基于柔性測(cè)試網(wǎng)絡(luò)的在軌測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)

宋海橋， 胡建平

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所， 四川 成都 610036)

0 引 言

在衛(wèi)星發(fā)射后， 需利用在軌測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備對(duì)衛(wèi)星天線、 轉(zhuǎn)發(fā)器、 信標(biāo)等有效載荷以及衛(wèi)星平臺(tái)進(jìn)行功能和性能指標(biāo)在軌測(cè)試， 測(cè)試周期通常長(zhǎng)達(dá)3～6個(gè)月[1]. 傳統(tǒng)在軌測(cè)試方法以手工操作為主， 且需要跨單位、 跨區(qū)域協(xié)調(diào)人員和設(shè)備參與測(cè)試， 值班人員測(cè)試任務(wù)重， 壓力大. 傳統(tǒng)在軌測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試站與衛(wèi)星地面站都同址建設(shè)， 使用測(cè)試電纜和波導(dǎo)構(gòu)建測(cè)試鏈路， 只適用于短距離機(jī)房建設(shè)的場(chǎng)景， 且大多測(cè)試站在完成在軌測(cè)試后就廢棄了， 存在建設(shè)成本高， 使用周期短的特點(diǎn).

本文探討的在軌測(cè)試系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： ①目標(biāo)衛(wèi)星載荷類(lèi)別9種含70多類(lèi)測(cè)試項(xiàng)目， 其中包括10多項(xiàng)耗時(shí)長(zhǎng)的穩(wěn)定度指標(biāo)， 多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目需測(cè)試幾十個(gè)通道； ②為避免某轉(zhuǎn)發(fā)器測(cè)試信號(hào)與衛(wèi)星地面站天線場(chǎng)區(qū)內(nèi)其他S頻段測(cè)控系統(tǒng)發(fā)生干擾， 需本地衛(wèi)星地面站與異址建設(shè)的測(cè)試站聯(lián)合完成在軌測(cè)試任務(wù)； ③為延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命， 還要兼顧地面鏈路測(cè)試及任務(wù)頻譜監(jiān)視要求. 部分載荷的部分測(cè)試項(xiàng)目如表 1 所示.

表 1 部分載荷的部分測(cè)試項(xiàng)目列表Tab.1 Part test items list of some satellite payloads

本文探討了采用新測(cè)試方法進(jìn)行異址群時(shí)延測(cè)量， 對(duì)光傳輸鏈路應(yīng)用進(jìn)行了可行性驗(yàn)證， 并應(yīng)用于在軌測(cè)試的微波信號(hào)傳輸； 設(shè)計(jì)了柔性測(cè)試網(wǎng)絡(luò)用于各階段的測(cè)試鏈路切換及并發(fā)測(cè)試要求； 進(jìn)行了軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)， 后端的服務(wù)端軟件采用面向服務(wù)的軟件架構(gòu)， 測(cè)試客戶端軟件采用平臺(tái)加插件的軟件架構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可定義、 流程可定制、 測(cè)試項(xiàng)目可并發(fā)自動(dòng)測(cè)試， 并有良好的可擴(kuò)展性.

1 測(cè)試平臺(tái)組成及工作原理

本文在軌測(cè)試系統(tǒng)由測(cè)試鏈路、 切換網(wǎng)絡(luò)、 測(cè)試儀器、 計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成， 在衛(wèi)星地面站和測(cè)試站的配合下， 完成衛(wèi)星在軌測(cè)試和任務(wù)頻譜監(jiān)視等任務(wù)， 并兼顧對(duì)地面站射頻鏈路指標(biāo)測(cè)試， 其工作原理如圖 1 所示.

圖 1 在軌測(cè)試系統(tǒng)工作原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of in-orbit test system working principle

2 測(cè)試平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

2.1 異址在軌測(cè)試群時(shí)延測(cè)量方法設(shè)計(jì)

目前， 衛(wèi)星在軌測(cè)試中比較難于測(cè)量的參數(shù)主要為群時(shí)延. 群時(shí)延不僅決定了系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸時(shí)延的大小， 而且與信號(hào)傳輸失真性能密切相關(guān)， 是衛(wèi)星通信、 航天測(cè)控等系統(tǒng)的一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)[2].

群時(shí)延的傳統(tǒng)測(cè)量方法主要有： 直接相位測(cè)量、 轉(zhuǎn)換技術(shù)和包絡(luò)延遲[3]. 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀多采用直接相位測(cè)量方法， 但需配套混頻器和振蕩器才能在變頻器上進(jìn)行群延遲測(cè)量， 測(cè)試成本較高， 多用于地面鏈路指標(biāo)測(cè)試. 轉(zhuǎn)換技術(shù)應(yīng)用范圍窄且計(jì)算復(fù)雜， 很少使用. 包絡(luò)延遲測(cè)試方法采用微波分析儀對(duì)在軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的群時(shí)延指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試， 將信息加載到一個(gè)載波上形成一定帶寬， 并解調(diào)計(jì)算當(dāng)插入被測(cè)設(shè)備后有多少信息被延遲， 從而得出群時(shí)延指標(biāo)[4].

由于衛(wèi)星群時(shí)延測(cè)量的信號(hào)發(fā)端和接收端分別部署在相距數(shù)百公里的地面站和測(cè)試站， 采用基于FM調(diào)制的矢量信號(hào)源+頻譜儀+示波器的測(cè)量， 或采用微波分析儀/矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的測(cè)試方法等等， 都要求用同一臺(tái)測(cè)試儀器產(chǎn)生和接收測(cè)試信號(hào)， 無(wú)法滿足異址測(cè)試要求. 本文采用矢量信號(hào)源和矢量頻譜儀(添加群時(shí)延選件)異地部署的多載波群時(shí)延測(cè)量方案， 利用矢量信號(hào)源可按需進(jìn)行等孔徑設(shè)置， 產(chǎn)生等幅度多音信號(hào)， 經(jīng)星地鏈路后， 利用測(cè)量前已校準(zhǔn)的矢量頻譜儀接收下行信號(hào)， 可直接基于接收信號(hào)測(cè)量出各頻點(diǎn)群時(shí)延.

2.2 光傳輸鏈路設(shè)計(jì)及可行性驗(yàn)證

2.2.1 光傳輸鏈路設(shè)計(jì)

為兼顧不同階段指標(biāo)測(cè)試要求， 測(cè)試儀器及測(cè)試鏈路部署有如下2種方案：

傳統(tǒng)方案： 在測(cè)試站塔基房、 衛(wèi)星地面站高頻房、 設(shè)備機(jī)房分別部署矢量信號(hào)源和矢量頻譜儀， 機(jī)房間采用波導(dǎo)進(jìn)行傳輸， 根據(jù)機(jī)房間距離在波導(dǎo)傳輸鏈路中增加一級(jí)或兩級(jí)放大器. 方案特點(diǎn)： ①存在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壓力大、 中間級(jí)放大器遠(yuǎn)距離供電有安全隱患、 放大器工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致性能不穩(wěn)定影響測(cè)量精度等缺點(diǎn)； ②需多點(diǎn)部署測(cè)試儀器， 測(cè)試儀器需求多.

本方案： 在設(shè)備機(jī)房部署矢量信號(hào)源和矢量頻譜儀， 設(shè)備機(jī)房與塔基房、 高頻房間通過(guò)模擬光傳輸鏈路進(jìn)行信號(hào)傳輸. 方案特點(diǎn)： ①光傳輸具有長(zhǎng)距離傳輸衰減小、 信號(hào)傳輸性能穩(wěn)定、 引入測(cè)量誤差小、 電磁兼容性好等性能， 能動(dòng)態(tài)適應(yīng)機(jī)房距離布局； ②設(shè)備機(jī)房部署一套測(cè)試儀器， 可靈活構(gòu)建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)滿足不同階段的測(cè)試要求.

光纖傳輸有數(shù)字傳輸和模擬傳輸2種方式， 模擬傳輸有非線性失真小、 系統(tǒng)成本低的特點(diǎn). 本文采用光模擬傳輸方式代替波導(dǎo)傳輸?shù)募夹g(shù)方案實(shí)現(xiàn)了S/Ka頻段信號(hào)傳輸. 時(shí)頻、 時(shí)鐘類(lèi)信號(hào)在通過(guò)光纖傳輸時(shí)需要對(duì)光傳輸設(shè)備進(jìn)行性能優(yōu)化、 同步校正等處理， 目前已有成熟的設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品[5].

2.2.2 可行性驗(yàn)證

微波光傳輸鏈路設(shè)備已廣泛應(yīng)用于數(shù)傳/測(cè)控信號(hào)傳輸和測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化測(cè)試鏈路， 但業(yè)界對(duì)光傳輸是否會(huì)影響在軌測(cè)試的群時(shí)延和相噪指標(biāo)測(cè)量結(jié)果尚有質(zhì)疑. 本文進(jìn)行了單純使用光傳輸鏈路、 單純使用模擬轉(zhuǎn)發(fā)器、 光傳輸鏈路+模擬轉(zhuǎn)發(fā)器的群時(shí)延指標(biāo)比對(duì)測(cè)試， 并對(duì)光傳輸鏈路進(jìn)行了相噪指標(biāo)測(cè)試， 與目標(biāo)載荷的相噪指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比， 結(jié)果表明其可以滿足在軌測(cè)試要求.

a) 群時(shí)延指標(biāo)比對(duì)測(cè)試

使用光端機(jī)(帶長(zhǎng)度大于50 m光纖)作為測(cè)試鏈路設(shè)備， 衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器作為被測(cè)對(duì)象， 德國(guó)RS儀器公司的SMW200A型信號(hào)源和FSW43型頻譜分析儀作為測(cè)量?jī)x器.

光端機(jī)收發(fā)模組(含光纖)和衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器分別測(cè)量群時(shí)延特性， 測(cè)量結(jié)果如圖 2 所示.

(a) 光端機(jī)收發(fā)模組

在衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器連接光端機(jī)收發(fā)模組(含光纖)條件下， 群時(shí)延測(cè)量結(jié)果如圖 3 所示.

使用光傳輸鏈路設(shè)備接入模擬轉(zhuǎn)發(fā)器， 對(duì)基于光傳輸?shù)脑谲墱y(cè)試鏈路驗(yàn)證. 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明， 基于光傳輸?shù)亩噍d波群時(shí)延測(cè)量值≤0.3 ns， 對(duì)在軌測(cè)試精度不引入附加影響， 可以滿足測(cè)量精度1 ns的測(cè)量要求.

圖 3 光端機(jī)+衛(wèi)星模擬轉(zhuǎn)發(fā)器群時(shí)延測(cè)量結(jié)果Fig.3 Group delay time test result of satellite simulate transponders and optical transmission link of 30 GHz and 20 GHz frequency point

b) 相噪指標(biāo)測(cè)試

考慮到光傳輸鏈路可能會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)的噪底產(chǎn)生附加影響， 故需要評(píng)估其相噪性能是否會(huì)惡化衛(wèi)星載荷相噪指標(biāo)， 影響指標(biāo)測(cè)試結(jié)果. 本文采用傳統(tǒng)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行光傳輸設(shè)備的相噪等指標(biāo)測(cè)試， 地面光傳輸鏈路相噪測(cè)量結(jié)果如圖 4 所示.

(a) 30 GHz

比較測(cè)試結(jié)果和載荷指標(biāo)要求可知， 模擬光端傳輸鏈路相噪指標(biāo)比衛(wèi)星載荷的相噪指標(biāo)低約20 dB， 可見(jiàn)光傳輸鏈路相噪不會(huì)影響衛(wèi)星載荷的相噪指標(biāo)測(cè)量.

2.3 柔性測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)首先要求確定測(cè)試接口和測(cè)試儀器的配置和性能， 并考慮測(cè)試鏈路的信號(hào)電平分配， 確保發(fā)射信號(hào)滿足信號(hào)飽和點(diǎn)測(cè)試條件， 接收信號(hào)電平在頻譜儀的測(cè)量范圍內(nèi). 為了同時(shí)滿足在軌測(cè)試和地面鏈路測(cè)試的要求， 各鏈路的測(cè)試接口設(shè)計(jì)如圖 5 所示， 需覆蓋到所有的上行和下行鏈路， 并確保所有射頻測(cè)試接口都能連接到前端的射頻開(kāi)關(guān)矩陣， 中頻測(cè)試接口連接到后端的測(cè)試開(kāi)關(guān)矩陣.

圖 5 在軌測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試接口設(shè)計(jì)

在進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試前， 在信號(hào)發(fā)端需要完成地面發(fā)射鏈路的校準(zhǔn)和發(fā)射信號(hào)的測(cè)量， 在信號(hào)接收端需完成接收鏈路的校準(zhǔn)和接收信號(hào)測(cè)量. 不同指標(biāo)的測(cè)試方法參照衛(wèi)星有效載荷在軌測(cè)試方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試， 如三階交調(diào)測(cè)試時(shí)， 可根據(jù)需要由矢量信號(hào)源發(fā)雙音信號(hào)， 或由矢量信號(hào)源和射頻信號(hào)源同時(shí)發(fā)上行信號(hào)， 功率計(jì)用于發(fā)射信號(hào)功率測(cè)量和接收信號(hào)功率校準(zhǔn).

射頻測(cè)試信號(hào)通過(guò)射頻測(cè)試鏈路逐一連接到前端的射頻開(kāi)關(guān)矩陣， 經(jīng)光傳輸鏈路連接到后端開(kāi)關(guān)矩陣， 中頻信號(hào)接口連接到后端開(kāi)關(guān)矩陣， 從而滿足設(shè)備機(jī)房測(cè)試儀器對(duì)所有測(cè)試接口的信號(hào)注入或測(cè)量要求， 測(cè)試鏈路設(shè)計(jì)如圖 6 所示， 完整覆蓋在軌測(cè)試、 地面鏈路指標(biāo)測(cè)試、 任務(wù)頻譜監(jiān)視的測(cè)試鏈路切換要求， 通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣預(yù)留測(cè)試儀器備份接口， 支持補(bǔ)充測(cè)試儀器增加通道并發(fā)測(cè)試的能力.

圖 6 在軌測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

3 測(cè)試平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展方向是標(biāo)準(zhǔn)化、 模塊化和系列化， 而標(biāo)準(zhǔn)的總線技術(shù)和軟件技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這“三化”的關(guān)鍵技術(shù)[6]. 比較成熟的自動(dòng)化測(cè)試平臺(tái)一般采用插件開(kāi)發(fā)框架， 使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有更強(qiáng)的可擴(kuò)展性； 插件是可獨(dú)立完成某個(gè)或一系列功能的模塊， 插件之間通過(guò)統(tǒng)一的接口即規(guī)范式的接口進(jìn)行組合， 形成一個(gè)完整的系統(tǒng)[7].

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件由服務(wù)端軟件和測(cè)試客戶端軟件組成. 服務(wù)端軟件采用面向服務(wù)體系架構(gòu)(SOA)， 實(shí)現(xiàn)服務(wù)之間的松耦合， 且服務(wù)間接口通信不涉及到底層編程接口和通信模型， 可通過(guò)xml文件動(dòng)態(tài)定義儀器設(shè)備. 測(cè)試客戶端軟件采用通用平臺(tái)+插件架構(gòu)， 主要功能如下所述.

通用平臺(tái)的主要功能如下：

1) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)、 核心的功能， 例如動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理、 日志服務(wù)等；

2) 自動(dòng)加載、 運(yùn)行、 管理各個(gè)插件模塊的功能；

3) 通過(guò)服務(wù)或事件的方式實(shí)現(xiàn)插件間的通信， 切斷了模塊之間的耦合， 插件開(kāi)發(fā)時(shí)具體業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)不大， 所有的軟件配置項(xiàng)都是在該軟件架構(gòu)基礎(chǔ)上， 開(kāi)發(fā)各種業(yè)務(wù)功能插件；

4) 插件支持熱插拔功能， 支持不關(guān)閉軟件的條件下實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展及升級(jí). 提供可視化界面對(duì)插件進(jìn)行管理.

插件的要求如下：

1) 各種功能模塊和顯示界面模塊都是以插件的形式存在；

2) 插件必須遵循插件開(kāi)發(fā)規(guī)范， 并以接口形式對(duì)外提供服務(wù).

計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)采用分層式體系架構(gòu)， 如圖 7 所示. 應(yīng)用層提供一體化界面展現(xiàn)， 并支持插件式動(dòng)態(tài)加載； 業(yè)務(wù)服務(wù)層提供各類(lèi)業(yè)務(wù)服務(wù)， 且服務(wù)可擴(kuò)展， 并支持任務(wù)流程定制和自動(dòng)化調(diào)度； 平臺(tái)服務(wù)層提供基礎(chǔ)服務(wù)支撐， 基礎(chǔ)設(shè)施層提供系統(tǒng)運(yùn)行必需的硬件基礎(chǔ). 系統(tǒng)可通過(guò)xml文件動(dòng)態(tài)配置儀器設(shè)備， 定制并行流程， 提供并行測(cè)試擴(kuò)展能力.

圖 7 計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)軟件層次結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Software hiberarchy figure of compute test system

4 在軌測(cè)試流程

傳統(tǒng)在軌測(cè)試任務(wù)通常是通過(guò)手動(dòng)配置方式進(jìn)行測(cè)試， 本系統(tǒng)可支持自動(dòng)化流程執(zhí)行在軌測(cè)試任務(wù). 需要中心統(tǒng)一下發(fā)測(cè)試任務(wù)計(jì)劃， 并由上級(jí)監(jiān)控下發(fā)任務(wù)， 在衛(wèi)星地面站和測(cè)試站的配合下完成測(cè)試， 系統(tǒng)測(cè)試任務(wù)自動(dòng)化運(yùn)行流程如圖 8 所示. 由于每個(gè)指標(biāo)的測(cè)試方法各有差異， 鏈路配置和具體測(cè)試流程會(huì)有差異， 可通過(guò)測(cè)試項(xiàng)目編號(hào)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試流程的對(duì)應(yīng)綁定， 并需先完成地面鏈路校準(zhǔn)再進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量. 不同測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試方法不同， 而具體測(cè)試方法已有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)， 且相對(duì)成熟[8-10]， 限于篇幅不再展開(kāi)描述.

圖 8 在軌測(cè)試任務(wù)自動(dòng)化運(yùn)行流程圖

5 結(jié) 論

本文探討了利用矢量信號(hào)源與矢量頻譜儀進(jìn)行異址群時(shí)延測(cè)量的測(cè)試方法， 提出了在在軌測(cè)試系統(tǒng)中應(yīng)用模擬光傳輸鏈路替代傳統(tǒng)波導(dǎo)傳輸鏈路的設(shè)計(jì)思路， 并通過(guò)可行性試驗(yàn)驗(yàn)證這一方法可有效提升測(cè)試鏈路的信號(hào)穩(wěn)定性和傳輸安全性， 可適應(yīng)天線端與設(shè)備機(jī)房的距離變化； 設(shè)計(jì)了一種柔性測(cè)試網(wǎng)絡(luò)， 可滿足一套測(cè)試儀器同時(shí)進(jìn)行在軌測(cè)試、 地面鏈路測(cè)試和任務(wù)頻譜監(jiān)視的多任務(wù)、 多模式自動(dòng)化測(cè)試需求； 提出了面向服務(wù)的服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)和平臺(tái)+插件的應(yīng)用端軟件架構(gòu)， 可支持基于xml定義儀器設(shè)備、 系統(tǒng)流程定制、 多任務(wù)并行測(cè)試等能力， 提升了測(cè)試效率， 并具有良好的擴(kuò)展性. 本文提出的設(shè)計(jì)思路及測(cè)試方法具有良好的測(cè)試性能和工程實(shí)用性， 可為多類(lèi)衛(wèi)星在軌測(cè)試或衛(wèi)星地面站的收發(fā)鏈路指標(biāo)測(cè)試提供設(shè)計(jì)參考.