衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)設(shè)計研究范文

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摘要:衛(wèi)星載荷在衛(wèi)星發(fā)射前需要通過地面各種類型的測試。針對某衛(wèi)星載荷地面測試的需求特性和特點，設(shè)計了一種衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過將載荷相關(guān)外部測試接口功能集成到一個通用的接口適配器，采用數(shù)據(jù)庫，結(jié)合自動測試技術(shù)實現(xiàn)測試計劃、數(shù)據(jù)文件和測試結(jié)果的分布式管理。該系統(tǒng)的建立能夠高效解決重復(fù)開發(fā)載荷測試設(shè)備的問題，提高載荷測試效率，同時有利于形成可靠考核載荷技術(shù)指標(biāo)的專用設(shè)備。應(yīng)用結(jié)果表明，該衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)在項目地面測試中顯著提升了測試效率。

關(guān)鍵詞:衛(wèi)星載荷;電性能測試;接口適配器;地面測試系統(tǒng)

引言

隨著我國綜合國力的日益強盛，航天事業(yè)也步入一個飛速發(fā)展的黃金期，各類衛(wèi)星包括微小衛(wèi)星的研發(fā)和應(yīng)用不斷推陳出新，作為配套測試衛(wèi)星載荷的地面測試系統(tǒng)也面臨新的挑戰(zhàn)。美國早在2007年就提出了快速響應(yīng)空間(ORS)的概念，其中就重點明確指出快速響應(yīng)衛(wèi)星(有效載荷)要具備快速測試能力［1］。近些年我國發(fā)射衛(wèi)星的數(shù)量也呈現(xiàn)爆炸式的增長，衛(wèi)星生產(chǎn)流程不斷精益優(yōu)化，研制周期隨之縮短。衛(wèi)星載荷作為衛(wèi)星的主要功能載體，從開始研發(fā)到最終裝備，經(jīng)歷各種嚴(yán)格而全面的地面電性能測試［2－3］和在軌測試，其中地面測試階段的電性能測試具有測試組合態(tài)多、測試階段多、測試項目多、測試用例多和測試結(jié)果比對多的“五多”特點，在整個衛(wèi)星載荷的研發(fā)周期中占據(jù)大量時間，對衛(wèi)星載荷關(guān)鍵功能和性能指標(biāo)測試和驗證起到至關(guān)重要的作用。目前，國內(nèi)衛(wèi)星載荷地面電性能測試主要以人工測試為主，只在部分地方引入了自動測試［4－11］，導(dǎo)致載荷測試效率依舊低下。同時由于不同衛(wèi)星載荷功能和接口變換多樣，導(dǎo)致適配的地面測試系統(tǒng)［12－15］開發(fā)難度大，復(fù)用程度不高。本文通過梳理衛(wèi)星載荷與衛(wèi)星平臺［16－17］的接口關(guān)系、地面常規(guī)測試流程和測試內(nèi)容要求，采用常規(guī)通用信號源、定制信號模擬設(shè)備、載荷接口適配器［18－20］、計算機和以太網(wǎng)交換機，建立了一種衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開發(fā)測試平臺軟件實現(xiàn)了整個測試系統(tǒng)的控制和管理，最大程度實現(xiàn)了對衛(wèi)星載荷的全流程自動化測試。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

某型衛(wèi)星載荷功能在同類衛(wèi)星載荷產(chǎn)品中較具代表性，其地面測試依據(jù)交付前后分為系統(tǒng)測試階段和整星測試階段，2個階段測試矩陣均圍繞性能指標(biāo)測試項開展設(shè)計，測試項目上存在重疊，系統(tǒng)測試項目更加細(xì)致和繁多。設(shè)計載荷地面測試系統(tǒng)的目的是既能在交付前方便、快捷地對衛(wèi)星載荷各類組成單機和分系統(tǒng)的性能指標(biāo)進行自動測試，又能在交付后的整星測試中，通過修改地面測試系統(tǒng)配置，快速適應(yīng)整星測試環(huán)境，配合整星測試平臺完成載荷性能指標(biāo)的自動測試。

1．1測試系統(tǒng)原理

衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)組成如圖1所示。對衛(wèi)星載荷進行測試時，首先由中心控制計算機輸出信號控制參數(shù)至測試儀器，產(chǎn)生測試信號送至衛(wèi)星載荷，然后星務(wù)模擬計算機輸出指令和任務(wù)包到衛(wèi)星載荷，引導(dǎo)衛(wèi)星載荷執(zhí)行測試任務(wù)，星地、星間數(shù)傳模擬接收設(shè)備接收載荷下發(fā)的結(jié)果數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)送至地面處理終端，地面處理終端對載荷結(jié)果數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、解析、分析和統(tǒng)計，生成測試結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫。本地面測試系統(tǒng)的核心在于載荷接口適配器的集成設(shè)計和基于數(shù)據(jù)庫技術(shù)的全流程自動化測試軟件平臺的構(gòu)建、設(shè)計和實現(xiàn)。

1．2載荷接口適配器設(shè)計

載荷接口適配器統(tǒng)一集成了與衛(wèi)星載荷接口緊密聯(lián)系且支撐載荷正常工作的多種功能單元模塊，組成如圖2所示。根據(jù)衛(wèi)星載荷所處的不同測試階段，載荷接口適配器可靈活配備不同數(shù)量的接口板、數(shù)傳接收板，構(gòu)成不同的測試功能載體，滿足不同測試需要。

1．2．1接口板設(shè)計接口板上集成了與衛(wèi)星載荷相關(guān)的大量通用控制接口，如圖3所示。同步接口PPS的輸入源可選擇外部輸入源或內(nèi)部時鐘，通過FPGA對輸入的PPS進行分路，并同時通過串口輸出一路軟件同步信號，用做保障地面測試系統(tǒng)的控制時鐘和衛(wèi)星載荷的工作時鐘嚴(yán)格同步，適用于對時統(tǒng)要求特別嚴(yán)格的星座組網(wǎng)類載荷。OC接口符合一般的OC門電路接口要求，最低下拉電平可以低至0．2V。

1．2．2數(shù)傳接收板設(shè)計數(shù)傳接收板上設(shè)計了兩類數(shù)據(jù)接收接口，如圖4所示。數(shù)據(jù)接收卡中的單向2路數(shù)傳通道實時接收衛(wèi)星載荷下發(fā)的各類數(shù)據(jù)，通道位寬(1X\2X\4X\8X)可根據(jù)被測試衛(wèi)星載荷的實際設(shè)計靈活配置。為適應(yīng)不同載荷輸出數(shù)據(jù)流的速率，設(shè)計了2種不同的數(shù)據(jù)存儲方式:通過PCI-e接口存于主控板上的SSD固態(tài)硬盤方式，適用于載荷數(shù)據(jù)流速率小于2Gbps，當(dāng)數(shù)據(jù)流速率大于2Gbps，可直接將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)傳接收卡上的256GB的FLASH陣列上，等待數(shù)據(jù)接收完畢之后，轉(zhuǎn)儲至主控板SSD硬盤上。數(shù)傳轉(zhuǎn)發(fā)卡具備載荷數(shù)據(jù)接收、緩存并轉(zhuǎn)發(fā)的功能，可滿足星座組網(wǎng)類載荷星間數(shù)據(jù)傳輸測試需要。

1．3地面測試軟件設(shè)計

地面測試軟件以通用衛(wèi)星載荷測試硬件平臺為基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)庫為中心，輔以各種配套軟件保證整個測試系統(tǒng)的有機運轉(zhuǎn)，地面測試軟件的組成如圖5所示。

1．3．1軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計地面測試主控軟件根據(jù)層次結(jié)構(gòu)劃分，采用3層架構(gòu)設(shè)計，即應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和I/O層，層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。應(yīng)用層向測試人員或用戶展示各種界面，測試人員或用戶通過界面對系統(tǒng)進行操作，并通過業(yè)務(wù)邏輯層來實現(xiàn)測試人員或用戶的各種操作，包括測試指令編輯、測試腳本編輯等、載荷任務(wù)管理、測試結(jié)果統(tǒng)計和出具報表等，同時還負(fù)責(zé)維護登錄數(shù)據(jù)庫的用戶權(quán)限;業(yè)務(wù)層負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，包括解析測試指令邏輯、腳本邏輯、載荷任務(wù)管理邏輯;I/O層封裝了通用測試儀器、定制類測試儀器設(shè)備及各類測試資源的接口驅(qū)動、載荷接口適配器接口、載荷接口和數(shù)據(jù)庫的接口操作。

1．3．2數(shù)據(jù)庫設(shè)計測試數(shù)據(jù)庫是載荷地面測試系統(tǒng)能夠維持有序運行的核心，存儲了載荷地面測試系統(tǒng)的計劃任務(wù)數(shù)據(jù)、儀器控制參數(shù)、測試系統(tǒng)運行日志、載荷遙測數(shù)據(jù)、載荷測試原始數(shù)據(jù)、終端處理結(jié)果數(shù)據(jù)等。測試數(shù)據(jù)庫為地面測試系統(tǒng)中所有其他軟件提供數(shù)據(jù)支持和數(shù)據(jù)交換服務(wù)，測試數(shù)據(jù)庫與各軟件間數(shù)據(jù)信息流情況如圖7所示。

1．3．3自動測試設(shè)計載荷地面測試系統(tǒng)可以調(diào)用預(yù)先存儲在測試數(shù)據(jù)庫里的單個或多個測試計劃，根據(jù)載荷測試的通用流程和測試要求，編排并生成測試指令序列，測試指令序列是對本次測試過程載荷狀態(tài)切換、設(shè)置，同時包含了對載荷任務(wù)模式參數(shù)設(shè)置包和儀器設(shè)置參數(shù)包的調(diào)用信息與執(zhí)行過程，通過有序控制不同的設(shè)備，自動完成測試流程。同一個測試計劃內(nèi)可以包含不同的測試任務(wù)，多個測試計劃通過指令編排，可以依次自動順序或多次執(zhí)行。自動測試流程如圖8所示。

2應(yīng)用結(jié)果與分析

按照上述設(shè)計方案，完成了衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)的通用化設(shè)計。根據(jù)載荷測試系統(tǒng)組成搭建測試環(huán)境，對載荷進行測試，其主要工作步驟如下:①測試前準(zhǔn)備:依據(jù)測試要求，利用地面測試軟件對載荷測試項進行測試任務(wù)分解，生成載荷任務(wù)模式參數(shù)設(shè)置包、儀器設(shè)置參數(shù)包和測試指令序列，并將載荷任務(wù)模式參數(shù)設(shè)置包和儀器設(shè)置參數(shù)包存入數(shù)據(jù)庫。②測試計劃自動執(zhí)行:載入已編輯完畢的測試指令序列(包含單個或多個測試項)，以儀器設(shè)置參數(shù)包為執(zhí)行主線，以時間為觸發(fā)條件，根據(jù)不同的測試項，輸出相應(yīng)的測試信號，從而引導(dǎo)載荷執(zhí)行測試任務(wù)，形成測試數(shù)據(jù)。③測試數(shù)據(jù)處理:地面測試軟件自動監(jiān)測是否有新數(shù)據(jù)文件進行生成，對新的數(shù)據(jù)文件解包、解析、處理及結(jié)果顯示，將測試結(jié)果寫入測試數(shù)據(jù)庫，并與被測試文件關(guān)聯(lián)，更新文件處理標(biāo)識，完成本次測試。同時，地面測試軟件具備對特定階段或某一時間段內(nèi)測試結(jié)果依據(jù)測試報告模板生成測試報表的功能，可以方便對載荷測試內(nèi)容進行一致性比對、完整性記錄。對比某工程項目載荷應(yīng)用地面測試系統(tǒng)前后的測試情況，測試結(jié)果如表1所示。應(yīng)用地面測試系統(tǒng)后測試人員大幅減少，測試時間明顯縮短，出具測試報告環(huán)節(jié)節(jié)約了大量時間，測試效率顯著提升。

3結(jié)束語

隨著未來衛(wèi)星載荷項目的增多，地面測試系統(tǒng)作為衛(wèi)星載荷的配套服務(wù)設(shè)備，應(yīng)逐漸走向通用化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的道路。通用衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)能最大程度的滿足衛(wèi)星載荷測試的基本需求，同時通過少量的定制開發(fā)滿足不同任務(wù)載荷測試的具體要求，可達(dá)到加快載荷研制進度、縮短載荷測試周期、提高載荷測試遍歷性的作用。該地面測試系統(tǒng)已獲得工程化應(yīng)用，效果良好，大大減少了載荷測試工作量，節(jié)省了寶貴的人力資源，測試效率得到質(zhì)的飛躍。本文設(shè)計的衛(wèi)星載荷地面測試系統(tǒng)可供同行從業(yè)者參考借鑒。

作者：徐凡 單位：中國西南電子技術(shù)研究所