資源一號02D衛星關鍵測試系統設計與實現

楊黎 高何 封碩 張田青 羅榮蒸 李勇

(中國空間技術研究院遙感衛星總體部，北京 100094)

資源一號02D衛星(又稱為5米光學業務衛星)屬于國務院批復的空基規劃首批立項業務衛星，采取“一步正樣”研制模式，衛星搭載可見近紅外相機和高光譜相機，在保持中等分辨率、較大成像幅寬特點的基礎上，進一步提高了譜段分辨率，能提供更為豐富的景物細節信息。

衛星的測試設計體現著測試水平的高低。以往遙感衛星的測試目標主要是完成各分系統的功能性能指標驗證，整星級測試也是將各種在軌可能遇到的工作模式進行細化分解并進行獨立驗證[1-4]，相應設計的地面測試系統也是根據衛星的特點研制的專用測試系統，并不具備通用性。本文以資源一號02D衛星在軌飛行任務為總體測試目標，根據衛星發射及在軌運行的工作內容，將衛星飛行程序分為發射前階段、發射階段、狀態建立階段、在軌測試階段和在軌應用階段。針對不同階段的任務特點設計了通用的測試驗證系統，在一次整星級測試中充分模擬和串接在軌各種任務場景，能有效提高測試可信性和驗證的完備性，為衛星發射任務的圓滿成功提供了有力的支持。

1 關鍵測試系統設計與實現

資源一號02D衛星在軌飛行程序各個階段的定義和描述如下。

(1)發射前階段，從衛星加電開始進行發射前狀態設置到運載火箭點火。

(2)發射階段，從運載火箭一級點火開始到星箭分離完成。

(3)狀態建立階段，從星箭分離完成開始到入軌后衛星工作狀態建立完成。在本階段，衛星工作的主要內容包括：太陽翼火工品起爆、天線a/b火工品起爆、雙頻GPS導航系統開機引入控制、引入天線控制等試驗。

(4)在軌測試階段，衛星平臺及有效載荷的工作狀態建立后，根據衛星處于陽照或陰影、境內或境外的位置時序關系，由數管上注衛星各種延時自主任務，包括實傳、記錄、回放、快記慢放、定標等任務，衛星根據時序安排自動執行。

(5)在軌應用階段，以有效載荷試驗為主線，通過衛星有效載荷的各種工作模式，由地面獲得想要的各種圖像和數據產品。

根據以上飛行程序規定時序，設計測試序列時分解成典型飛行任務剖面序列，見圖1。針對發射前階段和發射階段的任務，各分系統通過遙測遙控建立發射前狀態，運載火箭點火后衛星保持狀態并進行遙測監視，設計綜合測試數據判讀系統，解決衛星遙測自動化監視判讀的難題；針對狀態建立階段的任務，設計智能模塊化火工品測試系統，解決火工品控制電路測試過程的精確測試驗證的難題；針對在軌測試階段的任務，設計通用任務規劃仿真推演系統，解決任務生成及時性和安全性的難題；針對在軌應用階段的任務，設計通用化的有效載荷數據實時處理系統，解決高速并行實時數據處理、存儲和自動判讀的難題。下面對這4個系統分別進行介紹。

圖1 典型飛行程序過程Fig.1 Typical flight program process

1.1 綜合測試數據判讀系統

針對資源一號02D衛星發射前階段和發射階段的測試驗證任務，引入了自動化判讀手段，結合衛星特點，建立相對完善的自動化測試判讀專家知識庫。綜合測試數據判讀系統能夠依據專家經驗知識對綜合測試數據自動監測、自動判讀，根據系統判讀結果及時發現問題，輔助測試人員快速有效地完成地面測試，這對提高衛星的快速排故、穩定運行具有重要意義[5]。根據功能需求、網絡環境、使用方式、性能要求等主要因素，綜合測試數據判讀系統由知識管理客戶端、判讀顯示客戶端、數據判讀服務器、結論存儲服務器4個模塊組成，其網絡拓撲結構如圖2所示。

圖2 綜合測試數據判讀系統網絡拓撲結構Fig.2 Integrative testing data judgment system network topology structure

由圖2可知，數據判讀服務器部署在服務器端，以用戶數據報協議(UDP)方式接收到主測試處理器(MTP)的廣播數據，然后對接收到的數據進行推理判讀，并把推理判讀后的結果以UDP方式進行廣播，結論存儲服務器、判讀顯示客戶端以UDP方式接收數據判讀服務器廣播出的數據進行存儲和顯示。知識管理客戶端是系統的判讀知識管理中心，實現參數判讀和指令判讀的知識編輯與管理。判讀顯示客戶端是系統的判讀結果顯示監視中心，實現參數判讀的異常信息監視顯示、指令判讀的所有信息的監視顯示和歷史判讀數據的查詢。數據判讀服務器是系統的知識推理判讀中心，實現參數判讀和指令判讀。結論存儲服務器是系統的判讀結論存儲中心，實現參數判讀的異常存儲和指令判讀的正常、異常存儲。

資源一號02D衛星為“資源”系列衛星首次實施發射前3 h加電進行發射前狀態設置，面對各分系統在發射前3 h至發射前2 h內進行快速構建整星發射前狀態的新需求，并行執行各分系統發射前設置測試用例、地面集中校時、發射前5 min脫插脫落后進行遙控通道自檢等發射場流程優化新狀態，通過引入綜合測試數據判讀系統，在發射前階段采用“指令遙測關聯判讀+遙測穩態判讀”的組合判讀方法，有效規避分系統間指令沖突的風險，縮短衛星40%以上的發射前狀態設置時間，在發射階段通過異步判讀的方式提高遙測并行檢測效率，能為衛星發射任務的圓滿成功提供可靠的數據支撐。

1.2 智能模塊化火工品測試系統

智能模塊化火工品測試系統主要解決以下問題：傳統火工品等效器無法精確測試火工品的起爆電流,不能實現對脈沖全過程的精確測量；無法測量星上蓄電池在發火瞬間大電流沖擊時的電壓瞬變特性，過程數據無法量化。其主要包括設置功能和采集功能。一方面，設備接收來自軟件人機交互接口的設置指令和參數，根據設置指令和參數控制經過等效器電流的幅值及脈沖時間；另一方面，采集電路對加在電路兩端的電壓及回路中的電流幅值和脈沖時間進行采集，并將采集的數據及圖形顯示在設備的顯示屏中[6]。基于上述功能需求，智能模塊化火工品測試系統劃分為定脈寬恒流模塊、采集測量模塊、控制模塊和供電轉換模塊，其功能模塊組成見圖3。

注：SPI為串行外設接口。圖3 智能模塊化火工品測試系統組成Fig.3 Intelligent modular explosive initiator testing system composition

定脈寬恒流模塊提供N路獨立的定脈寬恒流電路，根據用戶設置模擬火工品等效負載，控制恒流電路的通斷控制，將發火電壓、電流幅值和電流脈寬進行轉換后輸出。

采集測量模塊向定脈寬恒流模塊輸出N路電壓量，控制定脈寬恒流模塊等效用戶設置的負載電流。同時，采集測量模塊采集以下內容：定脈寬恒流模塊輸出的N路等效負載電流經轉換后輸出的電壓量，以及N路分壓后輸出的發火電壓。

控制模塊采用FPGA實現SPI接口，對采集模塊進行控制；對定脈寬恒流模塊的金屬-氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)繼電器通斷進行控制；對控制模塊輸入/輸出的控制信號進行譯碼，將相應信息和指示信號上傳到控制模塊。

智能模塊化火工品測試系統的工作流程原理為：火工品啟動后，一旦光電耦合器檢測到有效的啟動電壓便啟動控制模塊，控制模塊測量負脈沖寬度并通過向定脈寬恒流模塊輸出低電平來閉合MOSFET繼電器；同時，控制采集測量模塊向定脈寬恒流模塊輸出相應的電壓量，根據用戶設置的負載電流啟動火工品等效負載電路。通過電流-電壓轉換電路將模擬的負載電流轉換為電壓量，將火工品啟動的發火電壓輸出到采集測量模塊，采集測量模塊通過對這2個采集量的模數轉換實現對電流幅值和發火電壓的測量。

在資源一號02D衛星火工品專項測試及整星模飛測試過程中，使用智能模塊化火工品測試系統對星上火工品控制電路的正確性、安全性、可靠性進行了試驗驗證。

1.3 自主任務規劃推演系統

針對早期在軌測試階段自主任務規劃功能的星地協同驗證需求，結合大幅寬長時間普查成像、任務鏈執行過程中有效載荷開關機次數頻繁、姿態連續側擺要求高、由地面進行任務間動作優化設計等特點，設計自主任務規劃推演系統，以滿足上述驗證應用需求。自主任務規劃推演系統由上行仿真子系統和判讀比對子系統兩部分組成，如圖4所示。

圖4 自主任務規劃推演系統模塊組成Fig.4 Autonomous mission deducing system module composition

1.3.1 上行仿真子系統設計

上行仿真子系統內嵌資源一號02D衛星有效載荷任務序列指令生成模型，具備與衛星一致的有效載荷任務序列生成算法，通過接收上注的任務信息，提前在地面進行合法性判斷、任務沖突檢測及任務編排修訂等算法流程驗證。將任務信息展開為衛星可執行的指令序列，然后將任務信息，合法性、修訂、展開仿真結果向判讀比對子系統發送，等待判讀比對子系統反饋。

1.3.2 判讀比對子系統設計

判讀比對子系統建立屏蔽規則及掩碼配置，形成“知識庫”，作為星地算法一致性的比對依據。對上行仿真子系統地面仿真結果進行判讀比對，保障仿真結果輸出的正確性；同時，對星上自主任務管理實時進行監控，保障衛星自主任務管理的正確運行。

判讀比對子系統組成，如圖5所示。其內核主管整個子系統的流程運行和邏輯控制。網絡通信中間件能夠根據需求快速建立各類常見的網絡連接，并支持自定義通信協議、掛載回調方法。過濾器負責將MTP傳來的原始數據進行第一層解析，分離地面信息和星上信息，并丟棄本系統不需要的數據。數據工廠將過濾器傳給它的數據進行識別和轉換，將數據格式化為數據段。存儲服務中間件為業務數據操作層提供統一的底層數據操作方法，分離業務中數據的訪問操作與數據存儲方式，通過該中間件使不同數據存儲方式之間的差異透明化，為業務層提供統一的操作方法。原子操作層用來實現最基本的數據操作方法，供業務邏輯層共享使用。業務邏輯層包含業務相關數據操作的實現，并對外提供業務服務接口。

注：RTS為實時數據服務器；XML為可擴展標記語言；MySQL為關系型數據庫管理系統；TCP為傳輸控制協議。

1.3.3 測試業務流程

在資源一號02D衛星整星自主任務編排測試過程中，將測試各階段生成的指令序列固化，共形成47類任務模式基礎知識模板。測試人員首先選取任務基礎模板并帶入任務參數，形成基礎任務信息。通過MTP將基礎任務信息逐一發送至上行仿真子系統，系統調用指令仿真模型；上行仿真子系統接收基礎任務信息后，根據任務修訂算法進行指令生成，優化成像/回放時刻、側擺角度及有效載荷開關機次數等任務信息參數，并向判讀比對子系統發送任務信息。當全部任務均通過比對檢測后，上行仿真子系統將比對通過的任務信息中的關鍵信息(包括起始時間、基準時間、結束時間、任務號等)保存至數據庫。上行仿真子系統將比對通過的任務信息發送給衛星，衛星自主生成任務指令序列并執行，執行情況通過遙測反饋。當需要對星上自主生成的任務指令序列正確性進行確認時，由判讀比對子系統進行自動判讀，同時對各類任務信息包解析顯示，由設計人員和測試人員確認；判讀比對子系統將比對結果反饋至上行仿真子系統，比對不通過的任務由上行仿真子系統自主發出任務刪除指令，以保障衛星任務執行的安全性。以表1為例，系統自動生成資源一號02D衛星在100 h可靠性增長試驗期間的任務編排優化結果，最終實現批量上注長時段有效載荷任務。

表1 自主任務編排示例Table 1 Autonomous mission arrange example

1.4 有效載荷數據實時處理系統

針對在軌應用階段的有效載荷處理測試驗證需求，結合資源一號02D衛星的有效載荷工作模式，主要包括圖像實傳模式、快記慢放傳輸模式、成像記錄模式、成像回放模式、服務系統數據傳輸模式、偏航定標模式等，面對2臺相機同時成像工作、數傳分系統2×450 Mbit/s雙通道高速并行數據下傳、基帶處理全過程各級數據的自動判讀、快視圖像花塊噪點的全幅面自動判讀檢測的測試需求和難題，設計了通用化的有效載荷數據實時處理系統，見圖6。

有效載荷數據實時處理系統工作流程(見圖7)為：數傳分系統將相機數據進行復接后，按照空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)的標準格式進行高級在軌系統(AOS)格式編排，格式編排后的數據送到數傳通道進行傳輸或送固態存儲器進行記錄。根據不同的工作模式，在需要傳輸原始觀測量數據時，數傳分系統接收存儲與處理單元輸出的原始觀測量數據，并按照CCSDS的標準格式進行AOS格式編排，格式編排后的數據送到數傳通道進行傳輸。地面收到數傳射頻信號后，經功率衰減、變頻、解調后傳輸至基帶處理系統，進行數據反演處理[7]。

有效載荷數據實時處理系統中的系統管理模塊用于控制、監視與系統管理模塊在同一局域網內的所有設備，可以對系統進行全面的自檢，保證系統工作的有效性，包括UTM、PSM和DTM。基帶處理模塊用于解碼、去格式、解壓縮、業務數據處理和各級數據的自動化判讀，最終將基帶處理后的數據通過DTM送入網絡傳輸模塊，供快視模塊進行顯示處理，數據判讀信息上報給UTM。存儲模塊用于處理流程各階段的數據存儲，可根據需要對各級數據進行回查和分析，存儲容量可擴展。快視模塊從網絡傳輸模塊獲取基帶處理模塊的數據并進行存儲，完成對衛星服務系統數據、圖像數據和輔助數據的工程值計算、高速格式化顯示和數據判讀。網絡傳輸模塊用于數據的高速交換和系統管理信息的監控。

有效載荷數據實時處理系統中的各個模塊均可擴展，其中基帶處理模塊、存儲模塊、快視模塊、網絡傳輸模塊可以根據任務需要部署多個節點，利用PSM資源調度功能分配硬件資源，完成資源一號02D衛星的數據存儲、處理、分析、判讀、顯示任務。在衛星實際測試應用時，基帶處理模塊配置了10臺高性能刀片服務器計算節點，存儲模塊配置了50 Tbyte的盤陣容量；快視模塊配置了2臺快視終端；網絡傳輸模塊配置了2臺萬兆交換機和1臺千兆交換機，功能和性能滿足數傳分系統雙通道高速并行可見近紅外相機圖像數據和高光譜相機圖像數據下傳的測試需求。

注：UTM為用戶終端管理；PSM為平臺服務管理；DTM為業務終端管理。

圖7 有效載荷數據實時處理系統工作流程Fig.7 Payload data real-time processing system processing flow

有效載荷數據實時處理系統的工作過程為：基帶處理模塊從存儲模塊中獲取解調后的原始數據，通過2個解碼節點進行幀同步、解擾、低密度奇偶校驗碼(LDPC)譯碼、循環冗余校驗碼(CRC)校驗等處理生成AOS幀格式數據，將解碼后的數據通過DTM送入網絡傳輸模塊，數據判讀信息上報給UTM。解碼節點中的LDPC譯碼和CRC校驗能對原始數據中的誤碼進行識別和剔除，恢復成正常的數據。2個去格式節點從網絡傳輸模塊獲取解碼后數據并進行存儲，同時完成解AOS格式、分路和數據判讀，恢復成9路虛擬信道完整的數據，將去格式后的數據通過DTM送入網絡傳輸模塊，數據判讀信息上報給UTM。8個解壓縮節點從網絡傳輸模塊獲取各虛擬信道的完整數據并進行存儲，對去格式后的多路數據并行完成解壓縮處理和數據判讀，將解壓縮后的數據通過DTM送入網絡傳輸模塊，數據判讀信息上報給UTM。2個業務數據處理節點從網絡傳輸模塊獲取解壓縮后的數據并進行存儲，進行圖像抽點輸出、輔助數據提取等處理和數據判讀，將處理后的數據通過DTM送入網絡傳輸模塊，數據判讀信息上報給UTM。最終，2臺快視終端從網絡傳輸模塊獲取圖像數據和服務數據，進行高速格式化顯示和數據判讀。

2 創新性分析

本文設計的面向飛行任務的關鍵測試系統，技術創新有以下幾點。

(1)相比以往遙感衛星以分系統功能性能測試驗證為主，測試流程反復、測試有效性不足的問題，資源一號02D衛星以衛星在軌飛行任務為總體測試目標，結合飛行程序規定時序，形成了典型飛行任務剖面序列。以面向任務為目標的測試方案，針對飛行程序中的每個任務階段研制通用的測試系統，一次測試就能充分模擬在軌各種任務場景，不僅提高了測試的有效性，同時保證了復雜系統邏輯驗證覆蓋的完備性，為在軌飛行零故障提供了有力支持，具備推廣價值。

(2)使用火工品等效器和通用數字示波器的傳統測試系統，只能檢查通路的對應關系，無法評估火工品信號相關指標的缺陷。資源一號02D衛星采用的智能模塊化火工品測試系統，在發火試驗時對火工品的起爆電流、起爆電壓脈寬及系統間是否產生干擾進行測試驗證，實現了對火工品控制電路測試過程的精確測試驗證。該系統軟硬件相結合的設計思路，具備遠程監視操作功能，通過合理劃分各模塊，便于故障定位與隔離。另外，模塊參數可調，能夠靈活配置輸入參數。系統等效模塊具有可擴展性，集成度高，能實現不同衛星的通用性測試應用。

(3)自主任務規劃推演系統可以快速準確地完成衛星自主任務推演工作，還能夠提供豐富的診斷信息，輔助設計人員快速定位錯誤點及分析錯誤原因。另外，該系統在設計時充分考慮了資源一號02D衛星自主任務管理的相關功能特點，任務上注仿真驗證時間小于2 s，上注方式由單任務轉變為動作優化后的批量任務，有效支撐了衛星熱試驗、運控對接等長期考核模式，滿足衛星自主任務功能驗證需求，具有批量檢測、高效運行等應用特點。

(4)以往遙感衛星研制的通用數據處理系統，基帶處理是通過共享存儲系統進行前后級數據的讀寫，網絡傳輸存在速率處理瓶頸[8-10]，數據判讀自動化欠缺且不充分，硬件資源無法統籌共享。資源一號02D衛星設計的有效載荷數據實時處理系統，同時具備數據處理、顯示、判讀、分析、存儲、訂閱6個方面的能力，前后級數據的處理通過萬兆網絡直連，進一步提高了處理性能。依托各處理節點開發的數據判讀功能，實現了基帶處理全過程的數據自動化判讀，全面提升了衛星有效載荷數據判讀的效率和質量。通過系統資源調度功能，實現多星共用一套硬件處理資源，這將在高分辨率批產遙感衛星系統級測試中有廣闊的應用前景。

3 結束語

本文以資源一號02D衛星在軌飛行任務為總體測試目標，結合飛行程序規定時序，形成了典型飛行任務剖面序列。針對每個典型飛行任務特點，設計并研制了通用化的地面關鍵測試系統，即發射前階段和發射階段設計了綜合測試數據判讀系統，狀態建立階段設計了智能模塊化火工品測試系統，在軌測試階段設計了通用自主任務規劃推演系統，在軌應用階段設計了通用載荷數據實時處理系統。以上4個系統能充分模擬在軌各種任務場景，有效保證復雜系統邏輯驗證覆蓋的完備性。關鍵測試系統在資源一號02D衛星系統級測試中應用，完全滿足衛星的測試需求，可推廣應用到其他高、中、低軌遙感衛星的綜合測試任務中。