航天器有效載荷高可靠集成仿真測試系統設計

馬 萍，唐衛華，李 峰

(中國科學院 空間應用工程與技術中心，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調性的必要手段[1-3]。近年來，隨著我國航天技術的飛速發展，深空探測衛星、載人飛船、空間實驗室、空間站等采用新技術、具有新功能、賦予新使命的航天器不斷出現，開展空間科學實驗研究的有效載荷規?？涨褒嫶?，探索性強、復雜程度高的科學實驗項目也日益倍增。面對各領域有效載荷接口復雜、數據類型多、碼速率高、數據量大、運營管理模式復雜等特點，和集成測試任務持續性、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將難以勝任。需要采用新思路、新方法，建設功能全面、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，以滿足不同領域、不同類型有效載荷的仿真測試需求，提高系統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的發展趨勢，在分布式高性能計算機網絡體系結構基礎上提出一種航天器有效載荷集成仿真測試系統的設計架構，融合“強內聚、松耦合”的設計理念和模塊化[6-7]的設計思想，具有較強的可靠性、適應性、開發性和可擴展能力，支持按任務需求進行快速重構和擴展升級，以適應有效載荷不同研制階段、不同試驗場地、不同規模的測試任務需求。

1 系統設計需求

有效載荷集成仿真測試系統是進行有效載荷電性能聯試、整器綜合測試和發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、驗證系統軟硬件工作的協調性和可靠性[1]。測試系統應具備：

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備對載荷專用測試設備的數據和信息轉發接口；仿真發射場測發指揮監控系統(以下簡稱C3I系統)對測試系統的信息傳輸接口。

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

3)專用測試功能：配置載荷數據格式、傳輸協議和解包規則，自動解析載荷科學數據和工程數據，實現載荷圖像或視頻快視、遙測參數自動判讀、用戶可訂制的可視化數據監顯，實現與航天器平臺地面綜測系統和發射場C3I系統的信息交互。

4)測試管理功能：支持用戶權限管理、系統軟硬件資源管理，具有測試數據、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：支持數據總線在線監視、測試數據回放、測試過程回溯和測試數據分類統計，通過對測試狀態的監視和對測試數據的分析，及時發現被測產品的故障隱患，快速定位故障根源。

6)自動化：根據被測產品的模型數據、設計信息及測試需求，自動形成被測產品的測試用例；結合產品的接口及功能設計信息(如IDS表)自動生成測試指令序列和數據注入碼值；自動執行測試序列完成注入指令發送和結果確認。

7)智能化：將載荷專家的數據判讀規則和模型形成數據判讀知識庫，在測試過程中根據數據判讀知識庫和注入指令對載荷的相關參數進行自動監視判讀，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：系統具有自身故障檢測、故障隔離和緊急處置的設計，在各階段測試中測試系統不能影響被測設備的安全。

9)擴展性：系統具有良好的模塊化、標準化設計，具有標準擴展接口，能夠根據不同的測試環境和測試要求對系統進行快速重組，根據后續任務的變化可以靈活快速完成系統的二次開發、系統擴展和升級。

2 系統設計方案

2.1 系統框架設計

本設計采用分布式網絡結構和客戶機/服務器的結構框架。系統內所有設備和軟件保持相對獨立性，通過局域網和數據庫相連接，實現數據共享和快速處理。服務器作為系統核心，負責整個系統網絡的維護和仿真測試信息的調度管理?？蛻舳烁鶕δ芊譃閮煞N角色：1)作為前端設備，直接與被測設備相連接，負責與被測設備件的信息交互；2)作為仿真/測試終端，負責測試過程操作、測試數據和信息的處理、顯示和判讀等。系統基礎框架如圖1所示。

整個集成仿真測試系統僅通過測試前端機與被測載荷或其他外界系統相聯通，完成接口數據轉換。該系統構架一方面有利于提高系統可靠性，保護系統安全，避免受外界其它系統干擾或者入侵破壞；另一方面也提高了系統可維護性和可擴展性，便于增添改變系統中軟硬件配置，可實現系統無縫升級而不改變基礎體系框架結構。擴展后的系統構架如圖2所示。

圖2 可擴展的測試系統構架

2.2 系統組成及工作原理

在分布式網絡結構和客戶機/服務器結構框架的基礎上，結合具體任務需求，設計并實現的測試系統。如圖3所示。

圖3 某型號任務有效載荷測試系統組成

整個測試系統由集成測試設備(簡稱ICOE)和專用測試設備(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，兩個部分之間又相對獨立，充分體現“強內聚、松耦合”的設計理念[4]。兩個部分共同支持了載荷級系統聯試，其中SCOE可單獨用于支持整器綜合測試和發射場測發等任務。SCOE接收并處理ICOE或航天器綜合測試總控設備(簡稱OCOE)轉發的有效載荷遙測參數(包括模擬量遙測、數字量遙測、航天器重要參數等)；接收并處理通過中繼通道下行的載荷應用數據(包括工程數據和圖像/視頻數據)。

2.2.1 集成測試設備

集成測試設備主要負責完成測試系統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的供電接口、程控接口、模擬量遙測接口、數字量遙測和注入接口(1553B總線)、應用數據接口(以太網總線)、航天器綜合測試總控設備對載荷系統SCOE接口(以太網總線)，實現各接口的數據通信。

2)集成測試功能：支持對供電電源實時監控；提供對指令、數據注入和指令序列的生成編輯平臺，實現自動化測試；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、以太網等總線接口的通信、監視和仿真功能；將采集的模擬量、數字量和應用數據按照地面測試協議組包后，與SCOE進行信息交互。

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

如圖3所示，集成測試設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、測試監視終端、測試指揮終端。

2.2.2 專用測試設備

專用測試設備負責系統數據處理、數據分析、數據管理和數據自動判讀等關鍵性工作，主要功能包括：

1)接收集成測試設備轉發的有效載荷模擬量和數字量遙測數據、指令信息、載荷應用數據及約定信息，實現與航天器平臺綜測系統、C3I系統的信息交互；

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

3)根據事先建立的判讀知識庫，對接收到的遙測數據、應用數據進行實時判讀，針對異常情況根據預先設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監視和回放模式下的詳細數據分析和判讀；

5)支持遙測數據、工程數據、圖像數據、視頻數據和日志信息的分類存儲，以及數據和日志信息的在線檢索、分析或導出。

如圖3所示，專用測試設備中前端接口交互層包括應用數據接收處理前端、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視終端、自動判讀終端。

3 系統實現思路

3.1 硬件設計

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、數字I/O、1553B總線、1394總線、以太網通信等接口模塊，實現相應的數據接口通信功能。

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視，控制、調節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備發送程控指令；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備的數字量遙測、工程數據、科學數據，向有效載荷發送注入指令，并對總線通信狀態進行在線監視。

3.2 軟件設計

有效載荷集成測試系統的軟件總體結構如圖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據接收、發送、存儲、解析、處理和判讀，保證對實時數據的無間斷流暢監控。非實時部分主要負責對歷史數據、日志、知識庫、模型庫以及配置信息庫等數據和知識進行存儲、增添、刪除、更改、查詢、統計等常規管理工作。

圖4 系統軟件總體結構

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

非實時軟件包括：數據和知識管理軟件以及歷史數據倉庫、配置信息庫、知識庫等。系統使用Oracle 11g數據庫管理系統完成對實時數據、歷史數據、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、數字量遙測參數和其他總線接口數據；前端接口軟件根據任務約定的數管遙測和信息格式封裝成遙測數據源包和指令包后，轉發至SCOE遙測/信息接收前端。

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

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發的有效載荷遙測參數和測試信息，并將解析處理后的遙測數據和測試信息發送到專用測試服務器(數據庫)歸檔。

應用數據處理前端運行應用數據處理軟件，接收高速通道仿真前端轉發的有效載荷高速應用數據，并根據有效載荷數據處理與傳輸協議對載荷應用數據進行解包處理，將解包后數據發送到專用測試服務器(數據庫)歸檔。

3.2.2 中間資源管理層

測試服務器上部署數據庫管理系統、測試服務管理軟件、數據和知識管理軟件，是整個測試系統運行的核心。測試服務管理軟件實現對實時數據(含指令及執行結果)的收發、解析、處理、存儲和越界判讀；數據和知識管理軟件實現對測試數據和測試過程的管理，包括對實時測試數據、實時測試信息、參數配置信息、監顯界面配置信息、數據字典、用戶權限和測試日志的數據庫管理工作，對數據、指令和判讀結果的歸檔、查閱、輸出和統計分析。

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

自動判讀系統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據，根據系統內置判讀規則、用戶自定義規則和判讀模型執行判讀處理，推理得出判讀結論，通過網絡發送給各判讀客戶端并將關鍵信息存儲進判讀數據庫；判讀客戶端負責判讀規則的書寫、校驗、存入數據庫以及判讀結論的顯示、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控軟件，負責指令發起和校核、測試狀態監控、測試進程維護和關鍵參數判讀；實現對系統設備的在線管理和狀態監視，包括測試設備的性能狀態、軟件的運行狀態、設備故障監視及隔離等監控功能。指令操作終端負責指令碼和數據注入碼值的編輯，指令經測試指揮終端校核確認后，由集成仿真測試前端發出。

測試監視終端運行測試監控軟件，為用戶提供直接的數據顯示。以表格、曲線、圖像、視頻等多種可視化形式向數據監視人員顯示各類測試數據和報警信息，并接受操作人員的瀏覽、查詢、設置、打印、回放等操作。支持監顯頁面和顯示參數的私人訂制，用戶可以通過數據訂閱的方式在監視頁面上顯示訂制的挑點參數，也可以根據個人喜好配置個性化的監視頁面。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、回放科學數據、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，用戶根據判讀服務器中內置的豐富判讀規則，通過調用關系圖的方式創建判讀模型；通過網絡實時接收判讀服務器得出的所有判讀結論并呈現給用戶，提供判讀結論的查詢、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整判讀策略以達到最理想的自動判讀結果。

4 實際應用與分析

系統所有的軟硬件設計經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。系統在C/S的網絡框架下遵循了模塊化的設計思想，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、前端數據接收解析、前臺數據顯示、后臺數據處理、綜合測試管理、數據庫管理和數據判讀等組件類，其中，系統運行的基礎組件總計52項，系統選擇性擴展組件總計45項。軟件系統開發基于C++完成，可運行在Windows系列操作系統上(包括Windows7/8專業版和Windows Server 2008 R2 X64)。系統軟件界面如圖5所示。

圖5 數據監視及控制軟件界面示圖

經過多個型號任務的實際應用，系統模塊化的設計組件重復利用率高達90%。根據任務需求提取相應的硬件和軟件模塊，經過繼承和適應性修改后，能夠實現測試系統的快速重構，用于支持單載荷調試、載荷級系統聯試、整艙綜合測試和發射場測試等不同規模、不同場景的測試任務，大大縮短了系統開發周期，縮減了系統開發成本，提高了系統開發效率。通

過對系統組件的功能擴展和不斷地升級維護，系統功能完備性更強，可靠性更高。

5 結束語

有效載荷集成仿真測試系統采用分布式、客戶機/服務器可擴展的網絡結構框架，引入了組件化模塊化的設計方法，自動化測試和智能化數據判讀等功能，實現了面向用戶的系統快速動態重構，具有可靠性高、靈活性強、自動化程度高、擴展空間大等優勢，縮短了開發周期，降低了開發成本，通過迭代開發不斷提高了系統的安全性可靠性，為后續載人空間站工程大規模有效載荷的生產和高密度測發任務提供了強有力的技術支撐。

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

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