蔡遠文， 同 江， 姚靜波， 程 龍

（裝備學院 航天裝備系，北京101416）

航天技術的研究和發(fā)展都需要自動測試技術的定性、定量驗證和檢驗。因此，自動化測試技術水平在很大程度上決定了航天型號的整體水平，甚至關系到航天系統(tǒng)在戰(zhàn)時的生存問題，是保證現(xiàn)代裝備系統(tǒng)實際性能指標的極其重要的手段［1］。隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡通信技術、測試技術的飛速發(fā)展，航天各系統(tǒng)、設備的復雜程度日益提高，傳統(tǒng)測試模式的弊端逐漸暴露出來。我國從20世紀80年代開始針對運載火箭開展自動化測試系統(tǒng)的研制，但目前各型號運載火箭都有獨立的地面測試發(fā)射控制設備，通用性不強，加大了設備操作、檢修、維護的難度與費用，嚴重制約了發(fā)射場綜合測試能力的提高。進一步提高自動測試系統(tǒng)的結構通用性、儀器互換性、軟件移植性和系統(tǒng)之間的互操作性，提升測試裝備資源的利用率，關鍵在于對自動化測試系統(tǒng)的體系結構進行深入的研究，構建一種通用的、標準的測試系統(tǒng)體系結構。

1 目前我國航天自動測試體系結構

我國航天型號自動測試系統(tǒng)從20世紀80年代初開始研制至今主要經(jīng)歷了CAMAC（comput－er automated measurement and control）自 動 測試系統(tǒng)和VXI（VME bus eXtensions for instrumentation）自動測試系統(tǒng)2代。開發(fā)出的相應測試系統(tǒng)主要包括：衛(wèi)星控制系統(tǒng)、衛(wèi)星整星自動測試系統(tǒng)、遙測測試系統(tǒng)、運載火箭測試系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)等。目前，我國航天發(fā)射場已經(jīng)全面實現(xiàn)了遠距離測試發(fā)射控制［2］?；赩XI的遠距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 基于VXI的遠距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)結構

圖1中虛框內(nèi)為測試部分，主要以VXI總線測試設備為主體，包括主控計算機、光纖傳輸系統(tǒng)和VXI機柜，在主控計算機測試管理程序的控制下，完成箭上控制系統(tǒng)測試時自動供配電、箭上設備加激勵信號、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、飛行軟件裝訂及配合發(fā)射控制系統(tǒng)完成火箭的點火發(fā)射。由VXI儀器與計算機構成的集數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理為一體的網(wǎng)絡化系統(tǒng)，是當今航空、航天與自動化測試技術領域的主導系統(tǒng)。VXI測試體制主要利用VXI總線測試設備標準化、模塊化、互換性好的特點，來滿足我國的航天試驗測試任務要求。但它存在體積較大、可擴展能力有限、不具有自主產(chǎn)權等缺點。為彌補VXI體制的不足，提高測試設備國產(chǎn)化程度，探索能夠更好滿足我國航天發(fā)射場信息化建設的路子，經(jīng)多家科研院所的努力，現(xiàn)已研制出了功能集成度高、信息化程度高的新型國產(chǎn)測試系統(tǒng)，如CZ－XX系列運載火箭多路測試信息采集處理系統(tǒng)和新一代運載火箭數(shù)字化箭地信息檢測分析系統(tǒng)。

CZ－XX系列運載火箭多路測試信息采集處理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對運載火箭控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能進行監(jiān)測，實時顯示波形和記錄數(shù)據(jù)，現(xiàn)場進行數(shù)據(jù)分析，是我國CZ－XX系列運載火箭的“三化”地面設備核心產(chǎn)品［3－4］。自2003年來，在航天科技集團及某衛(wèi)星發(fā)射中心等單位開始工程應用，自動化程度高、數(shù)據(jù)存儲和分析處理能力強、可擴展性好、適應性強。新一代運載火箭數(shù)字化箭地信息檢測分析系統(tǒng)實現(xiàn)對新一代運載火箭箭上信息的多路并行采集、實時遠程傳輸、監(jiān)測處理、判讀分析以及信息的實時響應與分發(fā)。系統(tǒng)對箭上信息獲取全面（包括模擬信號、時序時串、脈沖計數(shù)等，完全取代了VXI），功能集成度高，體積小，成本低，將解決現(xiàn)有測試設備存在的很多問題。另外，系統(tǒng)具有強大的信息判讀分析功能，可為將來相關的智能信息化系統(tǒng)（如專家系統(tǒng)、設施信息綜合管理系統(tǒng)、遠程故障診斷系統(tǒng)、輔助決策系統(tǒng)等）提供支持。

2 國外先進自動測試系統(tǒng)體系結構

2.1 “NxTest”自動測試系統(tǒng)體系結構

從20世紀90年代中后期開始，在美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下，美國陸、海、空、海軍陸戰(zhàn)隊與工業(yè)界聯(lián)合開展命名為“NxTest”的下一代自動測試系統(tǒng)的研究工作，并于1996年提出了體系結構［5］，如圖2所示。

下一代自動測試系統(tǒng)研制，基于“開放系統(tǒng)”的設計思想，首先規(guī)劃自動測試系統(tǒng)嚴格的外部和內(nèi)部接口，采用開放的商業(yè)標準和事實標準，確定自動測試系統(tǒng)體系結構，在該體系結構框架下開發(fā)若干演示、驗證系統(tǒng)，最終將下一代自動測試系統(tǒng)的設計思想和技術用于延長過時系統(tǒng)的壽命和開發(fā)新的系統(tǒng)。該體系結構可以方便地實現(xiàn)信息共享和交互，能滿足測試系統(tǒng)組件間、不同測試系統(tǒng)間、測試系統(tǒng)與外部環(huán)境間信息的共享和無縫交互能力［6］。從圖2可以看出，下一代自動測試系統(tǒng)體系結構主要包括2個標準框架和1個協(xié)議：①基于VPP（VXI plug＆play）的測試系統(tǒng)儀器接口和服務接口框架；②基于IEEE P1226 ABBET（a broad－based environment for test）的測試信息交換框架；③在構成分布式網(wǎng)絡綜合測試系統(tǒng)時遵循TCP／IP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議。下一代自動測試系統(tǒng)涉及的主要關鍵技術包括并行測試技術、合成儀器技術、公共測試接口、測試軟件開發(fā)技術（軟件體系結構與ABBET標準、儀器可互換技術與IVI系列規(guī)范、TPS可移植與互操作技術、AI－ESTATE標準與ATML）。

圖2 NxTest自動測試系統(tǒng)體系結構框圖

2.2 LXI和“AXLe”測試體系結構

2.2.1 LXI測試體制

LXI（LAN eXtentions for instrumentation）是基于著名的工業(yè)標準以太網(wǎng)（ethernet）技術，擴展了儀器需要的語言、命令和協(xié)議等內(nèi)容。它集合了4種總線的優(yōu)點：GPIB的高性能，VXI、PXI的小尺寸和LAN的高吞吐率特性。它是2004年出現(xiàn)的新型儀器總線規(guī)范，符合下一代自動測試系統(tǒng)體系結構標準。

LXI測試系統(tǒng)主要有如下特點：①高精度的時鐘同步能力，采用IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議，使不同測試點之間的同步精度可以達到亞微秒級甚至于納秒級，比VXI毫秒級的精度有很大程度的提高；②網(wǎng)絡化的測試模式，針對測發(fā)設備種類繁多、位置分布比較分散的特點，非常適合于組建網(wǎng)絡化分布式測試系統(tǒng)；③強大的兼容性，我國發(fā)射場發(fā)展至今，形成了多套、多類型的地面測試設備，LXI可以把現(xiàn)有的總線測試設備都容納進來，提高測試效率，節(jié)約測試資源。

2.2.2 AXLe測試體制

2009年11月，安捷倫科技有限公司、艾法斯公司和Test Evolution公司聯(lián)合成立了AXIe（the advancedTCA extensions for instrumentation）聯(lián)盟，旨在開發(fā)和推廣AXIe系列標準。2010年6月，AXIe聯(lián)盟發(fā)布了AXIe 1.0基礎體系結構標準和AXIe 3.1半導體測試擴展技術。

AXIe是一種分層體系結構，建立在AdvancedTCA（telecom computing architecture）標準（PICMG 3.0和3.4）的基礎上，可提供大型電路板、LAN、PCIe和系統(tǒng)管理等特性［7］。AXIe能夠充分地利用機架空間，提供更高的性能、更強大的可擴展性、更出色的模塊性和靈活性，可輕松與PXI、LXI和IVI進行集成并顯著減少開發(fā)和部件的成本。AXIe包 括PCIe（PCI express）和LAN2種接口，是LXI和PXI標準的最佳補充。AXIe測試體系結構如圖3所示。

圖3 AXIe體系結構

3 基于先進混合總線技術的航天測試體系結構

3.1 硬件體系結構

基于先進混合總線技術的航天測試體系結構采用C／S（client／sever）和B／S（browser／sever）混合架構，基于LXI、PXI和CPCI等總線型儀器構建網(wǎng)絡化分布式測試系統(tǒng)。系統(tǒng)主要分為2個部分：測試過程和測試信息利用。測試過程主要完成數(shù)據(jù)采集功能，包括：激勵源、被測單元、測試系統(tǒng)、服務器；測試信息的綜合利用主要包括故障診斷和遠程信息瀏覽、查詢等。測試系統(tǒng)主要由主控計算機、測試客戶端、接口適配器、測量模塊（LXI、CPCI等總線型儀器）、時鐘同步觸發(fā)模塊、故障診斷模塊、信號隔離與調(diào)理模塊、瀏覽器端等組成。系統(tǒng)硬件體系結構如圖4所示［8－14］。

C／S模式部分主要由主控計算機、測量設備等組成。主要完成被測單元信號的采集、傳輸、存儲、分析等工作，采用TCP／IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。B／S模式部分主要由主控計算機、瀏覽器端、遠程監(jiān)測和診斷設備等組成。主要完成測量數(shù)據(jù)的本地或遠程瀏覽、測試過程的遠程控制、測量結果發(fā)布、故障診斷等功能，該模式采用HTTP協(xié)議。

圖4 基于先進混合總線的航天測試系統(tǒng)硬件體系結構

3.2 軟件體系結構

軟件體系結構建模是研究航天自動測試系統(tǒng)軟件體系結構的重要手段和方法。根據(jù)建模的側重點不同，軟件體系結構模型主要分為4種：結構模型、框架模型、過程模型和功能模型。本文將通過構建基于先進混合總線的航天自動測試系統(tǒng)框架模型和功能模型來研究其軟件體系結構。

基于先進混合總線的航天自動測試系統(tǒng)軟件體系結構框架模型如圖5所示。該模型將借鑒國際上先進的ABBET標準，將測試軟件分為設備描述層、測試策略和需求層、測試程序層、測試資源管理層和儀器控制層5個層次，采用IEEE1641標準建立測試資源模型［15］。通過建立虛擬資源向真實資源的映射機制，實現(xiàn)TPS在不同配置的測試系統(tǒng)上運行，從而實現(xiàn)測試軟件與測試系統(tǒng)硬件、軟件運行平臺的無關性，達到測試軟件可移植、重用與互操作的目的。

圖5 先進混合總線測試系統(tǒng)軟件體系結構框架模型

基于先進混合總線的航天自動測試系統(tǒng)軟件體系結構功能模型主要包括5個功能模塊：用戶管理、測試管理、數(shù)據(jù)管理、故障診斷和時鐘同步管理。

4 主要關鍵技術分析

4.1 測試系統(tǒng)軟件建模與分析方法研究

航天自動測試系統(tǒng)測試軟件的質(zhì)量直接關系到航天測試任務能否順利地完成。為了提高這些軟件以及系統(tǒng)的復用性、可維護性、可擴展性，借助建模語言和工具對軟件的結構進行分析已成為提高軟件質(zhì)量的重要技術手段。UML具有在自動測試系統(tǒng)形式化描述方面的優(yōu)勢，但UML本身不具備對所構建模型的分析與驗證能力。而Petri網(wǎng)以其嚴格的數(shù)學基礎支持模型的分析驗證和優(yōu)化，可以為描述和研究復雜系統(tǒng)提供強有力的分析手段。因此，使用UML和Petri網(wǎng)模型相結合的方法，對航天自動測試系統(tǒng)軟件進行建模與分析，可以有效地提高系統(tǒng)測試軟件的質(zhì)量。首先，通過構建系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)UML模型對系統(tǒng)進行描述；然后，根據(jù)模型轉換規(guī)則，將UML動態(tài)模型（狀態(tài)圖和活動圖）轉化成相應的Petri網(wǎng)模型，并對其活性、有界性、可逆性等性質(zhì)進行分析。

4.2 測試資源配置優(yōu)化方法研究

隨著測試技術的不斷發(fā)展，航天自動測試系統(tǒng)可選的測試資源種類不斷豐富，系統(tǒng)組建的靈活性大大增加，這就為測試資源和路徑提供了許多選擇。另外，由于應急測試發(fā)射任務的需求，對于目前的航天測試模式提出了很大的挑戰(zhàn)，并行測試技術的引入勢在必行。因此，測試資源的最佳配置問題就成為組建航天自動測試系統(tǒng)的關鍵問題。即在滿足測試時序約束的條件下，對多個并發(fā)執(zhí)行的測試任務分配有限的測試資源，從而使測試時間與測試精度達到最優(yōu)。通過研究可以實現(xiàn)測試資源優(yōu)化配置，提高測試效率。首先，建立航天自動測試系統(tǒng)任務調(diào)度問題的數(shù)學描述，對航天測試任務分解策略和影響任務調(diào)度質(zhì)量的因素進行分析；其次，建立基于賦時Petri網(wǎng)的航天自動測試系統(tǒng)并行測試任務調(diào)度模型，在測試資源已知的條件下，以測試時間最短、測量精度最優(yōu)等指標為測試任務調(diào)度目標，通過相關智能算法得出時間最優(yōu)測試序列，實現(xiàn)測試資源最優(yōu)配置。

4.3 測試系統(tǒng)時鐘同步技術研究

高精度的時鐘同步能力是保證測試結果完整性和有效性的重要手段。基于先進混合總線技術的航天自動測試系統(tǒng)將采用分布式、網(wǎng)絡化的測試方案，解決監(jiān)測點多而且分散在不同測試場所的問題。測試儀器種類多（如LXI、VXI、CPCI總線儀器等），各測試節(jié)點之間通過網(wǎng)絡連接在一起。如何統(tǒng)一各個測試節(jié)點之間的時鐘，保證測試過程的時序一致性，就成為航天自動測試系統(tǒng)研究的一個關鍵問題。因此，引入IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議勢在必行。首先，研究IEEE1588協(xié)議的體系結構和同步原理，深入分析影響IEEE1588精確時鐘同步協(xié)議精度的主要因素，并給出了相應的提高方法；其次，提出基于IEEE1588協(xié)議的航天自動測試系統(tǒng)時鐘同步方案，對不支持IEEE1588協(xié)議的設備，通過增加時間戳模塊實現(xiàn)對該協(xié)議的支持；最后，通過實驗和仿真驗證系統(tǒng)的同步精度。

5 結 束 語

隨著我國航天發(fā)射場信息化建設的不斷推進，以及我國應急發(fā)射任務的迫切需求，傳統(tǒng)的航天測試模式已經(jīng)明顯不能滿足航天任務在快速性、可靠性和高自動化程度等方面的需求，測試新技術、新體系的引入勢在必行。本文在深入分析了我國目前航天測試技術現(xiàn)狀的基礎之上，結合國際上正在開展的“NxTest”和“AXLe”2種體系結構研究，提出了一種基于先進混合總線的航天測試體系結構，分析了該結構涉及的主要關鍵技術。該研究將對于構建更加快速、通用、高效的航天自動測試系統(tǒng)具有一定的理論參考價值和實踐借鑒意義。

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