基于柔性测试网络的在轨测试平台设计

宋海桥， 胡建平

(中国电子科技集团公司第十研究所， 四川 成都 610036)

0 引 言

在卫星发射后， 需利用在轨测试系统设备对卫星天线、 转发器、 信标等有效载荷以及卫星平台进行功能和性能指标在轨测试， 测试周期通常长达3～6个月[1]. 传统在轨测试方法以手工操作为主， 且需要跨单位、 跨区域协调人员和设备参与测试， 值班人员测试任务重， 压力大. 传统在轨测试系统的测试站与卫星地面站都同址建设， 使用测试电缆和波导构建测试链路， 只适用于短距离机房建设的场景， 且大多测试站在完成在轨测试后就废弃了， 存在建设成本高， 使用周期短的特点.

本文探讨的在轨测试系统具有如下特点： ①目标卫星载荷类别9种含70多类测试项目， 其中包括10多项耗时长的稳定度指标， 多个测试项目需测试几十个通道； ②为避免某转发器测试信号与卫星地面站天线场区内其他S频段测控系统发生干扰， 需本地卫星地面站与异址建设的测试站联合完成在轨测试任务； ③为延长设备使用寿命， 还要兼顾地面链路测试及任务频谱监视要求. 部分载荷的部分测试项目如表 1 所示.

表 1 部分载荷的部分测试项目列表Tab.1 Part test items list of some satellite payloads

本文探讨了采用新测试方法进行异址群时延测量， 对光传输链路应用进行了可行性验证， 并应用于在轨测试的微波信号传输； 设计了柔性测试网络用于各阶段的测试链路切换及并发测试要求； 进行了软件架构设计， 后端的服务端软件采用面向服务的软件架构， 测试客户端软件采用平台加插件的软件架构， 实现了设备可定义、 流程可定制、 测试项目可并发自动测试， 并有良好的可扩展性.

1 测试平台组成及工作原理

本文在轨测试系统由测试链路、 切换网络、 测试仪器、 计算机测试系统组成， 在卫星地面站和测试站的配合下， 完成卫星在轨测试和任务频谱监视等任务， 并兼顾对地面站射频链路指标测试， 其工作原理如图 1 所示.

图 1 在轨测试系统工作原理示意图Fig.1 Schematic diagram of in-orbit test system working principle

2 测试平台硬件设计

2.1 异址在轨测试群时延测量方法设计

目前， 卫星在轨测试中比较难于测量的参数主要为群时延. 群时延不仅决定了系统或网络信号传输时延的大小， 而且与信号传输失真性能密切相关， 是卫星通信、 航天测控等系统的一项主要技术指标[2].

群时延的传统测量方法主要有： 直接相位测量、 转换技术和包络延迟[3]. 矢量网络分析仪多采用直接相位测量方法， 但需配套混频器和振荡器才能在变频器上进行群延迟测量， 测试成本较高， 多用于地面链路指标测试. 转换技术应用范围窄且计算复杂， 很少使用. 包络延迟测试方法采用微波分析仪对在轨卫星转发器的群时延指标进行测试， 将信息加载到一个载波上形成一定带宽， 并解调计算当插入被测设备后有多少信息被延迟， 从而得出群时延指标[4].

由于卫星群时延测量的信号发端和接收端分别部署在相距数百公里的地面站和测试站， 采用基于FM调制的矢量信号源+频谱仪+示波器的测量， 或采用微波分析仪/矢量网络分析仪测量的测试方法等等， 都要求用同一台测试仪器产生和接收测试信号， 无法满足异址测试要求. 本文采用矢量信号源和矢量频谱仪(添加群时延选件)异地部署的多载波群时延测量方案， 利用矢量信号源可按需进行等孔径设置， 产生等幅度多音信号， 经星地链路后， 利用测量前已校准的矢量频谱仪接收下行信号， 可直接基于接收信号测量出各频点群时延.

2.2 光传输链路设计及可行性验证

2.2.1 光传输链路设计

为兼顾不同阶段指标测试要求， 测试仪器及测试链路部署有如下2种方案：

传统方案： 在测试站塔基房、 卫星地面站高频房、 设备机房分别部署矢量信号源和矢量频谱仪， 机房间采用波导进行传输， 根据机房间距离在波导传输链路中增加一级或两级放大器. 方案特点： ①存在结构设计压力大、 中间级放大器远距离供电有安全隐患、 放大器工作环境恶劣导致性能不稳定影响测量精度等缺点； ②需多点部署测试仪器， 测试仪器需求多.

本方案： 在设备机房部署矢量信号源和矢量频谱仪， 设备机房与塔基房、 高频房间通过模拟光传输链路进行信号传输. 方案特点： ①光传输具有长距离传输衰减小、 信号传输性能稳定、 引入测量误差小、 电磁兼容性好等性能， 能动态适应机房距离布局； ②设备机房部署一套测试仪器， 可灵活构建测试网络满足不同阶段的测试要求.

光纤传输有数字传输和模拟传输2种方式， 模拟传输有非线性失真小、 系统成本低的特点. 本文采用光模拟传输方式代替波导传输的技术方案实现了S/Ka频段信号传输. 时频、 时钟类信号在通过光纤传输时需要对光传输设备进行性能优化、 同步校正等处理， 目前已有成熟的设计方案和产品[5].

2.2.2 可行性验证

微波光传输链路设备已广泛应用于数传/测控信号传输和测控系统自动化测试链路， 但业界对光传输是否会影响在轨测试的群时延和相噪指标测量结果尚有质疑. 本文进行了单纯使用光传输链路、 单纯使用模拟转发器、 光传输链路+模拟转发器的群时延指标比对测试， 并对光传输链路进行了相噪指标测试， 与目标载荷的相噪指标进行了对比， 结果表明其可以满足在轨测试要求.

a) 群时延指标比对测试

使用光端机(带长度大于50 m光纤)作为测试链路设备， 卫星模拟转发器作为被测对象， 德国RS仪器公司的SMW200A型信号源和FSW43型频谱分析仪作为测量仪器.

光端机收发模组(含光纤)和卫星模拟转发器分别测量群时延特性， 测量结果如图 2 所示.

(a) 光端机收发模组

在卫星模拟转发器连接光端机收发模组(含光纤)条件下， 群时延测量结果如图 3 所示.

使用光传输链路设备接入模拟转发器， 对基于光传输的在轨测试链路验证. 验证实验表明， 基于光传输的多载波群时延测量值≤0.3 ns， 对在轨测试精度不引入附加影响， 可以满足测量精度1 ns的测量要求.

图 3 光端机+卫星模拟转发器群时延测量结果Fig.3 Group delay time test result of satellite simulate transponders and optical transmission link of 30 GHz and 20 GHz frequency point

b) 相噪指标测试

考虑到光传输链路可能会对传输信号的噪底产生附加影响， 故需要评估其相噪性能是否会恶化卫星载荷相噪指标， 影响指标测试结果. 本文采用传统的矢量网络分析仪进行光传输设备的相噪等指标测试， 地面光传输链路相噪测量结果如图 4 所示.

(a) 30 GHz

比较测试结果和载荷指标要求可知， 模拟光端传输链路相噪指标比卫星载荷的相噪指标低约20 dB， 可见光传输链路相噪不会影响卫星载荷的相噪指标测量.

2.3 柔性测试网络设计

测试网络设计首先要求确定测试接口和测试仪器的配置和性能， 并考虑测试链路的信号电平分配， 确保发射信号满足信号饱和点测试条件， 接收信号电平在频谱仪的测量范围内. 为了同时满足在轨测试和地面链路测试的要求， 各链路的测试接口设计如图 5 所示， 需覆盖到所有的上行和下行链路， 并确保所有射频测试接口都能连接到前端的射频开关矩阵， 中频测试接口连接到后端的测试开关矩阵.

图 5 在轨测试系统的测试接口设计

在进行指标测试前， 在信号发端需要完成地面发射链路的校准和发射信号的测量， 在信号接收端需完成接收链路的校准和接收信号测量. 不同指标的测试方法参照卫星有效载荷在轨测试方法的相关标准进行测试， 如三阶交调测试时， 可根据需要由矢量信号源发双音信号， 或由矢量信号源和射频信号源同时发上行信号， 功率计用于发射信号功率测量和接收信号功率校准.

射频测试信号通过射频测试链路逐一连接到前端的射频开关矩阵， 经光传输链路连接到后端开关矩阵， 中频信号接口连接到后端开关矩阵， 从而满足设备机房测试仪器对所有测试接口的信号注入或测量要求， 测试链路设计如图 6 所示， 完整覆盖在轨测试、 地面链路指标测试、 任务频谱监视的测试链路切换要求， 通过开关矩阵预留测试仪器备份接口， 支持补充测试仪器增加通道并发测试的能力.

图 6 在轨测试系统硬件架构示意图

3 测试平台软件架构设计

现代自动测试系统的发展方向是标准化、 模块化和系列化， 而标准的总线技术和软件技术是实现这“三化”的关键技术[6]. 比较成熟的自动化测试平台一般采用插件开发框架， 使系统开发具有更强的可扩展性； 插件是可独立完成某个或一系列功能的模块， 插件之间通过统一的接口即规范式的接口进行组合， 形成一个完整的系统[7].

计算机测试系统软件由服务端软件和测试客户端软件组成. 服务端软件采用面向服务体系架构(SOA)， 实现服务之间的松耦合， 且服务间接口通信不涉及到底层编程接口和通信模型， 可通过xml文件动态定义仪器设备. 测试客户端软件采用通用平台+插件架构， 主要功能如下所述.

通用平台的主要功能如下：

1) 实现系统基础、 核心的功能， 例如动态数据处理、 日志服务等；

2) 自动加载、 运行、 管理各个插件模块的功能；

3) 通过服务或事件的方式实现插件间的通信， 切断了模块之间的耦合， 插件开发时具体业务关联不大， 所有的软件配置项都是在该软件架构基础上， 开发各种业务功能插件；

4) 插件支持热插拔功能， 支持不关闭软件的条件下实现功能的扩展及升级. 提供可视化界面对插件进行管理.

插件的要求如下：

1) 各种功能模块和显示界面模块都是以插件的形式存在；

2) 插件必须遵循插件开发规范， 并以接口形式对外提供服务.

计算机测试系统采用分层式体系架构， 如图 7 所示. 应用层提供一体化界面展现， 并支持插件式动态加载； 业务服务层提供各类业务服务， 且服务可扩展， 并支持任务流程定制和自动化调度； 平台服务层提供基础服务支撑， 基础设施层提供系统运行必需的硬件基础. 系统可通过xml文件动态配置仪器设备， 定制并行流程， 提供并行测试扩展能力.

图 7 计算机测试系统软件层次结构图Fig.7 Software hiberarchy figure of compute test system

4 在轨测试流程

传统在轨测试任务通常是通过手动配置方式进行测试， 本系统可支持自动化流程执行在轨测试任务. 需要中心统一下发测试任务计划， 并由上级监控下发任务， 在卫星地面站和测试站的配合下完成测试， 系统测试任务自动化运行流程如图 8 所示. 由于每个指标的测试方法各有差异， 链路配置和具体测试流程会有差异， 可通过测试项目编号实现与测试流程的对应绑定， 并需先完成地面链路校准再进行指标测量. 不同测试项目的测试方法不同， 而具体测试方法已有相关的标准， 且相对成熟[8-10]， 限于篇幅不再展开描述.

图 8 在轨测试任务自动化运行流程图

5 结 论

本文探讨了利用矢量信号源与矢量频谱仪进行异址群时延测量的测试方法， 提出了在在轨测试系统中应用模拟光传输链路替代传统波导传输链路的设计思路， 并通过可行性试验验证这一方法可有效提升测试链路的信号稳定性和传输安全性， 可适应天线端与设备机房的距离变化； 设计了一种柔性测试网络， 可满足一套测试仪器同时进行在轨测试、 地面链路测试和任务频谱监视的多任务、 多模式自动化测试需求； 提出了面向服务的服务端软件设计和平台+插件的应用端软件架构， 可支持基于xml定义仪器设备、 系统流程定制、 多任务并行测试等能力， 提升了测试效率， 并具有良好的扩展性. 本文提出的设计思路及测试方法具有良好的测试性能和工程实用性， 可为多类卫星在轨测试或卫星地面站的收发链路指标测试提供设计参考.