衛星綜合測試通用系統研究

摘要：為了縮短周期和減少成本，開(kāi)發(fā)了一種用于衛星系統級測試的“衛星綜合測試通用系統研究”。本文章在簡(jiǎn)要說(shuō)明了系統的主要目標和技術(shù)指標后，詳細介紹了系統各個(gè)組成部分的技術(shù)方案、技術(shù)途徑和解決的關(guān)鍵技術(shù)，歸納了所取得的技術(shù)成果和未來(lái)發(fā)展的設想。  

關(guān)鍵詞：衛星；綜合測試；主測試處理；數據庫；局域網(wǎng)（LAN）  

0 引言  

     1990年代以前，我國航天器綜合測試是分散的手工操作模式，這種模式的綜合測試不可能實(shí)現自動(dòng)化。經(jīng)過(guò)多年的努力，在借鑒ETOL(歐洲測試操作語(yǔ)言)系統的基礎上研制了航天器綜合測試系統，改變了傳統測試分散模式的體系結構，形成了以主測試處理器（MTP）為中心的分布式體系結構。但是這個(gè)系統基本是為具體型號服務(wù)的，沒(méi)有發(fā)揮計算機的潛能，測試過(guò)程的計算機輔助實(shí)施、計算機輔助分析能力仍然較差。測試系統不具備通用性；測試過(guò)程基本是以人為主的測試，或者測試過(guò)程僅僅是人工測試的模仿，還沒(méi)有實(shí)現真正意義上的測試過(guò)程自動(dòng)化；對測試過(guò)程進(jìn)行了大量記錄，但沒(méi)有有效的利用記錄信息進(jìn)行故障的分析和診斷。為了能夠解決這些問(wèn)題，適應未來(lái)多型號發(fā)展的需要，我們開(kāi)展了衛星綜合測試通用系統項目的研究。  
通過(guò)該項目的實(shí)施，建立了具有示范性的衛星綜合測試通用平臺及軟件系統，為各類(lèi)衛星綜合測試軟件提供驗證環(huán)境,為今后衛星測試提供綜合測試通用平臺及軟件，系統的主要組成部分MTP（主測試處理器軟件）軟件、數據庫軟件、遙測遙控虛擬儀器具有非常強的通用性，可應用于所有的衛星測試，模塊化的VXI模件可用率為100%，MTP軟件和數據庫可用率達90%以上，從而縮短組建系統的時(shí)間50%。  

1  系統技術(shù)方案介紹  

1.1 系統組成  

    衛星綜合測試通用系統由主測試處理機（MTP）、遙測/遙控前端設備（TM/TC FEE）、測試操作臺（TCC）、專(zhuān)用測試設備(SCOE)、測試數據顯示器和數據庫服務(wù)器及其它設備通過(guò)網(wǎng)絡(luò )組成，各個(gè)設備與MTP遵循用戶(hù)規定的通信協(xié)議，在演示系統中我們用PC機模擬多個(gè)SCOE，系統如圖1所示。  

這樣構成的系統的主要功能是：  
a.通過(guò)臍帶電纜對衛星儀器供電控制，以及相關(guān)模擬量和數字量參數的測量；  
b.發(fā)送遙控命令，驗證星上儀器對命令的執行情況；  
c.接收解調遙測信號，處理遙測數據，實(shí)時(shí)顯示，歸檔；  
d.MTP對各專(zhuān)用測試設備（SCOE）實(shí)施管理和與之進(jìn)行信息交換；  
e.管理各個(gè)SCOE工作，運行各個(gè)階段的整星測試程序；  
f.通過(guò)數據庫服務(wù)器實(shí)時(shí)連續地記錄測試過(guò)程中的事件和測試數據。  

    系統的硬件部分除了VXI接口模塊和匹配器是衛星測試專(zhuān)用的之外，其余部分都是成熟的商用（COTS）產(chǎn)品，包括個(gè)人計算機（PC）、操作系統、編程語(yǔ)言和網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)品。系統可以分解成了七個(gè)子系統：主測試處理器（MTP）軟件、基于Linux的測試操作臺（TCC）、測試數據庫服務(wù)器軟件、SCOE模擬器軟件、數據顯示器軟件、遙測/遙控前端虛擬儀器以及供配電測試設備（VXI接口）。從在系統中的地位和功能來(lái)說(shuō)，MTP軟件是系統的核心軟件，測試數據庫服務(wù)器是和遙測遙控虛擬儀器模塊具有廣泛通用性，本文將重點(diǎn)予以介紹。其余幾部分，用戶(hù)可以直接使用，或者根據自己的喜好進(jìn)行開(kāi)發(fā)。  

1.2  主測試處理器（MTP）軟件  

    MTP軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境是基于LINUX操作系統，采用服務(wù)器/客戶(hù)結構，MTP軟件在服務(wù)器端。MTP軟件是集計算機通訊、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)數據處理、分析、回放等功能于一體的復雜系統，因此采用多進(jìn)程并行處理的方式。進(jìn)程間通過(guò)消息機制實(shí)現數據的傳遞和進(jìn)程間的同步。系統在準備階段建立參數描述庫，在運行期間生成的各類(lèi)監視參數表存放在共享存儲區內，各個(gè)進(jìn)程使用信號燈實(shí)現對這些共享區操作的互斥保護，從而以實(shí)現多個(gè)進(jìn)程對數據的共享。圖2是MTP軟件的軟件體系結構圖。  
MTP軟件主要包括：系統初始化、遙測參數監視和處理、遙控命令管理、控制命令分析、測試序列管理、測試操作臺管理、專(zhuān)用測試設備（SCOE）管理、數據和事件的回放以及特殊參數的處理等進(jìn)程。主要的進(jìn)程的功能概述如下：  



a.    遙測前端處理進(jìn)程：管理MTP與TMFEE 的數據鏈路，接收來(lái)自TMFEE的衛星遙測數據流，判斷數據流的狀態(tài)，將數據送處理進(jìn)程和共享數據區。  
b.    遙控前端處理進(jìn)程：管理MTP與TCFEE之間的通信接口。根據請求，向TCFEE發(fā)送用符號定義的遙控指令，處理指令授權、比對和相關(guān)參數。  
c.    SCOE處理進(jìn)程：管理多個(gè)衛星分系統的SCOE，建立SCOE數據鏈路；支持MTP向SCOE設備發(fā)送命令和數據，接收來(lái)自SCOE的請求和數據。  
d.    控制臺管理進(jìn)程：管理與測試控制臺前端(TCC)的數據鏈路。該進(jìn)程可以管理多個(gè)TCC；負責TCC信息在網(wǎng)上進(jìn)行廣播；可在TCC上進(jìn)行人機交互，可以控制或干預測試過(guò)程，包括發(fā)送遙控指令;可在TCC上顯示測試狀態(tài)，監視參數狀態(tài)變化，測試序列的執行情況;在TCC上顯示控制命令、遙控指令的執行情況、狀態(tài)變化和有關(guān)操作的信息。  
e.    遙測數據處理進(jìn)程：該進(jìn)程依據用戶(hù)在測試準備階段所定義的實(shí)時(shí)監視數據表對參數進(jìn)行監視，也稱(chēng)監視進(jìn)程（Monitor）。Monitor進(jìn)程將收到的遙測數據與參數表定義的數據模型進(jìn)行比較，對于模擬量要將其轉化成工程值并檢查是否越過(guò)上下限。對于數字量要檢查狀態(tài)是否改變。  
Monitor進(jìn)程對格式或包遙測數據的處理方法包括曲線(xiàn)法、公式法、讀原始值法、特殊方法計算等。根據要求可以對參數校準和按照定義的條件進(jìn)行處理；可以實(shí)現參數拼接和數字量提取處理；可以動(dòng)態(tài)加載監視參數表；支持在線(xiàn)修改參數上下限修改、禁止或允許參數監視、顯示參數原始值或工程值、周期性或單詞顯示參數值。  
f.    控制命令分析進(jìn)程：處理來(lái)自TCC、SCOE或測試序列發(fā)來(lái)的各類(lèi)控制命令，提交給有關(guān)的進(jìn)程去執行。該進(jìn)程支持簡(jiǎn)單命令和批命令功能；處理與參數監視、遙控發(fā)送，測試序列運行等相關(guān)的各種命令。  
g.    測試序列管理進(jìn)程：該進(jìn)程可以管理16個(gè)同時(shí)運行的測試序列，測試序列有優(yōu)先級機制，可以訪(fǎng)問(wèn)系統中的各類(lèi)共享數據區。測試序列采用C語(yǔ)言+測試函數編寫(xiě)，可以接收對測試序列運行管理的控制命令，可以在TCC上顯示測試序列的執行狀態(tài)；提供訪(fǎng)問(wèn)監視參數的原始值和工程值的測試函數；支持發(fā)送遙控指令、向SCOE發(fā)送信息、接收SCOE的信息、向TCC發(fā)送信息、對SCOE狀態(tài)進(jìn)行設置、支持共享全局變量、可以使用循環(huán)結構、條件語(yǔ)句、變量定義等語(yǔ)句進(jìn)行編程；測試序列間可以進(jìn)行通訊。  
h.    初始化進(jìn)程：該進(jìn)程負責系統啟動(dòng)時(shí)創(chuàng )建所需要的共享數據區、消息隊列、信號燈。并將數據準備期間生成的各類(lèi)監視參數表裝入相應的共享區中。  

1.3  測試數據庫服務(wù)器軟件  

     測試數據庫記錄衛星測試過(guò)程和結果，用于事后的統計分析。測試數據庫系統的數據源來(lái)自EGSE的主測試處理器（MTP）。測試數據庫接收并存儲的數據有：遙控指令、遙測原代碼、SCOE的測試數據、其它測試信息。在衛星測試過(guò)程中，測試數據庫在收集數據的同時(shí)，應能向網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)提供數據發(fā)布服務(wù)，以使請求者能夠及時(shí)了解測試情況。對測試參數數據能以圖表的形式顯示。數據庫系統應能對測試數據進(jìn)行下列處理和分析：  
a. 日報生成：統計遙控指令數目、越限參數數目、測試時(shí)間、各分系統測試時(shí)間、測試項目。  
b.    階段測試報告生成：統計測試項目、遙控指令數目、預定參數曲線(xiàn)、開(kāi)關(guān)機次數、測試時(shí)間、各分系統測試時(shí)間。階段測試報告的生成是由人為指定和控制的。  
c.    其它統計分析：累計開(kāi)機時(shí)間、開(kāi)關(guān)機次數、指令的執行次數、成功/失敗次數、模擬量遙測在指定時(shí)間內的平均/最大/最小值、設備的累計開(kāi)機時(shí)間和開(kāi)關(guān)次數。實(shí)現關(guān)聯(lián)查詢(xún)，如A參數處于某種條件下時(shí)，B參數的平均/最大/最小值的統計。 



d.    系統管理功能： 配置管理（通訊參數配置MTP地址、數據發(fā)送方式）和系統數據（如分系統名稱(chēng)、參數名稱(chēng)、分析方法）管理；測試數據庫系統用戶(hù)的管理和權限管理，如增加/取消/終止用戶(hù)、用戶(hù)權限設置/修改等。  

    數據庫服務(wù)器被納入EGSE中，它全面實(shí)時(shí)地記錄和存儲測試過(guò)程的數據和事件。數據庫服務(wù)器包括接收和存儲模塊（TDR）、實(shí)時(shí)數據發(fā)送模塊（RDS）、數據監視模塊、Web服務(wù)器模塊以及在客戶(hù)端（Client）的管理和分析模塊組成。圖3為數據庫服務(wù)器總體結構圖。  

數據庫各個(gè)模塊的功能和相互之間的關(guān)系如下：  
• TDR模塊：TDR從MTP接收測試數據（支持TCP/UDP），在進(jìn)行數據庫操作的同時(shí)，向RDS發(fā)送接收到的測試數據。  
• RDS模塊：RDS從TDR實(shí)時(shí)接收測試數據，并且監聽(tīng)客戶(hù)的請求和每個(gè)請求的參數集合，將適當的參數遙測值和測試信息傳送給相應的客戶(hù)。  
•數據監視器模塊：數據監視作為客戶(hù)代理，實(shí)時(shí)顯示當前監視參數的遙測值以及測試的情況，作為一個(gè)整體，還包括網(wǎng)絡(luò )通訊的統計信息和用戶(hù)控制。  
•管理和分析模塊：管理和分析模塊是一個(gè)脫機的系統，作為系統管理員和測試分析員的操作臺，它獨立于測試時(shí)間，可以單獨操控。主要任務(wù)是系統的管理，如系統數據的輸入、修改，系統用戶(hù)及權限的變更等。分析任務(wù)是對遙測數據的事后分析，如統計、回放等。  
• 數據庫模塊：作為系統結構的一個(gè)單位，數據庫管理系統構成了系統的核心數據存儲部件。  

1.4 TM/TC FEE虛擬儀器  

   TM/TC FEE采用虛擬儀器技術(shù)，它的主要任務(wù)一是接收衛星遙測信號，完成遙測信號的解調，遙測數據的采集、記錄和處理，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )送給MTP。其次是產(chǎn)生PSK遙控視頻信號，送到衛星上對被測試設備激勵或控制。  

    該虛擬儀器的TM/TC模塊采用VXI的成熟技術(shù)，硬件部分設計是滿(mǎn)足VXI總線(xiàn)規范的模塊形式，按多種型號衛星的要求設計而成。遙測遙控前端機采用外控式的VXI系統，由TM/TC處理計算機，VXI機箱、機箱控制器、系列功能模塊和虛擬處理軟件等部分組成。包括TM模塊和TC模塊，TM模塊包括TM信號模擬源子模塊、TM信號匹配器子模塊、PSK解調器子模塊和PCM解調器子模塊。應用軟件使用了Labwindows/CVI開(kāi)發(fā)工具，為用戶(hù)開(kāi)發(fā)了通用的TM/TC前端虛擬儀器。 圖4是TM/TCFEE連接示意圖。  





   該虛擬前端機具有三大特點(diǎn)：①標準的模塊化結構，完全符合VXI的機械和電氣標準，符合“即插即用”標準；②模塊適應當前所有在研的衛星測試需求，可以說(shuō)是通用化的模塊；③虛擬技術(shù)的應用使應用軟件不但提供了友好的人機交互界面，而且也是按照通用化設計的，可以滿(mǎn)足任何在研衛星的測試需求。  
虛擬儀器的重要體現在于軟件。使用虛擬開(kāi)發(fā)工具LabWindows/CVI，為應用提供了人性化的友好界面，圖5是遙測部分的界面。  

2  實(shí)現途徑和技術(shù)特點(diǎn)  

2.1 實(shí)現技術(shù)途徑  
       開(kāi)發(fā)過(guò)程中采取合理的技術(shù)途徑，使項目按時(shí)完成和達到了預期的目標。  
a. 注重需求分析  
為了使系統具有通用性，進(jìn)行了廣泛的、深入的需求分析，由用戶(hù)、設計人員和管理人員協(xié)同把全部需求加以提煉匯集，形成需求文檔。文檔中詳細闡述功能需求、性能需求、環(huán)境需求、接口需求、操作需求、資源需求、驗收需求、文檔需求、安全需求以及可靠性需求等，此外還有可維修性、成本、計劃等方面的需求。要求做到各項需求是不含糊的、完整的、相容的和可測試的。  
b. 強調通用性更注重開(kāi)放性  
開(kāi)放式系統是能夠支持新的測試需求、允許靈活地進(jìn)行更新和引入新技術(shù)并且對現存的設備影響最小的系統。開(kāi)放式系統強調使用已被認可的工業(yè)標準去規定體系結構組成部分的性能和接口要求。在課題研究中我們在硬件上采用標準的VXI接口，采用廣泛技術(shù)支持和應用的以太網(wǎng)結構，采用商用（COTS）成熟的計算機及其開(kāi)發(fā)環(huán)境（操作系統和編程語(yǔ)言），為系統的開(kāi)放奠定了基礎。   
c.開(kāi)發(fā)階段受控和應用驗證  
• 開(kāi)發(fā)過(guò)程遵循自頂向下的方法，即系統級、子系統級和模塊級；測試工作遵循自下向上的方法；  
• 軟件經(jīng)歷原型樣機階段，硬件經(jīng)歷初樣階段；  
• 關(guān)鍵點(diǎn)的階段性評審，如MTP軟件的需求和結構設計評審，數據庫軟件的設計評審等；  
• 系統中的主要部分在某些衛星的測試中得到了應用驗證。  

2.2 技術(shù)特點(diǎn)  

   該系統是在借鑒了過(guò)去型號應用的經(jīng)驗，廣泛收集應用需求的基礎上開(kāi)發(fā)而成。它除了具備了以往類(lèi)似系統的功能和通用性之外，還具備如下技術(shù)特點(diǎn)。  
a. 一臺服務(wù)器實(shí)現多星同時(shí)測試      
采用一臺服務(wù)器，同時(shí)支持多顆不同類(lèi)型的衛星的測試。系統通過(guò)提供配置文件的功能，定義不同衛星測試所需的監視參數表、配置文件和不同的網(wǎng)絡(luò )連接端口，定義不同衛星各自的共享區名和消息隊列名，通過(guò)多進(jìn)程控制和通信技術(shù)，實(shí)現了虛擬服務(wù)器功能，可以同時(shí)處理多個(gè)遙測設備、遙控設備、專(zhuān)用設備發(fā)來(lái)的各種數據和控制命令。  
b. 外掛處理方法  
為了方便特殊遙測數據的處理，通過(guò)建立外掛處理程序的方式，為用戶(hù)提供了可以隨意增加數據處理方法的能力。用戶(hù)可以編制自己的處理函數，外掛處理程序無(wú)需與遙測數據處理程序鏈接即可運行。系統還提供了用戶(hù)在處理函數中獲取和設置各種遙測參數原始值和工程值的方法。  
c. 基于數據庫的測試參數定義及在線(xiàn)修改動(dòng)態(tài)加載功能  
采用數據庫技術(shù)來(lái)管理測試監視參數表，通過(guò)對數據庫表中的數據項進(jìn)行相關(guān)檢查，提高了數據定義的正確性，便于數據檢索和修改。使重新修改的數據通過(guò)動(dòng)態(tài)加載，能夠直接在測試中生效。  
d. TCC軟件（測試操作臺軟件）   
在Linux操作系統下引入了圖形用戶(hù)界面。MTP的服務(wù)器操作界面采用KYLIX 3.0開(kāi)發(fā)，操作方式和Windows操作完全一致。同時(shí)，為每一種操作設計了多種快捷的操作手段。每一顆衛星在測試中都允許多個(gè)操作控制臺同時(shí)運行，不同的操作控制臺發(fā)出的各種命令和結果都能其在操作控制臺上顯示，并進(jìn)行歸檔。  
e. 衛星測試數據庫服務(wù)器的建立  
系統首次建立了用于衛星綜合測試的數據庫服務(wù)器系統，它具備了B/S（瀏覽器/服務(wù)器）和C/S（客戶(hù)機/服務(wù)器）兩種體系結構的特點(diǎn)，使系統的各個(gè)部分的接入靈活，可以分別創(chuàng )建和開(kāi)發(fā)，體現了開(kāi)放式特點(diǎn)。  

3  結束語(yǔ)  

    該系統可以直接或間接用在目前和未來(lái)我國的衛星測試中，但是技術(shù)的發(fā)展是相互關(guān)聯(lián)和無(wú)止境的。隨著(zhù)國民經(jīng)濟對航天技術(shù)需求的增加，各種類(lèi)型衛星的功能越來(lái)越強，系統越來(lái)越復雜。這樣就給從事測試和設備研制的人員提出了苛刻的要求，既要滿(mǎn)足多型號測試應用的要求，又要溶入新的技術(shù)，本課題仍然有些部分需要進(jìn)一步延伸和提高。  

參考文獻  
[1]王慶成，陳逢田等. 一種航天器通用測試軟件.自動(dòng)測量與控制.1995.  
[2]張翰英.衛星電測技術(shù).宇航出版社.1999.