北斗導航全球組網衛星多星分布式智能綜合測試系統設計與實現

杜 雪 張 軍 曾繁彬 王亞賓 劉 靜

中國科學院微小衛星創新研究院，上海201210

根據北斗三號系統建設總體規劃，2020年前后，完成35顆衛星發射組網，為全球用戶提供服務。在發射高峰年，每年可能需要并行研制8-10顆衛星。在組網衛星進入批生產AIT(總裝集成試驗)階段后，需要對構成衛星實體的單機、分系統以及整星的功能和性能進行全面的綜合測試。衛星綜合測試是北斗導航衛星批生產階段檢驗衛星電氣功能、性能指標，確保衛星工程品質的重要技術手段[1-3]。

然而，適合單星測試的地面綜合測試系統[4]沒有一個統一的任務規劃調度系統，對于導航組網衛星研制所需的自動測試和故障診斷、海量數據查詢等更缺乏必要的軟硬件設備支持。這種設備現狀已經無法滿足導航組網衛星的批量化研制生產。具體差距如下：

1)總控設備同一時間只能支持單顆衛星測試;

2)測試自動化程度低。現有的測試設備基本依靠人工手動進行測試，測試方式落后，導致測試周期長，測試覆蓋性不全，人為因素對測試結果影響較大，個別功能項只能以分析代替測試等問題;

3)缺乏測試設備集中監控。在系統工作過程中，需要在每個測試設備端進行監控，以避免軟、硬件隨時會發生的各種錯誤，因此需要投入大量的測試員，效率低且成本高;

4)測試報告難以自動生成。在當前測試中，一次測試完成后，測試報告的生成只能通過測試人員手動統計測試結果并撰寫，難以對測試全過程進行全面的描述;

5)數據庫性能有限。在長時間的測試過程中，需要存儲大量的數據，因此，只有高性能的數據庫才能滿足數據對存儲、檢索和回放的要求。

以上這些問題對導航組網衛星的批生產[5]時間進度和成本開支都造成了極大的影響，已不能滿足后續導航組網衛星研制進度的要求。因此需要研制新的智能化綜合測試系統，降低測試人員的工作強度，提高測試效率，降低測試成本。

1 系統構成

導航組網衛星多星分布式智能綜合測試系統由總控設備(OCOE)[6]和各分系統專用測試設備(SCOE)組成(如圖1所示)。

圖1 多星分布式智能綜合測試系統構成圖

1.1 總控設備(OCOE)

由主測試計算機MTP、操作控制臺TCC、數據中心DMS、時間基準源、標準輸出外設、監控顯示計算機、局域網和系統測試軟件等組成，主要負責完成綜合測試的數據管理，輔助測試人員管理所有專用測試設備、自動化測試以及全生命周期的信息化管理。

1.2 專用測試設備(SCOE)

由各分系統測試計算機、專門研制的設備和通用儀器設備組成。網絡環境連接總控設備和專用測試設備的測試計算機，通過標準的測試通訊協議實現設備間的數據通訊，從而形成統一指揮和調度的衛星電氣綜合測試體系。

1.2.1 綜合測試有線控制前端

包括能源前端、星務前端、綜合測試轉接線路盒和低頻電纜網，通過測試電纜建立綜合測試系統與被測衛星之間的有線測試接口，完成衛星供配電、參數監測和指令控制(如圖2所示)。

圖2 綜合測試有線控制前端設備組成框圖

1.2.2 測控前端

由非相干數傳綜合基帶、擴跳頻綜合基帶、上下變頻器、時頻系統及碼服務器等組成。實現測控信號的調制解調、遙測遙控數據接收及測距信號的生成與處理。

1.2.3 姿軌控前端

主要由星載計算機仿真機、星上單機仿真機、姿控動力學仿真機、信號調理單元、軌道仿真機、地面測試終端、供電設備、監視終端和數據庫服務器組成。

1.2.4 Ka星間鏈路前端

由上行、下行信號測試子系統、衛星信息處理測試子系統和時頻測試子系統組成。

1.2.5 RNSS載荷前端

包括上行、下行信號測試子系統、衛星信息處理測試子系統和時頻測試子系統。

2 系統功能

導航組網衛星多星分布式智能綜合測試系統功能如圖3所示。

圖3 多星分布式智能綜合測試系統功能圖

2.1 供電及供電檢測

地面太陽電池陣模擬器和運載上面級供電模擬器(恒壓源)供電，通過GPIB或網絡接口實現對地面模擬電源的有線控制及參數監測。

2.2 任務規劃與進度管理

滿足多星并行測試需求，提供測試任務管理功能，實現從分系統測試到整星測試的各階段測試過程的規范化管理。

2.3 用戶管理與控制

對測試參與人員、測試設備等資源進行規劃；專用測試設備SCOE的入網工作，首先要注冊管理；OCOE可對參與測試的SCOE設備設置權限，進行動態監測。

2.4 配置管理與控制

包括遙控指令配置、ICD配置、測試界面配置、測試環境和設備網絡結構配置。

2.5 測試管理與控制

2.5.1 地面時間基準

配備專用時間基準源，用于地面測試設備的時間統一以及對衛星平臺的校時。

2.5.2 狀態控制與參數監測

通過測控無線或地測有線通道以遙控指令形式對衛星施加供電、激勵及控制信號，再經下行遙測檢測、驗證星上設備相應參數；對星上設備的各種參數按一定時間間隔進行監視，并按判據檢測出狀態變化參量；采集各SCOE的遙測數據，同時將采集到的遙測參數轉發給姿軌控、測控及載荷等分系統前端機；通過網絡端口以及相關協議實現對各SCOE的管理與控制。

2.5.3 測試過程管理

支持單星或多星的單條指令以及測試序列的發送。用戶可以選擇性地對某顆星發送單指令或自動執行指令序列。對整個測試系統的網絡連接、硬件連接及軟件運行的狀況進行監控，確保測試系統的正常運行。

2.5.4 測試數據監測

不同數據通道的數據顯示可通過監顯軟件界面靈活切換，實現衛星遙測數據監顯。提供監顯窗口分組管理。通過衛星遙測參數構建衛星運行的三維虛擬空間環境并由終端顯示。

2.5.5 自動測試功能

實現測試細則的執行，包括指令下發、遙測數據采集及工程數據接收等測試任務。自動判讀與自動測試相結合，具有基于專家經驗的實時自動判讀衛星工程遙測數據功能。根據自動判讀結果，對測試狀態、測試數據進行后處理，并自動生成測試報告。

2.5.6 故障模擬與診斷功能

盡可能的將歷史測試經驗數據都搜集到衛星知識庫中；設置故障模式，測試驗證衛星處理故障的能力，具備圖形化建模能力；對非確定故障，采用推理機實現精確推理，降低系統誤報率。

2.6 數據管理與控制

2.6.1 數據歸檔與回放功能

對測試過程中遙控指令發送記錄、遙測原始記錄、專用測試設備測試原始記錄等按時間存入測試數據庫中，以便事后離線回放。所有發出和接收命令的信息設備均有運行日志歸檔。對存儲數據進行回放，根據存儲的測試時間段來選擇回放數據。

2.6.2 數據分析功能

可按測試數據、測試日志、操作日志、指令執行統計及衛星加電時間統計等查詢，對查詢數據進行分析，分析結果能夠以列表或圖表的形式進行分別顯示。

2.6.3 數據挖掘功能

根據測試過程中出現的故障數據，以及故障注入測試的參數信息，使用相應的算法進行計算，對可能出現的故障及出現時間進行預測。

2.6.4 圖像快視功能

在數據監視界面定義過程中，支持多種顯示控件的調用，包括文本顯示控件、表單顯示控件、曲線顯示控件及圖形圖像控件等內容。

3 智能測試設計

測試過程智能化是指對于整個測試任務，系統可根據時間安排及設備狀況給出合理化的任務安排，自動化執行測試流程，智能分析故障情況。要實現測試過程智能化[7]，系統必須具有“學習”的能力，即具有獲取知識、積累知識和改進知識的能力。因此，測試平臺智能化的基礎是實現多星測試自動化，包括實時數據自動判讀監控、故障診斷和自動測試報告生成(如圖4所示)。導航地面智能綜合測試系統的智能化主要體現在以下幾個方面。

3.1 測試任務規劃與調度

根據任務自動生成測試細則、用例、指令序列，可以對指令序列修改編輯；對測試依據文件、測試仿真數據、測試計劃調度、測試流程信息、接口關系以及數字簽名等文件進行版本入庫管理，實現對測試需求變更的追蹤管理。

3.2 自動化測試

根據任務安排調用相對應的測試用例執行，自動執行指令和發送數據，自動判讀和存儲測試結果，最終自動化完成項目的執行和測試。

3.3 自動判讀

預先定義判讀規則模板，對判讀規則進行管理，自動判讀數據的理論值和臨界值，給出超差結論，并能對判讀結果生成的判讀報告進行存儲和導出。

圖4 智能測試執行工作原理圖

3.4 故障診斷報警

衛星測試過程中產生的海量特征數據蘊含了大量的故障信息，智能故障診斷軟件的輸入信息[8-10]有：采集和記錄的故障信息、設備狀態、執行狀態和測試結果，以及自動判讀標記的異常記錄。依據有效算法分析訓練測試數據，獲得相應的訓練模型；應用聚類、決策樹等機器學習算法，對大數據進行知識挖掘[11-12]，獲得與故障有關的診斷規則，通過加載診斷策略模型，實現測試結果的故障診斷，經分析、推理確定故障類型，為異常數據的處理和分析提供初步結論。在故障識別和定位的基礎上對故障進行解釋和評估，并提供處理決策。同時，對異常數據可以定義不同的報警等級，進行數據報警。

3.5 測試報告自動生成

根據測試結果和判讀結果自動生成指定模板的測試報告，根據預期測試結果與故障診斷結論自動生成診斷報告，并給出初步診斷結論。

3.6 大數據存儲和分析

衛星綜合測試中產生多種類型、多種表現形式的數據，衛星綜合測試數據庫的建設過程是一個衛星數據不斷積累，數據表現多樣化的過程。通過建立統一的數據服務中心(如圖5所示)，能夠支持多星大數據的存儲和處理。

圖5 數據中心信息交互圖

4 關鍵技術

4.1 多星并行分布式測試技術

多星分布式智能綜合測試系統的并行多任務設計，主要體現在采用獨立硬件接口、軟件模塊復用以及多任務處理架構3個方面。并行測試模式下，將測試任務與測試系統的測試工程相對應，通過多個測試工程加載不同的測試模型，連接不同的測試前端實現多任務的并行測試[13-16]，保證各測試任務的獨立性，同時提供相應的接口滿足多任務間數據交互的需求。采用分布式測試方案，各子操作臺可以單獨進行SCOE測試工作，同時通過主操作臺也可實現對各子操作臺的集中控制與管理，可以滿足不同測試場景的需求。

4.2 海量測試數據管理分發技術

在導航批生產衛星研制過程中，通過整星功能性能級測試、大型試驗、對接試驗和發射場測試等綜合測試，會產生海量數據。隨著導航全球組網運行，除了處理在研衛星數據，還要比對可能高達10顆以上的在軌衛星數據。這些數據存儲、檢索和回放都對數據庫的性能提出了較高的要求。總控OCOE提供了性能較強的數據處理能力，實現組網星海量數據存儲和事后分析的功能。用戶可以查詢到測試中所有操作、命令和數據，詳查每個過程的細節，并且可以復現任一時刻的系統狀態。

4.3 測試標準化通用化技術

導航試驗衛星地面綜合測試系統有很多設備，各設備之間交換的信號類型眾多、數量龐大且交聯關系復雜。分系統的地檢有些是標準儀器，有標準的對外開放接口；有些是專用設備接口，無對外接口或對外接口不標準，需要進行接口轉換，統一到1個故障模擬和測試系統中。制定標準化的接口協議，OCOE和SCOE之間按統一標準協議進行通訊，符合協議規范的SCOE設備能夠快速接入整個平臺，以應對地面設備變化帶來的整星研制進度風險。

5 結束語

智能化測試是未來衛星地面和在軌綜合測試的發展方向，衛星智能測試是傳統衛星測試與數據挖掘技術和人工智能的有機融合。北斗導航全球組網衛星多星分布式智能綜合測試系統實現了批生產衛星并行測試，集中監控管理，性能較強的數據庫可以實現數據存儲和事后分析的功能，提升了測試過程中的自動化程度，減少了人員的投入，降低了生產測試成本，提高了測試的效率和完整性，有效支撐了北斗全球組網的建設。