航天器有效載荷高可靠集成仿真測試系統(tǒng)設(shè)計

馬 萍，唐衛(wèi)華，李 峰

(中國科學院 空間應用工程與技術(shù)中心，北京 100094)

0 引言

綜合電測是保證航天器有效載荷可靠性，檢驗有效載荷電性能與功能完備性、接口匹配性以及載荷間工作協(xié)調(diào)性的必要手段[1-3]。近年來，隨著我國航天技術(shù)的飛速發(fā)展，深空探測衛(wèi)星、載人飛船、空間實驗室、空間站等采用新技術(shù)、具有新功能、賦予新使命的航天器不斷出現(xiàn)，開展空間科學實驗研究的有效載荷規(guī)?？涨褒嫶?，探索性強、復雜程度高的科學實驗項目也日益倍增。面對各領(lǐng)域有效載荷接口復雜、數(shù)據(jù)類型多、碼速率高、數(shù)據(jù)量大、運營管理模式復雜等特點，和集成測試任務持續(xù)性、滾動性、迭代性、多任務并行實施等需求，以往專用性強、自動化智能化程度不高、通用性開放性較弱、擴展空間有限的測試系統(tǒng)將難以勝任。需要采用新思路、新方法，建設(shè)功能全面、通用性和可靠性強、自動化和智能化[4-5]程度高的集成仿真測試系統(tǒng)，以滿足不同領(lǐng)域、不同類型有效載荷的仿真測試需求，提高系統(tǒng)集成測試與驗證的工作效率和適應性。

綜合分析航天器有效載荷綜合測試的特性需求和集成仿真測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，在分布式高性能計算機網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出一種航天器有效載荷集成仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計架構(gòu)，融合“強內(nèi)聚、松耦合”的設(shè)計理念和模塊化[6-7]的設(shè)計思想，具有較強的可靠性、適應性、開發(fā)性和可擴展能力，支持按任務需求進行快速重構(gòu)和擴展升級，以適應有效載荷不同研制階段、不同試驗場地、不同規(guī)模的測試任務需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計需求

有效載荷集成仿真測試系統(tǒng)是進行有效載荷電性能聯(lián)試、整器綜合測試和發(fā)射場測試的重要工具，主要用于測試有效載荷電性能與功能的完備性、檢驗各載荷間接口的匹配性、驗證系統(tǒng)軟硬件工作的協(xié)調(diào)性和可靠性[1]。測試系統(tǒng)應具備：

1)接口仿真功能：仿真航天器平臺對有效載荷的供電、測控和信息接口；仿真航天器平臺總控設(shè)備對載荷專用測試設(shè)備的數(shù)據(jù)和信息轉(zhuǎn)發(fā)接口；仿真發(fā)射場測發(fā)指揮監(jiān)控系統(tǒng)(以下簡稱C3I系統(tǒng))對測試系統(tǒng)的信息傳輸接口。

2)集成測試功能：實時監(jiān)控對載荷的供電輸出，并支持過壓和限流保護；生成、編輯和發(fā)送指令和數(shù)據(jù)注入，支持手動或自動執(zhí)行測試指令序列；實時采集、顯示載荷遙測參數(shù)，自動接收、處理通過中高速通道下行的載荷科學數(shù)據(jù)。

3)專用測試功能：配置載荷數(shù)據(jù)格式、傳輸協(xié)議和解包規(guī)則，自動解析載荷科學數(shù)據(jù)和工程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)載荷圖像或視頻快視、遙測參數(shù)自動判讀、用戶可訂制的可視化數(shù)據(jù)監(jiān)顯，實現(xiàn)與航天器平臺地面綜測系統(tǒng)和發(fā)射場C3I系統(tǒng)的信息交互。

4)測試管理功能：支持用戶權(quán)限管理、系統(tǒng)軟硬件資源管理，具有測試數(shù)據(jù)、測試日志等信息記錄、歸檔、查詢、輸出等管理功能。

5)故障分析功能：支持數(shù)據(jù)總線在線監(jiān)視、測試數(shù)據(jù)回放、測試過程回溯和測試數(shù)據(jù)分類統(tǒng)計，通過對測試狀態(tài)的監(jiān)視和對測試數(shù)據(jù)的分析，及時發(fā)現(xiàn)被測產(chǎn)品的故障隱患，快速定位故障根源。

6)自動化：根據(jù)被測產(chǎn)品的模型數(shù)據(jù)、設(shè)計信息及測試需求，自動形成被測產(chǎn)品的測試用例；結(jié)合產(chǎn)品的接口及功能設(shè)計信息(如IDS表)自動生成測試指令序列和數(shù)據(jù)注入碼值；自動執(zhí)行測試序列完成注入指令發(fā)送和結(jié)果確認。

7)智能化：將載荷專家的數(shù)據(jù)判讀規(guī)則和模型形成數(shù)據(jù)判讀知識庫，在測試過程中根據(jù)數(shù)據(jù)判讀知識庫和注入指令對載荷的相關(guān)參數(shù)進行自動監(jiān)視判讀，減少人為操作和判讀處理，提高測試和判讀的準確性和及時性。

8)可靠性、安全性：系統(tǒng)具有自身故障檢測、故障隔離和緊急處置的設(shè)計，在各階段測試中測試系統(tǒng)不能影響被測設(shè)備的安全。

9)擴展性：系統(tǒng)具有良好的模塊化、標準化設(shè)計，具有標準擴展接口，能夠根據(jù)不同的測試環(huán)境和測試要求對系統(tǒng)進行快速重組，根據(jù)后續(xù)任務的變化可以靈活快速完成系統(tǒng)的二次開發(fā)、系統(tǒng)擴展和升級。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

本設(shè)計采用分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和客戶機/服務器的結(jié)構(gòu)框架。系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備和軟件保持相對獨立性，通過局域網(wǎng)和數(shù)據(jù)庫相連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和快速處理。服務器作為系統(tǒng)核心，負責整個系統(tǒng)網(wǎng)絡的維護和仿真測試信息的調(diào)度管理。客戶端根據(jù)功能分為兩種角色：1)作為前端設(shè)備，直接與被測設(shè)備相連接，負責與被測設(shè)備件的信息交互；2)作為仿真/測試終端，負責測試過程操作、測試數(shù)據(jù)和信息的處理、顯示和判讀等。系統(tǒng)基礎(chǔ)框架如圖1所示。

整個集成仿真測試系統(tǒng)僅通過測試前端機與被測載荷或其他外界系統(tǒng)相聯(lián)通，完成接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)構(gòu)架一方面有利于提高系統(tǒng)可靠性，保護系統(tǒng)安全，避免受外界其它系統(tǒng)干擾或者入侵破壞；另一方面也提高了系統(tǒng)可維護性和可擴展性，便于增添改變系統(tǒng)中軟硬件配置，可實現(xiàn)系統(tǒng)無縫升級而不改變基礎(chǔ)體系框架結(jié)構(gòu)。擴展后的系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。

圖2 可擴展的測試系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 系統(tǒng)組成及工作原理

在分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和客戶機/服務器結(jié)構(gòu)框架的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體任務需求，設(shè)計并實現(xiàn)的測試系統(tǒng)。如圖3所示。

圖3 某型號任務有效載荷測試系統(tǒng)組成

整個測試系統(tǒng)由集成測試設(shè)備(簡稱ICOE)和專用測試設(shè)備(簡稱SCOE)兩部分組成，每個部分又分為前端接口交互層、中間資源管理層、后端應用處理層3個層次，層次與層次之間緊密互聯(lián)，兩個部分之間又相對獨立，充分體現(xiàn)“強內(nèi)聚、松耦合”的設(shè)計理念[4]。兩個部分共同支持了載荷級系統(tǒng)聯(lián)試，其中SCOE可單獨用于支持整器綜合測試和發(fā)射場測發(fā)等任務。SCOE接收并處理ICOE或航天器綜合測試總控設(shè)備(簡稱OCOE)轉(zhuǎn)發(fā)的有效載荷遙測參數(shù)(包括模擬量遙測、數(shù)字量遙測、航天器重要參數(shù)等)；接收并處理通過中繼通道下行的載荷應用數(shù)據(jù)(包括工程數(shù)據(jù)和圖像/視頻數(shù)據(jù))。

2.2.1 集成測試設(shè)備

集成測試設(shè)備主要負責完成測試系統(tǒng)中的硬件接口配置管理、指令控制管理、自動化測試實施和測試過程監(jiān)控管理。主要功能包括：

1)平臺接口仿真功能：仿真平臺對載荷系統(tǒng)的供電接口、程控接口、模擬量遙測接口、數(shù)字量遙測和注入接口(1553B總線)、應用數(shù)據(jù)接口(以太網(wǎng)總線)、航天器綜合測試總控設(shè)備對載荷系統(tǒng)SCOE接口(以太網(wǎng)總線)，實現(xiàn)各接口的數(shù)據(jù)通信。

2)集成測試功能：支持對供電電源實時監(jiān)控；提供對指令、數(shù)據(jù)注入和指令序列的生成編輯平臺，實現(xiàn)自動化測試；支持對采集到的載荷模擬量遙測顯示、異常報警與回放；具有對平臺1553B、以太網(wǎng)等總線接口的通信、監(jiān)視和仿真功能；將采集的模擬量、數(shù)字量和應用數(shù)據(jù)按照地面測試協(xié)議組包后，與SCOE進行信息交互。

3)測試管理功能：用戶權(quán)限管理、測試/操作日志管理、測試統(tǒng)計和系統(tǒng)自檢等功能。

如圖3所示，集成測試設(shè)備中前端接口交互層包括集成測試仿真前端、高速通道仿真前端；中間資源管理層包括仿真測試服務器；后端應用處理層包括指令操作終端、測試監(jiān)視終端、測試指揮終端。

2.2.2 專用測試設(shè)備

專用測試設(shè)備負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)自動判讀等關(guān)鍵性工作，主要功能包括：

1)接收集成測試設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的有效載荷模擬量和數(shù)字量遙測數(shù)據(jù)、指令信息、載荷應用數(shù)據(jù)及約定信息，實現(xiàn)與航天器平臺綜測系統(tǒng)、C3I系統(tǒng)的信息交互；

2)以表格、曲線等多種可視化形式顯示接收到的載荷數(shù)據(jù)，支持多種格式的載荷圖像和視頻快視；

3)根據(jù)事先建立的判讀知識庫，對接收到的遙測數(shù)據(jù)、應用數(shù)據(jù)進行實時判讀，針對異常情況根據(jù)預先設(shè)置的故障處置流程進行自動干預；

4)支持實時模式下的載荷狀態(tài)監(jiān)視和回放模式下的詳細數(shù)據(jù)分析和判讀；

5)支持遙測數(shù)據(jù)、工程數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和日志信息的分類存儲，以及數(shù)據(jù)和日志信息的在線檢索、分析或?qū)С觥?/p>

如圖3所示，專用測試設(shè)備中前端接口交互層包括應用數(shù)據(jù)接收處理前端、遙測/信息接收處理前端；中間資源管理層包括專用測試服務器、自動判讀服務器；后端應用處理層包括測試監(jiān)視終端、自動判讀終端。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)思路

3.1 硬件設(shè)計

集成測試仿真前端負責仿真航天器平臺對有效載荷的供電、測控和信息接口等，通常建立在VXI、PXI、LXI等虛擬儀器測試平臺上，通過GPIB、A/D采集、數(shù)字I/O、1553B總線、1394總線、以太網(wǎng)通信等接口模塊，實現(xiàn)相應的數(shù)據(jù)接口通信功能。

有效載荷供電由程控電源提供，集成仿真測試前端通過GPIB或LAN接口對程控電源的輸出電壓、電流和功率等進行監(jiān)視，控制、調(diào)節(jié)電源輸出的電壓和電流，提供過壓和限流保護功能。

程控指令發(fā)送由集成測試仿真前端中的Digital I/O功能模塊完成，仿真航天器平臺向有效載荷設(shè)備發(fā)送程控指令；模擬量遙測采集由集成測試仿真前端中的Analog I/O功能模塊完成，仿真航天器平臺采集有效載荷設(shè)備的模擬量遙測。

信息接口通信一般包括1553B總線通信、RS422接口通信、LVDS接口通信、1394總線通信等，通過集成測試仿真前端中的各個通信模塊來完成，仿真航天器平臺采集有效載荷設(shè)備的數(shù)字量遙測、工程數(shù)據(jù)、科學數(shù)據(jù)，向有效載荷發(fā)送注入指令，并對總線通信狀態(tài)進行在線監(jiān)視。

3.2 軟件設(shè)計

有效載荷集成測試系統(tǒng)的軟件總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括實時和非實時兩部分。實時部分主要負責實時數(shù)據(jù)接收、發(fā)送、存儲、解析、處理和判讀，保證對實時數(shù)據(jù)的無間斷流暢監(jiān)控。非實時部分主要負責對歷史數(shù)據(jù)、日志、知識庫、模型庫以及配置信息庫等數(shù)據(jù)和知識進行存儲、增添、刪除、更改、查詢、統(tǒng)計等常規(guī)管理工作。

圖4 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

實時軟件包括：仿真控制軟件、前端接口軟件、應用數(shù)據(jù)前端接收軟件、前臺測試監(jiān)控軟件、前臺數(shù)據(jù)管理軟件、圖像快視軟件、后臺測試服務管理軟件、應用數(shù)據(jù)處理軟件和自動判讀軟件，系統(tǒng)采用多線程、分布式處理、高性能計算體系等多種手段來充分保障對數(shù)據(jù)處理的實時性要求。

非實時軟件包括：數(shù)據(jù)和知識管理軟件以及歷史數(shù)據(jù)倉庫、配置信息庫、知識庫等。系統(tǒng)使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)完成對實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、日志、配置信息和知識的存儲管理。

3.2.1 前端接口交互層

集成仿真測試前端運行仿真控制軟件和前端接口軟件。仿真控制軟件采集被測載荷的模擬量、數(shù)字量遙測參數(shù)和其他總線接口數(shù)據(jù)；前端接口軟件根據(jù)任務約定的數(shù)管遙測和信息格式封裝成遙測數(shù)據(jù)源包和指令包后，轉(zhuǎn)發(fā)至SCOE遙測/信息接收前端。

高速通道仿真前端運行應用數(shù)據(jù)前端接收軟件，仿真航天器平臺對有效載荷的高速數(shù)據(jù)接口，包括光纖網(wǎng)絡通信、萬兆網(wǎng)通信等，負責對有效載荷高速應用數(shù)據(jù)的上/下行傳輸和處理，并根據(jù)任務需求將接收到的應用數(shù)據(jù)按照約定的信息格式和通信協(xié)議打包后發(fā)送至后端SCOE系統(tǒng)。

遙測/信息接收處理前端運行前端接口軟件，接收、處理、存儲集成測試仿真前端轉(zhuǎn)發(fā)的有效載荷遙測參數(shù)和測試信息，并將解析處理后的遙測數(shù)據(jù)和測試信息發(fā)送到專用測試服務器(數(shù)據(jù)庫)歸檔。

應用數(shù)據(jù)處理前端運行應用數(shù)據(jù)處理軟件，接收高速通道仿真前端轉(zhuǎn)發(fā)的有效載荷高速應用數(shù)據(jù)，并根據(jù)有效載荷數(shù)據(jù)處理與傳輸協(xié)議對載荷應用數(shù)據(jù)進行解包處理，將解包后數(shù)據(jù)發(fā)送到專用測試服務器(數(shù)據(jù)庫)歸檔。

3.2.2 中間資源管理層

測試服務器上部署數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、測試服務管理軟件、數(shù)據(jù)和知識管理軟件，是整個測試系統(tǒng)運行的核心。測試服務管理軟件實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)(含指令及執(zhí)行結(jié)果)的收發(fā)、解析、處理、存儲和越界判讀；數(shù)據(jù)和知識管理軟件實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)和測試過程的管理，包括對實時測試數(shù)據(jù)、實時測試信息、參數(shù)配置信息、監(jiān)顯界面配置信息、數(shù)據(jù)字典、用戶權(quán)限和測試日志的數(shù)據(jù)庫管理工作，對數(shù)據(jù)、指令和判讀結(jié)果的歸檔、查閱、輸出和統(tǒng)計分析。

測試服務器支持各個測試監(jiān)視終端的數(shù)據(jù)訂閱請求，將訂閱內(nèi)容保存為用戶的配置信息，并根據(jù)用戶的訂閱內(nèi)容，通過網(wǎng)絡自動向訂閱終端發(fā)布數(shù)據(jù)和信息。對于數(shù)據(jù)量不大、實時性較強的載荷遙測參數(shù)和工程數(shù)據(jù)，測試服務器通過廣播機制發(fā)送至各監(jiān)視終端；對于數(shù)據(jù)量較大、非實時性的科學數(shù)據(jù)、圖像和視頻數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過組播或者點播方式發(fā)送給有數(shù)據(jù)訂閱或者有播放請求的終端。

自動判讀系統(tǒng)由自動判讀服務器和自動判讀客戶端組成。判讀服務器端負責接收指令信息和測試數(shù)據(jù)，根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)置判讀規(guī)則、用戶自定義規(guī)則和判讀模型執(zhí)行判讀處理，推理得出判讀結(jié)論，通過網(wǎng)絡發(fā)送給各判讀客戶端并將關(guān)鍵信息存儲進判讀數(shù)據(jù)庫；判讀客戶端負責判讀規(guī)則的書寫、校驗、存入數(shù)據(jù)庫以及判讀結(jié)論的顯示、查詢、導出及判讀報告生成。

3.2.3 后端應用處理層

測試指揮終端運行測試監(jiān)控軟件，負責指令發(fā)起和校核、測試狀態(tài)監(jiān)控、測試進程維護和關(guān)鍵參數(shù)判讀；實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)備的在線管理和狀態(tài)監(jiān)視，包括測試設(shè)備的性能狀態(tài)、軟件的運行狀態(tài)、設(shè)備故障監(jiān)視及隔離等監(jiān)控功能。指令操作終端負責指令碼和數(shù)據(jù)注入碼值的編輯，指令經(jīng)測試指揮終端校核確認后，由集成仿真測試前端發(fā)出。

測試監(jiān)視終端運行測試監(jiān)控軟件，為用戶提供直接的數(shù)據(jù)顯示。以表格、曲線、圖像、視頻等多種可視化形式向數(shù)據(jù)監(jiān)視人員顯示各類測試數(shù)據(jù)和報警信息，并接受操作人員的瀏覽、查詢、設(shè)置、打印、回放等操作。支持監(jiān)顯頁面和顯示參數(shù)的私人訂制，用戶可以通過數(shù)據(jù)訂閱的方式在監(jiān)視頁面上顯示訂制的挑點參數(shù)，也可以根據(jù)個人喜好配置個性化的監(jiān)視頁面。圖像快視終端運行圖像快視軟件，為用戶提供可視化界面瀏覽、查詢、回放科學數(shù)據(jù)、圖像和視頻。

自動判讀終端運行自動判讀軟件，用于用戶對自動判讀知識的錄入和知識庫的維護，用戶根據(jù)判讀服務器中內(nèi)置的豐富判讀規(guī)則，通過調(diào)用關(guān)系圖的方式創(chuàng)建判讀模型；通過網(wǎng)絡實時接收判讀服務器得出的所有判讀結(jié)論并呈現(xiàn)給用戶，提供判讀結(jié)論的查詢、注釋等功能。用戶還可以對判讀過程進行臨時的人工干預，便于在測試過程中及時調(diào)整判讀策略以達到最理想的自動判讀結(jié)果。

4 實際應用與分析

系統(tǒng)所有的軟硬件設(shè)計經(jīng)過了航天型號任務的實際應用，在多個型號任務的有效載荷集成測試中得到了充分的試驗驗證，也取得了較好的應用效果。系統(tǒng)在C/S的網(wǎng)絡框架下遵循了模塊化的設(shè)計思想，全功能的硬件配套總計5大類，包括仿真前端、處理前端、測試/判讀服務器、監(jiān)視終端、控制終端；全功能的軟件組件總計97件，包括集成仿真測試、前端數(shù)據(jù)接收解析、前臺數(shù)據(jù)顯示、后臺數(shù)據(jù)處理、綜合測試管理、數(shù)據(jù)庫管理和數(shù)據(jù)判讀等組件類，其中，系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)組件總計52項，系統(tǒng)選擇性擴展組件總計45項。軟件系統(tǒng)開發(fā)基于C++完成，可運行在Windows系列操作系統(tǒng)上(包括Windows7/8專業(yè)版和Windows Server 2008 R2 X64)。系統(tǒng)軟件界面如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)監(jiān)視及控制軟件界面示圖

經(jīng)過多個型號任務的實際應用，系統(tǒng)模塊化的設(shè)計組件重復利用率高達90%。根據(jù)任務需求提取相應的硬件和軟件模塊，經(jīng)過繼承和適應性修改后，能夠?qū)崿F(xiàn)測試系統(tǒng)的快速重構(gòu)，用于支持單載荷調(diào)試、載荷級系統(tǒng)聯(lián)試、整艙綜合測試和發(fā)射場測試等不同規(guī)模、不同場景的測試任務，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期，縮減了系統(tǒng)開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率。通

過對系統(tǒng)組件的功能擴展和不斷地升級維護，系統(tǒng)功能完備性更強，可靠性更高。

5 結(jié)束語

有效載荷集成仿真測試系統(tǒng)采用分布式、客戶機/服務器可擴展的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)框架，引入了組件化模塊化的設(shè)計方法，自動化測試和智能化數(shù)據(jù)判讀等功能，實現(xiàn)了面向用戶的系統(tǒng)快速動態(tài)重構(gòu)，具有可靠性高、靈活性強、自動化程度高、擴展空間大等優(yōu)勢，縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，通過迭代開發(fā)不斷提高了系統(tǒng)的安全性可靠性，為后續(xù)載人空間站工程大規(guī)模有效載荷的生產(chǎn)和高密度測發(fā)任務提供了強有力的技術(shù)支撐。

本設(shè)計不僅僅適用于航天器有效載荷的系統(tǒng)級測試，對于其他領(lǐng)域的系統(tǒng)測試設(shè)計具有較強的參考價值。

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