小卫星AIT流程简化探讨

李丽琼 曾春平 吕高见

（北京控制工程研究所，北京 100094）

1 引言

总装、测试与试验（AIT）是航天器研制过程中重要的验证环节之一。通过AIT，可以尽早发现问题，保证产品质量，确保飞行任务成功。随着我国航天事业的稳步发展，航天器的数量越来越多，这就需要在确保航天器测试质量的同时提高测试效率，而传统的测试方法已逐渐不能满足紧迫的研制周期要求。另外，快速进入太空的需求，如在几周内建造并发射一颗具有特定功能的卫星，也对传统AIT 流程提出了改进和优化的要求。

国外快速AIT 已发展多年且颇具成效，已逐渐由试验验证向实际应用转变，具有代表性的是针对美国“快速响应太空”（ORS）计划的快速AIT。本文在调研国外快速AIT 流程和技术的基础上，以国内小卫星传统AIT 流程为出发点，针对首发卫星、继承卫星和快速响应卫星提出了国内AIT 流程简化方案，给出了未来卫星设计和测试模式发展的若干建议，可为卫星设计和测试提供一定的参考。

2 国外AIT 流程

国外AIT 流程经历了从传统繁杂到简化的过程，以满足快速发射的需求，其中美国的发展最具代表性。美国一直非常重视快速进入太空的能力建设，为寻求快速AIT 的最优方案，调研并参考了多个国家航天器的研制经验，进行了一系列快速AIT 演示试验，并最终总结出适用于ORS系统的AIT 流程。以下以美国为例，探讨国外AIT流程的改进。

2．1 国外传统AIT流程

图1给出了美国航天器传统AIT 流程［1］，整个流程一般至少需要半年时间，很多情况下甚至需要若干年。

图1 美国航天器传统AIT 流程示例Fig．1 Example of traditional AIT flow for spacecraft in USA

2．2 快速AIT演示试验

为制定一套优化的AIT 流程方案，美国ORS办公室调研并总结了多个系列卫星的成功经验，包括“轨道通信”（Orbcomm）卫星、“全球星”（Globalstar）和“铱”（Iridium）卫星等。

为适应Orbcomm 系统的36颗卫星密集测试和发射任务，美国采用了8颗卫星并行测试方法，并用基本功能测试替代性能测试。另外，随着后续卫星的设计趋于成熟和可靠，在AIT 中删减了一些测试，如只在前4颗后继卫星中进行热真空试验等。其他缩短流程的措施包括改变传统的测试标准、严格AIT 纪律等［2］。

为达到Globalstar系统每周一颗卫星的发射速度，美国抛弃了传统的AIT 测试方法。首发卫星作为模型卫星进行完整的质量评定测试，而后继卫星只进行简化的验收测试，见图2［3］。后继卫星的热真空试验和热平衡试验均缩略成一个热循环，振动试验减少为只做一个随机振动。最终，AIT 流程缩短至1周，一年半内完成了64颗卫星的发射工作。

Iridium 卫星系统通过采用标准化的设计工具、自动化开发环境和自动化测试方法，以及简化发射场测试等手段，将AIT 过程缩短至22d，一年之内完成了66颗卫星和12颗备份卫星的发射。

图2 Globalstar后续卫星AIT 流程Fig．2 Globalstar follow-on satellite AIT flow

结合上述经验，美国空军航天司令部针对ORS卫星的测试需求，进行了一系列的快速AIT 演示试验，共完成了6次试验流程。结果表明：①在6个AIT 试验流程中，快速AIT 平均耗时约22h；②自动化测试更能提高效率；③由于采用自动化测试，测试的时间较稳定，但总装操作时间波动比较大，这主要受人员训练程度及总装队伍技术水平的影响，而非卫星配置改变的影响；④总装操作流程的描述图形化，配以尽可能少的文字，比用很多文字描述操作步骤的文档更能提高总装效率。

2．3 快速AIT流程

利用快速AIT 演示试验的研究成果和经验，美国提出了快速AIT 流程，见图3。

图3 快速AIT 流程Fig．3 Rapid AIT flow

从图3可以看出，快速AIT 流程的测试环节相比传统流程并无太多的删减，但测试时间却能够大幅缩短，其原因如下。

（1）力学试验简化为侧轴力学试验，重点在于暴露工艺问题。其方法是将卫星放置在振动台上，卫星本体坐标系的X、Y轴与振动方向夹角均为45°，使两轴均能被激励，尽可能在最短时间内收集到最多的信息，见图4。

图4 单轴（侧轴）力学试验方位示意（45°夹角）Fig．4 Single-axis vibration test orientation（45deg off X，Yaxes）

（2）参考Orbcomm 系统和Globalstar系统的成功经验，删减了热试验环节。

（3）在部组件及分系统级进行长时间的测试，以提前暴露问题。另外，根据系统的复杂度来决定AIT 最低程度的测试标准［4］。在此基础上，AIT 阶段只进行简单的测试。图3中的平台测试均为短期测试，重点在于验证产品的功能而非性能。

（4）没有软件落焊环节。软件测试与AIT 并行，测试完成后直接在AIT 进行装订。

（5）热控实施与软件装订、模飞等并行。

（6）采用自动化的测试手段。

（7）总装操作流程图形化，总装效率高。

3 国内AIT 流程

3．1 国内传统AIT流程

国内小卫星的传统AIT 流程示例见图5。该流程相对较为繁杂，在整个测试流程中，卫星需要多次开合板总装操作，因而约需要201d，其原因如下。

（1）软件落焊：软件落焊要将卫星返回研制单位1个月的时间，增加了卫星总装的工作量，延长了测试时间。

（2）体系构架：现有卫星的体系构架过于复杂，分系统多且庞大，AIT 阶段耗费了大量时间进行产品及分系统性能测试。

（3）热试验和力学试验：这两个试验耗时较长，且热试验循环次数多。

图5 国内小卫星传统AIT 流程示例Fig．5 Example of traditional AIT flow for small satellites in China

3．2 国内AIT流程简化探讨

借鉴国外快速AIT 技术的研究结果，建议对国内现有的小卫星AIT 流程进行简化。由于不同类型的卫星测试需求不同，现分为首发卫星、继承卫星和快速响应卫星3种情况进行讨论。

3．2．1 首发卫星

由于首发卫星没有前面卫星的成功作为基础，因此不建议删减热试验和力学试验等。首发卫星流程简化思路可以从删除或修改软件落焊方式入手。从图5中可以看出，传统流程中的软件落焊环节不但增加了卫星总装工作量，而且要在产品回归整星后增加综合测试，大大延长了流程时间。因此，应大力加强软件的产品级测试及分系统级测试，在软件确认测试阶段以及分系统测试阶段对软件进行充分测试，AIT 试验前将软件落焊。个别需要在最后阶段才确定的装订参数，可采用注入修改方式进行。另一思路是整套软件采用可烧写的方式，通过监控注入方式上传，而无须将产品返回研制单位进行落焊。

简化后的测试流程如图6所示。流程工作时间为73d，即与传统AIT 测试流程相比缩短了至少128d。

图6 国内首发卫星的简化AIT 流程Fig．6 Minimization of AIT flow for first satellites in China

3．2．2 继承卫星

继承卫星在设计上完全可以信赖已发射卫星的成功，测试重点应在于暴露工艺问题。参照国外快速AIT 流程的成功经验，删减热试验，只进行侧轴力学试验，简化综合测试，提高总装效率，具体流程建议见图7。简化后的AIT 流程工作时间为30d，包括节假日等，整个流程约需要1．5个月。

利用继承性简化测试的关键条件在于：工程数据（包括各种过程性文件）完整有效，工艺过程完善，并能保证依据相同的数据文件设计出来的部件产品具有相同的状态。对于不具备批生产特性或状态有差别的产品，必须深入研究差别化带来的风险，并将测试关注点集中在验证状态变化对可靠性的影响程度上。

对于批量（10颗及以上）生产的小卫星（1000kg以下），还可以从以下几个方面缩短AIT 时间：①推进系统的管路严格按照样件批量生产，不必等卫星结构到后才开始焊接；②敏感器（如太阳敏感器、红外地球敏感器、星敏感器）和执行机构（如动量轮、推力器等）在总装中只进行精度测量，不作调整；③检漏只在力学环境试验前（或后）进行1次。

图7 国内继承卫星的简化AIT 流程Fig．7 Minimization of AIT flow for follow-on satellites in China

3．2．3 快速响应卫星

对于战时或救灾的快速响应卫星，由于任务要求的紧急性，往往只有几天时间用于AIT，如果只进行简单的流程统筹优化，无法实现整个测试流程的大幅缩减。因此，要根据任务要求进行非常规测试，对现有的测试流程进行较大的改动和裁减。

参考ORS快速AIT 演示试验，设想一种快速响应卫星的简化流程如图8所示。各环节所需时间非常短，整个AIT 流程仅需要27h。

图8 国内快速响应卫星的简化AIT 流程设想Fig．8 Minimization of AIT flow for rapid responsive satellites in China

3．3 流程简化的实现途径

为逐步实现图8所示的快速AIT 测试流程，对国内现有小卫星的设计和测试模式提出如下几点建议，首发卫星和继承卫星在设计时也可参考。

（1）卫星设计模块化：卫星设计应易于总装和测试，减少测试复杂度和时间；可发展接口标准化的模块化卫星［5］。具有典型代表的是美国的PnPsat-1，由6块标准的即插即用式模块化机械及电接口面板组成，面板带有铰链锁扣，方便快速总装。这些模块化的组件经过地面详细测试后封存于仓库中，有紧急任务时，能够以最快速度组合成一个整体，并只要进行简单的接口测试和功能检查；测试中发现有缺陷的模块直接移除，并用新的模块来替代，不会影响快速AIT 的测试进程。国内卫星可借鉴国外卫星的模块化设计思路，减小测试复杂度，缩短AIT时间。

（2）测试设备通用化：采用信号梳理箱的设计构架，通过梳理箱将来自星上设备不同种类、不同方向的信号整合成标准工业板卡所要求的形式，减少测试设备中定制板卡的种类和数量，这样，只须通过配置软件模块便可适应不同类型卫星控制系统的测试需求［6］。

（3）测试设备小型化：发展小型化的地球模拟器、太阳模拟器等测试设备，尽可能便于安装和使用，减少总装工作时间。目前，国内已有不少小型化模拟器用于测试，大大减少了测试复杂度和时间。

（4）测试自动化：目前测试系统的自动化和通用化已经成为卫星测试的发展方向［7-8］。国外的自动化测试发展比较成熟，国内目前已加大对自动化测试的重视程度。建议大力发展自动化测试，测试标准化及流程化；引入专家智能系统，能够自主分析测试结果并打印报告。

（5）总装工作自动化：总装工作在AIT 流程中占了很大比重，因此总装工作自动化也是加快流程的一个重要途径。例如：研究热控包覆和散热片的自动化制作方法，缩短总装工作时间；研发或引进三轴振动台，只要进行一次装卸即可完成三轴的振动试验；研发或引进综合质量特性测试台，只要一次装卸就可完成质心、三轴转动惯量及整星质量的测试。

（6）操作文件图形化：参考ORS快速AIT 演示试验的经验，总装操作步骤尽量图形化，配以精简的描述文字，更能提高效率。

（7）人员专业化：专人专职，责任明确。

4 结束语

本文调研了国外成功经验，提出了国内小卫星AIT 流程的简化方案，并探讨了其实现途径。未来，针对密集型任务的测试需求，如何在保证质量的前提下简化卫星的测试流程，将成为卫星测试的一个重要研究方向。与之相辅相成的是，应大力发展通用化、自动化、信息化、智能化的测试设备，建立起一套完善的测试技术新体系，提高测试效率。

（References）

［1］Wertz J，Larson W．Spacecraft mission analysis and design（SMAD）III［M］．Holland Amsterdam：Kluwer Academic Publisher，1999

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［3］Casola A，Castelmani F，Di Serio M．New objectives of vibration testing during intensive rate satellite productions［C］／／Proceedings of the 4th International Symposium on Environmental Testing for Space Programmes．Paris：ESA，2001：341-346

［4］Wendler B．Establishing minimum environmental test standards for space vehicles［C］／／Proceedings of the 21st Aerospace Testing Seminar．Washington D．C．：NASA，2003

［5］黄志澄．美国“太空快速响应”计划［J］．国际太空，2006（10）：14-17 Huang Zhicheng．USA ORS plan［J］．Space International，2006（10）：14-17（in Chinese）

［6］戴居峰，袁利，王跃．基于开放式结构的航天器控制系统测试技术研究［J］．空间控制技术与应用，2012，38（5）：34-37 Dai Jufeng，Yuan Li，Wang Yue．OSA-based testing technology of spacecraft control system ［J］．Aerospace Control and Application，2012，38（5）：34-37（in Chinese）

［7］黄小虎．卫星测试系统研究与应用［D］．上海：上海交通大学，2007 Huang Xiaohu．The research and application of satellite testing system［D］．Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2007（in Chinese）

［8］James Canoy．Improving electrical ground support equipment development for satellite testing［C］／／Proceedings of 2011IEEE Systems Readiness Technology Conference（AUTOTESTCON 2011）．New York：IEEE，2011：92-101