我國小衛星綜合測試技術發展與展望

戴澗峰 陳逢田 李培華 王志勇 陸文高 李立

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

小衛星由于其輕量化、小型化、低成本和性價比優勢，已經成為了空間系統的重要組成部分，特別是近年來小衛星性能的不斷提高和應用領域的不斷擴大，在航天服務體系中起到了重要的作用。隨著小衛星任務的不斷變化，小衛星綜合測試正在向兩個方向發展：一是系統復雜程度不斷提高，功能越來越強大，綜合測試滿足的要求更嚴苛，測試需求日趨多樣化和復雜化；二是小衛星批量化生產的需求，促使在綜合測試中要利用有限的場地、人力、設備等測試資源產生更大的生產效能。小衛星綜合測試自動化水平快速提升，但隨著小衛星任務數量的持續增長，以及高復雜度測試、批量化測試需求的增加，對小衛星自動化測試向智能化測試轉型也提出了迫切的要求。

本文對我國小衛星綜合測試技術發展的歷程進行了簡要的回顧，從系統層面、核心技術、專項技術分析了小衛星綜合測試技術的現狀，最后進行了技術展望。

1 小衛星綜合測試技術發展回顧

我國小衛星綜合測試技術從20世紀90年代起步，通過采用自動化手段、強化通用性設計、合理配備軟硬件資源，取得了很大的進步，在這30多年的發展過程中，逐步形成了“測試系統通用化-自動化測試-智能化測試”的發展路徑。

1.1 綜合測試系統通用化

1999年，實踐五號衛星發射，拉開了小衛星發展的序幕。實踐五號衛星綜合測試系統參考ESA的歐洲測試操作語言(ETOL)系統，建立了以總控設備為中心的多級分布式體系結構[1]。2002年，針對海洋一號衛星的研制，完成了通用化的小衛星綜合測試系統。系統中基于歐洲插卡式模塊總線儀器擴展(VXI)總線技術的遙測遙控前端一體化設備、供配電測試設備、姿態軌道控制測試設備[2]，使用LabWindows/CVI編制測試設備控制軟件，大大提高了數據顯示及控制軟件的編制效率和可靠性[3]。通用化的小衛星綜合測試系統在10多顆衛星的研制過程中得以應用，改變了以往研制1顆衛星投產1套地面系統的模式，使衛星的研制成本大大降低，并且以通用化測試系統為基礎進行不斷迭代，小衛星綜合測試技術得到了持續發展。

1.2 自動化測試

隨著計算機技術的飛速發展，2005年后，我國小衛星綜合測試專用測試數據庫開始引進了大型關系數據庫和實時數據庫系統。以實時數據庫系統為例，系統在測試現場完成實時監測、在線查詢、趨勢分析等功能。2007年，開始了小衛星自動化測試系統的研制工作，小衛星綜合測試正式開始進入了自動化測試的實踐階段。系統逐漸在小衛星測試中得以應用并不斷完善，測試效率和測試安全性得到了較大提高[4-5]。在自動化測試技術發展的同時，通信測試、電氣測試、并行測試等專項測試技術也在不斷發展。針對統一S頻段(USB)和擴頻體制分別進行了基于通用基帶測試設備(CORTEX CRT)的測控分系統地面測試系統的通用化改造，開發出了基于USB/擴頻體制的測控基帶設備的遙測/遙控前端軟件[6]。基于可編程邏輯控制器(PLC)技術的通用供配電測試設備采用模塊化雙機箱結構設計，大功率供電能力明顯提高，大量應用于小衛星測試任務中[7]。2007年，基于小衛星星座的測試要求，首次提出了小衛星多星并行測試的測試理念。應用多星并行總控軟件、星座遙測遙控前端軟件，以及當時新研制的國產化測控基帶設備與收發信道組合配合使用，能夠處理多種變化碼速率下的多種長度的遙測幀，此模式也廣泛應用于后續小衛星多星并行測試及星座測試。

1.3 初級智能化測試

進入“十二五”中期，隨著小衛星任務數量的迅猛發展，小衛星自動化測試技術也進入了飛速發展的階段。航天東方紅衛星有限公司、上海微小衛星工程中心、哈爾濱工業大學衛星技術研究所、長光衛星技術有限公司等衛星研制單位均開發并成功應用了小衛星自動化測試系統，并在10年間完成了百余顆衛星的測試及發射任務。隨著衛星產品技術成熟度的提高，測試過程的自動化程度也在不斷提升，有效釋放了測試中人力持續投入的壓力。但對于小衛星綜合測試，“計算機完全替代人”還有很長的路要走，用計算機軟件替代人腦中復雜的測試邏輯、判讀邏輯、異常現象處置邏輯的技術就是智能化測試技術，這是小衛星綜合測試邁向“無人測試”目標的關鍵技術。航天東方紅衛星有限公司在2018年研制了智能批量測試系統，經實際應用對比，多星批量自動化測試平臺能夠將星群(星座)衛星測試人員的配置數量由2人每星縮減為2人每5顆星，人力需求量縮減了50%以上。

2 小衛星綜合測試技術發展現狀

經過20多年的發展，小衛星綜合測試技術在系統層面打下了深厚的基礎，確定了自動化測試為綜合測試的核心，而計算機技術是小衛星自動化測試的核心，此外，各專項測試技術在各類特殊應用場景中得到了有效的應用。

2.1 系統層面

(1)形成了小衛星綜合測試技術標準和規范。測試人員對測試過程的因素制定編寫了標準。針對不同的小衛星平臺進行技術狀態固化，以平臺為基礎，開展整星測試策略、方法、規范的研究，對不同平臺的小衛星的測試項目和測試內容進行梳理，研究通用的測試方法和手段，制定統一、標準的整星測試規范，提高測試覆蓋性和測試效率，利用標準化的測試用例進行測試模塊化設計。將整星的測試過程分解為通用的測試模塊，定義每個模塊的標準輸入/輸出，每顆衛星可以根據技術特點和研制流程對模塊進行動態組合，從而完成整星綜合測試，減少對設計師的依賴和由于測試人員水平引起的測試偏差[2]。在小衛星標準化體系下制定小衛星綜合測試體系，從系統級測試、專業級測試兩個方面，編寫了一系列的相關技術標準和規范文件[8]。

(2)建立了多級分布式的自動化測試系統架構。小衛星電氣地面支持設備(EGSE)是一個比較復雜的系統。它的功能不僅包括供配電、測控、數據處理、信息加工，還要包括各種模擬、激勵、仿真，并能支持各個階段的測試應用。它的組成包括總控設備和專用測試設備，可以根據需求的不同以各種拓撲結構出現[9]。小衛星綜合測試在測試系統的基本構架和測試設備通用化的基礎上，通過對測試流程和測試方法的規范化，逐漸形成了通用、穩定的多級分布式的自動化測試系統架構(見圖1)。

圖1 多級分布式的自動化測試系統架構

自動化測試系統按照不同的應用分成5個層次：接口層、基礎測試層、分系統自動化測試應用層、整星自動化測試應用層和數據服務層。接口層是地面測試系統與小衛星的接口，包括脫落插頭、星表插頭、天線等。基礎測試層是指總控測試設備、專用測試設備、網絡環境、設備通信協議等。在基礎測試層之上，按照測試環路劃分為分系統自動化測試和整星自動化測試應用層。分系統自動化測試通過獨立的測試環路，由專用測試設備實現測試設計、測試執行、自動化的測試激勵和檢測、自動判讀與結果生成。整星自動化測試則是利用上下行環路，將分系統自動化測試串聯進來，對它們進行統一調度和控制，完成整星自動化的測試設計、自動執行、自動判讀、綜合評價等一系列閉環測試過程。數據服務層是利用測試數據庫實現測試數據的采集、處理、存儲、監視、判讀、查詢、分析、發布及挖掘等功能[2]。

2.2 計算機技術

(1)測試數據庫技術得到了廣泛應用。在大量的衛星研制測試過程中，測試數據庫起到了至關重要的作用。一顆小衛星的遙測參數約5000條，遙控指令約3000條[10]。測試過程中產生的測試數據是測試的結果和測試質量評估的依據，對測試本身和小衛星研制具有重大的意義。小衛星綜合測試數據庫的應用需求及構建方式基本上都是由“基礎數據庫-實時數據庫-歷史數據庫”構建的三位一體的測試數據服務中心。基礎數據庫是存儲小衛星及地面設備的參數、指令配置信息的統一的關系型數據庫結構；實時數據庫完成小衛星綜合測試數據的快速采集處理，利用表格、圖形等形式實時完成小衛星綜合測試狀態的展示和監視，多任務之間實現多顆衛星數據的快速比對和分析，并同時向外提供高效、易用的數據服務接口用于測試數據的自動化判讀、評價與分析；歷史數據庫是一種基于超大規模藍光光盤庫的存儲系統，結合磁盤、電子盤和光盤的優點與特性，構建具有磁、光、電融合的體系結構，從而實現小衛星數據長期、可靠的保存及數據查詢、挖掘。

(2)實現了智能批量測試技術。小衛星綜合測試的自動化程度提高，其中重要的發展方向就是智能化，由系統逐步替代人工的大部分工作，滿足批量化衛星測試任務帶來的繁重測試任務需求。自動化測試主要體現在實際測試執行過程，也就是由人逐個運行測試用例被測試工具自動執行所代替。而智能化測試技術的核心是計算機軟件技術，是應用計算機技術在“無人干預”的情況下完成測試輔助設計，并具備模擬人腦處理復雜邏輯的自動測試實施和測試評價等全流程測試工作能力。在智能批量測試系統中，硬件部分通過模塊化、標準化的通用板卡構建具備小型化、低成本、高集成等特點的批量快速測試設備，配合高可靠性的智能批量測試軟件軟件，建設適應小衛星發展需要的測試系統。智能批量測試技術體現了全流程自動化測試的全部內涵。在測試設計階段，工作人員進行測試條件輸入、測試流程規劃、測試項目管理，快速生成、修改小衛星測試細則；在測試實施階段，選擇相應的測試模塊和序列并自動化執行，對執行過程進行自動判讀返回；在測試總結階段，通過軟件完成測試結果的評價與分析。智能批量測試過程如圖2所示。

圖2 智能批量測試過程

(3)模板總線技術有效提升了測試系統集成化程度。微納衛星測試要求地面設備具備快速展開部署及應用的能力，分布式小衛星綜合測試系統無法滿足，因此，需要利用模板總線技術構建小型化、集成化、一體化微納衛星測試系統。模板總線屬于內部總線，傳輸延時小、帶寬大，是并行總線，不僅能實現數據傳輸，還能完成同步、觸發、定時等功能[11]。隨著芯片功能的增強，模板上芯片數目越來越少，連線也越來越簡單，總線標準化應用越來越多，VXI、面向儀器系統的外圍組件互聯擴展及其下一代(PXI/PXIe)、緊湊型外圍組件互聯(CPCI)總線在遙控遙測信號處理、供配電測試設備、測控基帶設備等小衛星綜合測試設備中均有廣泛應用。在分布式小衛星綜合測試系統中，測控、供配電、總控設備需要配置3個20U的機柜，而利用模板總線技術構建的微納衛星測試系統可以集成在一個12U的機柜中，有效提高了測試系統的小型化和易用性，得到了很好的應用效果。

2.3 專項測試技術

(1)遠程測試技術成為小衛星發射場測試中的重要手段。發射場遠程測試是指利用異地通信鏈路實現研制廠房與發射場之間的網絡互連互通，完成遠程遙測數據判讀、遙控指令發送及音視頻交互，兩地協同開展發射場綜合測試工作。與傳統的發射場工作模式相比，發射場遠程測試在確保完成小衛星任務和保證測試安全的前提下，能解放專業設計人員進場量，或者縮短進場時間。通過遠程測試技術，在極小帶寬的測試專線中，能實現小衛星遙測遙控、音頻視頻數據跨網段多路并行、雙向交互的最優方案，既確保數據安全，又使傳輸更加高效。這種方式能改進傳統的測試發射工作模式，建立覆蓋研制廠房和發射場的遠程測試環境，形成在發射場完成實施和操作、在研制廠房完成數據判讀和分析的遠程測試模式，減少人員占用，緩解人力資源配置矛盾，提升研制和服務能力。

(2)基于星載測試的快速地面測試技術是小衛星綜合測試的一種嘗試。在傳統測試中，主要的測試環路是衛星與地面測試系統間的遙控遙測鏈路，而在基于星載測試的快速地面測試中，測試的發起端和響應端都在星上。以星載測試單元為核心，采用“指令-遙測”的簡單激勵反饋模式，能更加迅捷、準確、全面地獲取小衛星參數，是小衛星在快速響應任務中實現快速自動化測試的重要手段。基于星載測試的快速地面測試技術主要包含星載測試單元、星地測試總線接口協議和便攜式快速測試終端3個關鍵環節[12-13]。基于星載測試的快速地面測試技術應用如圖3所示。

圖3 基于星載測試的快速地面測試技術應用

(3)仿真測試技術的應用。小衛星模擬器主要用于測試設計驗證、地面測試系統驗證、在軌指令模板驗證、地面應用系統數據接口對接、衛星地面站人員培訓等。目前已經實現了衛星功能的部分仿真，并形成了一套相對成熟的研制模式。①采用純數字化仿真策略，整個仿真系統配置項均為計算機軟件；②采用小衛星部分功能數字化仿真+仿真運行環境模式；③小衛星部分功能數字化仿真采用“關鍵系統移植星上軟件，重要系統建模，一般系統構建指令遙測關系”方案，如星務、控制軟件采用移植星上軟件，電源、數傳等建立模型(能源、固態存儲器)，測控、熱控、有效載荷構建遙控遙測關系，仿真遙控遙測層面；④仿真運行環境移植小衛星總裝、集成與測試(AIT)數據庫，姿態軌道控制動力學計算、接口和人機交互；⑤內外部接口均為網絡傳輸控制協議/網際協議(TCP/IP)或者用戶數據報協議(UDP)，可進行功能擴展。

3 小衛星綜合測試技術展望

小衛星系統復雜程度的提高、批量化研制的需求決定了小衛星綜合測試技術發展的核心就是智能化和批量化。應用不同于傳統模式的差異化思路解決批生產的難題，依靠計算機技術提升綜合測試智能化水平，向無人化測試目標邁進，針對特殊需求推動專項測試技術發展，使小衛星綜合測試技術走得更深、更遠。

3.1 系統層面

(1)應用差異化的測試模式。綜合測試是整個小衛星研制的末端，測試技術的發展方向是由整個小衛星系統工程的特點及被測對象——小衛星的發展方向決定的。從被測對象的角度看，小衛星及其研制模式在向2個方向發展：①由于芯片、軟件、材料技術的發展，使同樣質量下的小衛星可完成的功能越來越多，能力越來越強，系統更復雜，平臺的承載比提升，有效載荷類型多元化，新技術、新思路得到應用；②星座、星群的任務需求使小衛星必須批量化生產，產品技術成熟度高，快速生產、快速發射。因此，小衛星綜合測試模式也將形成差異化，即傳統測試模式和批量測試模式。傳統測試模式下，需要系統級、專業級兩類測試人員，需要較強的專業技術深度，對系統測試技術和專業測試技術(通信、軟件、電氣、控制、有效載荷等)分別展開研究，為復雜的小衛星提供測試解決方案。批量模式下，需要設計、實施兩類測試人員，需要完善、有針對性的批量化測試設計及豐富的測試實施經驗，分別開展批量化測試設計及批量化測試實施。

(2)開展大規模批量化生產測試技術研究。從一網(OneWeb)公司提出的大型低地球軌道(LEO)衛星星座到太空探索技術(SpaceX)公司的“星鏈”(Starlink)衛星逐步部署，大型互聯網星座任務對整個衛星行業帶來了巨大的影響[14]。近年來，我國小衛星一直屬于典型的訂貨型小批量生產，但進入“十四五”后，越來越多批量研制的大型組網飛行項目立項并投入生產階段，大規模批量化測試工作已經提上日程。目前的單體小批量衛星測試技術面對大批量規模化生產的需求，距離形成脈動流水線式的工業化衛星生成模式存在較大差距。批生產模式下，小衛星綜合測試工作要從系統工程的概念出發，參考國外柔性生產線、準時生產方式、并行工程、多項目管理等先進的管理方法，圍繞模塊化、標準化、平臺化、系列化的制造模式，探索符合自身特點的新型管理模式，實現從面向小衛星到面向生產線的轉變，建設測試生產線，從而滿足小衛星任務對測試的需求[15]。

3.2 計算機技術

(1)以“無人化測試”為目標，提升綜合測試智能化水平。小衛星綜合測試技術已經由自動化測試階段逐步邁入了智能化測試階段，但距離“完全取代人”還有很長的路要走。專家系統、人工智能技術的快速發展及其在工業系統中卓有成效的應用，使工業智能化成為當前工業生產轉型的一個重要趨勢。大數據技術的發展和計算機性能的不斷提升，讓人工智能在強化學習、深度學習、機器學習等方面取得了巨大進步。小衛星綜合測試領域亟待將專家系統、人工智能與大數據技術應用到測試設計、測試實施、故障診斷、故障預測、健康管理、結果評價與分析、決策支持、數據挖掘等各個方面[16-18]。快速便捷的智能判讀模型描述方法、高實時性的智能判讀技術、基于復雜邏輯的智能化自動執行、基于智能判讀模型的測試結果評價與分析、深度學習對智能判讀模型的修正技術等，是目前需要突破的關鍵技術。

(2)開展有效載荷自動化測試技術研究。有效載荷作為小衛星的主要功能載體，在電性能測試階段具有測試組合態多、測試階段多、測試項目多、測試用例多和測試結果比對多的特點，在整個小衛星測試周期中占據了大量時間[19-20]。小衛星有效載荷功能和接口多種多樣，因此需要依據不同的有效載荷開展不同專業的測量測試服務，根據不同產品功能系列配備專門的測試設備。目前，我國小衛星有效載荷測試實現了部分自動化，主要在星上設備指令發送、遙測數據判讀、地檢設備操作方面，但有效載荷數據自動化判讀方面距離完全替代人工判讀也還有一定的差距。小衛星綜合測試應該主要以通信專業領域、光學遙感專業領域、微波遙感專業領域為重點方向，開展有效載荷自動化測試技術研究。

3.3 專項技術

(1)加強可測試性設計，提高綜合測試有效性。傳統小衛星設計以功能實現為主，綜合測試基本依賴遙測遙控模擬小衛星在軌應用，測試周期長、效率低、成本高。可測試性在單機產品乃至系統級設計過程中都沒有得到足夠的重視。隨著小衛星系統功能越來越復雜，特別是星上計算機能力越來越強，星上軟件設計復雜度也在不斷提高，綜合電子技術、自主健康管理技術都在飛速的發展，推動著整星級可測試性技術也在不斷向前發展[21]。同時，為了適應未來小衛星大規模批量化研制的需求，快速研制、快速測試、快速發射都是必須要解決的實際問題，這也給可測試性技術的發展帶來了前所未有的機遇。加強可測試性設計，使綜合測試達到最大的效能，用最短的時間、最小的測試費用檢測出小衛星存在的故障或缺陷；提高系統級可測試性分析能力，給出最優的測試方法，提高整星的測試覆蓋性，從而提高小衛星產品的可靠性和壽命。

(2)廣泛應用遠程測試技術，實現常態化多地協同測試。小衛星雖然“小”，但也是復雜的系統工程，分系統眾多、參研單位眾多，研制流程復雜，測試、試驗、發射場地分散是其顯著的特點。隨著近年來高密度發射的態勢，以及后續大規模批量化研制進程，對于有限的測試人員、測試設備資源來說，都是巨大的挑戰[22-23]。在提高智能化測試水平、減少測試人力占用的同時，在各測試、試驗場地與各參研單位之間，實現常態化多地協同測試是需要迫切解決的問題之一。遠程測試在發射場的成功應用給出了有效的解決思路，廣泛應用遠程測試技術，突破物理空間帶來的限制，是解決小衛星人力資源協調問題的有效途徑。

(3)利用數字衛星提升虛擬測試能力，為實物衛星測試提供有力輔助。數字衛星技術是目前的熱點技術。針對部分小衛星項目，各階段雖已開展一定的數字化工作，但在小衛星工程全生命周期中仍存在部分系統數字化程度低、系統間信息交互能力弱、流程間模型演化與數據關聯能力差等問題[24]。隨著數字衛星技術的發展，虛擬測試技術將大大發揮其用武之地。尤其是像批產小衛星，在數字衛星上開展測試驗證、故障注入測試、異常問題排查等工作，將會是重要的研制手段。數字衛星與虛擬測試技術示意如圖4所示。

4 結束語

我國小衛星綜合測試技術的發展，從技術引進，到借鑒國外先進技術自行研制，再到能夠根據自己的任務需求合理預測行業的發展趨勢，實現測試自動化并逐步邁入智能化測試，已經走出了一條適合我國小衛星行業發展的道路。在新的形勢下，面向小衛星大規模批量化測試任務，以及越來越復雜的小衛星系統，還存在許多關鍵技術有待突破和解決。因此，需要不斷學習和研究國內外各領域先進的測試技術，積極開拓創新，改變和解決現有問題，以適應小衛星發展的測試需求，為小衛星系統研制能力的提升發揮至關重要的作用。