小卫星测控的模块化自动测试系统构建

付伟达 张士峰 张锐 姬云龙 任光杰

（1 国防科技大学航天与材料工程学院，长沙 410073）（2 航天东方红卫星有限公司，北京 100094）

1 引言

卫星测控的自动测试系统就是用计算机代替人工按照预定的程序，控制和管理测控分系统所有相关的地面仪器设备，对卫星测控测试的信号激励、信号采集、信号测量实施控制，进行测试信息处理、判读和记录，并给出测试结果报告［1-2］。

目前，我国现有的测控自动测试系统大多是自成一体的封闭式体系结构，无统一标准，通用性差，制造成本高，使用生命周期短，不利于不同卫星型号测试和测试系统的更新换代。如发生测试状态或测试项目变化，则需要不断地更新其测试程序，大大增加更新维护工作量和对更改后测试程序的测试工作量。

近期，美国国防部完成了下一代自动测试系统研制［3］，其基于“开放系统”的设计思想，首先规划自动测试系统严格的外部和内部接口，采用开放的商业标准和事实标准，确定自动测试系统体系结构。美国下一代自动测试系统结构主要包括2个标准框架和1个协议［4］：①基于VPP（VXI Plug＆Play）的测试系统仪器接口和服务接口框架；②基于IEEE P1226 ABBET（A Broad-Based Environment for Test）的测试信息交换框架；③故障诊断方面遵循IEEE P1232 标 准AI-ESTATE（Artificial Intelligence Exchange and Service Tie to All Test Environment），在构成分布式网络综合测试系统时遵循TCP／IP网络传输协议。美国国防部希望通过下一代自动测试系统的研制，达到改善测试系统仪器互换性，扩大自动测试系统应用范围，方便地实现信息共享和交互。同时，该自动测试系统能实现测试系统组件间、不同测试系统间、与外部环境间信息的共享和无缝交互能力。

针对现有卫星测控测试系统无法适应不同型号测试、无法与外部进行信息交互等问题，同时参考美国下一代自动测试系统结构［3］，本文提出“开放式模块化”小卫星测控的自动测试系统，采用开放式测试体系结构设计，通过开放式硬件环境与模块化软件设计，使系统具有很好的可移植性和互操作性。同时，测控自动测试系统完善的对外接口设计，可以方便地实现测试信息共享和交互，能满足测试系统间、与外部环境间信息的共享和无缝交互需求。

2 系统结构

小卫星测控的模块化自动测试系统研制，基于“开放式模块化”的设计思想，首先规划自动测试系统的模块化软硬件结构，采用开放的商业标准，确定自动测试系统体系结构［5］。在该体系结构框架下开发自动测试系统，可为新测试设备有效插入、软件模块升级扩展提供相关策略，达到减少设备复杂性、缩短开发周期、降低成本的目的。

2．1 开放式硬件环境

每个自动测试系统的核心部件都是计算机，使用计算机平台的一个重要优点就是可以与测试系统中各种各样的仪器进行连接和通信［6］。在小卫星测控自动测试系统中，控制计算机便是测试控制管理中心、测试数据处理中心和测试通信中心，通过局域网（LAN）接口与接收机微波矩阵开关、频率计和频谱仪等测试设备用于提供上行和下行射频链路、协同完成卫星测控分系统级的性能测试和指标测试，如图1所示。卫星测控自动测试系统采用开放式的架构，其设备控制接口为LAN 接口，可以任意接入和剔除系统中具有LAN 的硬件。按照不同性能测试和指标测试要求，通用硬件模块灵活配置，动态重构，实现系统的可变规模。

同时，为了有效地与外部环境实现测试信息的共享和交互，增加测试系统间的互操作性，小卫星测控的模块化自动测试系统具有多种外部接口设计，包括与数据库接口、与总控接口和与数据判读系统接口等。

图1 测控自动测试系统硬件组成框图Fig．1 Block diagram of automatic test systems hardware for TT＆C

2．2 模块化的软件设计

2．2．1 系统软件功能组成

为了满足不同卫星型号测试的需求，小卫星测控自动测试系统采用模块化软件设计，其功能模块如图2所示，包括系统管理、配置管理、测试流程管理、控制台、测试任务管理和测试结果处理6个模块。

（1）系统管理模块：包括用户管理和用户权限管理。用户管理包括了对用户名称、部门等基本情况的管理；用户权限管理实现对用户与相关功能的配置。

（2）配置管理模块：根据不同卫星型号可以完成对测试序列配置的修改，可以添加相应测试序列，删除相应序列，对于测试序列中的相关属性进行配置。

（3）测试流程管理模块：测试流程管理模块根据测试项目的需求自定义测试流程模板，其具有图形化的流程模板定制功能，用户可自定义测试流程阶段和测试流程活动。

（4）控制台模块：在测控分系统测试序列时，实际上是通过改变测试设备的状态参数来实现星上状态改变的，这就需要对测控分系统涉及到的测控设备进行统一的控制管理。

（5）测试任务管理模块：系统的“任务管理”可以实现对需要测试卫星的基本内容的管理，比如卫星名称、代号、负责人等基本情况，并且实现对某一个卫星型号中测试序列和测试序列组的完成情况的管理。

（6）测试结果处理模块：根据用户的实际需求，对测试序列的测试过程进行监控。如在测控测试中对应答机的输入功率采集，采样周期可由用户设定。

图2 测控自动测试系统软件功能模块图Fig．2 Function block diagram of automatic test systems software for TT＆C

测控自动测试系统软件功能的模块化设计，可以满足不同卫星型号对自动测试系统的需求，节省重新研制的经费和时间。同时，系统软件功能的标准化、系列化，大幅度提高了系统的可靠性和扩展性。

2．2．2 软件体系架构

软件体系架构包括基础设施层、数据处理层、中间层和应用层，各层之间存在相互的制约与合作关系，如图3所示。

（1）基础设施层构成系统的IT 基础架构，描述了地面测控系统的所有子系统的运行环境，包括对硬件、操作系统、网络通信协议的规定。

（2）数据处理层对来自基础设施层的数据进行一些基本运算，为应用层提供数据存储和处理服务。如利用编程语言构建数字低通滤波器，对采集的信号进行数值平均来消除噪声［7］。

（3）中间层包含了应用系统的数据结构描述，系统与用户的接口工具包，面向对象数据结构的组件化，以及系统的编译运行工具与环境。

（4）应用层是整个系统逻辑结构的核心。应用层是系统的用户与系统的交互层，通过人机交互组件与用户操作界面，完成用户与系统之间的指令传递与指令执行结果返回的过程定义。

图3 测控自动测试系统功能实现原理图Fig．3 Function diagram of automatic test systems for TT＆C

3 应用效果

依据上文提出的开放式网络接口硬件设计、多模块软件功能设计和对外数据交换接口设计，构建了具有基础设施层、数据处理层、中间层和应用层的平台体系架构，研制出小卫星测控的模块化自动测试系统。此系统运行在测试局域网上，主要采用客户端／服务器模式，由用户运行客户端程序，实现系统操作。客户端程序包括测试序列管理、测控信号参数测量、测试设备参数设置和测试设备状态监视等功能显示和操作按键。

测控自动测试系统执行保信道测试序列的运行界面如图4所示，通过该界面还可进行测试设备参数设置、遥测参数范围设置和信号频谱截图等操作。

目前，小卫星测控自动测试系统已成功应用于多个卫星型号的测试。作为小卫星测试系统的重要部分，与原有测试系统能够很好地兼容。从实际应用情况看：①适应了不同卫星型号的测试需求，完成了若干卫星型号的测控测试任务；②能够与数据库、总控和数据判读系统进行很好的数据交换，卫星测试数据做到共享；③大幅提高了卫星测试效能，节约30%测试时间，减少50%人力资源投入。

例如，某新研卫星的状态变换较多，增加了许多新的测试项目，传统的测试系统需要不断地更新其测试程序。小卫星测控的模块化自动测试系统只重新配置了测试流程管理模块，便可满足新型号卫星的需求，使用效果良好。

图4 测控自动测试系统软件运行界面Fig．4 Operation interface of automatic test systems for TT＆C

通过与卫星判读系统的接口，可以将测试数据共享，判读系统能够及时准确地监测遥测参数，如果出现非正常变化，会自动报警，并将处理结果记录到数据库中。某卫星测试时，发现在测距通道锁定正常的情况下，出现了距离测量值抖动现象，会随机出现约200ns的跳变，判读系统记录下了该微小变化量。

相比较我国传统卫星测控自动测试系统，小卫星测控的模块化自动测试系统具有互操作性、可移植性、新技术的可插入性、可重复使用性等特点。从长远角度分析，自动测试将会减少不客观因素的出现，提高测试的整体质量水平［8］。

4 结束语

针对现有封闭式自动测控测试系统无法适应不同卫星型号测试、无法与外部进行信息交换等问题，本文建立了一套小卫星测控的模块化自动测试系统，通过开放性硬件设计、模块化软件设计、信息共享和交互的接口设计等，实现了适应不同卫星型号测试需求，具备了与外部进行数据共享的功能。同时，此自动测试系统，能够节约30%测试时间，减少50%人力资源，使用过程中取得了良好效果。该研究对于构建小卫星测控模块化自动测试系统具有一定参考价值。

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