多航天器电气性能测试的协同动态调配法研究

杨 枫，任 亮

(1.南京航空航天大学航空宇航学院，江苏 南京 210016；2.中国空间技术研究院，北京 100094)

1 引言

空间站工程阶段载人航天器将迎来高密度研制和发射任务，AIT将存在高密度电测以及多艘载人航天器同时电测的新形势，在短时间内高效保质完成电测任务，是载人航天总体任务面临的新挑战。载人航天器系统总体设计设计面临个体化和多样化的需求，促使了新产品生命周期不断缩短、产品研发速度日益加快、设计复杂程度不断增加。而载人航天器电性能的设计是新型号AIT阶段过程中主要的环节之一，它的测试结果直接表现出整船产品的功能、结构和质量等因素[1]。一个大型的航天器有繁多的被测试单元及被测试参数。整个系统不仅规模巨大而且结构复杂，如果采用传统的串行测试方式，不但测试周期长，而且系统资源的利用效率低下，不能满足工程实际需要。

载人航天器针对复杂产品的测试设计过程具有流程多、设计周期长、偶然因素多等特点，迫切希望能在航天器测试设计过程中应用科学的方法对研发资源进行优化配置[2]。所以本文以复杂航天器电测设计过程建模和过程管理为研究对象，利用并且创新了多种先进设计理念和建模方法，并且应用在设计过程管理软件系统的实现方面。

2 基于开放式构架一体化测试系统

为实现多航天器联合电测，测试系统采用开放式构架，形成以总控系统为核心，由控制台统一执行操作的一体化管理控制模式，各分系统专用测试设备主机接受总控设备的统一控制和命令设置，并对其它分系统相关测试设备进行控制。该开放式测试系统采用高可靠性、高通用化、高集成度的软硬件构成柔性系统，可根据需求组合叠加，通过硬件设置和软件配置调整，即可实现单船、单器电测模式与船器联合电测模式之间的灵活转换。系统构建方案如下：

测试系统划分为服务区、前置区、操作/应用区三大组成部分如图1所示。其中服务区部署的总控后台数据中心系统为统一核心，负责网络通信、数据处理及存储、查询及判读服务支持、GPS校时等功能。为每一航天器配有一前置区负责与被测航天器的直接交互，包括供配电、指令上行发送、数据下行接收、总线仿真监视、动力学模型驱动等。为每一航天器配有一操作/应用区，提供控制台和数据监视/查询终端，供测试人员执行测试操作，以及测试数据访问。

图1 交会对接测试系统设计

单船、单器测试时，由服务区和一套与其对应的前置区、操作/应用区构成测试系统，对单一航天器实施电测；船器间多航天器联合电测时，以服务区为统一控制的枢纽，将每一航天器的前置区、操作/应用区通过信息流的实时融合，形成一体化的船器联合测试系统，航天器间则通过空空通信和对接总线交互，并由测试系统通过上行指令和下行遥测构成的大回路闭环控制形成一体，并通过服务区的GPS时统校时，实现统一时间基准下的全系统动态同步联动。

3 系统联动协同设计需求分析

载人航天器的电测项目有多学科协同设计过程的多样性、复杂性和动态性等特点，给整体系统的电性能设计过程管理带来了巨大的挑战，探寻一种能够建立合理的航天器电测多学科协同设计过程模型就更显重要。

利用数字化手段，实现航天器多学科协同设计：

1)建立航天器需求管理模式，通过建立统一的结构化需求模型，能够实现航天器需求有效管理图2所示，促进型号研制需求的规范化，确保各级需求和指标表述清晰、完整准确；通过各级需求间的关联关系，有效识别各层次需求间的相互耦合和影响关系，实现需求变更影响域的动态分析；需求与测试验证紧密关联，实现测试覆盖性分析与早期的验证规划；

图2 交会对接多航天器测试标准化体系建设

2)建立航天器功能设计模式，通过建立统一的航天器功能测试模型，将多份分散在文件中共同描述的系统状态和在少数设计师脑中的全局概念，通过功能模型清晰化描述；

3)建立航天器产品测试设计模式，开展测控、供配电等专业测试详细设计，形成贯穿整星信息系统设计全过程的测试设计模式；基于模型开展单机产品的机、电、磁等多学科协同设计，实现产品可靠性、可制造性、可测试性分析，实现快速迭代，支撑产品快速生产、集成及测试。

测试系统是指用以完成航天器测试的软件系统，由测试准备、测试设计、测试实施、测试结果评价等核心业务系统以及测试数据资源管理系统组成，如图3所示。

图3 测试并行设计过程分析

测试设施指的是用以完成航天器测试的底层软硬件资源，其载体为测试数据中心，由各类计算、存储、网络等硬件设备以及对这些硬件设备进行虚拟化管理的云计算中心软件组成。

4 载人航天器系统协同设计过程管理

载人航天器电测任务具有多学科协同设计过程的多样性、复杂性和动态性等特点，给综合测试系统的电性能设计过程管理带来了困难，研究一种能够建立合理的载人航天器电测多学科协同设计过程模型就更显重要[3-4]。

4.1 电测协同设计过程管理

载人航天器测试协同设计是载人航天器系统级总体设计环节中解决复杂单机、复杂分系统设计问题，完成各种大系统联试设计任务的一种重要和有效的设计方式。在这种研制模式下，航天器系统产品研发在数字化多用户系统协同支持下，经由多个设计主体共同开发完成航天器系统方案设计，航天器各个设计师间存在着迭代的设计信息协调情况，同时，设计者之间存在复杂的相互协调关系，这种关系影响和制约着相互的活动[5-6]。

4.2 并行测试策略及流程

当前，航天器体系化、批量化，通过多个航天器联合组成星座或组建空间站，实现更加强大的功能，成为一种发展趋势。航天器星座及空间站多星并行研制生产带来了多星并行综合测试的新课题[7]。

航天器是为完成某一特定空间任务而协同工作的多个航天器的集合。组成星座的航天器群具有主从关系，主节点航天器负责收集从节点航天器的遥测测量及数传信息传送至地面测控和应用系统[8-9]，同时负责接收地面系统的星座指令实现对星座航天器的控制和管理。

航天器电性能测试技术多星星座测试是从单星测试入手的，首先需要保证单星设备及接口的性和功能的正确性，才能进一步进行星座状态的建立，星并行状态主要适用于总装厂电测，其中“并行”的含义主要是指单星多个分系统交叉“并行”，用于提高测试人员和测试设备的利用率，进而提高测试效率，节省测试时间；单星串行状态主要适用于部分大型试验，这是由试验场地、试验设备以及试验性质所决定的，例如力学试验、EMC试验及磁试验均考察航天器独立工作时的性能，与星间状态无关；星座联试状态是真正验证多星组网工作的功能和性能，在总装厂电测、热试验及出厂测试时均存在。

4.3 电测协同设计过程规划及分解

4.3.1 测试并行设计过程规划

航天器电测并行设计过程规划是指航天器电测过程中，确定设计过程中各任务的执行顺序和各任务的执行时间，即任务开始时间和任务结束时间。电测并行设计中的任务顺序规划和具体执行时间安排的目的是使电测设计资源配置达到最优化和设计周期和设计成本达到综合最优。过程规划就意味着要抛弃传统串行设计模式中不符合并行设计要求的部分，图3给出了串行设计与并行设计模式的对比，从图中可以直观的看出，并行设计模式通过频繁的设计反馈、数据传输降低整体设计过程时间，可以看出规划电测设计流程，对提高设计效率与质量特别重要。

一般情况下设计流程的规划包括了四个步骤：并行设计流程的信息建模、并行设计任务分配与规划、减少设计任务之问的迭代、缩短设计时间。

4.3.2 任务分解技术方案

任务规划分解方法采用的测试资源配置与优化的基本思想，在航天器产品设计阶段设计师根据以往产品设计经验，综合考虑各种因素影响，分别对每种影响因素赋予一定的权值，通过计测试性指标的加权分配法算给出改航天器产品的测试集。接着根据初步设计的测试集进行航天器产品的测试性模型设计，通过测试性模型来验证该测试集是否完备，能否满足航天器产品的故障监测与诊断需求。然后再根据测试性指标的优化分配法对该产品的测试集进行优化，从而得出最小代价的产品测试集，最后再根据优化后的测试资源配置，修改产品的测试性设计模型，并进行验证。以上过程可以迭代进行。

4.3.3 电测协同设计过程算法

1)加权分配法

加权分配法是比较适用的方法，系统测试性能参数受众多因素影响，如故障发生频率、故障影响、维修级别的划分、MTR(平均修复时间)要求、以前类似产品测试性经验以及系统的构成及特性等。将每个影响因素按一定规则量化，依据每个 LRU(Line replaceable-unit)加权值占总加权值的比例求解分配值。其中，第i个LRU的加权系数

Ki=Ki1+Ki2+Ki3+Ki4+Ki5

(1)

式中

Ki1—故障率因子，故障率高的项目Ki1应取较大的值；

Ki2—故障影响因子，故障影响较大的项目Ki2应取较大的值；

Ki3—MTTR影响因子，一般来说，对于要求的MTTR值小的项目应取较大的值，

Ki4—实现故障检测与隔离的难易因子，容易实现的，取较大值；

Ki5—故障检测与隔离成本因子，实现故障检测与隔离成本低的，k取较大值。

2)优化分配方法

优化分配方法以某一目标函数为目标，求其最大或最小，可描述为

目标函数

(2)

约束为

(3)

式中

J=1，2，…，m；

n—单元数；

m—最大约束数；

Ci—与测试性有关的第i个资源或费用的最大允许值。

这里目标和约束都可以是线性或非线性的，且均为指标的单个函数，不允许含有指标的叉积。

5 测试任务的分配与冲突的解决

基于模型的航天器测试资源配置与优化在对系统进行建模后能分析出系统的测试性指标，但是多型号模型中的测试是理想的，即给定了测试资源的费用和时间后，算出的最优诊断策略。而实际情况中，对一个测试执行的测试资源往往是有多种，这就存在如何对测试资源合理配置问题，结合航天飞行器的使用过程，其测试和故障诊断能力不仅由局部的、先进的测试诊断设备和技术决定，还需要把构成飞行器系统诊断能力的所有因素进行综合集成，优化配置各种诊断资源，才能使系统总体的检测与诊断能力达到最佳。

基于模型的航天器测试资源配置与优化方法，采用TEAMS工具，建立被测对象模型，结合其系统的测试相关性矩阵、被测试单元发生故障的先验概率以及测试的费用和时间，建立以测试费用和时间的目标函数，利用多目标优化理论实现测试资源的优化配置，其关键技术有以下几种：

1)系统的测试相关性矩阵；

2)系统的测试资源，以及各个测试资源的费用和时间；

3)结合系统各个模块的故障先验概率与相关矩阵，构建测试资源的费用和时间函数；

4)选择合理算法实现测试资源费用和时间多目标的实现。

6 经验总结与未来展望

多航天器电性能测试协同设计是通过支持多航天器的资源共享方式实现任务的完成范围；通过协同性提高综合测试任务完成效率；通过资源优化配置增加任务完成可能性的一种理论体系。它的实质在于通过交换、共享相关测试项目设计的信息，提高测试设计过程决策的正确率、提高设计效率、减少迭代次数，最终降低产品研发周期[6]。根据航天器研制过程中协同设计中关注要素的不同，可以将协同设计分为流程协同和数据协同。流程协同主要强调设计过程中任务调度和数据安排，目标是通过设计流程管理和过程建模，使设计活动有序进行。数据协同是指对协同对象的数据共享和信息控制，它是过程协同的基础。

在载人航天测试设计不断走向效率化、信息化和智能化的背景下，结合现有的先进设计理念和适当的设计方法进行的过程建模相关技术，已经取得了一定成果。