高 括，劉會杰，劉 磊，楊杰峰，張 銘，潘小彤

(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203；2.中國科學院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201203)

0 引言

隨著小衛(wèi)星大規(guī)模組網(wǎng)應用的不斷增多，傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星地面測試系統(tǒng)已不能滿足批量化、并行測試的需求[1]。衛(wèi)星數(shù)量增多、測試要求逐步提高，測試步驟繁瑣、測試時間緊張。傳統(tǒng)衛(wèi)星測試過程，各個測試環(huán)節(jié)均需人工操作，效率低下，測試系統(tǒng)集成度低，手動測試操作復雜，數(shù)據(jù)記錄難度高，測試記錄準確度低，測試耗費時間長[2-5]。因此，迫切需要研究一套自動化程度較高的多星并行自動化測試系統(tǒng)，同時支持多顆星的流水化測試。

國外現(xiàn)狀：衛(wèi)星總裝、測試與試驗AIT(assembly integration &test)是衛(wèi)星研制過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。國外快速AIT已發(fā)展多年且頗具成效，已逐漸由試驗驗證向?qū)嶋H應用轉(zhuǎn)變，具有代表性的是針對 美國“快速響應太空”(ORS)計劃的快速AIT[6]。

1996年，在美國國防部自動測試系統(tǒng)執(zhí)行局(DOD ATS EAO)的協(xié)調(diào)下，美軍與工業(yè)界聯(lián)合提出了下一代自動測試系統(tǒng)Nx-Test的體系結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星并行測試技術(shù)被列為關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。

國內(nèi)現(xiàn)狀：當前,國內(nèi)幾家衛(wèi)星總體單位都承擔過了某些星座模式衛(wèi)星的研制任務(wù)，雖然有些任務(wù)組網(wǎng)衛(wèi)星總的數(shù)量多，但在研制計劃上并行研制的衛(wèi)星數(shù)量不多。目前國內(nèi)衛(wèi)星測試現(xiàn)狀：

1)不具備流水作業(yè)的測試模式，單機、分系統(tǒng)、整星均在相同桌面上串行測試；

2)不具備整星級多星并行測試的能力，自動化程度普遍較低。目前測試系統(tǒng)軟件僅僅局限于單星或多星串行測試，還不具備多星并行自動化測試的能力，無法完成衛(wèi)星快速自動化測試[8-9]。

1 體系設(shè)計

1.1 批量衛(wèi)星流水并行測試系統(tǒng)的組成

為滿足批產(chǎn)衛(wèi)星流水并行測試需求，為測試提供方便、可靠的服務(wù)，批量衛(wèi)星流水并行測試硬件系統(tǒng)分為綜合測試間、單機桌面聯(lián)試區(qū)、裝星區(qū)、模飛區(qū)、磁試驗區(qū)、EMC試驗區(qū)、熱試驗區(qū)、力學試驗區(qū)、老練及貯存區(qū)以及UPS供電系統(tǒng)等部分，各部分內(nèi)部設(shè)備通過局域網(wǎng)交換機連接在一起，交換機之間通過以太網(wǎng)連接，距離較遠的跨區(qū)連接采用的光纖連接，并且每個衛(wèi)星操作區(qū)域均配備了至少一個語音調(diào)度工位。批量衛(wèi)星AIT各階段并行連接總體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示[10-11]。

圖1 批量衛(wèi)星AIT各階段并行連接總圖

批產(chǎn)衛(wèi)星流水并行測試軟件系統(tǒng)主要由主控中心、測試控制臺模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊、自動判讀顯示模塊、查詢分析模塊、通用測控前端軟件以及星務(wù)前端模塊組成。每一個模塊都包含配套軟件和硬件，7部分的軟件相互配合，共同組成“多星并行化測試系統(tǒng)軟件”。除此之外還需要多星并行化測試硬件設(shè)備系統(tǒng)、GPS地面校時系統(tǒng)、能源安全保障系統(tǒng)等其他設(shè)備的支持。

批量衛(wèi)星流水自動化測試的一般過程包括任務(wù)提出、測試序列生成、序列執(zhí)行和結(jié)果分析4個階段，將測試序列部分或整體傳入被測對象，執(zhí)行后將實測結(jié)果和理論結(jié)果進行比較，給出最終測試的結(jié)論，批量衛(wèi)星流水自動化測試過程如圖 2所示。

圖2 批量衛(wèi)星流水自動化測試過程示意圖

批量衛(wèi)星流水自動化測試軟件系統(tǒng)包括基礎(chǔ)測試用例庫管理模塊、測試任務(wù)特征提取模塊、測試序列管理模塊、結(jié)果分析模塊4部分組成。

基礎(chǔ)測試用例庫管理模塊主要是存儲衛(wèi)星測試基本用例，是測試系統(tǒng)實現(xiàn)自學習的基礎(chǔ)，在測試過程中會一直不間斷地補充完善基礎(chǔ)測試用例庫。

測試任務(wù)特征提取模塊用于對測試任務(wù)做一些必要的處理，即測試任務(wù)預處理，預處理過程對測試任務(wù)進行一次大致的篩選，并將篩選的結(jié)果作為測試任務(wù)的待選特征集合。

測試序列管理模塊，根據(jù)單元模塊的測試時間和復雜度不同，結(jié)合序列優(yōu)化方法，自動生成測試主機或者衛(wèi)星中心計算機識別的可執(zhí)行測試序列。

結(jié)果分析模塊包括指令執(zhí)行結(jié)果的自動化判讀，測試數(shù)據(jù)的自動監(jiān)視、故障診斷報警以及生成實測與理論對比報告4個部分。

1.2 批量衛(wèi)星并行化任務(wù)管理與調(diào)度

1)系統(tǒng)支持人機交互界面操作制定測試計劃；

2)系統(tǒng)支持自動按照測試序列順序執(zhí)行測試任務(wù)；

3)調(diào)度有限測試資源的共享和并行測試，并避免資源沖突，優(yōu)化測試效率。

批量衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)，以單星測試系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴展為可多星并行測試的開放式系統(tǒng)；另外，對數(shù)據(jù)的管理和監(jiān)視顯示增加了系統(tǒng)的開放性和兼容性，信息交互良好，數(shù)據(jù)協(xié)議一致，集中判讀和處理為衛(wèi)星聯(lián)合判讀和分析提供平臺。

批量測試自動化系統(tǒng)的研究體系，以系統(tǒng)改進和搭建為核心，并行化的管理和調(diào)度為資源調(diào)度保障，多星測試產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的處理是系統(tǒng)改進和測試的最終分析對象，使多星測試和單星測試的測試手段一樣更加便捷。批量衛(wèi)星并行化任務(wù)管理與調(diào)度體系如圖 3所示。

圖3 批量衛(wèi)星并行化任務(wù)管理與調(diào)度體系

1.3 衛(wèi)星分級并行流水自動化測試

在衛(wèi)星組批研制過程中，每臺衛(wèi)星單機交付驗收以后，需要在測試廠房相應的單機工位上進行功能測試，完成測試后進行單機的接口對接測試。在單機功能狀態(tài)正常的情況下，接入分系統(tǒng)測試環(huán)境，進行分系統(tǒng)的功能及性能的驗證。完成驗證的分系統(tǒng)進入整星的測試工位或整星的裝配環(huán)節(jié)。單機、分系統(tǒng)及整星三層測試環(huán)節(jié)逐級遞進、相互獨立、互不干涉、流水作業(yè)，并采用并行自動化測試方法，從而保障組批研制星并行研制的測試需求。組批衛(wèi)星分級并行測試流程如圖4所示。

圖4 衛(wèi)星分級并行測試系統(tǒng)流程示意圖

1.3.1 批量衛(wèi)星單機級自動化測試

單機級自動化流水測試以測控單機為例，測控單機指標驗收自動化測試系統(tǒng)主要用于分系統(tǒng)單機交付時的驗收測試,測試指標包括遙控誤碼率、遙測誤碼率、下行載波頻率精度、下行載波頻率穩(wěn)定度、輸出功率、下行載波抑制度、帶外雜波抑制、頻譜對稱性、下行信道功率比、捕獲門限測試、捕獲時間測試、閃斷重捕時間測試、上行信號功率比測試等。因測控單機指標驗收時單機數(shù)量和測試指標都比較多，測試方法相對固定，故適合采用自動化測試系統(tǒng)實現(xiàn)其測試，以縮短測試時間、提高測試效率，同時減少隨機誤差、提高測試精度。

測控單機指標驗收自動化測試系統(tǒng)采用PXIe架構(gòu)實現(xiàn)[1]，結(jié)合單機自動測試軟件，其整體框架如圖5所示。

圖5 測控單機指標驗收自動化測試系統(tǒng)構(gòu)成圖

測控單機指標驗收自動化測試系統(tǒng)組成如下：

1)系統(tǒng)采用PXIe架構(gòu)，可兼容多種測試設(shè)備；

2)矢量信號發(fā)生器：可提供射頻信號的輸出，實現(xiàn)最佳動態(tài)范圍性能；

3)矢量信號分析儀：用于分析射頻信號的頻域特性，可對應答機的信號幅度(功率、上行信號功率比)、載波抑制度、雜波抑制度、頻率(頻率精度、穩(wěn)定度)、調(diào)試信號幅值、頻率差、信噪比、通道能量、相位噪聲等單機指標進行測量；

4)測控綜合地檢設(shè)備：上下變頻、基帶處理、高精度銣鐘；

5)示波器：用于完成信號時域分析，測試指標包括上升時間、下降時間、脈寬、延遲時間等；

6)邏輯分析儀：用于對多通道數(shù)字信號邏輯關(guān)系進行測試；

7)直接遙測模塊：用于對低頻遙測量進行直接采集，包括多通道模擬量、數(shù)字量等，從而完成被測應答機低頻信號的采集測試；

8)直接遙控模塊：提供多路遙控指令脈沖數(shù)據(jù)，并預留多路I/O擴展接口；

9)總線測試：用于完成被測應答機的1553B、CAN總線通訊測試；

10)射頻鏈路：用于實現(xiàn)被測信號的開關(guān)切換以及功率調(diào)節(jié)。

測控單機自動化測試軟件：

在上述硬件組成的基礎(chǔ)上，配置一套通用自動化測試軟件以滿足自動化測試需求，其架構(gòu)如圖 6所示。

圖6 測控分系統(tǒng)單機自動化測試軟件構(gòu)架圖

1.3.2 批量衛(wèi)星分系統(tǒng)級自動化測試

衛(wèi)星一般由星務(wù)、能源與總體電路、測控、熱控、姿軌控等分系統(tǒng)組成，分系統(tǒng)級自動化流水測試系統(tǒng)以測控分系統(tǒng)為例進行介紹。測控分系統(tǒng)多星測試流水作業(yè)流程如下，在單機承制方交付分系統(tǒng)單機后，首先進行各個單機性能指標的驗收測試，指標驗收通過后，進行分系統(tǒng)集成自閉環(huán)測試，最后接入整星進行整星級綜合測試。

測控分系統(tǒng)多星測試流水作業(yè)具體流程如圖7所示。

圖7 批量衛(wèi)星測控分系統(tǒng)測試流程圖

1.3.3 批量衛(wèi)星整星級自動化測試

整星級的批量衛(wèi)星自動化測試，是在各個分系統(tǒng)完成并通過分系統(tǒng)級測試的基礎(chǔ)上所進行的整星系統(tǒng)級測試。整星級測試任務(wù)是檢驗衛(wèi)星各組成分系統(tǒng)之間的連通性、兼容性，檢驗衛(wèi)星整體功能的準確性，以及檢驗衛(wèi)星是否達到所要求的技術(shù)指標。整星級衛(wèi)星測試是整個測試過程中的必不可少的階段，做好整星級衛(wèi)星測試對發(fā)現(xiàn)隱藏的問題和風險、確保衛(wèi)星按照既定指標要求穩(wěn)定運行具有重要的作用。

衛(wèi)星測試工作流程如下：

1)遙控發(fā)送過程:

(1)測試控制臺分系統(tǒng)配置好指令序列和測試用例后，采用自動/手動的方式發(fā)送指令到主測試處理機。因為每顆衛(wèi)星測試任務(wù)不同，所以每個測試控制臺設(shè)備單獨負責一顆衛(wèi)星的指令發(fā)送任務(wù)。

(2)主控中心(或稱主測試處理機)接收測試控制臺發(fā)送的上行指令，通過解析分辨發(fā)送目的衛(wèi)星和通道并將其轉(zhuǎn)發(fā)給星務(wù)前端或遙控前端。為了防止故障影響，每個主控中心負責一顆衛(wèi)星的測試任務(wù)。

(3)星務(wù)前端接收主控中心發(fā)來的指令數(shù)據(jù)，生成指令發(fā)送隊列。測試人員可以選擇自動或手動發(fā)送指令到衛(wèi)星。對于自動發(fā)送的指令，星務(wù)前端還會監(jiān)控驗證指令的執(zhí)行結(jié)果。

2)遙測接收過程:

(1)衛(wèi)星下發(fā)的測試數(shù)據(jù)，從地測串口下發(fā)到星務(wù)前端分系統(tǒng)，星務(wù)前端實時解幀顯示并預判相關(guān)信號量的值是否處于設(shè)定的預期值中，同時將源碼轉(zhuǎn)發(fā)至主測試處理機。為了保障數(shù)據(jù)運算效率，星務(wù)前端采用Storm分布式實時數(shù)據(jù)處理集群以達到數(shù)據(jù)實時解幀顯示的要求。

(2)主測試處理機分系統(tǒng)實時接收星務(wù)前端下發(fā)的地測源碼和遙控前端下發(fā)的遙測源碼并轉(zhuǎn)發(fā)至自動判讀及顯示終端和數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)。

(3)自動判讀及顯示終端接收主測試處理機轉(zhuǎn)發(fā)的下行數(shù)據(jù)，實時解幀并顯示給測試人員查看，同時實現(xiàn)對自定義關(guān)鍵信號的自動判讀，對異常的數(shù)據(jù)作自動報警。由于自動判讀及顯示終端需要進行每秒鐘每顆衛(wèi)星每個通道多至2 000個信號量實時解幀、顯示、判讀，運算量大，對時效性要求也高，因此該分系統(tǒng)也采用Storm分布式集群，利用Storm技術(shù)進行分布式實時處理。

(4)數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)跟自動判讀及顯示終端同時接收主測試處理機轉(zhuǎn)發(fā)的下行測試數(shù)據(jù)并實時解幀存儲。解幀運算量也達到自動判讀及顯示終端數(shù)量級且需要將同數(shù)量級的數(shù)據(jù)進行存儲至數(shù)據(jù)庫，頻率高，數(shù)據(jù)量大，要及時處理完每一幀數(shù)據(jù)，不遺漏數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性，也采用Storm這種高容錯及安全性分布式實時處理技術(shù)。

(6)查詢分析終端主要用來對存入數(shù)據(jù)庫中的測試數(shù)據(jù)的查詢和對比分析，初次之外還涵蓋了數(shù)據(jù)格式配置、關(guān)鍵代碼配置等各類配置功能。查詢分析終端由B/S架構(gòu)組成，1臺服務(wù)器作為Server端部署應用，供任意一臺局域網(wǎng)內(nèi)電腦通過瀏覽器訪問查詢。

1.4 分布式并行流水自動化測試

多衛(wèi)星批量快速測試實現(xiàn)應對高密度發(fā)射任務(wù)，滿足并行測試需要，分布式批量并行測試的實現(xiàn)途徑如圖8所示。

圖8 批量衛(wèi)星測試系統(tǒng)框架

批量衛(wèi)星測試系統(tǒng)從功能上主要分為總裝試驗、綜合測試兩大部分。

1)總裝試驗部分同時支持多顆衛(wèi)星的總裝試驗、熱真空試驗、力學試驗等；

2)綜合測試間與總裝試驗部分通過光纖連接，綜合測試間主要完成衛(wèi)星測試設(shè)備的管理控制、遙控指令上行、遙測數(shù)據(jù)的接收、處理和分發(fā)，并完成遙測原始數(shù)據(jù)以及解析后的數(shù)據(jù)的存儲、查詢服務(wù)；

并行流水自動化測試模式下，對衛(wèi)星歷史遙測數(shù)據(jù)服務(wù)器的接口進行統(tǒng)一設(shè)計，所有衛(wèi)星綜合測試平臺通過局域網(wǎng)實現(xiàn)信息交互，完成支持多種型號衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)的并行接收、處理和可視化。

2 試驗驗證

以本文提出的批產(chǎn)衛(wèi)星流水并行測試系統(tǒng)體系建立的批量衛(wèi)星測試系統(tǒng)目前已經(jīng)成功應用于某組網(wǎng)衛(wèi)星的各階段的測試任務(wù)，累計服務(wù)十幾顆衛(wèi)星，前期能夠支持12顆星并行流水測試。非常好地完成了組批衛(wèi)星流水作業(yè)并行測試任務(wù)，成功完成多星并行測控指令上注，多顆衛(wèi)星并行測試的遙測數(shù)據(jù)接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲等，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，大大縮短了批量衛(wèi)星測試周期。

3 結(jié)束語

針對組網(wǎng)衛(wèi)星研制周期短、測試任務(wù)重、測試人員短缺的特點，設(shè)計了一套批量衛(wèi)星流水作業(yè)自動化測試系統(tǒng)體系架構(gòu)，詳細介紹了批量衛(wèi)星流水并行測試系統(tǒng)組成、任務(wù)管理與調(diào)度、衛(wèi)星分級并行流水自動化測試等。實現(xiàn)了提高批量衛(wèi)星的測試效率、精簡了測試人員隊伍、間接縮短了批產(chǎn)衛(wèi)星的研制周期，達到了很好的使用效果，為后續(xù)批量衛(wèi)星流水作業(yè)自動化并行測試系統(tǒng)的完善設(shè)計提供參考。