一種基于自測試的衛(wèi)星快檢技術研究

楊同智 閻 珺 劉廷玉 黨建成

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

1 引 言

目前衛(wèi)星可測試性、標準化水平還有待提升，衛(wèi)星測試主要還是依賴傳統(tǒng)的綜合測試模式，一顆正樣衛(wèi)星從電測試開始到衛(wèi)星出廠平均需要 8～10個月，在靶場的測試發(fā)射時間約為1.5～2個月，測試成為影響衛(wèi)星快速研制的重要因素。未來衛(wèi)星呈現(xiàn)批量化、低成本、快速研制的特點，傳統(tǒng)的綜合測試模式已經(jīng)不適合批量衛(wèi)星研制需求，需要從設計的源頭出發(fā)，提升設計的可測試性，加強衛(wèi)星自測試設計，突破遙測遙控測試模式的局限，借鑒民用領域的批量測試經(jīng)驗，轉變綜合測試模式，提升衛(wèi)星的快速測試、快速維修與快速發(fā)射能力。本文參考民用汽車快速檢修的成功經(jīng)驗，設計了一種基于總線調度的快檢系統(tǒng)，大大提高了衛(wèi)星自檢效率。

2 快檢原理

2.1 汽車快檢原理

傳統(tǒng)汽車總線主要分動力和車身兩大塊，車身總線采用低速，動力采用高速。汽車總線網(wǎng)絡示意圖如圖1所示，網(wǎng)關是車內總線中最重要的部件，不同總線網(wǎng)絡之間通信，全部依靠網(wǎng)關轉發(fā)報文。目前主流的汽車快速診斷方式是將車載自動診斷系統(tǒng)(On Board Diagnostics，OBD)診斷盒接入網(wǎng)關，在網(wǎng)關允許的情況下基本都能實現(xiàn)對車內各電子控制單元(Electronic Control Unit, ECU)的訪問和控制，不論是車身部分還是動力部分[1]。

圖1 主流汽車電子總線網(wǎng)絡示意圖Fig.1 Schematic diagram of current automotive electronic bus network

汽車快速電檢通過OBD實現(xiàn)，為使汽車排放和驅動性相關故障的診斷標準化，從1996年開始，凡在美國銷售的全部新車，其診斷儀器、故障編碼和檢測步驟必須相似，即符合OBD Ⅱ程序規(guī)定，我國自2007年開始，強制要求應用OBD Ⅱ。OBD Ⅱ程序使得汽車故障診斷簡單而統(tǒng)一，OBD接口能在汽車運行過程中實時監(jiān)測發(fā)動機電控系統(tǒng)及車輛的其它功能模塊的工作狀況，如有發(fā)現(xiàn)工況異常，則根據(jù)特定的算法判斷出具體的故障，并以診斷故障代碼(DTC，Diagnostic Trouble Codes)的形式存儲在系統(tǒng)內的存儲器上。系統(tǒng)自診斷后得到的有用信息可以為車輛的維修和保養(yǎng)提供幫助，維修人員可以利用汽車原廠專用儀器讀取故障碼，從而可以對故障進行快速定位，以便于對車輛的修理，減少人工診斷的時間[2]。

汽車快速測試通過OBD車載診斷系統(tǒng)實現(xiàn)，工作組成如圖2所示，OBD系統(tǒng)包括各個ECU中的OBD硬件組件、ECU中的OBD軟件代碼、儀表盤上的故障指示部分、OBD測試接口與外接分析診斷設備組成[3]。通過OBD接口外接的故障分析診斷設備只是汽車快速檢驗的一部分。在一個典型的發(fā)動機控制系統(tǒng)軟件包中，OBD代碼占整個軟件內容的一半，有超過150個可能的故障代碼。

圖2 車載故障診斷系統(tǒng)工作示意圖Fig.2 Vehicle on-board diagnosis system diagram

該系統(tǒng)利用硬件和軟件對與排放相關的功能和元器件的運行狀況進行隨時監(jiān)控，監(jiān)控汽車是否尾氣超標，一旦超標，會馬上發(fā)出警示。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，故障指示燈(Malfunction Indicator Lamp, MIL)或檢查發(fā)動機(Check Engine)警告燈會亮，同時動力總成控制模塊(Power Control Module, PCM)將故障信息存入存儲器，通過一定的程序可以將故障碼經(jīng)由OBD接口從PCM 中讀出[4]。根據(jù)故障碼的提示，維修人員能迅速準確地確定故障的性質和部位。

2.2 衛(wèi)星快檢原理

通過分析汽車快速測試的設計架構，得知汽車總線快速測試主要是依托汽車各個單元的自測試。各ECU單元產(chǎn)生故障代碼及相關數(shù)據(jù)，OBD接口外接測試設備發(fā)送測試序列激勵，解析故障代碼，分析總線數(shù)據(jù)，進行故障診斷。

批量衛(wèi)星快檢主要面向硬件功能測試，不需再進行軟件邏輯層面的檢查。衛(wèi)星硬件功能定期檢查主要采用“激勵—響應”法。測試系統(tǒng)通過上下行通道進行“激勵—響應”閉環(huán)測試，實際響應與預想結果進行比對分析，完成衛(wèi)星硬件功能快速檢查。充分應用衛(wèi)星“內建激勵—響應”測試方式，比如載荷內置基準數(shù)據(jù)源，發(fā)送基準數(shù)據(jù)至數(shù)傳分系統(tǒng)，將接收到的數(shù)傳數(shù)據(jù)與基準數(shù)據(jù)進行比對分析，完成遙感數(shù)據(jù)鏈的硬件功能檢測；此外光學載荷內置黑體、光源，電子載荷內置自檢信號源、檢波電路，也可完成光路、電子微波組件性能的基本評估。

快速測試的技術核心是自測試[5]，參考汽車各個ECU中的OBD單元設計，建設衛(wèi)星總線各個終端的OBD功能模塊(至少包括OBD硬件模塊設計，OBD軟件層面的調度與診斷模型可交由總線快檢設備完成，減少星上OBD軟件代碼量)?？偩€快檢設備依托整星星載自測試(On Board Diagnosis,OBD)實現(xiàn)，衛(wèi)星各個總線終端集成了OBD硬件模塊，OBD軟件工作可由總線快檢設備完成。在總線快檢設備中設置了測試序列、分析模型、狀態(tài)評估與報告生成等模塊，將測試序列發(fā)送到被測終端OBD模塊，將被測終端OBD模塊的測試響應反饋回總線快檢設備，總線快檢設備依據(jù)分析模型進行故障診斷，完成衛(wèi)星狀態(tài)評估，自動化生產(chǎn)測試報告[6]。

自測試設計應從裝備的設計階段著手，通過系統(tǒng)設計劃分，實現(xiàn)系統(tǒng)級航線可更換單元(Line Replaceable Unit, LRU)之間的物理劃分，方便內建自測試(Built-in Test, BIT)單元的設置，運用信息流模型、多信號模型等方法建模分析系統(tǒng)的測試性設計，并通過故障模式、影響及危害性分析(Failure Mode, Effects and Criticism Analysis, FMECA)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、使用中的薄弱環(huán)節(jié)，改善系統(tǒng)的健壯性、測試性與維修性。

常用的多信號模型通過對系統(tǒng)的組件、信號、測試點之間關系進行仿真建模，準確反映了系統(tǒng)的物理結構，廣泛應用于航空、航天領域，其模型核心要素如下：

(1)組件的有限集：F={f1,f2,…,fm}；

(2)信號集：FA={fa1,fa2,…,fak}；

(3)測試點集：TP={TP1,TP2,…,TPn}；

(4)有向圖：DG={F,TP,E}，表示系統(tǒng)內部關聯(lián)關系。

相應的測試性分析設計工具如美國Qualtech Systems Inc.公司的TEAMS，它基于多信號模型，涵蓋了系統(tǒng)結構、測試布局、測試流程、故障等信息，關聯(lián)分析各種故障、BIT、測試性缺陷與建議等信息，同時可以交互完成FMECA，形成測試性報告。此外還包括基于美國Aeronautical Radio Inc.公司信號流模型的系統(tǒng)可測試分析工具System Testability Analysis Tool、美國DETEX Systems, Inc.公司的混合診斷工具eXpress等。

自測試設計分配遵循逐級分配設計原則，完成大系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機、單板、功能組件的自測試設計分配。衛(wèi)星各類單機的功能組件組成按照類型可分為：核心數(shù)字電路、通信接口、傳感器、執(zhí)行器、輸入通道、輸出通道[7]。其組件測試類型與自測試方法如下:

(1)核心數(shù)字電路檢查：測試代碼比對、錯誤檢測與糾正(Error Detection and Correction, EDAC)校驗、看門狗、內存(Random Access Memory, RAM)監(jiān)測等；

(2)通信接口檢查：回繞—自發(fā)自收比對、校驗位、波形采集、長抱環(huán)等；

(3)傳感器檢查：基于測量信號之間的約束關系自檢，查找異常；

(4)執(zhí)行器檢查：比較仿真模型與實際執(zhí)行器響應是否一致；

(5)輸入通道檢查：射頻上行激勵測試、基準源測試，如將傳感器與后端調理采集電路斷開，傳感器接傳感器自測電路，調理電路接基準源，查看響應是否與預想一致；

(6)輸出通道檢查：射頻下行鏈路檢測、執(zhí)行驅動仿真比對法，如執(zhí)行驅動電路信號回采判斷，執(zhí)行器響應與執(zhí)行模型仿真結果是否匹配；

單機各個功能組件的測試點選擇直接影響診斷策略與能力，應基于系統(tǒng)層次分析并按照式(1)故障率加權分配方法進行資源分配，故障率高、故障影響大的組件單元多分配測試資源。

(1)

式中：Pia——第i個單元的測試資源占有率；Psr——整體資源占用率；Ki——第i個單元的影響權重；λi——第i個單元的故障率。

測試點排布的優(yōu)選方法包括二元分裂法、信息熵法、相關矩陣分裂法等。二元分裂法類似折半搜索算法，利于快速定位問題，信息熵、相關矩陣在二元分裂法基礎上，考慮了組件的故障影響、信息模糊度等加權因素，進一步優(yōu)化測點。

測試點集合應具備完備性，應在故障檢測率、檢測效率、故障定位能力與檢測資源代價之間權衡，達到近似最優(yōu)組合，通過測試點的合理分配與有效組織，形成覆蓋完備、冗余最優(yōu)的測試集?；谀Ｐ?、信息流等方法，構建故障診斷策略，以最少的測試時間、測試步驟及測點資源快速定位與隔離故障，提高系統(tǒng)的自診斷和外部診斷能力。

3 快檢系統(tǒng)設計

汽車主用的控制器局域網(wǎng)絡(Controller Area Network, CAN)總線采用優(yōu)先級競爭控制機制，沒有主從單機之分，診斷設備通過OBD接口經(jīng)網(wǎng)關接入CAN網(wǎng)絡，設定合適的優(yōu)先級即可參與整個網(wǎng)絡通信，發(fā)送控制信號，采集需要的信息。衛(wèi)星常用的1553B總線采用總線控制器(Bus Controller,BC)與遠程終端(Remote Terminal,RT)結合的主從機模式，總線調度由BC發(fā)動?？偩€快檢設備作為BC，可以更好地進行故障診斷，但需處理好中心計算機雙機均降級為RT和響應快檢設備指令的問題，同時總線快檢設備也具備RT功能，可以用于中心計算機的功能測試。

如圖3所示，總線掛載的單機按照功能主要分為綜電、姿控、射頻(測控、數(shù)傳、中繼)、載荷、能源等，總線快檢設備采用集約化便攜式設計，應用鋰電池供電，可支持3小時工作。

圖3 總線快檢工作示意圖Fig.3 Rapid test working diagram based on bus scheduling

如圖4，總線快檢設備發(fā)起測試會話，調度測試程序集，向目標RT發(fā)送測試命令，目標RT接收到測試命令后，將測試激勵信號發(fā)送至相應執(zhí)行單元，執(zhí)行單元的測試響應由目標RT經(jīng)過總線發(fā)送回總線快檢設備。總線快檢設備根據(jù)判據(jù)、分析模型進行故障診斷，評估各個總線單元硬件功能是否正常。

快檢系統(tǒng)在應急快響類衛(wèi)星研制中起到了良好的技術保障作用，30分鐘內即可完成衛(wèi)星內部各單機間的通信接口與功能響應檢查。而傳統(tǒng)的測控手段，則需要10小時以上才可完成。

圖4 測試程序集編輯與閉環(huán)執(zhí)行界面Fig.4 Software interface of test program set editor and closed loop executor

4 結束語

本衛(wèi)星快檢技術克服了傳統(tǒng)測控自檢模式效率低下的弊端，通過總線高速調度測試序列，實現(xiàn)衛(wèi)星快速檢修測試，滿足衛(wèi)星批量測試與應急測試需求。后續(xù)將在測試點資源分配、自測試設計分析、測試序列組合優(yōu)化等方面進一步展開研究。