批產(chǎn)航天器自測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊同智黨建成劉廷玉安天琪王繼業(yè)

(上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109)

1 引言

國內(nèi)外商業(yè)航天的崛起,給傳統(tǒng)的航天器制造模式帶來了巨大的觀念改變和格局沖擊。SpaceX公司Starlink 星座項(xiàng)目采用批量研制模式,單次發(fā)射60 顆星鏈衛(wèi)星,目前已完成了超過3 000 顆衛(wèi)星組網(wǎng)。OneWeb 公司構(gòu)建了衛(wèi)星流水線,完成了上百顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)[1]。Starlink 和Oneweb 的衛(wèi)星批產(chǎn)模式給傳統(tǒng)航天器測試方式帶來了巨大沖擊。航天器研制逐步進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)化、批量研制的新時(shí)期,但航天器AIT 綜合測試依然基于傳統(tǒng)的測控接口,存在測試效率低、測試改裝部署繁瑣、測試成本高、測試周期長和難以深入產(chǎn)品內(nèi)部探查的問題,不能很好地適應(yīng)批產(chǎn)航天器快速研制與測發(fā)需求,需要借鑒民用領(lǐng)域的批量測試經(jīng)驗(yàn),提升設(shè)計(jì)的可測試性,加強(qiáng)航天器自測試設(shè)計(jì)。同時(shí),自測試也為軟件定義航天器的功能重構(gòu)提供決策支持,增強(qiáng)航天器自主健康管理能力。

2 民用自測試技術(shù)分析

自測試是民用領(lǐng)域快檢技術(shù)的核心,汽車工業(yè)的自測試應(yīng)用較為成熟,汽車通過車載診斷系統(tǒng)OBD（On-Board Diagnostics）實(shí)現(xiàn)自測試,OBD 系統(tǒng)從車輛內(nèi)部的傳感器網(wǎng)絡(luò)收集信息,通過分析診斷傳感數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)車輛系統(tǒng)或向用戶報(bào)告問題。如圖1 所示,基于測試性設(shè)計(jì),合理分配測試點(diǎn),通過傳感器采集測點(diǎn)信息,并基于診斷模型進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控,對于檢出的故障會以故障代碼方式存于汽車存儲器中,并推送儀表盤告警[2]。維修人員使用診斷儀通過OBD 診斷接口與汽車OBD 系統(tǒng)進(jìn)行通訊,從OBD 系統(tǒng)中獲取故障代碼和ODX 信息（Open Diagnosis eXchange files）,通過分析故障代碼與ODX,有針對性地對車輛進(jìn)行故障診斷與維修[3]。

圖1 車載故障診斷系統(tǒng)Fig.1 OBD of vehicle

自測試系統(tǒng)在飛機(jī)領(lǐng)域也取得了廣泛應(yīng)用,波音777、787 及空客A380 等飛機(jī)均設(shè)有機(jī)載維修系統(tǒng)OMS（On-board Maintenance System,OMS）,基于BIT（Built-In Test）測試模型進(jìn)行故障診斷,為維修人員進(jìn)行故障診斷與維修提供有力支持[4]。

自測試快檢主要依托產(chǎn)品的測試性及BIT 設(shè)計(jì),自測試設(shè)計(jì)從裝備設(shè)計(jì)源頭出發(fā),通過功能模塊劃分,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級LRU（Line Replaceable Unit）的物理劃分,運(yùn)用多信號模型、信息流模型等測試性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行BIT 單元的設(shè)置,增強(qiáng)系統(tǒng)的自測試性[5]。

常用的測試性建模工具,如美國QS2 公司（Qualtech Systems,Inc.）的TEAMS、ARINC 公司的System Testability Analysis Tool、DSI 公司（DETEX Systems,Inc.）的eXpress 等[6],可對系統(tǒng)測試性進(jìn)行仿真建模與設(shè)計(jì)優(yōu)化,模型核心要素有:

（1）組件的有限集:F={f1,f2,…,fm};

（2）信號集:FA={fa1,fa2,…,fak};

（3）測試點(diǎn)集:TP={TP1,TP2,…,TPn};

（4）有向圖:DG={F,TP,E},表示系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 航天器自測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前BIT 主流架構(gòu)是洛克希德馬丁公司提出的由組件級、板級到系統(tǒng)級的層次BIT 結(jié)構(gòu)[7],分層BIT 架構(gòu)既是系統(tǒng)固有層次化特點(diǎn)的要求,又體現(xiàn)了橫向“并行設(shè)計(jì)”和縱向“分級復(fù)用”的思想。如圖2 所示,航天器自測試設(shè)計(jì)分配遵循航天器、分系統(tǒng)和單機(jī)組件的逐級分配的設(shè)計(jì)原則,將待測系統(tǒng)劃分為相對獨(dú)立的模塊,以便在不同級別增加自測試單元及外測接口,增強(qiáng)系統(tǒng)的測試性與故障定位能力。

圖2 航天器層次化自測試結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hierarchical self-test structure of spacecraft

批產(chǎn)航天器的自測試快檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3 所示,航天器各系統(tǒng)可分為閉環(huán)系統(tǒng)與開放系統(tǒng),閉環(huán)系統(tǒng)如綜電、飛輪,開放系統(tǒng)如載荷、應(yīng)答機(jī)、導(dǎo)航等;開放系統(tǒng)需要天地聯(lián)合或內(nèi)建激勵(lì)源,構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)“激勵(lì)-響應(yīng)”閉環(huán)的自測試。閉環(huán)系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)自測試的條件,自測試組成包括硬件與軟件兩部分,硬件即為測試點(diǎn)及采集電路,軟件即為診斷模型。

圖3 基于自測試的批產(chǎn)航天器快檢系統(tǒng)Fig.3 Rapid test system of mass production spacecraft based built-in self-test

測控通道數(shù)據(jù)速率和采樣率較慢,因而通過總線調(diào)度實(shí)現(xiàn)快速自測試。總線自測試快檢如圖4所示,智能快檢設(shè)備通過CAN（Controller Area Network）總線星表接口接入航天器電子網(wǎng)絡(luò),自動(dòng)化調(diào)度測試序列,接受總線上的測試響應(yīng),采用機(jī)理模型及機(jī)器學(xué)習(xí)等手段,實(shí)現(xiàn)單機(jī)、分系統(tǒng)和航天器的故障診斷與健康評估。

圖4 基于總線調(diào)度的自測試快檢工作示意圖Fig.4 Self-test based on bus scheduling

從自測試工作流程分析,自測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要解決自測試通信交互、自測試功能單元設(shè)計(jì)和自測試診斷模型設(shè)計(jì)三方面的問題。

（1）自測試通信交互:BIT 架構(gòu)采用層次化設(shè)計(jì),需要建立系統(tǒng)級、單機(jī)級和板級的自測試通信架構(gòu),用于分層的測試激勵(lì)與響應(yīng)的傳遞;

（2）自測試功能單元設(shè)計(jì):自測試硬件部分,包括開放系統(tǒng)閉環(huán)化、測試單元?jiǎng)澐帧y試點(diǎn)分配等問題;

（3）自測試診斷模型設(shè)計(jì):自測試軟件部分,基于模型實(shí)現(xiàn)故障檢測與診斷。

3.2 自測試通信交互

自測試通信接口用于傳輸測試激勵(lì)與響應(yīng)。如圖5 所示,按照通信層級可分為系統(tǒng)級、單機(jī)級與板級,分層測試信息交換。總線智能快檢設(shè)備通過系統(tǒng)級總線接口接入航天器,發(fā)送指令序列至相應(yīng)單機(jī),再通過單機(jī)背板總線的自測試接口譯碼發(fā)至相應(yīng)板卡,由板級自測試接口譯碼為測試激勵(lì),送至相應(yīng)的自測試功能單元,功能單元的測試響應(yīng)按照反向路徑上報(bào)總線智能快檢設(shè)備,從而完成系統(tǒng)、單機(jī)到板卡的測試激勵(lì)與響應(yīng)的分級傳輸,實(shí)現(xiàn)自測試的系統(tǒng)化管控。

圖5 自測試通信交互架構(gòu)Fig.5 Self-test communication interaction architecture

系統(tǒng)級自測試通信接口通過系統(tǒng)總線（如CAN、1553B 總線）實(shí)現(xiàn)。單機(jī)級自測試通信接口通過單機(jī)背板總線（如ARINC659）實(shí)現(xiàn),ARINC659 是航電常用的背板總線,具備專門的測試總線MTMBus,可用于測試激勵(lì)-響應(yīng)的通信傳輸。板級自測試接口一般通過IEEE1149 系列標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。通過自測試通信接口,以極少的通信線纜傳遞測試激勵(lì)與響應(yīng),規(guī)范并簡化測試接口設(shè)計(jì)。

3.3 自測試功能單元設(shè)計(jì)

3.3.1 開放系統(tǒng)閉環(huán)化

開放系統(tǒng)無法自測試,需要閉環(huán)化。系統(tǒng)閉環(huán)化主要有兩種方式:（1）增加航天器內(nèi)建激勵(lì)源與響應(yīng)分析單元;（2）與地面測試系統(tǒng)聯(lián)合閉環(huán)。天地聯(lián)合閉環(huán)方式存在系統(tǒng)臃腫且星地連接復(fù)雜的缺點(diǎn),不利于批產(chǎn)航天器的貯存快檢及射前快檢。通過內(nèi)建航天器激勵(lì)閉環(huán)的方法,可以有效提升測試的敏捷性與便捷化。

開放系統(tǒng)閉環(huán)化設(shè)計(jì)與具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)緊密相關(guān),如探測類載荷,可通過基準(zhǔn)源自標(biāo)定功能,進(jìn)行自測試。雷達(dá)載荷的自測試設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)同步開展,大大提升了雷達(dá)裝備可用性,如美國雷神公司ASR-12 雷達(dá)的BIT 故障檢測率優(yōu)于95%,平均修復(fù)時(shí)間約20 min[8]。航天器SAR（Synthetic Aperture Radar）內(nèi)定標(biāo)功能在校正雷達(dá)圖像輻射精度的同時(shí),也提供了自測試能力。如圖6 所示,內(nèi)定標(biāo)由內(nèi)定標(biāo)器、天線定標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和定標(biāo)電纜組成,形成發(fā)射定標(biāo)、接收定標(biāo)和參考定標(biāo)3 條定標(biāo)回路,利用3 路內(nèi)定標(biāo)信號標(biāo)定SAR 收發(fā)通道的幅相誤差[9]。內(nèi)定標(biāo)精度一般為0.2 dB[10],滿足雷達(dá)回波信號的短時(shí)校正要求,廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外SAR 衛(wèi)星;同時(shí)內(nèi)定標(biāo)功能可檢驗(yàn)SAR 載荷每個(gè)TR 組件的功能和基本性能,實(shí)現(xiàn)通道自測試與TR 組件健康監(jiān)測。

圖6 航天器SAR 內(nèi)定標(biāo)閉環(huán)自測試原理示意圖Fig.6 Principle of internal calibration self-test of SAR

如圖7 所示,基于遙感載荷的內(nèi)建基準(zhǔn)數(shù)據(jù)激勵(lì),實(shí)現(xiàn)預(yù)處理和數(shù)傳鏈路閉環(huán)自測試。遙感載荷發(fā)送基準(zhǔn)圖形數(shù)據(jù)至預(yù)處理和數(shù)傳分系統(tǒng),將預(yù)處理結(jié)果與預(yù)置基準(zhǔn)結(jié)果比較,快速完成預(yù)處理功能自檢;對數(shù)傳數(shù)據(jù)的固定區(qū)域進(jìn)行基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對,快速完成數(shù)傳分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能自檢。

圖7 遙感數(shù)據(jù)鏈路閉環(huán)自測試示意圖Fig.7 Closed-loop self-test of remote sensing data link

3.3.2 測試單元?jiǎng)澐?/p>

自測試設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,自頂向下逐級完成航天器、分系統(tǒng)、單機(jī)和組件的自測試設(shè)計(jì)分配。將待測系統(tǒng)合理地劃分為相對獨(dú)立的模塊,以便在系統(tǒng)不同級別增加自測試單元及外測接口。由n個(gè)模塊組成的系統(tǒng)可用有向圖描述,結(jié)點(diǎn)集V={v1,v2,…vn}表示系統(tǒng)中的各個(gè)模塊,是論域V上的一個(gè)模糊集,其隸屬函數(shù)為（vi）,表示結(jié)點(diǎn)vi的存在度,是論域V×V上的一個(gè)模糊關(guān)系,可以用公式（1）表示。

其中,μij取值范圍[0,1],表示模塊i對模塊j的故障影響度。若為完備矩陣,即系統(tǒng)中所有模塊間的故障影響度已知,則可綜合權(quán)衡故障隔離率與設(shè)計(jì)費(fèi)用,給出一個(gè)合適的λ值,對于有向圖按如公式（2）計(jì)算。

可獲得一個(gè)布爾矩陣P,其中若Pij=Pji,則模塊i和模塊j屬于同一個(gè)自測試設(shè)計(jì)單元,這樣便完成了自測試設(shè)計(jì)的系統(tǒng)劃分。

若考慮模塊故障頻率加權(quán)因子ωij,則用公式（3）中的τij代替公式（1）中的μij。

將一個(gè)單機(jī)劃分為不同的功能模塊,通過模型仿真、故障傳遞關(guān)系等構(gòu)造模塊間的故障影響矩陣。λ取值大,自測試資源耗費(fèi)多,但故障定位隔離能力優(yōu),λ取值小,則反之。因此需設(shè)置合適的λ,平衡自檢資源與故障定位,從而完成待測n個(gè)模塊的自測試設(shè)計(jì)分組。

3.3.3 測試點(diǎn)分配

各個(gè)自測試分組內(nèi)的測試點(diǎn)選擇直接影響故障診斷模型設(shè)計(jì)與診斷能力,測試點(diǎn)的選擇應(yīng)遵循以下原則:

（1）所選測試點(diǎn)及測試電路不應(yīng)降低功能電路的可靠性;

（2）所選測試點(diǎn)應(yīng)具有最好的性能可控性和可觀測性;

（3）應(yīng)對冗余電路設(shè)置測試點(diǎn),掌握冗余電路的健康信息;

（4）在滿足測試要求的情況下,應(yīng)對測試點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)選;

（5）在不額外增加資源開銷前提下,測試點(diǎn)分布與模塊重要性成正比。

基于綜合加權(quán)方法進(jìn)行自測試資源分配,系統(tǒng)復(fù)雜、故障率高、重要度高、費(fèi)用大的單元分配更多測試資源。

式中:Ki——第i個(gè)單元的基礎(chǔ)影響系數(shù);Kλ——復(fù)雜度／故障率影響參數(shù);KF——重要度／故障影響參數(shù);KC——費(fèi)用影響參數(shù);αλ、αF、αC—加權(quán)值;Ks——系統(tǒng)的影響系數(shù);Pmax——單元分配指標(biāo)的最大值;Kmax——單元的最大基礎(chǔ)影響系數(shù);Psr——系統(tǒng)測試性要求指標(biāo);Pia——第i個(gè)單元的分配指標(biāo)。

測試點(diǎn)優(yōu)選方法包括信息熵法、二元分裂法、相關(guān)矩陣分裂法等,測試點(diǎn)分配需要結(jié)合具體產(chǎn)品,運(yùn)用測試性設(shè)計(jì)分析工具開展工作,測試點(diǎn)集合應(yīng)在故障診斷能力、診斷效率與資源代價(jià)之間權(quán)衡,形成完備高效的測試集。基于測試點(diǎn)分配和系統(tǒng)模型,構(gòu)建故障診斷策略,實(shí)現(xiàn)快速診斷。

3.3.4 自測試診斷模型設(shè)計(jì)

航天器系統(tǒng)工程模式正逐步由以文檔為中心轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）,MBSE 構(gòu)建了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)模型與行為模型[11],結(jié)構(gòu)模型描述了系統(tǒng)的物理組成,行為模型描述了系統(tǒng)的功能特性,兩類模型為測試模型建模提供了良好的平臺。基于模型的自測試設(shè)計(jì)方法如下:

（1）基于結(jié)構(gòu)模型的自測試

結(jié)構(gòu)模型從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和模塊組成出發(fā),在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)環(huán)節(jié)合理設(shè)置測試點(diǎn),從而使得系統(tǒng)可測,測試信息流可傳遞。基于結(jié)構(gòu)模型的航天器自測試檢驗(yàn)項(xiàng)目如表1 所示,在平臺電子的測控鏈路上設(shè)置了必要的測點(diǎn),配合自檢程序,完成對自身存儲空間讀寫遍歷、各路串口收發(fā)、AD 采樣功能正誤判斷等。

表1 自測試檢驗(yàn)項(xiàng)目列表Tab.1 List of BIT inspection items

（2）基于行為模型的自測試

從單機(jī)和系統(tǒng)的功能行為角度出發(fā),跟隨產(chǎn)品行為動(dòng)作對其進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟測,比如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的自測試即是典型的基于行為模型的自測試設(shè)計(jì),根據(jù)行為模型需要設(shè)置溫度、流量等傳感器,依據(jù)剎車、油門等行為分析模型進(jìn)行故障診斷。基于行為模型的航天器自測試設(shè)計(jì)示例如圖8 所示,對于飛輪等轉(zhuǎn)動(dòng)部件,電壓、電流、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)和溫度是故障前兆的主要表征參數(shù),常用的兩類診斷模型如下:

圖8 基于行為的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)測試模型Fig.8 Behavior-based test model of rotating mechanism

（1）振動(dòng)監(jiān)測法:通過轉(zhuǎn)速和振動(dòng)傳感器數(shù)據(jù)的共振解調(diào)、譜分析等方法,檢測軸承早期異常;

（2）轉(zhuǎn)矩變化檢測法:通過溫度、電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速變化,估計(jì)摩擦力矩變化,檢測軸承早期異常。

4 結(jié)束語

航天器自測試技術(shù)可有效提升批產(chǎn)航天器快速檢修與快速發(fā)射能力,滿足批產(chǎn)航天器集成快檢、存儲快檢與射前快檢需求,同時(shí)自測試也是航天器在軌自主管理和FDIR（Fault Detection,Isolation,and Recovery）的前提保障,相關(guān)技術(shù)對深空探測器等自主管理要求高的航天器具有重要的參考價(jià)值。航天器自測試設(shè)計(jì)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,本設(shè)計(jì)從航天器可測試性與自測試設(shè)計(jì)出發(fā),提出了層次化的自測試系統(tǒng)架構(gòu),研究了自測試功能單元設(shè)計(jì)方法、自測試通信交互模式、基于結(jié)構(gòu)模型與行為模型的自測試模型設(shè)計(jì)方法,分析了航天器開放系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)的不同特點(diǎn),創(chuàng)新性地提出了開放系統(tǒng)閉環(huán)化與MBSE 相結(jié)合的自測試模型設(shè)計(jì)方法,建立了覆蓋系統(tǒng)級、單機(jī)級和板級的自測試系統(tǒng)架構(gòu),具備良好的測試激勵(lì)-響應(yīng)的分級傳遞機(jī)制,通過總線快檢調(diào)度,實(shí)現(xiàn)批產(chǎn)航天器的存儲快檢、射前快檢與在軌快檢,可作為航天器自測試設(shè)計(jì)的參考。