高 括,劉會(huì)杰,劉 磊,楊杰峰,張 銘,潘小彤
(1.上海微小衛(wèi)星工程中心,上海 201203;2.中國(guó)科學(xué)院 微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院,上海 201203)
隨著小衛(wèi)星大規(guī)模組網(wǎng)應(yīng)用的不斷增多,傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星地面測(cè)試系統(tǒng)已不能滿足批量化、并行測(cè)試的需求[1]。衛(wèi)星數(shù)量增多、測(cè)試要求逐步提高,測(cè)試步驟繁瑣、測(cè)試時(shí)間緊張。傳統(tǒng)衛(wèi)星測(cè)試過(guò)程,各個(gè)測(cè)試環(huán)節(jié)均需人工操作,效率低下,測(cè)試系統(tǒng)集成度低,手動(dòng)測(cè)試操作復(fù)雜,數(shù)據(jù)記錄難度高,測(cè)試記錄準(zhǔn)確度低,測(cè)試耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)[2-5]。因此,迫切需要研究一套自動(dòng)化程度較高的多星并行自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),同時(shí)支持多顆星的流水化測(cè)試。
國(guó)外現(xiàn)狀:衛(wèi)星總裝、測(cè)試與試驗(yàn)AIT(assembly integration &test)是衛(wèi)星研制過(guò)程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一。國(guó)外快速AIT已發(fā)展多年且頗具成效,已逐漸由試驗(yàn)驗(yàn)證向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)變,具有代表性的是針對(duì) 美國(guó)“快速響應(yīng)太空”(ORS)計(jì)劃的快速AIT[6]。
1996年,在美國(guó)國(guó)防部自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)執(zhí)行局(DOD ATS EAO)的協(xié)調(diào)下,美軍與工業(yè)界聯(lián)合提出了下一代自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)Nx-Test的體系結(jié)構(gòu),衛(wèi)星并行測(cè)試技術(shù)被列為關(guān)鍵技術(shù)之一[7]。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀:當(dāng)前,國(guó)內(nèi)幾家衛(wèi)星總體單位都承擔(dān)過(guò)了某些星座模式衛(wèi)星的研制任務(wù),雖然有些任務(wù)組網(wǎng)衛(wèi)星總的數(shù)量多,但在研制計(jì)劃上并行研制的衛(wèi)星數(shù)量不多。目前國(guó)內(nèi)衛(wèi)星測(cè)試現(xiàn)狀:
1)不具備流水作業(yè)的測(cè)試模式,單機(jī)、分系統(tǒng)、整星均在相同桌面上串行測(cè)試;
2)不具備整星級(jí)多星并行測(cè)試的能力,自動(dòng)化程度普遍較低。目前測(cè)試系統(tǒng)軟件僅僅局限于單星或多星串行測(cè)試,還不具備多星并行自動(dòng)化測(cè)試的能力,無(wú)法完成衛(wèi)星快速自動(dòng)化測(cè)試[8-9]。
為滿足批產(chǎn)衛(wèi)星流水并行測(cè)試需求,為測(cè)試提供方便、可靠的服務(wù),批量衛(wèi)星流水并行測(cè)試硬件系統(tǒng)分為綜合測(cè)試間、單機(jī)桌面聯(lián)試區(qū)、裝星區(qū)、模飛區(qū)、磁試驗(yàn)區(qū)、EMC試驗(yàn)區(qū)、熱試驗(yàn)區(qū)、力學(xué)試驗(yàn)區(qū)、老練及貯存區(qū)以及UPS供電系統(tǒng)等部分,各部分內(nèi)部設(shè)備通過(guò)局域網(wǎng)交換機(jī)連接在一起,交換機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)連接,距離較遠(yuǎn)的跨區(qū)連接采用的光纖連接,并且每個(gè)衛(wèi)星操作區(qū)域均配備了至少一個(gè)語(yǔ)音調(diào)度工位。批量衛(wèi)星AIT各階段并行連接總體設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖1所示[10-11]。
圖1 批量衛(wèi)星AIT各階段并行連接總圖
批產(chǎn)衛(wèi)星流水并行測(cè)試軟件系統(tǒng)主要由主控中心、測(cè)試控制臺(tái)模塊、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、自動(dòng)判讀顯示模塊、查詢分析模塊、通用測(cè)控前端軟件以及星務(wù)前端模塊組成。每一個(gè)模塊都包含配套軟件和硬件,7部分的軟件相互配合,共同組成“多星并行化測(cè)試系統(tǒng)軟件”。除此之外還需要多星并行化測(cè)試硬件設(shè)備系統(tǒng)、GPS地面校時(shí)系統(tǒng)、能源安全保障系統(tǒng)等其他設(shè)備的支持。
批量衛(wèi)星流水自動(dòng)化測(cè)試的一般過(guò)程包括任務(wù)提出、測(cè)試序列生成、序列執(zhí)行和結(jié)果分析4個(gè)階段,將測(cè)試序列部分或整體傳入被測(cè)對(duì)象,執(zhí)行后將實(shí)測(cè)結(jié)果和理論結(jié)果進(jìn)行比較,給出最終測(cè)試的結(jié)論,批量衛(wèi)星流水自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程如圖 2所示。
圖2 批量衛(wèi)星流水自動(dòng)化測(cè)試過(guò)程示意圖
批量衛(wèi)星流水自動(dòng)化測(cè)試軟件系統(tǒng)包括基礎(chǔ)測(cè)試用例庫(kù)管理模塊、測(cè)試任務(wù)特征提取模塊、測(cè)試序列管理模塊、結(jié)果分析模塊4部分組成。
基礎(chǔ)測(cè)試用例庫(kù)管理模塊主要是存儲(chǔ)衛(wèi)星測(cè)試基本用例,是測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)的基礎(chǔ),在測(cè)試過(guò)程中會(huì)一直不間斷地補(bǔ)充完善基礎(chǔ)測(cè)試用例庫(kù)。
測(cè)試任務(wù)特征提取模塊用于對(duì)測(cè)試任務(wù)做一些必要的處理,即測(cè)試任務(wù)預(yù)處理,預(yù)處理過(guò)程對(duì)測(cè)試任務(wù)進(jìn)行一次大致的篩選,并將篩選的結(jié)果作為測(cè)試任務(wù)的待選特征集合。
測(cè)試序列管理模塊,根據(jù)單元模塊的測(cè)試時(shí)間和復(fù)雜度不同,結(jié)合序列優(yōu)化方法,自動(dòng)生成測(cè)試主機(jī)或者衛(wèi)星中心計(jì)算機(jī)識(shí)別的可執(zhí)行測(cè)試序列。
結(jié)果分析模塊包括指令執(zhí)行結(jié)果的自動(dòng)化判讀,測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)監(jiān)視、故障診斷報(bào)警以及生成實(shí)測(cè)與理論對(duì)比報(bào)告4個(gè)部分。
1)系統(tǒng)支持人機(jī)交互界面操作制定測(cè)試計(jì)劃;
2)系統(tǒng)支持自動(dòng)按照測(cè)試序列順序執(zhí)行測(cè)試任務(wù);
3)調(diào)度有限測(cè)試資源的共享和并行測(cè)試,并避免資源沖突,優(yōu)化測(cè)試效率。
批量衛(wèi)星自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng),以單星測(cè)試系統(tǒng)為基礎(chǔ),擴(kuò)展為可多星并行測(cè)試的開(kāi)放式系統(tǒng);另外,對(duì)數(shù)據(jù)的管理和監(jiān)視顯示增加了系統(tǒng)的開(kāi)放性和兼容性,信息交互良好,數(shù)據(jù)協(xié)議一致,集中判讀和處理為衛(wèi)星聯(lián)合判讀和分析提供平臺(tái)。
批量測(cè)試自動(dòng)化系統(tǒng)的研究體系,以系統(tǒng)改進(jìn)和搭建為核心,并行化的管理和調(diào)度為資源調(diào)度保障,多星測(cè)試產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)的處理是系統(tǒng)改進(jìn)和測(cè)試的最終分析對(duì)象,使多星測(cè)試和單星測(cè)試的測(cè)試手段一樣更加便捷。批量衛(wèi)星并行化任務(wù)管理與調(diào)度體系如圖 3所示。
圖3 批量衛(wèi)星并行化任務(wù)管理與調(diào)度體系
在衛(wèi)星組批研制過(guò)程中,每臺(tái)衛(wèi)星單機(jī)交付驗(yàn)收以后,需要在測(cè)試廠房相應(yīng)的單機(jī)工位上進(jìn)行功能測(cè)試,完成測(cè)試后進(jìn)行單機(jī)的接口對(duì)接測(cè)試。在單機(jī)功能狀態(tài)正常的情況下,接入分系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境,進(jìn)行分系統(tǒng)的功能及性能的驗(yàn)證。完成驗(yàn)證的分系統(tǒng)進(jìn)入整星的測(cè)試工位或整星的裝配環(huán)節(jié)。單機(jī)、分系統(tǒng)及整星三層測(cè)試環(huán)節(jié)逐級(jí)遞進(jìn)、相互獨(dú)立、互不干涉、流水作業(yè),并采用并行自動(dòng)化測(cè)試方法,從而保障組批研制星并行研制的測(cè)試需求。組批衛(wèi)星分級(jí)并行測(cè)試流程如圖4所示。
圖4 衛(wèi)星分級(jí)并行測(cè)試系統(tǒng)流程示意圖
1.3.1 批量衛(wèi)星單機(jī)級(jí)自動(dòng)化測(cè)試
單機(jī)級(jí)自動(dòng)化流水測(cè)試以測(cè)控單機(jī)為例,測(cè)控單機(jī)指標(biāo)驗(yàn)收自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)主要用于分系統(tǒng)單機(jī)交付時(shí)的驗(yàn)收測(cè)試,測(cè)試指標(biāo)包括遙控誤碼率、遙測(cè)誤碼率、下行載波頻率精度、下行載波頻率穩(wěn)定度、輸出功率、下行載波抑制度、帶外雜波抑制、頻譜對(duì)稱(chēng)性、下行信道功率比、捕獲門(mén)限測(cè)試、捕獲時(shí)間測(cè)試、閃斷重捕時(shí)間測(cè)試、上行信號(hào)功率比測(cè)試等。因測(cè)控單機(jī)指標(biāo)驗(yàn)收時(shí)單機(jī)數(shù)量和測(cè)試指標(biāo)都比較多,測(cè)試方法相對(duì)固定,故適合采用自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其測(cè)試,以縮短測(cè)試時(shí)間、提高測(cè)試效率,同時(shí)減少隨機(jī)誤差、提高測(cè)試精度。
測(cè)控單機(jī)指標(biāo)驗(yàn)收自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)采用PXIe架構(gòu)實(shí)現(xiàn)[1],結(jié)合單機(jī)自動(dòng)測(cè)試軟件,其整體框架如圖5所示。
圖5 測(cè)控單機(jī)指標(biāo)驗(yàn)收自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成圖
測(cè)控單機(jī)指標(biāo)驗(yàn)收自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)組成如下:
1)系統(tǒng)采用PXIe架構(gòu),可兼容多種測(cè)試設(shè)備;
2)矢量信號(hào)發(fā)生器:可提供射頻信號(hào)的輸出,實(shí)現(xiàn)最佳動(dòng)態(tài)范圍性能;
3)矢量信號(hào)分析儀:用于分析射頻信號(hào)的頻域特性,可對(duì)應(yīng)答機(jī)的信號(hào)幅度(功率、上行信號(hào)功率比)、載波抑制度、雜波抑制度、頻率(頻率精度、穩(wěn)定度)、調(diào)試信號(hào)幅值、頻率差、信噪比、通道能量、相位噪聲等單機(jī)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量;
4)測(cè)控綜合地檢設(shè)備:上下變頻、基帶處理、高精度銣鐘;
5)示波器:用于完成信號(hào)時(shí)域分析,測(cè)試指標(biāo)包括上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈寬、延遲時(shí)間等;
6)邏輯分析儀:用于對(duì)多通道數(shù)字信號(hào)邏輯關(guān)系進(jìn)行測(cè)試;
7)直接遙測(cè)模塊:用于對(duì)低頻遙測(cè)量進(jìn)行直接采集,包括多通道模擬量、數(shù)字量等,從而完成被測(cè)應(yīng)答機(jī)低頻信號(hào)的采集測(cè)試;
8)直接遙控模塊:提供多路遙控指令脈沖數(shù)據(jù),并預(yù)留多路I/O擴(kuò)展接口;
9)總線測(cè)試:用于完成被測(cè)應(yīng)答機(jī)的1553B、CAN總線通訊測(cè)試;
10)射頻鏈路:用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的開(kāi)關(guān)切換以及功率調(diào)節(jié)。
測(cè)控單機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件:
在上述硬件組成的基礎(chǔ)上,配置一套通用自動(dòng)化測(cè)試軟件以滿足自動(dòng)化測(cè)試需求,其架構(gòu)如圖 6所示。
圖6 測(cè)控分系統(tǒng)單機(jī)自動(dòng)化測(cè)試軟件構(gòu)架圖
1.3.2 批量衛(wèi)星分系統(tǒng)級(jí)自動(dòng)化測(cè)試
衛(wèi)星一般由星務(wù)、能源與總體電路、測(cè)控、熱控、姿軌控等分系統(tǒng)組成,分系統(tǒng)級(jí)自動(dòng)化流水測(cè)試系統(tǒng)以測(cè)控分系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。測(cè)控分系統(tǒng)多星測(cè)試流水作業(yè)流程如下,在單機(jī)承制方交付分系統(tǒng)單機(jī)后,首先進(jìn)行各個(gè)單機(jī)性能指標(biāo)的驗(yàn)收測(cè)試,指標(biāo)驗(yàn)收通過(guò)后,進(jìn)行分系統(tǒng)集成自閉環(huán)測(cè)試,最后接入整星進(jìn)行整星級(jí)綜合測(cè)試。
測(cè)控分系統(tǒng)多星測(cè)試流水作業(yè)具體流程如圖7所示。
圖7 批量衛(wèi)星測(cè)控分系統(tǒng)測(cè)試流程圖
1.3.3 批量衛(wèi)星整星級(jí)自動(dòng)化測(cè)試
整星級(jí)的批量衛(wèi)星自動(dòng)化測(cè)試,是在各個(gè)分系統(tǒng)完成并通過(guò)分系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的基礎(chǔ)上所進(jìn)行的整星系統(tǒng)級(jí)測(cè)試。整星級(jí)測(cè)試任務(wù)是檢驗(yàn)衛(wèi)星各組成分系統(tǒng)之間的連通性、兼容性,檢驗(yàn)衛(wèi)星整體功能的準(zhǔn)確性,以及檢驗(yàn)衛(wèi)星是否達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。整星級(jí)衛(wèi)星測(cè)試是整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的必不可少的階段,做好整星級(jí)衛(wèi)星測(cè)試對(duì)發(fā)現(xiàn)隱藏的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)、確保衛(wèi)星按照既定指標(biāo)要求穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的作用。
衛(wèi)星測(cè)試工作流程如下:
1)遙控發(fā)送過(guò)程:
(1)測(cè)試控制臺(tái)分系統(tǒng)配置好指令序列和測(cè)試用例后,采用自動(dòng)/手動(dòng)的方式發(fā)送指令到主測(cè)試處理機(jī)。因?yàn)槊款w衛(wèi)星測(cè)試任務(wù)不同,所以每個(gè)測(cè)試控制臺(tái)設(shè)備單獨(dú)負(fù)責(zé)一顆衛(wèi)星的指令發(fā)送任務(wù)。
(2)主控中心(或稱(chēng)主測(cè)試處理機(jī))接收測(cè)試控制臺(tái)發(fā)送的上行指令,通過(guò)解析分辨發(fā)送目的衛(wèi)星和通道并將其轉(zhuǎn)發(fā)給星務(wù)前端或遙控前端。為了防止故障影響,每個(gè)主控中心負(fù)責(zé)一顆衛(wèi)星的測(cè)試任務(wù)。
(3)星務(wù)前端接收主控中心發(fā)來(lái)的指令數(shù)據(jù),生成指令發(fā)送隊(duì)列。測(cè)試人員可以選擇自動(dòng)或手動(dòng)發(fā)送指令到衛(wèi)星。對(duì)于自動(dòng)發(fā)送的指令,星務(wù)前端還會(huì)監(jiān)控驗(yàn)證指令的執(zhí)行結(jié)果。
2)遙測(cè)接收過(guò)程:
(1)衛(wèi)星下發(fā)的測(cè)試數(shù)據(jù),從地測(cè)串口下發(fā)到星務(wù)前端分系統(tǒng),星務(wù)前端實(shí)時(shí)解幀顯示并預(yù)判相關(guān)信號(hào)量的值是否處于設(shè)定的預(yù)期值中,同時(shí)將源碼轉(zhuǎn)發(fā)至主測(cè)試處理機(jī)。為了保障數(shù)據(jù)運(yùn)算效率,星務(wù)前端采用Storm分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理集群以達(dá)到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)解幀顯示的要求。
(2)主測(cè)試處理機(jī)分系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收星務(wù)前端下發(fā)的地測(cè)源碼和遙控前端下發(fā)的遙測(cè)源碼并轉(zhuǎn)發(fā)至自動(dòng)判讀及顯示終端和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)。
(3)自動(dòng)判讀及顯示終端接收主測(cè)試處理機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的下行數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)解幀并顯示給測(cè)試人員查看,同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)自定義關(guān)鍵信號(hào)的自動(dòng)判讀,對(duì)異常的數(shù)據(jù)作自動(dòng)報(bào)警。由于自動(dòng)判讀及顯示終端需要進(jìn)行每秒鐘每顆衛(wèi)星每個(gè)通道多至2 000個(gè)信號(hào)量實(shí)時(shí)解幀、顯示、判讀,運(yùn)算量大,對(duì)時(shí)效性要求也高,因此該分系統(tǒng)也采用Storm分布式集群,利用Storm技術(shù)進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)處理。
(4)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)跟自動(dòng)判讀及顯示終端同時(shí)接收主測(cè)試處理機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)的下行測(cè)試數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)解幀存儲(chǔ)。解幀運(yùn)算量也達(dá)到自動(dòng)判讀及顯示終端數(shù)量級(jí)且需要將同數(shù)量級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù),頻率高,數(shù)據(jù)量大,要及時(shí)處理完每一幀數(shù)據(jù),不遺漏數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)的完整性,也采用Storm這種高容錯(cuò)及安全性分布式實(shí)時(shí)處理技術(shù)。
(6)查詢分析終端主要用來(lái)對(duì)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中的測(cè)試數(shù)據(jù)的查詢和對(duì)比分析,初次之外還涵蓋了數(shù)據(jù)格式配置、關(guān)鍵代碼配置等各類(lèi)配置功能。查詢分析終端由B/S架構(gòu)組成,1臺(tái)服務(wù)器作為Server端部署應(yīng)用,供任意一臺(tái)局域網(wǎng)內(nèi)電腦通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)查詢。
多衛(wèi)星批量快速測(cè)試實(shí)現(xiàn)應(yīng)對(duì)高密度發(fā)射任務(wù),滿足并行測(cè)試需要,分布式批量并行測(cè)試的實(shí)現(xiàn)途徑如圖8所示。
圖8 批量衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)框架
批量衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)從功能上主要分為總裝試驗(yàn)、綜合測(cè)試兩大部分。
1)總裝試驗(yàn)部分同時(shí)支持多顆衛(wèi)星的總裝試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)等;
2)綜合測(cè)試間與總裝試驗(yàn)部分通過(guò)光纖連接,綜合測(cè)試間主要完成衛(wèi)星測(cè)試設(shè)備的管理控制、遙控指令上行、遙測(cè)數(shù)據(jù)的接收、處理和分發(fā),并完成遙測(cè)原始數(shù)據(jù)以及解析后的數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢服務(wù);
并行流水自動(dòng)化測(cè)試模式下,對(duì)衛(wèi)星歷史遙測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)器的接口進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì),所有衛(wèi)星綜合測(cè)試平臺(tái)通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息交互,完成支持多種型號(hào)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的并行接收、處理和可視化。
以本文提出的批產(chǎn)衛(wèi)星流水并行測(cè)試系統(tǒng)體系建立的批量衛(wèi)星測(cè)試系統(tǒng)目前已經(jīng)成功應(yīng)用于某組網(wǎng)衛(wèi)星的各階段的測(cè)試任務(wù),累計(jì)服務(wù)十幾顆衛(wèi)星,前期能夠支持12顆星并行流水測(cè)試。非常好地完成了組批衛(wèi)星流水作業(yè)并行測(cè)試任務(wù),成功完成多星并行測(cè)控指令上注,多顆衛(wèi)星并行測(cè)試的遙測(cè)數(shù)據(jù)接收、解析、轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)等,目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,大大縮短了批量衛(wèi)星測(cè)試周期。
針對(duì)組網(wǎng)衛(wèi)星研制周期短、測(cè)試任務(wù)重、測(cè)試人員短缺的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一套批量衛(wèi)星流水作業(yè)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)體系架構(gòu),詳細(xì)介紹了批量衛(wèi)星流水并行測(cè)試系統(tǒng)組成、任務(wù)管理與調(diào)度、衛(wèi)星分級(jí)并行流水自動(dòng)化測(cè)試等。實(shí)現(xiàn)了提高批量衛(wèi)星的測(cè)試效率、精簡(jiǎn)了測(cè)試人員隊(duì)伍、間接縮短了批產(chǎn)衛(wèi)星的研制周期,達(dá)到了很好的使用效果,為后續(xù)批量衛(wèi)星流水作業(yè)自動(dòng)化并行測(cè)試系統(tǒng)的完善設(shè)計(jì)提供參考。