小衛星測控的模塊化自動測試系統構建

付偉達 張士峰 張銳 姬云龍 任光杰

（1 國防科技大學航天與材料工程學院，長沙 410073）（2 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

1 引言

衛星測控的自動測試系統就是用計算機代替人工按照預定的程序，控制和管理測控分系統所有相關的地面儀器設備，對衛星測控測試的信號激勵、信號采集、信號測量實施控制，進行測試信息處理、判讀和記錄，并給出測試結果報告［1-2］。

目前，我國現有的測控自動測試系統大多是自成一體的封閉式體系結構，無統一標準，通用性差，制造成本高，使用生命周期短，不利于不同衛星型號測試和測試系統的更新換代。如發生測試狀態或測試項目變化，則需要不斷地更新其測試程序，大大增加更新維護工作量和對更改后測試程序的測試工作量。

近期，美國國防部完成了下一代自動測試系統研制［3］，其基于“開放系統”的設計思想，首先規劃自動測試系統嚴格的外部和內部接口，采用開放的商業標準和事實標準，確定自動測試系統體系結構。美國下一代自動測試系統結構主要包括2個標準框架和1個協議［4］：①基于VPP（VXI Plug＆Play）的測試系統儀器接口和服務接口框架；②基于IEEE P1226 ABBET（A Broad-Based Environment for Test）的測試信息交換框架；③故障診斷方面遵循IEEE P1232 標 準AI-ESTATE（Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Environment），在構成分布式網絡綜合測試系統時遵循TCP／IP網絡傳輸協議。美國國防部希望通過下一代自動測試系統的研制，達到改善測試系統儀器互換性，擴大自動測試系統應用范圍，方便地實現信息共享和交互。同時，該自動測試系統能實現測試系統組件間、不同測試系統間、與外部環境間信息的共享和無縫交互能力。

針對現有衛星測控測試系統無法適應不同型號測試、無法與外部進行信息交互等問題，同時參考美國下一代自動測試系統結構［3］，本文提出“開放式模塊化”小衛星測控的自動測試系統，采用開放式測試體系結構設計，通過開放式硬件環境與模塊化軟件設計，使系統具有很好的可移植性和互操作性。同時，測控自動測試系統完善的對外接口設計，可以方便地實現測試信息共享和交互，能滿足測試系統間、與外部環境間信息的共享和無縫交互需求。

2 系統結構

小衛星測控的模塊化自動測試系統研制，基于“開放式模塊化”的設計思想，首先規劃自動測試系統的模塊化軟硬件結構，采用開放的商業標準，確定自動測試系統體系結構［5］。在該體系結構框架下開發自動測試系統，可為新測試設備有效插入、軟件模塊升級擴展提供相關策略，達到減少設備復雜性、縮短開發周期、降低成本的目的。

2．1 開放式硬件環境

每個自動測試系統的核心部件都是計算機，使用計算機平臺的一個重要優點就是可以與測試系統中各種各樣的儀器進行連接和通信［6］。在小衛星測控自動測試系統中，控制計算機便是測試控制管理中心、測試數據處理中心和測試通信中心，通過局域網（LAN）接口與接收機微波矩陣開關、頻率計和頻譜儀等測試設備用于提供上行和下行射頻鏈路、協同完成衛星測控分系統級的性能測試和指標測試，如圖1所示。衛星測控自動測試系統采用開放式的架構，其設備控制接口為LAN 接口，可以任意接入和剔除系統中具有LAN 的硬件。按照不同性能測試和指標測試要求，通用硬件模塊靈活配置，動態重構，實現系統的可變規模。

同時，為了有效地與外部環境實現測試信息的共享和交互，增加測試系統間的互操作性，小衛星測控的模塊化自動測試系統具有多種外部接口設計，包括與數據庫接口、與總控接口和與數據判讀系統接口等。

圖1 測控自動測試系統硬件組成框圖Fig．1 Block diagram of automatic test systems hardware for TT＆C

2．2 模塊化的軟件設計

2．2．1 系統軟件功能組成

為了滿足不同衛星型號測試的需求，小衛星測控自動測試系統采用模塊化軟件設計，其功能模塊如圖2所示，包括系統管理、配置管理、測試流程管理、控制臺、測試任務管理和測試結果處理6個模塊。

（1）系統管理模塊：包括用戶管理和用戶權限管理。用戶管理包括了對用戶名稱、部門等基本情況的管理；用戶權限管理實現對用戶與相關功能的配置。

（2）配置管理模塊：根據不同衛星型號可以完成對測試序列配置的修改，可以添加相應測試序列，刪除相應序列，對于測試序列中的相關屬性進行配置。

（3）測試流程管理模塊：測試流程管理模塊根據測試項目的需求自定義測試流程模板，其具有圖形化的流程模板定制功能，用戶可自定義測試流程階段和測試流程活動。

（4）控制臺模塊：在測控分系統測試序列時，實際上是通過改變測試設備的狀態參數來實現星上狀態改變的，這就需要對測控分系統涉及到的測控設備進行統一的控制管理。

（5）測試任務管理模塊：系統的“任務管理”可以實現對需要測試衛星的基本內容的管理，比如衛星名稱、代號、負責人等基本情況，并且實現對某一個衛星型號中測試序列和測試序列組的完成情況的管理。

（6）測試結果處理模塊：根據用戶的實際需求，對測試序列的測試過程進行監控。如在測控測試中對應答機的輸入功率采集，采樣周期可由用戶設定。

圖2 測控自動測試系統軟件功能模塊圖Fig．2 Function block diagram of automatic test systems software for TT＆C

測控自動測試系統軟件功能的模塊化設計，可以滿足不同衛星型號對自動測試系統的需求，節省重新研制的經費和時間。同時，系統軟件功能的標準化、系列化，大幅度提高了系統的可靠性和擴展性。

2．2．2 軟件體系架構

軟件體系架構包括基礎設施層、數據處理層、中間層和應用層，各層之間存在相互的制約與合作關系，如圖3所示。

（1）基礎設施層構成系統的IT 基礎架構，描述了地面測控系統的所有子系統的運行環境，包括對硬件、操作系統、網絡通信協議的規定。

（2）數據處理層對來自基礎設施層的數據進行一些基本運算，為應用層提供數據存儲和處理服務。如利用編程語言構建數字低通濾波器，對采集的信號進行數值平均來消除噪聲［7］。

（3）中間層包含了應用系統的數據結構描述，系統與用戶的接口工具包，面向對象數據結構的組件化，以及系統的編譯運行工具與環境。

（4）應用層是整個系統邏輯結構的核心。應用層是系統的用戶與系統的交互層，通過人機交互組件與用戶操作界面，完成用戶與系統之間的指令傳遞與指令執行結果返回的過程定義。

圖3 測控自動測試系統功能實現原理圖Fig．3 Function diagram of automatic test systems for TT＆C

3 應用效果

依據上文提出的開放式網絡接口硬件設計、多模塊軟件功能設計和對外數據交換接口設計，構建了具有基礎設施層、數據處理層、中間層和應用層的平臺體系架構，研制出小衛星測控的模塊化自動測試系統。此系統運行在測試局域網上，主要采用客戶端／服務器模式，由用戶運行客戶端程序，實現系統操作。客戶端程序包括測試序列管理、測控信號參數測量、測試設備參數設置和測試設備狀態監視等功能顯示和操作按鍵。

測控自動測試系統執行保信道測試序列的運行界面如圖4所示，通過該界面還可進行測試設備參數設置、遙測參數范圍設置和信號頻譜截圖等操作。

目前，小衛星測控自動測試系統已成功應用于多個衛星型號的測試。作為小衛星測試系統的重要部分，與原有測試系統能夠很好地兼容。從實際應用情況看：①適應了不同衛星型號的測試需求，完成了若干衛星型號的測控測試任務；②能夠與數據庫、總控和數據判讀系統進行很好的數據交換，衛星測試數據做到共享；③大幅提高了衛星測試效能，節約30%測試時間，減少50%人力資源投入。

例如，某新研衛星的狀態變換較多，增加了許多新的測試項目，傳統的測試系統需要不斷地更新其測試程序。小衛星測控的模塊化自動測試系統只重新配置了測試流程管理模塊，便可滿足新型號衛星的需求，使用效果良好。

圖4 測控自動測試系統軟件運行界面Fig．4 Operation interface of automatic test systems for TT＆C

通過與衛星判讀系統的接口，可以將測試數據共享，判讀系統能夠及時準確地監測遙測參數，如果出現非正常變化，會自動報警，并將處理結果記錄到數據庫中。某衛星測試時，發現在測距通道鎖定正常的情況下，出現了距離測量值抖動現象，會隨機出現約200ns的跳變，判讀系統記錄下了該微小變化量。

相比較我國傳統衛星測控自動測試系統，小衛星測控的模塊化自動測試系統具有互操作性、可移植性、新技術的可插入性、可重復使用性等特點。從長遠角度分析，自動測試將會減少不客觀因素的出現，提高測試的整體質量水平［8］。

4 結束語

針對現有封閉式自動測控測試系統無法適應不同衛星型號測試、無法與外部進行信息交換等問題，本文建立了一套小衛星測控的模塊化自動測試系統，通過開放性硬件設計、模塊化軟件設計、信息共享和交互的接口設計等，實現了適應不同衛星型號測試需求，具備了與外部進行數據共享的功能。同時，此自動測試系統，能夠節約30%測試時間，減少50%人力資源，使用過程中取得了良好效果。該研究對于構建小衛星測控模塊化自動測試系統具有一定參考價值。

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