面向批產(chǎn)化的小衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)設(shè)計研究

程 城，仇夢宇

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094 )

0 引言

航天技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中發(fā)展最快的尖端技術(shù)之一，是一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，也是綜合國力的象征。航天技術(shù)的發(fā)展對促進(jìn)人類的文明和社會的進(jìn)步有著十分重要和積極的作用。近年來，全球小衛(wèi)星發(fā)展態(tài)勢強勁，發(fā)射數(shù)量逐年大幅增長，已成為世界航天活動的主要構(gòu)成部分之一，如圖1所示。隨著微光機電系統(tǒng)技術(shù)、微納加工技術(shù)以及創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計理念、創(chuàng)新系統(tǒng)運營模式不斷發(fā)展，小衛(wèi)星進(jìn)一步朝著微小型化發(fā)展，在成本更低、周期更短、發(fā)射更便捷等需求驅(qū)動下，微小衛(wèi)星逐漸成為小衛(wèi)星發(fā)展最活躍的領(lǐng)域。

隨著測試型號的極具增加，型號測試任務(wù)的繁重，測試人員的年輕化，原有的自動化測試系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有的型號測試需求，面向批產(chǎn)化的小衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)不但可以解決現(xiàn)在存在的人手緊張問題，還能大大提高測試效率。

總體來看，未來微小衛(wèi)星的發(fā)展前景十分廣闊，將迎來高速發(fā)展的黃金時期。如何抓住機遇，迎接挑戰(zhàn)，在大量工程項目實踐中迅速提升小衛(wèi)星在小衛(wèi)星設(shè)計、制造、集成、測試領(lǐng)域的技術(shù)水平，確保高效、高質(zhì)量的完成未來小衛(wèi)星制造發(fā)射任務(wù)，是各個衛(wèi)星承研單位的當(dāng)務(wù)之急。

圖1 2010-2014年發(fā)射微小衛(wèi)星數(shù)量統(tǒng)計

因此，小衛(wèi)星研制將進(jìn)入批量化生產(chǎn)模式，而為了適應(yīng)小衛(wèi)星批產(chǎn)化的研制需求，必須研究和開發(fā)更具競爭力的、高效的AIT[1](Assembly Integration & Testing)平臺和測試系統(tǒng)。本文通過對小衛(wèi)星型號測試需求進(jìn)行分析，提出了一種面向批產(chǎn)化的小衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)設(shè)計，給出了系統(tǒng)的設(shè)計邏輯架構(gòu)，設(shè)計了自動化測試系統(tǒng)組成和各單元設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

以往的測試模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在衛(wèi)星型號眾多，人手短缺的情況，測試過程全程需要大量人員參與的測試模式應(yīng)該被取代，面向超大規(guī)模小衛(wèi)星批量化研制需求，設(shè)計高密度小衛(wèi)星研制生產(chǎn)任務(wù)需要的批產(chǎn)化測試模式和系統(tǒng)布局，建立成熟穩(wěn)定的AIT平臺流水作業(yè)線，研究基于標(biāo)準(zhǔn)化的小衛(wèi)星測試流程，設(shè)計自動化測試過程，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的總裝測試工位，建立小衛(wèi)星遠(yuǎn)程測試模式和測試網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)，最終滿足小衛(wèi)星的多星并行測試需求，提高衛(wèi)星參數(shù)判讀的精準(zhǔn)性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

隨著國內(nèi)外用戶對小衛(wèi)星應(yīng)用需求的快速增長，衛(wèi)星市場正在迅速擴大。很快衛(wèi)星研制將進(jìn)入批量化研制模式，而為了適應(yīng)衛(wèi)星批產(chǎn)化的研制需求，必須研究和開發(fā)更具競爭力的高效的自動化測試流水線模式。面向批產(chǎn)化的小衛(wèi)星新型測試間、總裝工位、大型試驗區(qū)的的設(shè)計布局如圖2所示，主要包含測試技術(shù)區(qū)、總裝技術(shù)區(qū)、大型實驗區(qū)、故障處理區(qū)、地溝電纜區(qū)以及轉(zhuǎn)接電纜區(qū)等功能分區(qū)組成。

衛(wèi)星總裝技術(shù)區(qū)是衛(wèi)星在衛(wèi)星測試前進(jìn)行衛(wèi)星總裝的唯一環(huán)節(jié)。在該環(huán)節(jié)中，需要進(jìn)行衛(wèi)星結(jié)構(gòu)總裝、衛(wèi)星溫控部件的安裝、衛(wèi)星儀器設(shè)備的安裝、衛(wèi)星電纜敷設(shè)等工作。電測技術(shù)區(qū)主要是檢驗衛(wèi)星總體電氣設(shè)計的正確性、合理性、匹配性及接地系統(tǒng)的正確性，各分系統(tǒng)之間接口關(guān)系的匹配性，包括機電、光電、熱電接口在內(nèi)的正確性，各分系統(tǒng)在整星電磁環(huán)境下電性能的穩(wěn)定性。大型試驗區(qū)主要用于開展衛(wèi)星的熱試驗、力學(xué)實驗、EMC試驗、磁試驗等各項試驗，檢驗衛(wèi)星設(shè)計的合理性。故障區(qū)負(fù)責(zé)維修或者檢查有故障的衛(wèi)星，即當(dāng)某個衛(wèi)星在AIT流程中出現(xiàn)異常情況，可將該衛(wèi)星送至故障港進(jìn)行相應(yīng)處理。復(fù)現(xiàn)衛(wèi)星測試過程中出現(xiàn)的異常，準(zhǔn)確定位故障機理，完成歸零報告。地溝電纜主要鋪設(shè)測試連接電纜和通信網(wǎng)絡(luò)。

圖2 面向多星批產(chǎn)化測試的小衛(wèi)星系統(tǒng)布局設(shè)計

圖3 小衛(wèi)星綜合測試系統(tǒng)系統(tǒng)整體框架

2.1 可測試性設(shè)計

在批產(chǎn)化測試管理模式下，測試工程師從一開始就要參與衛(wèi)星產(chǎn)品研制的定義階段，清楚地了解衛(wèi)星系統(tǒng)的功能。在設(shè)計階段和系統(tǒng)設(shè)計工程師一起參與衛(wèi)星的設(shè)計工作，對該衛(wèi)星的可測性進(jìn)行研究分析，找到綜合測試中影響整星可靠性和測試質(zhì)量的薄弱環(huán)節(jié)，開展衛(wèi)星的可測試性再設(shè)計，確保功能設(shè)計地面可驗證，可測試性設(shè)計的信息關(guān)系如圖4所示。

定義一整套衛(wèi)星測試方案、測試用例以及測試流程，限定測試的數(shù)量和復(fù)雜性，明確哪些需求是確實應(yīng)該在系統(tǒng)級測試和驗證的，明確哪些需求是應(yīng)該在分系統(tǒng)級測試和驗證，避免重復(fù)大量的已經(jīng)在分系統(tǒng)級進(jìn)行的測試內(nèi)容，并就衛(wèi)星的可測試性對衛(wèi)星設(shè)計提出合理建議。

在衛(wèi)星的開發(fā)階段，測試工程師在分系統(tǒng)測試階段參與進(jìn)來，根據(jù)設(shè)計階段對可測試性的分析，對分系統(tǒng)級的測試項目及測試結(jié)果進(jìn)行認(rèn)可，在整星系統(tǒng)級就不再進(jìn)行重復(fù)測試。在綜合測試階段就可以簡化AIT的流程并節(jié)省測試時間。

2.2 并行測試流程

并行測試包括橫向并行測試和縱向并行測試。橫向并行測試指的是在某一個測試階段，可以有多顆衛(wèi)星同時進(jìn)行并行測試，例如，多顆衛(wèi)星同時進(jìn)行平臺測試或多顆衛(wèi)星同時進(jìn)行振動試驗?？v向并行測試指的是衛(wèi)星的流水線式測試方法，即在衛(wèi)星的不同測試階段均有衛(wèi)星在進(jìn)行測試，例如，在同一個時刻，有的衛(wèi)星在進(jìn)行載荷測試，有的衛(wèi)星已經(jīng)到達(dá)大型試驗階段，比如在進(jìn)行熱真空試驗等。

1)測試執(zhí)行：測試執(zhí)行是測試細(xì)則的執(zhí)行過程，其中包括測試狀態(tài)確認(rèn)、測試指令發(fā)送以及測試結(jié)果判讀等關(guān)鍵過程。在這個階段，小衛(wèi)星測試平臺在控制臺提供測試細(xì)則自動執(zhí)行工具，測試人員可以根據(jù)實際情況選擇自動或者手動執(zhí)行方式。采用自動執(zhí)行，指令發(fā)送前、后，智能判讀軟件自動完成對相關(guān)參數(shù)的判讀，并依靠預(yù)先定義的判讀條件自動向測試人員發(fā)出提示信息。自動執(zhí)行可以選擇順序執(zhí)行、并行執(zhí)行、循環(huán)執(zhí)行、強制執(zhí)行或者延時執(zhí)行等模式。

2)測試評估：指對測試結(jié)果的分析處理和總結(jié)過程，包括測試數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、趨勢分析與比對功能。在這個階段，小衛(wèi)星測試平臺提供自動化測試數(shù)據(jù)分析服務(wù)器，它提供數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘功能。測試人員不僅可以對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)查詢，還可以利用豐富的圖形、趨勢分析、衍生計算功能，為測試分析、總結(jié)提供有效的數(shù)據(jù)支持。

2.3 自動化測試系統(tǒng)

測試過程中，要降低對人力的依賴，減小快速批量生產(chǎn)衛(wèi)星的人力測試強度，提高測試速度、效率和安全性，因此，測試過程的高度自動化、智能化顯得尤為重要和突出，小衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)主要包含小型化/一體化測試設(shè)備、自動化測試模塊及職能判讀模塊組成。與以往的測試設(shè)備不同，現(xiàn)在的一體機可以登陸任意型號的參數(shù)庫與指令庫，如果是繼承型號，還可以直接把型號信息拷貝到新型號，這可以節(jié)省很大人力與時間。

2.3.1 小型化/一體化測試設(shè)備、自動化測試系統(tǒng)和

財務(wù)報告分析指反映一個企業(yè)在一段時間內(nèi)經(jīng)營成果并形成的書面文件，主要包括現(xiàn)金流量表、資產(chǎn)負(fù)債表、利潤表等。一般財務(wù)報告主要為投資者以及債權(quán)人等外部使用者服務(wù)，充分展現(xiàn)企業(yè)財務(wù)整體情況。與此同時財務(wù)報告還作為總結(jié)判斷過程，用于發(fā)現(xiàn)財務(wù)報告項目比率、數(shù)量、重要事項的發(fā)生變化以及發(fā)展趨勢，為預(yù)測企業(yè)未來發(fā)展提供重要參考依據(jù)。但目前很多中小企業(yè)決策層在財務(wù)報告分析方面普遍存在不到位和不及時情況，難以發(fā)現(xiàn)管理中存在問題。例如近年來發(fā)生的銀廣夏、世通、安然等都出現(xiàn)的嚴(yán)重后果都和企業(yè)財務(wù)內(nèi)控缺乏健全和缺失有著緊密聯(lián)系，企業(yè)無法準(zhǔn)確到位分析財務(wù)報告信息，十分容易形成財務(wù)風(fēng)險，影響企業(yè)安全運營。

采用MAC Panel公司生產(chǎn)SCOUT大規(guī)?；ヂ?lián)機構(gòu)來實現(xiàn)星地接口適配以及設(shè)備內(nèi)部信號的自由分配，完成小衛(wèi)星一體化地面測試系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和軟硬件功能，實現(xiàn)通用化和板卡級的可互換性。測試虛擬機與服務(wù)器分開管理，服務(wù)器有專人集中管理與維護(hù)。

2.3.2 自動化測試模塊

以往的測試系統(tǒng)并沒有自動化測試模塊，每一條指令需要手動發(fā)送，每一條參數(shù)都需要測試指揮和分系統(tǒng)測試人員逐一判讀，這樣的測試模式對人力要求極高。指令發(fā)送是自動化細(xì)則執(zhí)行的過程，自動化測試是以通過自動化指令執(zhí)行序列的方式來完成的，衛(wèi)星上的各個下位機設(shè)備收到指令，按照指令代碼執(zhí)行具體的星上操作，自動化測試作為測試控制臺的核心，包括自動化測試細(xì)則的執(zhí)行與測試指令的發(fā)送與判讀。在自動化測試模塊中，系統(tǒng)從基礎(chǔ)庫中提取錄入的測試細(xì)則，根據(jù)細(xì)則自動發(fā)送指令，然后交給智能判讀模塊。提供了對電子細(xì)則現(xiàn)在測試在測試設(shè)備小型化、一體化基礎(chǔ)上，采用基于數(shù)據(jù)/虛擬儀器的測試新技術(shù)，使用鏡像為用戶提供指令發(fā)送和數(shù)據(jù)顯示服務(wù)。自動化測試模塊是自動化測試的核心部分，可以編輯自動化測試細(xì)則，在基礎(chǔ)庫維護(hù)軟件里錄入指令判據(jù)，根據(jù)錄入的測試細(xì)則，自動發(fā)送測試指令，指令發(fā)送之后，根據(jù)之前錄入的判據(jù)自動判讀指令執(zhí)行的正確性，反饋給型號指揮，還會根據(jù)測試情況生成當(dāng)日的測試總結(jié)報告。

2.3.3 智能判讀模塊

智能判讀模塊[9]是衛(wèi)星測試結(jié)果把控的最重要的環(huán)節(jié)，它杜絕了因為人員過渡疲勞而造成的指令漏判誤判，在指令發(fā)送過程中對參數(shù)進(jìn)行實時判斷，在指令發(fā)送之后，對其中一個或者多個參數(shù)進(jìn)行判讀，出現(xiàn)報警會中斷自動化指令序列，遙測參數(shù)判讀的設(shè)計需要從電子細(xì)則中獲取遙測數(shù)據(jù)知識，內(nèi)容是指令執(zhí)行和遙測參數(shù)變換的相互對應(yīng)關(guān)系。如果是成熟的指令測試序列，甚至可以略去人工成本。智能判讀不僅可以判讀指令，還可以根據(jù)測試內(nèi)容，添加測試現(xiàn)場的操作指令的判讀，并根據(jù)遙測速變和緩變設(shè)置判讀時間，設(shè)置不同參數(shù)的判讀類型，大致分為結(jié)果型和增量型，在基礎(chǔ)庫維護(hù)軟件中錄入判據(jù)類型，如果反饋的結(jié)果與錄入的判據(jù)不符，智能判讀軟件會報警，提示測試指揮有參數(shù)判讀不正確，根據(jù)衛(wèi)星綜合測試業(yè)務(wù)特點，分析衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)判讀過程，建立統(tǒng)一的衛(wèi)星測試模型，采用具有較高分析能力的智能判讀案例檢索方法[9]，利用自動化測試軟件對衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)進(jìn)行實時、高效、準(zhǔn)確、可靠地判讀，并且可以根據(jù)星上數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢和變化趨勢，對潛在的故障做出預(yù)測，為故障處理提供參考，提高測試的自動化水平。

圖5 自動化測試模塊的執(zhí)行過程

2.4 虛擬仿真測試系統(tǒng)

小衛(wèi)星虛擬仿真測試通過對小衛(wèi)星系統(tǒng)分析，建立系統(tǒng)的數(shù)字和半物理仿真模型，對小衛(wèi)星系統(tǒng)單機、產(chǎn)品進(jìn)行全數(shù)字和半物理仿真試驗，以達(dá)到驗證和測試小衛(wèi)星系統(tǒng)的目的。有效解決小衛(wèi)星軟件研制過分依賴硬件環(huán)境，造成設(shè)計、開發(fā)、測試、在軌維護(hù)過程受限于硬件，測試、方案驗證不充分等問題，虛擬仿真測試系統(tǒng)包括全數(shù)字仿真平臺、半物理仿真平臺和地面數(shù)據(jù)處理平臺[2]。

2.5 小衛(wèi)星遠(yuǎn)程測試支持系統(tǒng)

圖6 小衛(wèi)星遠(yuǎn)程測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 電性能測試轉(zhuǎn)接箱設(shè)計

3.1 立式轉(zhuǎn)接箱設(shè)計

箱體采用標(biāo)準(zhǔn)英寸機柜形式，高度為米，寬度為0.6米，深度為0.45米，箱體下方安裝一個支架，支架既起到支撐固定作用，同時也是線纜進(jìn)出機柜的下方通道。箱體內(nèi)可根據(jù)電纜轉(zhuǎn)接法蘭的形式隨意調(diào)整單個擋板的寬度，每個擋板均為獨立式，可根據(jù)機柜空間增減擋板，即可擴展性。每個電纜接頭都有一個線纜標(biāo)識牌，可根據(jù)使用功能標(biāo)注每個電纜編號，方便測試人員端接及查找。

圖7 立式轉(zhuǎn)接箱結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 下沉式電纜轉(zhuǎn)接箱

下沉式電纜轉(zhuǎn)接箱體設(shè)計長方體外形,箱體共設(shè)計4層，上面為蓋板，蓋板可拆卸，4邊有出線口，長20～30 cm，寬10～20 cm,中間兩層按照高頻、低頻、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接電纜，高頻電纜設(shè)計三排，每排8個法蘭，共24個，低頻2排，每排6個法蘭頭，共12個。最下層設(shè)計暗裝箱的下方設(shè)置一處托線桿，對引上的電纜進(jìn)行綁扎、整理、固定。

圖8 下沉式電纜轉(zhuǎn)接箱結(jié)構(gòu)示意圖

4 試驗結(jié)果與分析

批產(chǎn)化小衛(wèi)星自動化測試方法是未來趨勢，經(jīng)過一段時間的實踐，在航天東方紅衛(wèi)星有限公司的小衛(wèi)星的多星測試中得到了很好的應(yīng)用，相比以往的測試模式，測試效率得到了很大

的提高，大大減少了測試人員在測試準(zhǔn)備與正式測試階段的時間，在測試過程中，加入了自動化判讀，也杜絕了因為人員疲勞而發(fā)生的質(zhì)量事故。在自動化測試系統(tǒng)的執(zhí)行過程中，也出現(xiàn)了一些問題，比如測試軟件運行不穩(wěn)定，自動化判讀方法也有一定的漏洞，還需要在日后實踐中不斷完善與改進(jìn)。

5 結(jié)論

隨著小衛(wèi)星的應(yīng)用范圍越來越廣，面向批產(chǎn)測試的小衛(wèi)星自動化測試技術(shù)越來越受到衛(wèi)星研制企業(yè)的重視。本文針對小衛(wèi)星批產(chǎn)化研制對測試工作的需求，提出了面向批產(chǎn)化的小衛(wèi)星自動化測試系統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計了小衛(wèi)星批產(chǎn)測試模式和系統(tǒng)布局，分析了小衛(wèi)星測試的系統(tǒng)架構(gòu)，研究了自動化測試數(shù)據(jù)處理流程和自動化測試流程，給出了小衛(wèi)星遠(yuǎn)程測試支持系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了電纜轉(zhuǎn)接箱結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，是小衛(wèi)星測試模式的進(jìn)步，基本實現(xiàn)了無人化測試，還大大節(jié)省了測試時間，提高了測試效率。

針對批產(chǎn)化的小衛(wèi)星自動化測試模式及地面測試系統(tǒng)設(shè)計研究是一個新的研究領(lǐng)域，多星測試的大數(shù)據(jù)處理、測試流程、智能故障診斷等理論與工程問題還需要進(jìn)一步研究。

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