一種小衛星在軌自主測試方法

張德全 蔣軼穎 趙婷 孔令波 施思寒

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

一種小衛星在軌自主測試方法

張德全 蔣軼穎 趙婷 孔令波 施思寒

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

提出了一種基于星上網絡的小衛星系統層面的自主測試方法，能夠在較少的人工參與下，可靠地完成衛星的在軌測試。主要測試內容有衛星重要參數監視、遙控指令的自主測試、指定任務的自主測試。該星載自主測試方法是通過軟件實現的一種開放式的測試框架，藉此進行衛星上的各種測試。

自主測試；在軌測試；星上網絡；小衛星

1 引言

衛星是由多個分系統組成的大系統。目前，在軌自主測試一般只能實現單機層面的簡單的自檢測試；開展過一些星載電子設備機內測試（Build in Test，BIT）技術的研究，但是其仍側重于各個功能模塊的測試，且在航天領域中研究和應用還較少［1］。對可能危及整個衛星和分系統安全的關鍵參數和以往在軌衛星易出現故障的地方，目前較普遍的做法是在衛星的設計階段設計一些自主管理策略，作為整個衛星系統的一部分在軌運行，當出現預期的異常時，根據事先設計的策略對衛星進行自主操作［2－9］。而小衛星分系統級、整星系統級層面的地面和在軌功能、性能測試主要還是由人工來完成，測試周期也較長。衛星的在軌測試和長期運行管理，都依賴于地面測控和運行管理人員，只能在地面測控弧段內才能夠進行。我國地面測控弧段有限，衛星絕大部分時間都運行在地面非測控弧段內，因此無法對衛星進行全天候的主動監視和測試，存在較大的風險。比如在地面測控弧段外使用載荷設備，如不能夠進行系統級的自主測試，有問題則不能及時發現、不能及時自主處理或故障隔離，會影響該載荷設備的安全，乃至整個衛星的安全。

因此，一種能夠較少人工參與的、可靠的、自主進行地面和在軌測試的小衛星測試方法顯得尤為必要。本文提出了一種小衛星在軌自主測試的方法，在不用更改目前衛星信息流體系的情況下，達到小衛星系統級層面的在軌自主測試和快速的地面測試。

2 自主測試技術框架設計

星上網絡（簡稱“星上網”）采用現場總線（CAN），將星上各功能模塊有機地連接起來，實現星上信息交換和共享，實時地完成星上運行的管理、測量和控制，實現衛星運行操作控制工作［10］。目前，國內小衛星星上信息流的管理采用的是集中管理、分散控制的方案，使用CAN總線，統一由星務分系統進行調度和管理［11］。

衛星上用于標識設備和分系統運行狀態、執行情況的所有遙測數據和部分載荷數據都通過星上網絡匯集到星務分系統；用于控制設備和任務運行的所有上行數據型指令和數據塊，以及已經存在于衛星上的能自主發送的管控指令（比如程控指令、相對程控指令、安全模式指令等），都通過星務分系統來完成解析或者自主發送，并通過星上網絡轉發給各個被控制和管理的設備［12］。星務分系統管控所有的遙測信息和所有數據型指令、數據塊，它依托星上網，對衛星的運行情況進行實時的監視和測試。

衛星的控制信息與狀態信息都由星務分系統管控，如在星務分系統中增加一套自主測試軟件，就可以實現對衛星各個分系統或者設備的自主測試。為了適應不同衛星、不同分系統、不同設備的自主測試，自主測試軟件架構應該設計為一個開放式的軟件架構。具體來說，自主測試軟件就是一個具有特定軟件框架結構的軟件，能夠根據不同的擁有內在邏輯關系的輸入，產生相應的輸出結果。比如說，向衛星發送一條“GPS授時”指令，該條指令是否正確執行的判據，涉及到了兩個設備——星務設備和GPS設備，只有這兩個設備的遙測中相應的GPS時間和星務時間一致了，且星務指令計數增加了1，才可認為“GPS授時”指令正確發出了；向衛星發送一條“GPS斷電”指令，該指令正確執行后會產生如下的結果：星務遙測中指令計數加1、電源遙測中電流減小和GPS不再有遙測，即該指令有三個判據，且這三個判據是相“與”的關系。星上指令成百上千條，其對應的遙測及其邏輯關系更多，把所有的指令及判據都固定地寫在自主測試軟件中，將使軟件變得龐大且不易維護。

小衛星星務分系統都具備數據注入功能，因此將測試項目及測試項目的判據通過數據上注的方式注入星務分系統，星務分系統自主測試軟件根據上注的測試項目及其判據進行邏輯判斷，并給出判斷結果。對測試結果中會危及設備安全或者衛星安全的部分，可以根據星上的異常處理表立即進行自主處理，異常處理表也是通過數據上注的方式進行設置。通過數據上注的測試項目、測試判據以及異常處理表存儲在星載計算機的非易失性存儲器中，數據上注一次后即可不再上注，便于應對不同環境下的重復性的測試需求。

因此，小衛星自主測試方法是在星務分系統的基礎上須要嵌入一套測試軟件，進行自主測試；測試軟件中的測試項目、測試判據以及異常處理表都可以通過數據上注的方式更新。

3 小衛星自主測試方法

小衛星自主測試方法主要采用兩種方法來實現：被動型的方法和主動型的方法。

被動型的方法是實時監視基于星上網絡的信息流的數據和數據的變化。如果有變化，則確定這些變化是否在正常的或者允許的范圍內。

主動型的方法是先主動給被測設備（可以是設備、分系統或者衛星的一個具體任務，下同）1個或者1組具體的外部激勵，通過分析被測設備對這些外部激勵的響應情況，來確定被測設備的在各種狀態下的運行情況。小衛星的這些激勵，絕大部分都可以通過遙控指令和數據來實現。

按照小衛星的信息流特點，將自主測試劃分為：重要參數的監視、地面上行遙控指令的自主測試和指定任務的自主測試。

小衛星自主測試方法的原理圖如圖1所示。

圖1 小衛星自主測試方法的原理圖Fig．1 Schematic diagram of small satellite auto－test

3．1 重要參數監視

重要參數監視是自主測試軟件實時監視小衛星重要的一些參數，判斷這些參數是否在允許的范圍內，然后形成監視記錄表，記錄表以固定周期下傳到地面。如果某些重要參數超出允許范圍，自主測試軟件主動進行一些故障恢復或者故障隔離操作，以避免衛星在軌情況進一步惡化。

重要參數監視功能具體的實現方法如下：

（1）首先通過星上網絡，依據參數監視表實時獲取監視的參數數據。

（2）根據參數監視表和監視規則，判斷參數是否正常。

（3）將監視結果按時間順序放入監視記錄表，衛星在境外時，將監視記錄表的內容存放在固存中；在衛星過境時，監視記錄表以固定的周期傳送到地面測控站。

（4）對于重要的參數，如果監視到其異常，立即依據異常處理表進行處理，確保衛星的安全或者為地面專家處理贏得時間。

重要參數監視中設計了兩張表：參數監視表和異常處理表。參數監視表中用于存放需要監視的參數、參數來源、參數的正常值范圍等。異常處理表中存放監視表與異常處理表的映射關系、異常處理時要用到的數據指令等。監視規則由兩部分組成：一部分是依據小衛星信息流特點制定的參數監視規則，另一部分對參數監視表進行邏輯分析得出的參數監視規則。

參數監視表和異常處理表通過數據注入的方式進行更改、增加和刪除。通過這種注入的方式，以有限的資源來滿足量級較大的地面測試和在軌測試需求。

參數監視的運行原理見圖1中的“參數監視”部分。

3．2 地面上行遙控指令的自主測試

在自主測試模式下，地面上行遙控指令可以分為兩種類型：增量型指令和閾值型指令。

增量型指令是指該指令被正確執行后，相關的星上數據是在原來的基礎上增加或者減少一個具體范圍的值。比如設備開機指令被正確執行后，電源負載電流是在原來的基礎上增加一個具體范圍的值。

閾值型指令是指該指令被正確執行后，相關的星上數據是變化為一個具體范圍的值。比如設備開機指令被正確執行后，星上采集的該設備的電壓模擬量就是一個具體范圍的數值。

所有的遙控指令都可以分為以上兩種類型。其指令及相關的星上數據可以制作兩種數據表：增量型指令表和閾值型指令表。增量型指令表中存放所須測試的增量型指令、以及這些指令被正確執行后相應的星上數據變化的情況；閾值型指令表中存放所須測試的閾值型指令、以及這些指令被正確執行后相應的星上數據變化的情況。

1）地面上行的增量型指令的自主測試方法

（1）自主測試軟件實時獲取星上網絡中的數據，將增量型指令表中相應的數據與獲取的數據保持一致（即數據同步），同時一直監視星上網絡中是否有增量型指令發送來。

（2）如果有增量型指令出現在網絡中，則立即中止增量型指令表中相應的數據與實時獲取的星上網數據的同步操作。

（3）待獲取最新的該增量型指令對應的星上數據后，將新的數據與增量型指令表中的數據進行比對，依據增量型指令判斷規則，判斷出該增量型指令是否正確執行。增量型指令發送后，其對應的數據可能有延時變化的情況，因此可以多判斷幾組數據，采取表決的方式來進行增量型指令是否正確執行的判斷。

（4）將指令執行結果以數據包方式返回給星務主機，便于星務主機依據執行情況進行處理；同時開啟增量型指令表中數據與實時獲取的星上數據間的同步操作。

（5）將指令執行結果存入指令記錄表中，衛星在境外時，將指令記錄表的內容存放在固存中；衛星在過境時，指令記錄表以固定的周期傳送到地面測控站。

2）地面上行的閾值型指令的自主測試方法

（1）自主測試軟件實時獲取星上網絡中的數據，將閾值型指令表中相應的數據與獲取的數據同步；同時一直監視星上網絡中是否有閾值型指令發送來。

（2）如果有閾值型指令出現在網絡中，等待該閾值型指令對應的星上數據的到來。

（3）在獲取最新的數據后，依據閾值型指令判斷規則，判斷出該閾值型指令是否執行正確。閾值型指令發送后，其對應的數據可能有延時變化的情況，因此可以多判斷幾組數據，采取表決的方式進行閾值型指令是否正確執行的判斷。

（4）將指令執行結果以數據包方式返回給星務主機，便于星務主機依據執行情況進行處理。

（5）將指令執行結果存入指令記錄表中。如果執行不正確時，記錄下是哪個相關的數據變化不正確，以便用于原因分析；在衛星過境時，指令記錄表以固定的周期傳送到地面測控站；同時也將結果保存到固存中，便于境外的數據分析。

對于一條數據型指令來說，其可能既是增量型指令，又是閾值型指令。如果是這樣的話，采用的策略是分別判斷其作為增量型指令的執行情況和作為閾值型指令的執行情況，兩者都執行正確的情況下才認為指令執行正確。因此測試規則也由兩部分組成：一部分是依據小衛星信息流特點制定的測試規則，另一部分對增量型指令表和閾值型指令表進行邏輯分析得出的測試規則。

增量型指令表和閾值型指令表也通過數據注入的方式進行更改、增加和刪除。通過這種數據注入的方式，以有限的資源來滿足量級較大的地面測試和在軌測試需求。

3．3 指定任務的自主測試

為完成指定的測試任務，往往須要去執行一組具有內在相互關聯的指令。如果每個指令的執行結果都符合設計預期，則最后的測試任務就能正常完成。因此指定任務的自主測試實際上是基于單個指令的自主測試來完成的。

為完成指定任務的自主測試，須要為星載自主測試軟件提供自測試任務表，表中包含：任務名稱、每個任務的一組數據型指令以及這些指令的開始執行時間。這個自測試任務表也通過上行注入數據的方式進行更改、增加或刪除。

對指定任務（由一組數據型指令組成）的自主測試方法如下：

（1）由遙控上行指令來啟動指定的某組測試任務，同時開始計時。

（2）該組測試任務開啟后，將任務中指令的開始執行時間與當前時間進行比對，時間一致時，將當前時間對應的數據型指令通過星上網絡發送出去。

（3）星條分系統自主測試軟件檢測到該條指令后，判別其是增量型指令還是閾值型指令或者兩者兼而有之，然后根據上節的方法來判斷該指令是否被正確執行。

（4）如果該條指令被正確執行，繼續將當前時間與下條指令的時間進行比對，時間到時執行下條指令，直到該組任務最后一條被正確執行完畢，然后自動關閉對該組任務的自主測試；如果該組中有任一條指令未被正常執行，則暫時中止該測試任務的后續執行。

（5）將指定任務的自主測試結果通過數據包方式發送給星務主機，以便星務主機進行后續處理。

計算采用SATWE，程序中選擇按中震（大震）不屈服進行結構設計。驗算時，水平地震影響系數最大值按中震取值（2.8倍小震=2.8×0.04=0.112），不考慮地震組合內力調整，荷載作用分項系數取1.0，組合值系數不變，材料強度取值標準值，抗震承載力調整系數1.0。底部加強區墻肢按中震不屈服及多遇地震（一級）分析結果的較大值進行設計。驗算表明主要墻肢在此種工況下不出現整體受拉情況，保證了墻肢抗剪的有效性。

（6）將指定任務的自主測試結果存入任務記錄表中，衛星在境外時，將任務記錄表的內容存放在固存中。如果任務未正常執行，記錄下未正常執行的相關內容，以便用于原因分析；衛星在過境時，任務記錄表以固定的周期傳送到地面測控站。

對指定任務（由一組數據型指令組成）的自主測試的原理圖見圖1中“自主測試”部分。

4 驗證情況分析

小衛星在軌自主測試方法作為低軌科學試驗衛星的一項試驗搭載項目，已經通過了某衛星的正樣裝配、總裝和測試（AIT）及在軌測試驗證，在軌也已正常運行了兩年。

衛星在地面及在軌期間，對該技術進行了多次試驗。試驗的方式是采用自主測試的同時，也采用人工判斷，然后將兩者的判斷結果進行比較，如果兩者完全一致即證明了自測試技術的可信性；如果自主方式比人工方式所用時間大為縮短，即證明了自測試技術的有效性。可以從測試的“占用時間”、“監視時段”、“處理異常的及時性”、“測試結果的正確性”這四個指標來比對傳統的人工測試方法與自主測試方法。占用時間越短、監視時段越長、處理異常越及時、監視與異常處理越可靠，則此測試方法更優越。

比如在軌對某衛星的熱控分系統進行的測試。熱控分系統共32個控溫回路，其相關的測溫點有124個，測溫點遙測數據有124byte；控溫的門限有96byte的遙測數據；還有表征每個加熱回路的軟、硬件加熱狀態的遙測數據有64byte。也就是說熱控相關的遙測數據共有284byte。地面專業熱控人員須要分析完284byte的遙測數據后，才能對衛星的熱控情況做出最終的判斷。這其中還須要進行一些邏輯判斷，比如要確定閉環控溫是否正確，須要綜合判斷控溫門限、軟硬件加熱狀態、控溫方式等遙測數據。因此，每次人工進行衛星熱控是否正常的判斷都需要10min以上的時間；并且由于衛星只有在境內才能收到其遙測數據，人工判斷只能在每次衛星過境，地面站收到遙測數據時才能進行。

作為對比，采用自測試的方法。所有的判斷內容都由星上的自測試軟件進行。測試結果通過4byte的遙測數據傳送到地面系統。這4byte中每個bit表征為一個控溫回路的健康狀態。哪一路正常，則在遙測界面顯示該路“正?！保荒囊宦凡徽＃驮谶b測界面顯示該路“異常”。因此通過遙測界面，一目了然地即可看出整星熱控是否正常，異常時是哪一路異常，總耗時不到1min，約為人工判斷時間的1/10；并且可以全天時地進行，判斷熱控異常時，可以立即進行熱控下位機復位或者切換到相應備份回路。

表1是針對熱控分系統測試時，人工判斷和自主測試方法的指標比對情況。

從某衛星整星測試結果和在軌的運行情況來分析，說明小衛星自主測試方法能夠在減少人為參與的情況下，較快地完成衛星系統層面的自主測試。

5 結束語

小衛星在軌自主測試方法是一種較少人工參與的小衛星測試技術，能夠對衛星進行全天時的監視和測試，實時地進行故障處理和隔離。它依托星上網絡，在目前小衛星星務系統技術的基礎上，借助高性能的星載計算機，在不須要對目前小衛星體系結構作大的改變的情況下，就可以完成對小衛星的自主測試，具有很好的應用前景。目前，此技術作為搭載試驗已應用在某低軌衛星上，其地面和在軌測試結果良好，有效地縮短了衛星地面測試和在軌測試的時間。

本文提出的自主測試方法是以星上網絡作為信息傳輸載體，而星上網絡主要用于對小衛星的管理和控制，傳送衛星控制信息和狀態信息，較少涉及載荷，因此本文提出的方法無法分析載荷的數據信息。如果小衛星星上網數據流量過大，測試判據的邏輯過于復雜，則在軌自主測試軟件的處理復雜度會增大，將對星務分系統軟件的正常運行產生不良的影響。

（

）

［1］蘭超，王婧瓊．BIT技術在星載電子設備的應用［J］．空間控制技術與應用，2015，41（1）：50－54 Lan Chao，Wang Jingqiong．Applications of BIT technology in satellite electronic equipment［J］．Aerospace Control and Application，2015，41（1）：50－54（in Chinese）

［2］曾聲奎，Pecht M G，吳際．故障預測與健康管理PHM技術的現狀與發展［J］．航空學報，2005，26（5）：26－32 Zeng Shengkui，Pecht M G，Wu Ji．Status and perspectives of prognostics and health management technologies［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2005，26（5）：26－32（in Chinese）

［3］李晴，孫國江，李孝同．基于星務管理系統的小衛星自主健康管理系統［J］．航天器環境工程，2012，29（5）：574－578 Li Qing，Sun Guojiang，Li Xiaotong．Autonmous healthy management system based on satellite keeping operator［J］．Spacecraft Environment Engineering，2012，29（5）：574－578（in Chinese）

［4］艾力，房紅征，于功敬，等．基于數據驅動的衛星鋰離子電池壽命預測方法［J］．計算機測量與控制，2015，23（4）：1262－1265 Ai Li，Fang Hongzheng，Yu Gongjinget al．Research on data－driven life prediction methods of satellite lithiumion battery［J］．Computer Measurement ＆Control，2015，23（4）：1262－1265（in Chinese）

［5］梁克，鄧凱文，丁銳，等．載人航天器在軌自主健康管理系統體系結構及關鍵技術探討［J］．載人航天，2014，20（2）Liang Ke，Deng Kaiwen，Ding Rui，et al．Autonomous on－orbit health management architecture and key technologies for manned spacecraft［J］．Manned Spaceflight，2014，20（2）（in Chinese）

［6］Inseok H，Sungwan K，Youdan K，et al．A survey of fault detection，isolation and reconfiguration methods［J］．IEEE Transaction on Control Systems Technology，2010，18（3）：636－653

［7］Raymond G．X－33/RLV system health managementvehicle health management，AIAA－98－1928［R］．Washington D．C．：AIAA，1998

［8］Lee J，Wu F，Zhao W，et al．Prognostics and health management design for rotary machinery systems—Reviews，methodology and applications［J］．Mechanical Systems and Signal Processing，2014，42（1－2）：314－334

［9］Johnson S B，Gormley T J，Kessler S S，et al．System health management with aerospace applications［M］．West Sussex，United Kingdom：John Wiley ＆Sons．Ltd．，2011

［10］彭宇，劉大同．數據驅動故障預測和健康管理綜述［J］．儀器儀表學報，2014，35（3）Peng Yu，Liu Datong．Data－driven prognostics and health management：a review of recent advances［J］．Chinese Journal of Scientific Instrument，2014，35（3）（in Chinese）

［11］李孝同，施思寒，李冠群．微小衛星綜合電子系統設計［J］．航天器工程，2008，17（1）：30－34 Li Xiaotong，Shi Sihan，Li Guanqun．Integrated electronic system of micro－satellite［J］．Spacecraft Engineering，2008，17（1）：30－34（in Chinese）

［12］李孝同．小衛星星務系統的遙測技術研究［J］．航天器工程，2008，17（2）：38－43 Li Xiaotong．Telemetry in computer integrated satellite system［J］．Spacecraft Engineering，2008，17（2）：38－43（in Chinese）

（編輯：張小琳）

Study of Space－borne Auto－test Method for Small Satellite

ZHANG Dequan JIANG Yiying ZHAO Ting KONG Lingbo SHI Sihan
（DFH Satellite Co．，Ltd．，Beijing 100094，China）

This paper describes the space－borne auto－test method of small satellite based on Control Area Network（CAN）bus and presents the technology principle and the implementation methods in detail．The method can reliably complete on－orbit auto－test of small satellite，with least human participation．The method is fit for system－level auto auto－test of small satellite，which includes three parts：monitoring important parameters，auto test of telecommands and autotest of specific tasks．The space－borne auto－test method is designed to realize open test framework by embedded software．

auto－test；space－borne test；field bus；small satellite

V443．5

A

10．3969/j．issn．1673－8748．2016．02．017

2015－09－10；

2016－03－11

國家重大科技專項工程

張德全，男，碩士研究生，工程師，研究方向為星務系統設計、小衛星綜合電子技術、小衛星自主測試。Email：zhangdequan＿2010@126．com。