航天自動測試系統的體系結構化研究

胡經民 張亞波 武宏偉 孫靖

摘? 要：作為保證航天工程穩步發展的重要基礎體系，高效可靠的航天自動測試系統結構能夠提升航天自動測試系統的通用性、互操作性以及可移植性。本文在深入分析當前各類航天自動控制系統特點的基礎上，結合國內航天自動控制系統的發展，提出了未來航天測試體系中的關鍵應用技術，對我國航天自動測試系統體系結構的構建具有一定的理論指導意義。

關鍵詞：航天工程? 自動測試? 結構化? 控制系統

中圖分類號：V44 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098x（2021）07（c）-0001-03

Research on the Architecture of Aerospace Automatic Test System

HU Jingmin? ZHANG Yabo? WU Hongwei? SUN Jing

（Capital Aerospace Machinery Co.， Ltd.， Beijing， 100076 China）

Abstract： As an important basic system to ensure the steady development of aerospace engineering， the efficient and reliable structure can improve the universality， interoperability and portability of aerospace automatic test system. Based on the in-depth analysis of the characteristics of various kinds of aerospace automatic control systems， combining with the development of domestic aerospace automatic control systems， this paper puts forward the key application technologies in the future aerospace test system， which has certain theoretical guiding significance for the construction of China's aerospace automatic test system architecture.

Key Words： Aerospace engineering; Automatic test; Structured; Control system

自動化測試作為一項重要的測試技術，從國防科技到民生發展的各行各業都占有著極其重要的地位，對于航空航天而言更是如此。隨著航空航天技術的飛速發展，航天設備以及控制系統的規模日漸增大，其業務邏輯復雜，系統更新迭代迅速。因此為了確保航天設備的穩定性、可靠性和安全性，在航天設備的整個開發及壽命周期中都需要對其進行大量完備的測試，傳統人工分散測試難以全面覆蓋到航天系統的方方面面。速度更快，覆蓋面更廣，可靠性更高的自動化測試系統應運而生。

1? 航天自動測試體系結構

1.1 通用ATS體系結構

通用自動測試系統（ATS， Auto test system）廣泛應用于航天航空，國防軍工的各個領域。從組成結構來看，通用ATS主要由自動測試設備（ATE， automated test equipment）， 被測單元（UUT， unit under test）以及測試適配器（TUA， test unit adaptor）組成，其中自動測試設備包含了測試所需要的軟硬件，包括測試儀器、測試接口、測試驅動程序等;測試適配器則是根據測試設備和被測單元的不同在物理接口上將二者連接起來，讓信號能夠正常傳輸。通過這種獨立分層的結構，通用ATS體系能夠解決一部分測試系統通用性較弱的問題。航天領域現有的ATS體系還不夠完善，大多是考慮當前航天任務（如特定型號運載火箭）需要的特化封閉體系，其局限性主要表現在測試系統的軟硬件結構缺乏通用性和標準化，留存的數據以及環境測試結果沒有形成系統的交互模式，在不同項目中難以進行信息共享和復用，這使得測試效率難以滿足需求。另外，ATS結構在航天領域具有較強的通用性和可移植性，不同的測試模塊能夠方便地進行拆分，重組和移植，能夠靈活部署于軟硬件型號不同的各類航天設備中，減少航天設備的開發和驗證周期[1]。

美國國防部自動測試系統執行局與工業界聯合，對多個自動測試系統及其測試對象進行了分析和研究，對影響系統通用性和成本的關鍵模塊進行了整合，新一代ATS體系將把包括測試數據接口、測試設備接口以及相關配套驅動等24個接口的標準化作為重要發展方向，如圖1所示。

1.2? 基于VXI的自動測試系統

儀器總線接口技術的發展極大程度上推動了自動測試系統的發展，自上世紀70年代GPIB總線由惠普公司提出以來，大量新型測試總線標準相繼面世，VXI（VME bus eXtensions for instrumentation）就是其中之一。VXI以VME計算機為基礎，擴展了同步、定時、觸發等測試總線特性，逐漸形成了新一代的標準測試總線。VXI 總線具有優良的可靠性、電磁兼容性和抗干擾能力，其數據容量大，通信速率高，模塊重復利用率高且易于靈活組建系統。另外，VXI獨特的模塊化設計進一步提升了可靠性和復用性，單個VXI機箱能夠支持多達13個獨立模塊，且多個VXI機箱還能夠互聯組合，形成更豐富的測試環境。基于VXI的自動測試系統的優點是提高了系統的集成度，模塊具有一定的可復用程度，但由于設備組件繁多且成本較高、缺乏自主知識產權等因素，該系統僅在國防、航天領域使用較多。自上世界80年代以來，我國已經研發出了包括衛星控制，衛星整星自動測試系統，遙測測試系統，運載火箭測試系統等多個自動控制測試系統，其中大多數是基于VXI自動測試系統搭建的[2]

1.3? NxTest自動測試體系結構

上世紀90年代，面對航天研究迫切的需求，美國國防部自動測試系統執行局聯合了部隊和相關業界專家開始推進新一代自動測試體系結構的研究，最終提出了NxTest自動測試系統。在設計階段，Nxtest自動測試體系的目標就是更開放的共享交互以及更通用的系統接口，該體系基于IEEE P1226 ABBET（a broad-based environment for test）的測試信息交互框架和VPP的測試系統服務儀器接口框架，遵守TCP/IP網絡傳輸協議，有著更規范嚴格的內部接口。NxTest自動測試體系作為下一代自動測試系統，從體系結構層面進一步擴展了自動測試應用范圍，改善了測試設備硬件的通用性和配套軟件的可移植性，提高了自動測試系統新技術的部署能力，使多種被測單元的測試數據能夠進行融合處理與分析，為未來技術研發盡可能豐富地留存測試資料[3]。

1.4? 基于AXIE測試體系

2009年，安捷倫科技有限公司、艾法斯公司和 Test Evolution 公司聯合成立了 AXle （the advancedTCA extensions for instrumentation）聯盟，次年6月AXIe聯盟發布了AXIe 1.0基礎體系結構和半導體測試擴展技術。AXIe是一種分層體系結構，它建立于AdvancedTCA基礎上，擁有更好的兼容性，能夠基于現有的PXI， LXI和符合IVI標準的儀器實現集成。基于AXIe的測試體系能夠充分地利用機架空間，提供更高的性能、更強大的可擴展性、更出色的模塊性和靈活。AXIe總線是在GPIB， VXI， LXI這些總線技術上發展來的，在性能更高的同時還能完全兼容GPIB， LXI的總線設備，因此基于AXIe的航天自動測試系統擁有更好的通用性[4]。

2? 航天自動測試系統發展

我國目前航天技術發展迅猛，已經躋身成為航天大國，在航天領域取得了一個又一個驕人成績。型號多樣的長征系列運載火箭的運載能力已經能達到14噸，從第一次到第兩百次發射僅用時44年，成功率達96%;神舟系列載人航天工程實現了空間實驗室階段“成功首飛、穩定運行、健康駐留、安全返回、順利補加、成果豐碩”的既定任務目標，取得了重要的創新成果和寶貴經驗。這些成果都離不開航天自動測試系統的研究與發展。自上世紀80年代開始我國對航天自動測試系統進行研究，從最開始的CAMAC自動測試系統逐漸過渡到VXI自動測試系統，目前包括運載火箭在內幾乎所有航天項目都采用了自動測試系統。

最初的CAMAC系統初步實現了航天測試設備的標準化和通用化，提升了測試效率減少了測試周期，但是近距離發射控制的CAMAC系統不能妥善地解決工作人員的安全問題，且系統較低的數據吞吐量和高昂的初期設施建設費用都不同程度上阻礙了國家航天工程的發展。由此，在上世紀80年代我國加快了遠程地面通用測試發射控制的建設進度，目前幾乎所有發射測試場均采用了遠程控制。

遠程測試發射控制系統主要由VXI測試系統、多媒體監視系統、計算機網絡系統、故障診斷專家系統和光纖傳輸系統等部分組成。其中VXI測試系統包含了多個數據采集機箱形成冗余機構，這些機箱根據需求獨立采集測試發射過程中的各項物理數據，這些數據將被發送到主控制器進行存儲、計算和分析。在這一過程中VXI機箱還將隨時接收來自主控制器的指令并完成相應動作[5]。與上一代測試系統CAMAC相比，VXI測試系統擁有更高的集成化程度，更大的數據吞吐量和更方便的部署方式，另外，利用光纖進行長距離的數據傳輸也讓遠距離控制成為了可能。與上一代系統相比，雖然VXI測試系統解決了一些問題，但是如系統成本過高，設備的兼容性和時鐘同步能力較弱等問題還有待進一步研究和解決。

我國航天工程和航天自動測試系統起步較早，為了適配各類航天器，各種類型的自動測試設備被生產并投入使用，這也造成了某個時期的測試設備僅對某種固定類型的儀器有效，測試系統和測試儀器之間的通用性還有待提升。另外，目前國內配備的航天測試系統中，測試設備絕大多數是國外的產品，擁有自主知識產權的測試系統還不多[6]。

3? 結論

本文首先分析了幾種航天自動化測試體系結構，然后闡述了我國航天自動測試現狀，最后對幾種航天自動測試中的關鍵技術進行了介紹。在航天工程領域，自動化測試保證航天設備正常運轉的基本工具之一，而完善的自動化測試體系結構又能夠提升測試效率，減少測試誤差，縮短項目開發進度。我國航天產業發展迅速，對可靠性更強、可移植性更好的新型自動化測試體系有著迫切的需求，這也是未來發展的重要方向。

參考文獻

[1]王子瑜，陳海鵬，朱永泉，王海濤，宋敬群.運載火箭快速測試發射關鍵技術[J].中北大學學報（自然科學版），2017，38（3）：307-315.

[2]呂殿君，王小輝，詹景坤，仇公望.航天運輸系統快速測試及其關鍵技術研究[J].電子測試，2018（4）：62-64.

[3]張榮，王玨，周繼昆，張毅，鄭敏.總線類測試系統的技術現狀及發展方向[J].裝備環境工程，2016，13（5）：151-159.

[4]朱利文，于雷，金傳喜.測試總線的發展與展望[J].現代防御技術，2019，47（1）：151-161.

[5]何強. 捷變頻信號源的ARM控制模塊研究[D].成都：電子科技大學，2020.

[6]藺陸洲. 從太空競賽到空間合作航天外交的理論建構與現實轉型[D].北京：外交學院，2020.