多航天器電氣性能測試的協同動態調配法研究

楊 楓，任 亮

(1.南京航空航天大學航空宇航學院，江蘇 南京 210016；2.中國空間技術研究院，北京 100094)

1 引言

空間站工程階段載人航天器將迎來高密度研制和發射任務，AIT將存在高密度電測以及多艘載人航天器同時電測的新形勢，在短時間內高效保質完成電測任務，是載人航天總體任務面臨的新挑戰。載人航天器系統總體設計設計面臨個體化和多樣化的需求，促使了新產品生命周期不斷縮短、產品研發速度日益加快、設計復雜程度不斷增加。而載人航天器電性能的設計是新型號AIT階段過程中主要的環節之一，它的測試結果直接表現出整船產品的功能、結構和質量等因素[1]。一個大型的航天器有繁多的被測試單元及被測試參數。整個系統不僅規模巨大而且結構復雜，如果采用傳統的串行測試方式，不但測試周期長，而且系統資源的利用效率低下，不能滿足工程實際需要。

載人航天器針對復雜產品的測試設計過程具有流程多、設計周期長、偶然因素多等特點，迫切希望能在航天器測試設計過程中應用科學的方法對研發資源進行優化配置[2]。所以本文以復雜航天器電測設計過程建模和過程管理為研究對象，利用并且創新了多種先進設計理念和建模方法，并且應用在設計過程管理軟件系統的實現方面。

2 基于開放式構架一體化測試系統

為實現多航天器聯合電測，測試系統采用開放式構架，形成以總控系統為核心，由控制臺統一執行操作的一體化管理控制模式，各分系統專用測試設備主機接受總控設備的統一控制和命令設置，并對其它分系統相關測試設備進行控制。該開放式測試系統采用高可靠性、高通用化、高集成度的軟硬件構成柔性系統，可根據需求組合疊加，通過硬件設置和軟件配置調整，即可實現單船、單器電測模式與船器聯合電測模式之間的靈活轉換。系統構建方案如下：

測試系統劃分為服務區、前置區、操作/應用區三大組成部分如圖1所示。其中服務區部署的總控后臺數據中心系統為統一核心，負責網絡通信、數據處理及存儲、查詢及判讀服務支持、GPS校時等功能。為每一航天器配有一前置區負責與被測航天器的直接交互，包括供配電、指令上行發送、數據下行接收、總線仿真監視、動力學模型驅動等。為每一航天器配有一操作/應用區，提供控制臺和數據監視/查詢終端，供測試人員執行測試操作，以及測試數據訪問。

圖1 交會對接測試系統設計

單船、單器測試時，由服務區和一套與其對應的前置區、操作/應用區構成測試系統，對單一航天器實施電測；船器間多航天器聯合電測時，以服務區為統一控制的樞紐，將每一航天器的前置區、操作/應用區通過信息流的實時融合，形成一體化的船器聯合測試系統，航天器間則通過空空通信和對接總線交互，并由測試系統通過上行指令和下行遙測構成的大回路閉環控制形成一體，并通過服務區的GPS時統校時，實現統一時間基準下的全系統動態同步聯動。

3 系統聯動協同設計需求分析

載人航天器的電測項目有多學科協同設計過程的多樣性、復雜性和動態性等特點，給整體系統的電性能設計過程管理帶來了巨大的挑戰，探尋一種能夠建立合理的航天器電測多學科協同設計過程模型就更顯重要。

利用數字化手段，實現航天器多學科協同設計：

1)建立航天器需求管理模式，通過建立統一的結構化需求模型，能夠實現航天器需求有效管理圖2所示，促進型號研制需求的規范化，確保各級需求和指標表述清晰、完整準確；通過各級需求間的關聯關系，有效識別各層次需求間的相互耦合和影響關系，實現需求變更影響域的動態分析；需求與測試驗證緊密關聯，實現測試覆蓋性分析與早期的驗證規劃；

圖2 交會對接多航天器測試標準化體系建設

2)建立航天器功能設計模式，通過建立統一的航天器功能測試模型，將多份分散在文件中共同描述的系統狀態和在少數設計師腦中的全局概念，通過功能模型清晰化描述；

3)建立航天器產品測試設計模式，開展測控、供配電等專業測試詳細設計，形成貫穿整星信息系統設計全過程的測試設計模式；基于模型開展單機產品的機、電、磁等多學科協同設計，實現產品可靠性、可制造性、可測試性分析，實現快速迭代，支撐產品快速生產、集成及測試。

測試系統是指用以完成航天器測試的軟件系統，由測試準備、測試設計、測試實施、測試結果評價等核心業務系統以及測試數據資源管理系統組成，如圖3所示。

圖3 測試并行設計過程分析

測試設施指的是用以完成航天器測試的底層軟硬件資源，其載體為測試數據中心，由各類計算、存儲、網絡等硬件設備以及對這些硬件設備進行虛擬化管理的云計算中心軟件組成。

4 載人航天器系統協同設計過程管理

載人航天器電測任務具有多學科協同設計過程的多樣性、復雜性和動態性等特點，給綜合測試系統的電性能設計過程管理帶來了困難，研究一種能夠建立合理的載人航天器電測多學科協同設計過程模型就更顯重要[3-4]。

4.1 電測協同設計過程管理

載人航天器測試協同設計是載人航天器系統級總體設計環節中解決復雜單機、復雜分系統設計問題，完成各種大系統聯試設計任務的一種重要和有效的設計方式。在這種研制模式下，航天器系統產品研發在數字化多用戶系統協同支持下，經由多個設計主體共同開發完成航天器系統方案設計，航天器各個設計師間存在著迭代的設計信息協調情況，同時，設計者之間存在復雜的相互協調關系，這種關系影響和制約著相互的活動[5-6]。

4.2 并行測試策略及流程

當前，航天器體系化、批量化，通過多個航天器聯合組成星座或組建空間站，實現更加強大的功能，成為一種發展趨勢。航天器星座及空間站多星并行研制生產帶來了多星并行綜合測試的新課題[7]。

航天器是為完成某一特定空間任務而協同工作的多個航天器的集合。組成星座的航天器群具有主從關系，主節點航天器負責收集從節點航天器的遙測測量及數傳信息傳送至地面測控和應用系統[8-9]，同時負責接收地面系統的星座指令實現對星座航天器的控制和管理。

航天器電性能測試技術多星星座測試是從單星測試入手的，首先需要保證單星設備及接口的性和功能的正確性，才能進一步進行星座狀態的建立，星并行狀態主要適用于總裝廠電測，其中“并行”的含義主要是指單星多個分系統交叉“并行”，用于提高測試人員和測試設備的利用率，進而提高測試效率，節省測試時間；單星串行狀態主要適用于部分大型試驗，這是由試驗場地、試驗設備以及試驗性質所決定的，例如力學試驗、EMC試驗及磁試驗均考察航天器獨立工作時的性能，與星間狀態無關；星座聯試狀態是真正驗證多星組網工作的功能和性能，在總裝廠電測、熱試驗及出廠測試時均存在。

4.3 電測協同設計過程規劃及分解

4.3.1 測試并行設計過程規劃

航天器電測并行設計過程規劃是指航天器電測過程中，確定設計過程中各任務的執行順序和各任務的執行時間，即任務開始時間和任務結束時間。電測并行設計中的任務順序規劃和具體執行時間安排的目的是使電測設計資源配置達到最優化和設計周期和設計成本達到綜合最優。過程規劃就意味著要拋棄傳統串行設計模式中不符合并行設計要求的部分，圖3給出了串行設計與并行設計模式的對比，從圖中可以直觀的看出，并行設計模式通過頻繁的設計反饋、數據傳輸降低整體設計過程時間，可以看出規劃電測設計流程，對提高設計效率與質量特別重要。

一般情況下設計流程的規劃包括了四個步驟：并行設計流程的信息建模、并行設計任務分配與規劃、減少設計任務之問的迭代、縮短設計時間。

4.3.2 任務分解技術方案

任務規劃分解方法采用的測試資源配置與優化的基本思想，在航天器產品設計階段設計師根據以往產品設計經驗，綜合考慮各種因素影響，分別對每種影響因素賦予一定的權值，通過計測試性指標的加權分配法算給出改航天器產品的測試集。接著根據初步設計的測試集進行航天器產品的測試性模型設計，通過測試性模型來驗證該測試集是否完備，能否滿足航天器產品的故障監測與診斷需求。然后再根據測試性指標的優化分配法對該產品的測試集進行優化，從而得出最小代價的產品測試集，最后再根據優化后的測試資源配置，修改產品的測試性設計模型，并進行驗證。以上過程可以迭代進行。

4.3.3 電測協同設計過程算法

1)加權分配法

加權分配法是比較適用的方法，系統測試性能參數受眾多因素影響，如故障發生頻率、故障影響、維修級別的劃分、MTR(平均修復時間)要求、以前類似產品測試性經驗以及系統的構成及特性等。將每個影響因素按一定規則量化，依據每個 LRU(Line replaceable-unit)加權值占總加權值的比例求解分配值。其中，第i個LRU的加權系數

Ki=Ki1+Ki2+Ki3+Ki4+Ki5

(1)

式中

Ki1—故障率因子，故障率高的項目Ki1應取較大的值；

Ki2—故障影響因子，故障影響較大的項目Ki2應取較大的值；

Ki3—MTTR影響因子，一般來說，對于要求的MTTR值小的項目應取較大的值，

Ki4—實現故障檢測與隔離的難易因子，容易實現的，取較大值；

Ki5—故障檢測與隔離成本因子，實現故障檢測與隔離成本低的，k取較大值。

2)優化分配方法

優化分配方法以某一目標函數為目標，求其最大或最小，可描述為

目標函數

(2)

約束為

(3)

式中

J=1，2，…，m；

n—單元數；

m—最大約束數；

Ci—與測試性有關的第i個資源或費用的最大允許值。

這里目標和約束都可以是線性或非線性的，且均為指標的單個函數，不允許含有指標的叉積。

5 測試任務的分配與沖突的解決

基于模型的航天器測試資源配置與優化在對系統進行建模后能分析出系統的測試性指標，但是多型號模型中的測試是理想的，即給定了測試資源的費用和時間后，算出的最優診斷策略。而實際情況中，對一個測試執行的測試資源往往是有多種，這就存在如何對測試資源合理配置問題，結合航天飛行器的使用過程，其測試和故障診斷能力不僅由局部的、先進的測試診斷設備和技術決定，還需要把構成飛行器系統診斷能力的所有因素進行綜合集成，優化配置各種診斷資源，才能使系統總體的檢測與診斷能力達到最佳。

基于模型的航天器測試資源配置與優化方法，采用TEAMS工具，建立被測對象模型，結合其系統的測試相關性矩陣、被測試單元發生故障的先驗概率以及測試的費用和時間，建立以測試費用和時間的目標函數，利用多目標優化理論實現測試資源的優化配置，其關鍵技術有以下幾種：

1)系統的測試相關性矩陣；

2)系統的測試資源，以及各個測試資源的費用和時間；

3)結合系統各個模塊的故障先驗概率與相關矩陣，構建測試資源的費用和時間函數；

4)選擇合理算法實現測試資源費用和時間多目標的實現。

6 經驗總結與未來展望

多航天器電性能測試協同設計是通過支持多航天器的資源共享方式實現任務的完成范圍；通過協同性提高綜合測試任務完成效率；通過資源優化配置增加任務完成可能性的一種理論體系。它的實質在于通過交換、共享相關測試項目設計的信息，提高測試設計過程決策的正確率、提高設計效率、減少迭代次數，最終降低產品研發周期[6]。根據航天器研制過程中協同設計中關注要素的不同，可以將協同設計分為流程協同和數據協同。流程協同主要強調設計過程中任務調度和數據安排，目標是通過設計流程管理和過程建模，使設計活動有序進行。數據協同是指對協同對象的數據共享和信息控制，它是過程協同的基礎。

在載人航天測試設計不斷走向效率化、信息化和智能化的背景下，結合現有的先進設計理念和適當的設計方法進行的過程建模相關技術，已經取得了一定成果。