基于开放式结构的航天器控制系统测试技术研究

戴居峰，袁 利，王 跃

(北京控制工程研究所，北京100190)

技术交流

基于开放式结构的航天器控制系统测试技术研究

戴居峰，袁 利，王 跃

(北京控制工程研究所，北京100190)

介绍了国外先进的基于开放式结构的测试技术，总结分析了中国航天器控制系统测试技术的现状和存在的问题.提出了一个基于开放式结构的航天器控制系统的测试系统实施方案，阐述了该系统所采用的各项关键技术，并提出了后续工作的设想.

航天器;控制系统;测试技术;开放式结构

在现代航天器的设计和制造过程中，航天器的测试技术已占有越来越重要的地位.

近些年来，国外航天器测试技术随着武器装备测试技术的发展，已取得了长足的进步.

第一代专用自动测试系统(ATS，automatic test system)阶段，以解决专用武器的测试需求为主.在使用过程中出现了使用繁琐，存储、运输、维护费用高，功能相近、重复投资等问题[1].

随即开始研发第二代通用ATS，这一阶段的设计思想主要是整合了多种测试需求，实现了某个军种或某些型号武器的通用测试功能.在使用过程中发现由于军用ATS的设计普遍采用军用标准，当测试需求变化或测试设备停产等情况出现时，ATS调整的成本过高，因此在这个阶段后期测试设备使用了大量的货架产品[1].

目前美国已经发展第三代ATS，即采用开放式结构的自动测试系统(OSA ATS，open system architecture ATS)，为了解决商用货架产品(COTS，commercial off the shelf)生命期的问题，采用多种软件技术和标准，实现 ATS的可移植性和测试程序集(TPS，test program sets)的互操作性[1-4].

经过40多年的发展，美国军用 ATS已经形成了比较完整的体系.每个ATS族包括多个能够互操作的ATS，通过灵活的软硬件结构能够支持多种武器系统的测试需求，具有很强的扩展能力[1-2].

中国当前航天器的研制已由试验型向装备型转化，要求测试技术可靠性更强、效率更高;另一方面，航天器设计日趋复杂和多样化，对测试技术提出了更高的要求.从国内测试技术现状来看，航天器的测试系统和技术已经明显落后于其他行业[1].

本文在分析中国航天器测试技术现状的基础上，介绍了一个基于开放式结构的航天器控制系统测试技术的实施方案及关键技术.

1 航天器控制系统对测试技术的需求及现状

鉴于航天器发射后基本不可维修的特殊性，航天器完成系统集成后，需要经过严格的系统测试，才能确保航天器在轨可靠运行.控制系统是航天器中最复杂、最重要的分系统之一，具有闭环和动态的特点，对测试技术提出了特殊的要求，尤其是实时性和需要多种模拟器设备支持的需求.控制系统的测试水平是航天器测试水平的集中体现.

多年来中国完成了近百颗星船的控制系统研制.针对各类星船控制系统的特点，研制了相应的测试系统，尽管测试系统在保障航天器控制系统在轨稳定运行发挥了重要作用，但也凸现了明显不足，主要表现在:

1)没有形成完整的ATS理论体系，缺乏顶层设计[1];

2)通用化不够，各型号重复投资，浪费严重[3];

3)缺乏核心技术，多数高档仪器和接口设备依赖进口[3];

4)自动化程度和可靠性、安全性不高.

经过“九五”、“十五”和“十一五”的发展，中国的航天测试技术取得了很大的进展:

1)掌握了各类VXI/PXI、APCI仪器总线测试模块的开发技术，已开发数百种通用或专用的总线测试模块，形成了系列化的基础测量仪器货架产品;大部分模块的指标与国外同类产品相当[5];

2)开发了几种自动测试系统运行软件平台和TPS开发软件平台;

3)具备自动测试系统的系统集成开发能力;

4)自动测试系统已成功地应用于多项在研、在役装备当中.

2 基于开放式结构的测试系统总体设计及关键技术

为满足日益增长的航天器测试系统需求，中国已经开始研发新一代通用航天器控制系统测试系统，见图1.该套测试系统采用了核心功能和全功能两种模式的架构，可以组合使用.核心模式可以完成航天器控制系统的测试工作，在航天器控制系统产品不起套时，可以利用全功能模式，采用局部模拟的办法开展测试工作.同时该测试系统采用了大量工业标准技术，使该套测试系统大多数单元可以直接在市场上进行采购，并利用控制系统信号适配器的梳理和匹配，实现利用标准工业板卡测试特殊的被测对象.该套测试系统还采用了先进的网络拓扑结构的设计，针对测试系统的实时性需求进行了特殊的设计，充分保证该套测试系统的实时性.

该测试系统设计之初便瞄准了世界先进水平，大量引入了OSA的概念，并且突破了实时与非实时隔离的网络拓扑结构、分布式测试、实时数据库等技术，系统在快速性、实时性、通用性和兼容性方面具有明显的优势.

2.1快速性、实时性

该测试系统的控制周期为10ms，理论控制周期可实现1ms.采用了实时嵌入式多任务操作系统(目前基于美国W indRiver公司的VxWorks 5.4)和工业组态软件(包括德国KW公司的ProConOS 3.3、Vx-Works 5.4/Intel软件操作引擎、MultiProg策略组态软件、OPC server标准数据通信接口软件)，实现快速实时测试要求，即精确保证每10ms完成一个测试周期中应完成的全部测试工作.

该测试系统以工业组态软件为基础，二次开发了加速、跳时测试技术.利用组态软件的实时参数修改功能，实现在线跳时测试、在线加速测试等功能，提高测试效率.

2.2 实时与非实时隔离的网络拓扑结构

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为进一步保证实时数据的快速、无丢数据传输和其他非实时数据顺畅传输，数据传输网络采用了实时与非实时隔离的多层网络拓扑结构技术，该技术的主要特点如下:

1)底层的测试总线为一个实时现场总线，采用了目前主流的CPCI总线，主要连接实时性要求较高的闭环的测试设备.

2)中层为一个标准TCP/IP网络，连接测试计算机、调度计算机和服务器，完成指令传输、数据入库等闭环外实时要求较高的任务.

3)上层连接其他实时性要求不高的设备，采用的连接技术不影响底层现场总线的实时性.

图1 新一代航天器控制系统测试系统框图Fig.1 Testing system for the new-generation spacecraft control system

2.3 分布式测试技术

在实时与非实时隔离的多层网络拓扑结构技术支持下，为适应轨道计算量大的需求，测试计算机采用前、后台机的结构.前台机负责信号采集、输出，与智能信号单元、智能通信单元的数据交换，接受测试调度计算机的指令，向服务器传送入库数据.复杂的计算如轨道计算等由后台机完成.后台机配置一台高性能的工作站，可以在完成轨道计算任务的同时，与前台机实时交换数据.

2.4 实时数据库技术

该测试系统采用了先进的实时数据库技术，可对测试过程产生的测试数据进行实时保存，并由数据库提供数据服务，使测试数据处理与实时测试过程分离，有利于提高测试性能，便于数据处理和数据开发.

测试数据库采用了关系型与非关系型数据库相融合的数据库技术，并在此基础上开发了数据缓冲池，实现了地面动力学仿真数据、星上数字量遥测信息和星上模拟量遥测信息的实时存贮和实时显示.测试过程中小包数据先存入以非关系型数据库为基础的数据缓冲池中，保证快速优先响应客户端实时数据显示的要求，然后定时大批量写入关系型测试数据库.这样既利用了数据库大数据量读写的性能优势，又实现了实时数据的存贮及显示要求，同时利用关系型数据库技术还实现了后台对测试数据的判读和数据特性的挖掘.

2.5 测试数据整合技术

所有测试数据(包括动力学仿真数据、数字量遥测数据、模拟量遥测数据)均整合到数据库中，数据库支持为每帧遥测数据统一时间标识，便于客户端进行数据显示比对.在数据库的数据整合功能支持下，客户端可将来源不同的测试数据以曲线等形式在统一窗口显示，便于比对.具有测试全过程数据曲线监视、局部曲线放大、历史曲线查询等功能.为分析被测系统性能、查找问题提供了有效手段.

2.6 自动化测试技术

位于调度计算机的HMI软件支持自动序列功能，HMI软件可以按照事先编制好的自动序列按时执行各种操作，包括直接向测试计算机注入测试参数、指挥测试计算机发送直接遥控指令、指挥OBDH模拟器发送上行注入数据和系统校时、跳时等功能，实现了“无人职守”测试，使测试人员可以集中精力进行遥测数据的判读和监视.

2.7 通用化技术

测试系统采用了信号梳理箱的设计架构，通过梳理箱将来自于星上设备不同种类、不同方向的信号整合成标准工业板卡所要求的形式，减少了测试设备中定制板卡的种类和数量.只需通过配置软件模块便可适应不同类型的航天器控制系统的测试需求，有利于测试系统的通用.

2.8 兼容性

该测试系统配备了多个智能标准串行接口，可直接连到实时现场总线上.通过该接口连接其他测试设备，实现了对其他设备如部件物理模拟器和大型转台、气浮台等的兼容.

该测试系统可以同时作为整星测试设备的一部分，完成整星AIT阶段的控制系统测试.该测试系统中的OBDH模拟器可作为整星测试网和控制系统测试网的网桥设备，具有接收总控各种数据和命令以及发送数据的功能，并具有将总控各种命令传送到各设备的能力.

3 后续工作

中国新一代航天器控制系统通用测试系统已经初步具有了国际先进的ATSOSA的体系结构雏形，所具有的技术特点和采用的核心技术符合国际先进测试技术的发展方向.

后续将开展下列工作，以达到节约研制成本、缩短研制进度，提高测试的可靠性和测试水平的目的:

1)开展测试需求和测试方法的研究，对设备需要具有的功能进行相对明确的界定;

2)固化目前已经取得的技术成果，如通用化的体系结构、实时数据库的定型、server/client协议、标准串行接口协议等;

3)鼓励对开放式测试系统标准的研究，形成ATSOSA系列;鼓励配套厂商开发符合此标准的设备，并形成一定的规模;

4)建立大型测试数据库，进一步整合数据资源、开发更有针对性、更具特点的数据产品，供设计师使用.

4 结束语

目前，以美国为代表的国际先进测试技术提出了ATS OSA的测试系统概念，并取得了效果.中国的测试系统起步较晚，与国际先进水平还存在一定的差距，目前已开发的新一代航天器控制系统测试系统，符合国际先进的ATS OSA架构.经过一定的工作可以形成具有自主知识产权的、适合中国航天器控制系统需求的ATSOSA框架标准，达到降低测试设备的研制成本、缩短研制进度、保证测试设备的可靠性、支持新技术升级、提高测试水平的目的.

[1] 乔立岩，彭喜元.开放式自动测试系统体系结构研究[J].测试技术学报，2004，18(z3):205-208 Qiao L Y，Peng X Y.Study on OSA-based automatic test system[J].Journal of Test and Measurement Technology，2004，18(z3):205-208.

[2] 杨春，杜舒明.美国军用自动测试系统(ATS)的发展趋势[J].国外电子测量技术，2004，23(6):5-7 Yang C，Du SM.The development trend ofmilitary automatic test system(ATS)of USA[J].Foreign Electric Measurement Technology，2004，23(6):5-7

[3] 朱旖，杜建军.国外军用电子测试系统发展综述[J].电子测量技术，2008，31(8):1-3 Zhu Y，Du J J.General overview of foreign military ATS [J].Electric Measurement Technology，2008，31(8):1-3

[4] 张列刚，吴晖，张焕春.通用ATS实现技术研究[J].电讯技术，2004，44(2):83-88 Zhang L G，Wu H，Zhang H C.Study on general ATS’s implemental technologies[J].Telecommunication Engineering，2004，44(2):83-88

[5] 于功敬，孟汉城.ATE/ATS技术的发展[J].测控技术，2001，19(1):13-15 Yu G J，Meng H C.Development of the military ATE/ ATS technology[J].Measurement&Control Technology，2001，19(1):13-15

OSA-Based Testing Technology of Spacecraft Control System

DAI Jufeng，YUAN Li，WANG Yue
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

This paper introduces some international advanced testing technologies of spacecraft control system based on open system architecture(OSA)，and analyzes state-of-the-art of Chinese spacecraft control system testing technology.The existing problems are also analyzed.An implemental plan of OSA-based testing system for spacecraft control system is presented，and the key technologies are summarized.Moreover，an idea about future work is put forward.

spacecraft;control system;testing technology;open system architecture

TP274

A

1674-1579(2012)05-0034-04

10.3969/j.issn.1674-1579.2012.05.006

戴居峰(1973—)，男，高级工程师，研究方向为卫星控制系统设计、集成与测试;袁 利(1974—)，男，研究员，研究方向为卫星控制系统设计、集成与测试;王 跃(1975—)，男，高级工程师，研究方向为卫星控制系统设计、集成与测试.

2012-08-02