试项目进行统筹安排，实现多星并行的层次化进度安排;测试进度管理模块，对测试流程在整个组织内的流动状况进行监视，并提供一系列的管理功能，实现安全性、过程控制和授权操作等方面的管理;技术状态管理负责随时记录系统中故障维修或者调整，同时进行星上设备管理、星上软件管理、星地接口管理;测试问题管理模块，能够记录测试过程中对出现的问题，当问题解决后相关负责人可以关闭该模块;在完成测试设计、测试进度安排、测试进度管理后，形成的一系列测试过程数据，以及和总控软件的重要数据同步，可以进行测试结果的综合评估。

3  智能化软件设计

智能测试是对智能化导航卫星地面测试系统的基本要求，也是系统设计的重点。从任务需求角度来说，系统的智能化主要体现在以下几个方面。

3.1  测试任务规划与调度

为满足多星、多级别、并行测试的任务要求，智能化导航卫星地面测试系统要求实现对测试依据文件、测试仿真数据、测试计划调度、测试流程信息、接口关系以及数字签名等文件进行版本管理，实现对测试需求变更的追踪管理。

3.2  自动化测试

自动化测试的要求是在满足测试需求的情况下，经过配置测试细则实现一键测试及相关报告的输出，因此，要求能够根据测试序列及判读结果、诊断结果，自动完成当前测试任务的测试序列，并输出测试报告，对异常数据给出故障诊断报警。

3.3  自动判读

自动判读是实现自动化测试和故障分析的基础，智能化导航卫星地面测试系统能够根据测试需求以及测试模型，自动生成与测试任务对应的自动判读模型，通过加载判读模型，可实现对测试数据的实时监测。同时，提供相关参数编辑、修改的接口。

自动判读建模主要分为两大部分：指令识别和判读规则提取。指令识别能够根据测试任务的指令序列识别到接口级的测试指令;判读规则提取主要是解析输入的判读信息，最后生成标准模型和误差模型。

标准模型用于对测试数据进行常规性判读;误差模型提供测试数据与预期结果比较的规则，比较的结果有两种：系统误差和产品故障。对于判定为系统误差的情况，平台自动进行多次测量并进行平均;对于判定为产品故障的情况，将判读结果输入到故障诊断软件中进行故障的初步诊断。

判读模型的自动生成依赖于知识库和测试模型的信息资源，如果自动生成的判读无法满足测试要求，智能化导航卫星地面测试系统提供手动建模工具。

3.4  故障诊断报警

故障诊断是满足卫星测试任务自动化测试的关键，智能化导航卫星地面测试系统能够根据测试需求以及测试模型，自动生成与测试任务对应的故障诊断策略，通过加载诊断策略模型，可实现对测试结果的故障诊断，为异常数据的处理和分析提供初步结论。同时，对异常数据可以定义不同的报警等级进行数据报警。

智能化导航卫星地面测试系统采用专家系统的方式，诊断模型的自动生成依赖于知识库诊断策略、测试模型和判读模型的信息资源。

3.5  测试报告自动生成

智能化导航卫星地面测试系统能够根据测试结果和判读结果自动生成指定模板的测试报告，同时根据预期测试结果与故障诊断结论自动生成诊断报告，并给出初步诊断结论。

4  系统界面设计

系统提供针对于整星地面综合测试系统监视过程中的数据实时监控显示功能，基于数据中心的订阅服务与数据分发服务，实现对数据原码显示与解码后数据的显示操作。提供对各分系统的工程遥测量信息的實时显示与综合呈现。

在整星地面测试过程中，为了更加直观地查看型号的测试运行状态，系统提供三维模拟显示方式，通过实际的测试数据驱动三维模型，模拟显示卫星在太空中的运行情况。同时支持根据在轨数据对运行场景进行回放和重现。

系统通过对卫星在轨运行场景的数据组织，根据外部驱动，结合航天动力学轨道模型，设置和更新场景状态，利用基础图形库，实现场景的可视化输出，直观地展示地面飞行控制所需的各类测控信息。卫星多星显示如图5所示。

用于对导入采集数据的判读操作，用户可根据预定义的参数判据，实现对测试数据进行智能化自动判读，事后判读管理页面如图6所示。通过调用数据库中测量参数的实测值，提取判读对应参数的判据信息进行比对，对数据超差或不符合规定的结论，针对不符合规定的参数以红色字体显示超差参数信息。

5  结  论

本文设计的智能化导航卫星地面测试系统具有测试任务并行化、测试过程智能化、测试接口标准化、测试数据集中化等特点，能够满足多颗卫星同时进行测试工作，平台具备扩展性，同时对于整个测试过程，系统可根据时间安排及设备状况给出合理化的任务安排，测试流程能够自动化执行，故障情况能够智能分析。本系统已被应用于多个型号的航天卫星的测试检验，很好地解决了导航批生产卫星研制周期短、测试类型多、测试任务重、并行实施的难题，大大减轻了测试人员压力。

参考文献：

[1] 何铭俊，洪雷，曹丽君，等.一体化小卫星综合测试系统的设计 [J].计算机测量与控制，2016，24（9）：15-18.

[2] 李培华，陈逢田，李立，等.小卫星测试技术发展与展望 [C]//航天东方红卫星有限公司，中国空间科学技术编辑部.2011小卫星技术交流会论文集，2011：1-9.

[3] 赵光权，徐犇，张毅刚.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.

[4] 曹晖，毕建峰.基于PXI总线的实时综合测试系统研究 [J].上海航天，2011，28（3）：64-68.

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

[6] 刘洋，李家琦，李宗德.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.

作者简介：乔伟男（1986.08—），男，汉族，吉林白城人，中级工程师一级，硕士，研究方向：卫星综合测试。