批量衛星流水線自動化測試系統研究

高 括，劉會杰，劉 磊，楊杰峰，張 銘，潘小彤

(1.上海微小衛星工程中心,上海 201203；2.中國科學院 微小衛星創新研究院,上海 201203)

0 引言

隨著小衛星大規模組網應用的不斷增多，傳統單顆衛星地面測試系統已不能滿足批量化、并行測試的需求[1]。衛星數量增多、測試要求逐步提高，測試步驟繁瑣、測試時間緊張。傳統衛星測試過程，各個測試環節均需人工操作，效率低下，測試系統集成度低，手動測試操作復雜，數據記錄難度高，測試記錄準確度低，測試耗費時間長[2-5]。因此，迫切需要研究一套自動化程度較高的多星并行自動化測試系統，同時支持多顆星的流水化測試。

國外現狀：衛星總裝、測試與試驗AIT(assembly integration &test)是衛星研制過程中至關重要的環節之一。國外快速AIT已發展多年且頗具成效，已逐漸由試驗驗證向實際應用轉變，具有代表性的是針對 美國“快速響應太空”(ORS)計劃的快速AIT[6]。

1996年，在美國國防部自動測試系統執行局(DOD ATS EAO)的協調下，美軍與工業界聯合提出了下一代自動測試系統Nx-Test的體系結構，衛星并行測試技術被列為關鍵技術之一[7]。

國內現狀：當前,國內幾家衛星總體單位都承擔過了某些星座模式衛星的研制任務，雖然有些任務組網衛星總的數量多，但在研制計劃上并行研制的衛星數量不多。目前國內衛星測試現狀：

1)不具備流水作業的測試模式，單機、分系統、整星均在相同桌面上串行測試；

2)不具備整星級多星并行測試的能力，自動化程度普遍較低。目前測試系統軟件僅僅局限于單星或多星串行測試，還不具備多星并行自動化測試的能力，無法完成衛星快速自動化測試[8-9]。

1 體系設計

1.1 批量衛星流水并行測試系統的組成

為滿足批產衛星流水并行測試需求，為測試提供方便、可靠的服務，批量衛星流水并行測試硬件系統分為綜合測試間、單機桌面聯試區、裝星區、模飛區、磁試驗區、EMC試驗區、熱試驗區、力學試驗區、老練及貯存區以及UPS供電系統等部分，各部分內部設備通過局域網交換機連接在一起，交換機之間通過以太網連接，距離較遠的跨區連接采用的光纖連接，并且每個衛星操作區域均配備了至少一個語音調度工位。批量衛星AIT各階段并行連接總體設計架構如圖1所示[10-11]。

圖1 批量衛星AIT各階段并行連接總圖

批產衛星流水并行測試軟件系統主要由主控中心、測試控制臺模塊、數據采集存儲模塊、自動判讀顯示模塊、查詢分析模塊、通用測控前端軟件以及星務前端模塊組成。每一個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“多星并行化測試系統軟件”。除此之外還需要多星并行化測試硬件設備系統、GPS地面校時系統、能源安全保障系統等其他設備的支持。

批量衛星流水自動化測試的一般過程包括任務提出、測試序列生成、序列執行和結果分析4個階段，將測試序列部分或整體傳入被測對象，執行后將實測結果和理論結果進行比較，給出最終測試的結論，批量衛星流水自動化測試過程如圖 2所示。

圖2 批量衛星流水自動化測試過程示意圖

批量衛星流水自動化測試軟件系統包括基礎測試用例庫管理模塊、測試任務特征提取模塊、測試序列管理模塊、結果分析模塊4部分組成。

基礎測試用例庫管理模塊主要是存儲衛星測試基本用例，是測試系統實現自學習的基礎，在測試過程中會一直不間斷地補充完善基礎測試用例庫。

測試任務特征提取模塊用于對測試任務做一些必要的處理，即測試任務預處理，預處理過程對測試任務進行一次大致的篩選，并將篩選的結果作為測試任務的待選特征集合。

測試序列管理模塊，根據單元模塊的測試時間和復雜度不同，結合序列優化方法，自動生成測試主機或者衛星中心計算機識別的可執行測試序列。

結果分析模塊包括指令執行結果的自動化判讀，測試數據的自動監視、故障診斷報警以及生成實測與理論對比報告4個部分。

1.2 批量衛星并行化任務管理與調度

1)系統支持人機交互界面操作制定測試計劃；

2)系統支持自動按照測試序列順序執行測試任務；

3)調度有限測試資源的共享和并行測試，并避免資源沖突，優化測試效率。

批量衛星自動化測試系統，以單星測試系統為基礎，擴展為可多星并行測試的開放式系統；另外，對數據的管理和監視顯示增加了系統的開放性和兼容性，信息交互良好，數據協議一致，集中判讀和處理為衛星聯合判讀和分析提供平臺。

批量測試自動化系統的研究體系，以系統改進和搭建為核心，并行化的管理和調度為資源調度保障，多星測試產生海量數據的處理是系統改進和測試的最終分析對象，使多星測試和單星測試的測試手段一樣更加便捷。批量衛星并行化任務管理與調度體系如圖 3所示。

圖3 批量衛星并行化任務管理與調度體系

1.3 衛星分級并行流水自動化測試

在衛星組批研制過程中，每臺衛星單機交付驗收以后，需要在測試廠房相應的單機工位上進行功能測試，完成測試后進行單機的接口對接測試。在單機功能狀態正常的情況下，接入分系統測試環境，進行分系統的功能及性能的驗證。完成驗證的分系統進入整星的測試工位或整星的裝配環節。單機、分系統及整星三層測試環節逐級遞進、相互獨立、互不干涉、流水作業，并采用并行自動化測試方法，從而保障組批研制星并行研制的測試需求。組批衛星分級并行測試流程如圖4所示。

圖4 衛星分級并行測試系統流程示意圖

1.3.1 批量衛星單機級自動化測試

單機級自動化流水測試以測控單機為例，測控單機指標驗收自動化測試系統主要用于分系統單機交付時的驗收測試,測試指標包括遙控誤碼率、遙測誤碼率、下行載波頻率精度、下行載波頻率穩定度、輸出功率、下行載波抑制度、帶外雜波抑制、頻譜對稱性、下行信道功率比、捕獲門限測試、捕獲時間測試、閃斷重捕時間測試、上行信號功率比測試等。因測控單機指標驗收時單機數量和測試指標都比較多，測試方法相對固定，故適合采用自動化測試系統實現其測試，以縮短測試時間、提高測試效率，同時減少隨機誤差、提高測試精度。

測控單機指標驗收自動化測試系統采用PXIe架構實現[1]，結合單機自動測試軟件，其整體框架如圖5所示。

圖5 測控單機指標驗收自動化測試系統構成圖

測控單機指標驗收自動化測試系統組成如下：

1)系統采用PXIe架構，可兼容多種測試設備；

2)矢量信號發生器：可提供射頻信號的輸出，實現最佳動態范圍性能；

3)矢量信號分析儀：用于分析射頻信號的頻域特性，可對應答機的信號幅度(功率、上行信號功率比)、載波抑制度、雜波抑制度、頻率(頻率精度、穩定度)、調試信號幅值、頻率差、信噪比、通道能量、相位噪聲等單機指標進行測量；

4)測控綜合地檢設備：上下變頻、基帶處理、高精度銣鐘；

5)示波器：用于完成信號時域分析，測試指標包括上升時間、下降時間、脈寬、延遲時間等；

6)邏輯分析儀：用于對多通道數字信號邏輯關系進行測試；

7)直接遙測模塊：用于對低頻遙測量進行直接采集，包括多通道模擬量、數字量等，從而完成被測應答機低頻信號的采集測試；

8)直接遙控模塊：提供多路遙控指令脈沖數據，并預留多路I/O擴展接口；

9)總線測試：用于完成被測應答機的1553B、CAN總線通訊測試；

10)射頻鏈路：用于實現被測信號的開關切換以及功率調節。

測控單機自動化測試軟件：

在上述硬件組成的基礎上，配置一套通用自動化測試軟件以滿足自動化測試需求，其架構如圖 6所示。

圖6 測控分系統單機自動化測試軟件構架圖

1.3.2 批量衛星分系統級自動化測試

衛星一般由星務、能源與總體電路、測控、熱控、姿軌控等分系統組成，分系統級自動化流水測試系統以測控分系統為例進行介紹。測控分系統多星測試流水作業流程如下，在單機承制方交付分系統單機后，首先進行各個單機性能指標的驗收測試，指標驗收通過后，進行分系統集成自閉環測試，最后接入整星進行整星級綜合測試。

測控分系統多星測試流水作業具體流程如圖7所示。

圖7 批量衛星測控分系統測試流程圖

1.3.3 批量衛星整星級自動化測試

整星級的批量衛星自動化測試，是在各個分系統完成并通過分系統級測試的基礎上所進行的整星系統級測試。整星級測試任務是檢驗衛星各組成分系統之間的連通性、兼容性，檢驗衛星整體功能的準確性，以及檢驗衛星是否達到所要求的技術指標。整星級衛星測試是整個測試過程中的必不可少的階段，做好整星級衛星測試對發現隱藏的問題和風險、確保衛星按照既定指標要求穩定運行具有重要的作用。

衛星測試工作流程如下：

1)遙控發送過程:

(1)測試控制臺分系統配置好指令序列和測試用例后，采用自動/手動的方式發送指令到主測試處理機。因為每顆衛星測試任務不同，所以每個測試控制臺設備單獨負責一顆衛星的指令發送任務。

(2)主控中心(或稱主測試處理機)接收測試控制臺發送的上行指令，通過解析分辨發送目的衛星和通道并將其轉發給星務前端或遙控前端。為了防止故障影響，每個主控中心負責一顆衛星的測試任務。

(3)星務前端接收主控中心發來的指令數據，生成指令發送隊列。測試人員可以選擇自動或手動發送指令到衛星。對于自動發送的指令，星務前端還會監控驗證指令的執行結果。

2)遙測接收過程:

(1)衛星下發的測試數據，從地測串口下發到星務前端分系統，星務前端實時解幀顯示并預判相關信號量的值是否處于設定的預期值中，同時將源碼轉發至主測試處理機。為了保障數據運算效率，星務前端采用Storm分布式實時數據處理集群以達到數據實時解幀顯示的要求。

(2)主測試處理機分系統實時接收星務前端下發的地測源碼和遙控前端下發的遙測源碼并轉發至自動判讀及顯示終端和數據采集存儲系統。

(3)自動判讀及顯示終端接收主測試處理機轉發的下行數據，實時解幀并顯示給測試人員查看，同時實現對自定義關鍵信號的自動判讀，對異常的數據作自動報警。由于自動判讀及顯示終端需要進行每秒鐘每顆衛星每個通道多至2 000個信號量實時解幀、顯示、判讀，運算量大，對時效性要求也高，因此該分系統也采用Storm分布式集群，利用Storm技術進行分布式實時處理。

(4)數據采集存儲系統跟自動判讀及顯示終端同時接收主測試處理機轉發的下行測試數據并實時解幀存儲。解幀運算量也達到自動判讀及顯示終端數量級且需要將同數量級的數據進行存儲至數據庫，頻率高，數據量大，要及時處理完每一幀數據，不遺漏數據，保證數據的完整性，也采用Storm這種高容錯及安全性分布式實時處理技術。

(6)查詢分析終端主要用來對存入數據庫中的測試數據的查詢和對比分析，初次之外還涵蓋了數據格式配置、關鍵代碼配置等各類配置功能。查詢分析終端由B/S架構組成，1臺服務器作為Server端部署應用，供任意一臺局域網內電腦通過瀏覽器訪問查詢。

1.4 分布式并行流水自動化測試

多衛星批量快速測試實現應對高密度發射任務，滿足并行測試需要，分布式批量并行測試的實現途徑如圖8所示。

圖8 批量衛星測試系統框架

批量衛星測試系統從功能上主要分為總裝試驗、綜合測試兩大部分。

1)總裝試驗部分同時支持多顆衛星的總裝試驗、熱真空試驗、力學試驗等；

2)綜合測試間與總裝試驗部分通過光纖連接，綜合測試間主要完成衛星測試設備的管理控制、遙控指令上行、遙測數據的接收、處理和分發，并完成遙測原始數據以及解析后的數據的存儲、查詢服務；

并行流水自動化測試模式下，對衛星歷史遙測數據服務器的接口進行統一設計，所有衛星綜合測試平臺通過局域網實現信息交互，完成支持多種型號衛星遙測數據的并行接收、處理和可視化。

2 試驗驗證

以本文提出的批產衛星流水并行測試系統體系建立的批量衛星測試系統目前已經成功應用于某組網衛星的各階段的測試任務，累計服務十幾顆衛星，前期能夠支持12顆星并行流水測試。非常好地完成了組批衛星流水作業并行測試任務，成功完成多星并行測控指令上注，多顆衛星并行測試的遙測數據接收、解析、轉發、存儲等，目前系統運行穩定可靠，大大縮短了批量衛星測試周期。

3 結束語

針對組網衛星研制周期短、測試任務重、測試人員短缺的特點，設計了一套批量衛星流水作業自動化測試系統體系架構，詳細介紹了批量衛星流水并行測試系統組成、任務管理與調度、衛星分級并行流水自動化測試等。實現了提高批量衛星的測試效率、精簡了測試人員隊伍、間接縮短了批產衛星的研制周期，達到了很好的使用效果，為后續批量衛星流水作業自動化并行測試系統的完善設計提供參考。