一种应用云计算技术的航天器综合测试方法

刘志飘 温洁 张鑫

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

一种应用云计算技术的航天器综合测试方法

刘志飘 温洁 张鑫

（中国空间技术研究院通信卫星事业部，北京 100094）

首先介绍了目前国内外航天器综合测试系统的现状，指出其资源利用率低、测试成本高的不足；然后针对这些不足，结合未来航天器综合测试业务新需求，提出了一种应用云计算平台的航天器综合测试方法，给出了该方法的综合测试云架构，分析了其在资源利用率、可靠性、可扩展性等方面的技术优势；最后给出航天器综合测试云系统的实施方案，供今后我国航天器测试系统建设参考。

云计算；航天器综合测试云；资源利用率；可靠性

1 引言

航天器综合测试是指对航天器研制各阶段的电气功能和性能进行测试，验证其功能参数、性能指标是否满足设计要求，是集测量、电子、通信、计算机、工程管理等多学科于一体［1］、科学性与工程性相结合的综合技术。航天器综合测试是航天器研制过程中重要的组成部分，是一项复杂的系统工程，周期长任务重，其成功实施依赖于一整套可靠的软、硬件组成的综合测试系统作为支撑，即电气地面支持系统（Electrical Ground Support Equipment，EGSE）。EGSE通常由总控系统设备（Overall Check Out Equipment，OCOE）、分系统专用测试设备（Special Check Out Equipment，SCOE）通过局域网连接而成。目前，航天器综合测试技术已经成为衡量一个国家宇航能力水平的重要标志。

随着我国航天事业的快速发展，航天器研制任务越来越多，航天器功能越来越强大，其结构也越来越复杂，综合测试需求日趋多样化和复杂化。这对航天器综合测试系统的功能和性能提出了严峻挑战，同时也对测试设备、测试人力资源的利用率提出了更高的要求。

为了应对以上挑战和需求，文章在分析当前国内外航天器综合测试系统发展现状及不足的基础上，提出了一种应用云计算平台的航天器综合测试方法，并给出了相应的实施方案。

2 航天器综合测试系统现状

当前，国内外航天器综合测试系统的组成是以航天器或任务为单位［2］，每个航天器单独搭建一套测试系统软硬件平台［3-4］，配备一套测试人员，各航天器测试系统之间相互隔离。典型的航天器综合测试系统架构如图1所示。综合测试系统通常由前置区、服务区和操作区软硬件组成。前置区负责测试系统与航天器的直接交互，主要包括遥测、遥控、供配电、控推、载荷等分系统SCOE和前端设备；服务区是整个综合测试系统的数据处理中心，主要包括主测试处理系统、数据存储系统、数据分发系统、数据库管理系统等；操作区是测试用户与测试系统的交互接口，主要包括自动化测试实施系统、测试操作控制台系统、数据查询系统等。各航天器的测试系统软、硬件之间没有交集，彼此独立。

图1　典型的航天器综合测试系统Eig.1 A typical spacecraft integrated test system

上述航天器综合测试系统的优点是结构清晰、实现简单，但是测试资源无法共享、利用率低。各航天器硬件相互隔离、服务区测试系统软件独立部署、测试数据库没有实现互通，这种传统的烟囱式系统建设方式，直接形成了以航天器为单位的“信息孤岛”。信息孤岛的存在，一方面，导致了各航天器测试系统之间软硬件无法实现共享，大大降低了硬件资源利用率，增加了软件的维护和人力成本，提高了航天器的测试总成本；另一方面，各航天器测试数据不能共享，无法有效地支持跨航天器的数据比对、分析和工作协同。数据作为航天器测试最宝贵的资产，可以有效地支持状态判读、故障诊断定位以及在轨运行服务决策。随着航天器复杂度的提高和能力的增强，测试数据量迅猛增加，基于数据共享基础之上的海量数据分析，已经成为未来航天器综合测试的基本需求，因此亟需打破当前测试系统无法有效支持数据跨航天器共享，影响测试效率提升的被动局面。此外，虽然当前测试系统内部采用了计算服务器双机备份、存储服务器冗余备份的方式，但是限于当前的电子元器件技术、工艺水平，在航天器热试验等高负载、长周期的24 h不间断运行过程中，仍然存在单点故障导致测试中断或数据丢失的风险。

为了解决以上问题，本文将云计算技术引入航天器测试领域，提出了一种应用云计算平台的航天器综合测试方法（以下简称航天器综合测试云）。

3 应用云计算平台的航天器综合测试系统

云计算是传统的并行计算、分布式计算和网格计算的延伸与发展，利用虚拟化技术构建大型的共享资源池，以服务的形式，通过网络向用户按需地提供计算、存储和信息服务能力［5-6］。云计算平台可以根据应用需求，实现计算、存储、网络等资源的弹性供应，具有易管理、高可靠、低成本、灵活可扩展的优势。因此，近年来云计算技术不仅在互联网领域得到了最广泛的应用，而且开始逐步渗透到电力、电信、金融等传统关键行业应用中。

航天器综合测试云，不仅能有效降低航天器综合测试的硬件成本，提高测试系统运行的可靠性，更重要的是随着综合电子、类传输控制/网际（TCP/ IP）协议、光通信等新技术在航天器上的应用和航天器自身能力的增强，必然会带来越来越多的综合测试项目和数据处理需求［7］，云计算平台凭借其安全可靠的存储能力能够实现海量数据的高效存储与访问，凭借其强大的计算能力能够完成海量数据的实时、准实时处理与分析，从而满足未来大型通信卫星、飞船、空间站的多样化复杂测试需求。

3.1 航天器综合测试云系统架构

航天器综合测试云的基本设计思想，是最大限度地抽取各航天器测试的公共软硬件资源，并将其放到私有云数据中心统一部署和管理，实现资源共享，从而提高软硬件和人力资源的利用率。航天器综合测试云将传统测试模式下位于服务区的测试系统软硬件进行虚拟化，对外提供统一的访问接口，实现了软硬件资源的跨航天器共享。航天器综合测试云系统架构如图2所示，该系统由云计算平台层和用户接入层组成。云计算平台层从下到上又分为基础设施层、云服务中间件层、云服务供应层。下面结合系统架构图，详细阐述各层功能。

（1）基础设施层:本层是云计算平台的物质基础，它将航天器测试用的计算服务器、存储服务器、网络设备、数据库存储系统以及其它底层软硬件资源进行虚拟化处理，构建成一个统一的计算、存储、网络虚拟共享资源池，为上层各类云服务应用提供必要的软硬件运行环境支撑，实现了资源高效管理与供应优化。

（2）云服务中间件层:主要包括各类具有通用性和可复用的软件资源，提供应用开发、部署、运行相关的基础服务，实现对综合测试云底层虚拟资源池的统一管理，根据不同航天器用户的测试需求，对应用任务进行科学调度，透明地为用户提供中间件基础服务。其中，资源管理组件基于航天器测试负载高低，利用虚拟机热迁移等技术手段，实现资源按需弹性供应，确保系统性能满足用户要求，同时对资源的使用情况进行监视与分析，实时检测节点故障并加以恢复或屏蔽处理［8-9］；任务管理组件负责执行用户提交的任务，包括完成服务区测试系统软件实例的自动部署与管理、测试任务调度、任务执行、任务生命周期管理等；用户管理组件提供用户交互接口、管理和识别用户身份、创建云服务的执行环境等；安全管理组件负责保障云计算平台的整体安全，完成测试用户身份认证、服务访问授权、安全防护和查询统计等功能。

（3）云服务供应层:基于云服务中间件层提供的功能，以服务的方式向各航天器测试用户提供高可靠、高性能的航天器综合测试云服务。对于航天器综合测试，云测试平台可以根据航天器需要，动态生成主测试处理系统、数据存储系统、数据分发系统的多个运行实例，每个实例可视为该软件系统的一个副本。如图2所示，主测试处理系统生成了m个运行实例。云服务能够根据当前测试系统在线用户数量多少、测试负载的高低，自动完成虚拟资源的申请或释放，满足测试用户的系统性能要求，保证测试云用户良好的系统使用体验。此外，云服务供应层还为测试用户提供可靠的应用扩展功能，随着航天器测试业务发展以及测试模式演进，新的测试业务系统（如海量测试数据分析系统、航天器半实物虚拟测试与仿真系统等）会不断出现，这些新增系统可以方便地部署到航天器综合测试云数据中心，面向各航天器用户提供云服务。

（4）用户接入层:用户接入层基本等同于传统测试模式下的前置区和操作区。该层是测试用户访问云服务的接口（如自动化实施软件、操作控制台软件），同时也是测试系统与航天器的交互接口（TM/ TC前端软件、分系统SCOE软件等）。该层各测试执行端计算机通过网线直连本地交换机，本地交换机通过光纤连接至云数据中心的核心交换机；对于异地远程客户端，可采用虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）方式接入云数据中心［9］。测试人员利用自动化实施、操作控制台等测试执行端软件访问云服务完成航天器测试工作。

图2　航天器综合测试云系统架构Eig.2 System architecture of spacecraft integrated test cloud

3.2 航天器综合测试云的技术优势

1）实现了各航天器软、硬件和数据资源的共享，提高了测试资源利用率

研究表明［10］，通常航天器测试服务器的CPU利用率只有20%左右。利用虚拟化技术，同一台服务器上可以同时部署多个相互独立的测试系统软件实例，这些实例可以根据主机负载的高低和用户设定的性能指标参数值在集群中不同主机间透明热迁移，从而大大提高软硬件资源的利用率，有效降低系统的维护成本。此外，不同航天器的测试数据集中存储在高性能综合测试云数据中心，由云计算平台统一进行存储管理和用户访问管理，为数据分析软件提供了安全可靠的数据访存接口，有利于实现不同航天器应用间的测试数据共享与工作协同。

2）提高了测试系统的可靠性与稳定性

云计算平台将集群中节点失效定义为一种系统正常行为，它采用心跳检测等算法，实时检测系统中各计算、存储节点的工作状态，具有故障预警功能；异常问题发生后，系统能够自动屏蔽集群中失效的计算、存储节点，保证故障发生后不会造成测试业务中断和数据丢失，因此系统具备高可靠的容错能力以及灾难恢复能力，系统长期运行的可靠性与稳定性有保障。

3）增强了测试系统的可扩展性

为了满足日益增多的航天器测试任务和测试应用需求，航天器综合测试云数据中心的系统管理员，可以利用云平台管理软件为新航天器快捷地部署测试软件云服务应用实例，并将新增测试业务系统放到云计算平台之上运行；也可根据航天器测试任务计划，方便地从云计算平台上动态移除已部署的云服务，回收系统资源。另外，云计算平台可根据测试用户设定的系统性能参数阈值，透明地增加或删除计算、存储节点，实现资源的弹性供应，大大增强了综合测试系统的可扩展性［11-12］，保证了系统应用性能。

4）提升了测试系统自动化管理水平，节省了人力资源

航天器综合测试云计算平台为测试用户提供了友好的操作界面，系统管理员只需在系统配置界面上进行简单的配置操作，即可完成新航天器测试软件实例的自动部署和软件状态参数的初始化设置；测试系统运行过程中，测试软件实例的生成和在不同主机间的热迁移，由云平台管理软件自动完成，测试用户无需关注这些底层操作，只需关注测试业务本身即可，从而大大简化了测试人员在传统测试模式下繁琐易出错的系统配置与管理工作，减轻了总控及其它分系统测试人员的工作量，降低了航天器测试的人力资源成本。

4 航天器综合测试云实施要点

1）数据中心虚拟化

结合航天器测试系统软件的特征，进行云测试平台技术选型论证。建议采用成熟的商业云计算解决方案（如国际虚拟化领导厂商VMware公司的vSphere虚拟化方案、IBM公司的蓝云方案等），实现数据中心资源的虚拟化，搭建航天器综合测试私有云计算平台。云计算平台对集群中的机器性能没有特殊要求，因此现有测试服务器、前端测试计算机和网络交换设备均可重用。

2）测试系统软件迁移

根据具体采用的云平台中间件产品特征，对将部署到综合测试云数据中心的测试系统软件（主测试处理软件、数据存储软件、数据分发软件等）进行适应性改造，完成后依次部署到云平台上试运行，测试通过后正式上线。软件迁移涉及到的关键技术问题，是如何结合该云平台虚拟化方案实施的个性化特征，修改现有测试软件以保证其兼容该平台的基础设施。

3）综合测试云扩展

为了进一步提升工作效率，将来可考虑将航天器综合测试云平台与办公网内的业务系统平台实现互联互通，实现更大范围的软硬件、数据资源共享，促进岗位融合与协同办公。

5 结束语

应用云计算平台的航天器综合测试系统是未来航天器测试系统的发展方向，对于转变航天器测试模式、完成日益繁重的航天器测试任务、实现多星并行测试，具有重要的现实意义和应用价值。针对当前国内外航天器测试系统在可靠性与资源利用率等方面存在的不足，提出了一种航天器综合测试云系统方案，该方案能够有效地提高测试系统软硬件资源的利用率，增强系统可靠性与稳定性，同时降低航天器测试的人力资源成本；给出了航天器综合测试云系统的实施方案，为我国未来航天器综合测试系统的建设提供参考。

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（编辑：李多）

A Spacecraft Integrated Test Method Based on Cloud Computing Technology

LIU Zhipiao WEN Jie ZHANG Xin
（Institute of Telecommunication Satellite，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

The development status of domestic and overseas spacecraft integrated test system is introduced firstly in the paper，and the deficiencies of the current integrated test system such as low resource utilization rate and high test cost are pointed out.Subsequently，aiming at overcoming these shortcomings and meeting the emerging integrated test requirement，a spacecraft integrated test method based on cloud computing platform is proposed，the system architecture of the spacecraft integrated test cloud is presented，and its technical advantages in terms of resource utilization rate，reliability and scalability are analyzed systematically.Einally，for the sake of future test system construction reference，a practical scheme of spacecraft integrated test cloud is advanced.

cloud computing；spacecraft integrated test cloud；resource utilization rate；reliability

V416

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.01.022

2014-09-26；

2014-10-15

刘志飘，男，博士，工程师，研究方向为云计算与数据处理、空间信息网络。Email：buptliuzp@126.com。