一種衛星有效載荷自動化測試系統的設計

何銘俊，趙 川，姬云龍

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100194)

0 引言

隨著對航天產品需求的增加，我國航天事業飛速發展，小衛星已經成為我國軍用航天裝備體系和民用航天服務體系的重要力量，目前在小衛星綜合測試方面，已經形成了獨具小衛星特色的自動化測試系統，有力地支撐了目前各類衛星的研制測試任務。然而，隨著未來小衛星領域新型號的規劃、新技術的應用、型號數量的急劇增加、任務復雜度的不斷增長等，給未來小衛星測試帶來了任務數量和技術難度的雙重挑戰，對綜合電性能測試環節提出了更高的要求[1-3]。如何提高有效載荷的測試質量及效率，是目前國內外測試專家一致探討的話題。一方面，航天項目對星上載荷的質量和可靠性有著極高的要求，測試過程中需要對星上載荷進行嚴格的測試；另一方面，航天項目面臨著載荷儀器功能復雜、項目周期短、預算低等挑戰，傳統的不同載荷儀器EGSE(electrical ground support equipment)由儀器的研制單位獨立提供，不能融入目前的測試自動化。自20世紀80年代起，ESA等國內外航天機構相繼開展了EGSE平臺的研究，國內也有多家廠所及科研機構著手研制有效載荷的測試自動化，但是尚不具備將獨立的載荷儀器EGSE融入測試自動化，提高有效載荷的測試質量及效率的完整解決方案[4-6]。

目前小衛星在現有綜合測試系統的基礎上，借鑒國內外其它先進衛星自動化測試經驗，綜合考慮小衛星產業化發展要求，特別是未來空間軍事體系下的小衛星編隊飛行、衛星星座發展情況，以及新型星上綜合電子、快速測試等未來測試技術發展規劃，構建了通用集成化、自動化航天器綜合測試系統，重點突破了新型綜合測試系統架構、通用測試設備接口、規范測試系統接口、自動化測試智能監視判讀、測試數據實時管理等關鍵技術，解決了快速測試、設備遠程管理等問題，實現小衛星測試的集成化、規范化、自動化，解放了測試人力資源，提高了測試效率[7-10]。本文正是依靠某遙感衛星有效載荷測試需求，在研制專用的有效載荷EGSE基礎上進行平臺自動化測試擴展，并以此為平臺采用全面有效的測試和評估方法，完成對遙感衛星有效載荷的準確、全面地測試。

1 系統方案

1.1 總體結構

小衛星本地自動化測試平臺系統的主體架構如圖1所示，系統主要包括總控設備(OCOE，overall check out equipment)和分系統專用測試設備(SCOE,special check out equipment)組成，其中SCOE又主要包括測控測試設備、供配電測試設備、星務測試設備、姿軌控測試設備、數傳測試設備、載荷測試設備等。整個OCOE與SCOE通過局域網(LAN)互相連接成為一個分布式的網絡系統。

圖1 小衛星本地自動化測試平臺網絡結構示意圖

OCOE構成了小衛星本地自動化測試平臺的核心，基礎數據庫是小衛星自動化測試平臺的配置庫，存放所有小衛星型號的配置信息。實時數據庫是小衛星自動化測試平臺中存放小衛星測試數據的實時庫。數據采集服務器負責采集星上及各個SCOE發出的實時數據信息。判讀服務器及MTP負責小衛星下行遙測及上行遙控信息的判讀和核驗。控制臺與自動執行軟件負責小衛星上行遙控指令的自動發送及判讀。數據顯示計算機配置小衛星自動化測試軟件，可人工進行核實及查詢。

SCOE作為小衛星本地自動化測試平臺的擴展，各個專用測試設備通過星地接口與衛星進行直接或間接連接，完成專業性更強的小衛星測試。

1.2 有效載荷自動化測試設計

有效載荷自動化測試平臺采用模塊化設計方式，平臺建立在小衛星自動化測試平臺之上，是對小衛星自動化測試平臺的拓展。有效載荷自動化測試平臺主要由OCOE、數傳SCOE和載荷SCOE共3個部分組成，其內部結構如圖2所示。

圖2 有效載荷自動化測試平臺系統結構示意圖

1)OCOE設計:OCOE中，涉及到有效載荷自動化測試平臺的接口主要有兩部分：

(1)實時庫參數訂閱模塊：有效載荷自動化測試平臺不僅主要是針對有效載荷的測試，同時，也是星地聯合測試。要星地聯合測試，就需要星地時統的統一，此部分正是解決星地時統的一致性。實時庫參數訂閱模塊可以為載荷SCOE獲取星上時間的廣播。

實時庫參數訂閱模塊需要定義實時數據庫連接信息和訂閱參數信息。實時庫參數信息主要包括實時數據庫連接IP、實時數據庫連接用戶名和密碼、實時數據庫ID和實時數據庫所處階段信息。訂閱參數信息包括參數ID、參數類型、參數上限、參數下限、參數單位及參數顯示格式等信息。

(2)MTP遙控信息對外接口模塊：MTP(master test processor)是OCOE的系統中樞，是數據管理和控制中心。MTP通過對總控設備的控制，與測試網中的其它測試設備(軟件)相互配合，共同完成衛星測試任務。目前衛星大部分固定指令都集中在小衛星自動化測試平臺的基礎數據庫中，另外，由于測試需要，常常需要上注臨時指令，此部分指令數量不固定，往往是一次性操作指令，需要在衛星測試過程中臨時上注。如果按照常規指令制作和上注流程，往往步驟繁瑣，并且在時間緊，數據量大的情況下容易出錯，此接口正是為了應對此部分需求而設定。在MTP需要發送此部分指令時，MTP向載荷SCOE發送載荷任務包請求，載荷SCOE接收到請求，經過內部處理后，向MTP遙控信息對外接口模塊發送載荷任務包，之后，MTP接收到載荷任務包，經過內部處理，處理成星上可用指令，批量傳送給小衛星自動化測試平臺，直至通過星地接口，發送到衛星。另外，通過MTP遙控信息對外接口模塊，OCOE可以向數傳SCOE發送操作指令，比如開始地檢記錄指令和停止地檢記錄指令等，從而達到通過OCOE控制數傳SCOE，進而可以控制數傳專用地檢設備，達到有效載荷自動化測試平臺的自動化操作。

MTP遙控信息對外接口模塊采用TCP/IP協議，數據傳輸幀格式如表1所示。

表1 工況試驗設置及結果

其中標志01表示請求，02表示應答，03表示error。校驗采用累加和校驗，各字節累加和與100的模。

2)數傳SCOE設計：在有效載荷自動化測試平臺中，數傳SCOE主要負責數傳地檢設備的控制，數據簡單處理和數據分發功能，各部分功能如下：

(1)地檢設備控制模塊：此模塊為地檢設備與外界交互接口模塊，通過此模塊，可以實現 第三方模塊控制地檢設備的操作。在本系統中，OCOE主要通過地檢設備模塊對地檢設備進行開始記錄和記錄停止操作的控制。開始記錄前，地檢設備要確保處于待機狀態。開始記錄后，地檢設備處于正常工作狀態，此時，地檢設備接收通過數傳通道下傳的數據。記錄停止操作后，地檢設備停止當前工作狀態，重新處于待機狀態。

(2)數據處理模塊：此模塊為地檢設備與第三方交互模塊，主要完成有關地檢設備需要處理的數據信息。在本系統中，載荷SCOE與數傳SCOE需要進行數據信息交換，就通過本模塊實現。

(3)數據分發模塊：數傳地檢設備收到星上數傳到達地面的數據后，經過數傳地檢設備的數據分析處理，會將數據信息存在本地。然后，在載荷自動化測試平臺中，數傳下傳的數據需要發送給載荷SCOE進行進一步的數據分析處理，此部分數據比較龐大，而且數據信息重要，需要快速安全的傳送給載荷SCOE。數據分發模塊是數傳SCOE與載荷SCOE進行數據交換的中樞，主要負責把地檢設備接收并處理的數據快速傳給載荷SCOE。

3)載荷SCOE設計：載荷SCOE是載荷自動化測試系統中最后一個處理環節，也是最重要的環節。根據某型號的特點，設計了載荷任務包上載模塊、信號源設置與控制模塊、載荷數據分析處理端等模塊。同時為了通用型，此模塊采用接口化設計，以后可以針對不同型號進行模塊化設計。此部分具體功能模塊如下：

(1)載荷任務包上載模塊：在載荷分系統測試過程中，需要經常根據當前載荷的工況進行載荷任務的上注，從而完成載荷任務。在傳統的載荷測試中，此部分一般在測試前，由載荷主管設計師將載荷測試過程中需要用到的載荷任務包提前提交給測試總控人員，總控人員再提前將此部分錄入到自動化測試系統。如果一旦載荷任務包更改，則需要重新提交。如果載荷任務包數量比較小，此周期較短，如果載荷任務包數量較大，則人工復核成本較大。而通過載荷任務包上載模塊，完全系統自動化處理，省時高效。載荷任務包上載模塊是可選模塊，根據型號特點和任務特點，可以選擇使用。

(2)信號源設置與控制模塊：在載荷分系統測試過程中，一般需要進行信號源、載荷模擬源等設置。在傳統的載荷測試過程中，在每次載荷任務開始之前，需要載荷測試人員將信號源或模擬源預先設置好，然后才能開始星上載荷測試。對于負責任務的載荷測試，可能每次載荷任務過程中，需要多次設施載荷信號源或模擬源，尤其是時間緊的情況下，更容易出錯，導致載荷任務測試失敗。通過信號源設置與控制模塊，系統將預先加載設計好的信號源設置與控制序列，時間到達時，自動進行信號源的切換設置，省時高效。

(3)載荷數據分析處理端：載荷數據分析處理端是具體的載荷數據分析處理軟件，型號任務不同，就有不同的載荷分析處理端。此部分采用接口設計，具體的模塊執行由具體模塊實現來解決。

如圖3所示，DataProcessInt接口定義DataProcess，通過實現此接口方法，實現各種載荷數據的具體分析處理，即使以后有新的載荷數據格式，也可以方便進行拓展。

圖3 接口方法

2 系統運行流程

載荷自動化測試系統的整體運行流程如圖4所示。

圖4 系統運行流程圖

1)測試人員啟動地面硬件設備及自動化測試系統，這些設備包括OCOE、數傳SCOE設備和載荷SCOE設備，同時把自動化測試軟件啟動到位，保持網絡通暢狀態。

2)建立連接。有效載荷自動化測試過程中，需要對OCOE、載荷SCOE、數傳SCOE平臺進行各自的自動化處理，在此基礎上，需要對三者進行信息和數據的交換。根據載荷自動化測試系統的特點，系統采用TCP/IP協議作為傳輸控制協議。此時，OCOE作為服務端，數傳SCOE和載荷SCOE作為客戶端進行連接。連接一旦成功，表示地面設備及軟件處于可工作狀態，系統可以開始進行載荷自動化測試。如果衛星處于加電狀態，此時實時庫將提供星上時間廣播。

3)傳送任務數據信息。對于特定任務衛星，執行任務之前，需要地面上注任務信息，這些任務信息作為載荷數據塊進行上傳，其特點是任務塊是一次性，同時對于時間要求比較嚴格。需要上注載荷任務塊時，OCOE向載荷SCOE發出載荷任務包請求，載荷SCOE向OCOE進行回應，同時發送載荷任務包數據。OCOE對載荷任務包進行封裝，作為載荷任務數據塊，通過測控系統，發送到衛星，完成星上任務數據的上注。

4)星地時統校時。任務數據信息上注完畢，衛星可以等待任務執行時刻的到來，此時，星上時間通過地面測控系統，下發到OCOE設備，OCOE通過TCP/IP廣播，將星上時間廣播到數傳SCOE和載荷SCOE，達到星地時統一致。

5)等待執行時刻到達。對于每次星上任務，任務數據包中均包含任務的起始時間和結束時間。

6)信號源啟動輸出。任務起始時間一旦達到，載荷SCOE將將首先啟動輸出設置，將信號源狀態自動設置到位，及時輸出信號。

7)星上執行任務數據。任務起始時間一旦達到，星上將自動開啟載荷任務，此時載荷設備開始工作，同時將載荷數據封裝發送給星上數傳設備。此時地面OCOE將自動啟動數傳地檢設備開始記錄，準備接收星上數據。

8)數傳通道下傳載荷數據。星上數傳設備接收載荷分系統傳送的數據，根據數傳工作狀態，采用實時傳輸或者記錄模式(記錄載荷數據通過固存回放，最終將傳輸給地面數傳SCOE)，將載荷數據通過數傳通道，下傳到數傳SCOE。數傳SCOE進行相應的解碼，最終形成數傳通道文件格式數據。

9)星上任務終止時刻是否達到。對于一般衛星來說，一次可能包含多個任務，多個任務有不同的任務執行時間，一旦一個任務結束，地面信號源將重新自動設置，下一個任務開始執行，重復步驟6)～8)的動作。

10)數傳數據地面傳送。當所有星上任務執行完畢后，數傳SCOE將啟動地面分發系統，將不同任務特點的數傳數據，根據預先制定的位置，發送到不同的載荷FTP目錄，最終完成數傳數據的分發操作。此種操作支持多個載荷SCOE進行載荷任務分析。同時，支持針對不同載荷數據，將數傳數據文件進行重命名，以便形成載荷SCOE特定處理要求的數傳數據。

11)載荷任務分析。載荷SCOE將對分發的數傳數據進行自動分析操作，操作完成后，形成報表文件，供設計師進行下一步的數據分析。

3 實驗結果與分析

載荷自動化測試系統開發完成后，在小衛星綜合電測間對其開展了功能和性能試驗。試驗分別模擬了某型號衛星測試中的兩個典型聯合工況模式，其中兩個工況模式星上任務執行時間相同，兩個工況模式之間互不關聯。具體工況設置如表2所示。

表2 工況試驗設置及結果

試驗結果表明，在衛星工況期間地面信號源設置次數、衛星任務執行時長、衛星工況設置用時都相同的兩個工況模式下測試時，通過有效載荷自動化測試系統進行自動化測試，效率比傳統測試效率提高一倍以上。隨著工況人工參與度的不斷增加，傳統載荷測試效率不斷下降，而通過載荷自動化測試，效率則不斷得到提高。

然而在實際測試過程中，一方面隨著人工參與度的提高，人工差錯的概率大幅提高，一旦出現差錯，就需要重新進行工況試驗，另一方面，人員之間信息交流用時更加不確定，同時容易出現信息交流錯誤，這時有效載荷自動化測試的優勢就更加明顯。

4 系統的應用與特點

載荷自動化測試系統目前已經成功應用到某型號的全周期測試，實現了載荷的自動化測試，減少了人工操作引起的失誤，提高了測試效率，突破了載荷測試難以自動化處理的限制。該系統具有如下特點：

1)實現了載荷測試的自動化。由于載荷測試自身的特點，傳統的載荷測試人工操作設備比較多，由于時效性和復雜性，人工操作往往出現失誤，就造成了一種測試模式，反復進行測試的困局。通過載荷自動化測試，一旦前期準備工作完成，可以進行自動化測試，設計師可以有更多的精力關注載荷測試數據。

2)可以實現多載荷數據處理終端。傳統的載荷測試，大部分的精力需要放在測試過程以及載荷數據的處理上。前一種通過載荷自動化測試很好完成，后一種也將耗費較多的人力及時間。此種載荷自動化測試系統支持多個載荷數據處理終端同時處理不同類型數據，更加高效。

3)數據可溯性高。載荷自動化測試系統，將不同終端的設置文件及生成數據分別保存，一旦載荷測試數據異常，可以逐個進行追溯查看，更好地定位異常原因。

4)可重復性好。載荷測試過程中，可能會針對某個或多個測試任務進行反復測試，以便獲取更多原始數據信息，此時，只需要將載荷任務數據包進行分類修改，就可以重復進行，避免了重新設計任務的繁瑣。

5)系統耦合性低。載荷自動化測試系統設計為高內聚，低耦合。OCOE、數傳SCOE和載荷SCOE分別獨立，具有獨立的子功能，并且與其他模塊聯系最少且接口足夠簡單，這樣，一旦某一個模塊出現問題或者更改，不影響其他模塊的功能。

5 結束語

目前，載荷自動化測試系統已經成功應用到某型號小衛星測試的全周期，對于減少測試人員負擔，提高載荷測試工作效率發揮了重要作用。但是，由于目前小衛星種類繁多，需要有不同的載荷處理終端，所以此種載荷自動化測試系統通用化比較低，只能應用到某一類型的載荷自動化測試中；另一方面，在應用過程中，發現一旦某個環節軟件出現問題，就需要對整個系統進行重新連接，以便確保信道暢通，還缺少保持信道穩定的必要手段，后續需要對此展開專門的研究，進一步推動小衛星載荷自動化測試的進程。