北斗导航全球组网卫星多星分布式智能综合测试系统设计与实现

杜 雪 张 军 曾繁彬 王亚宾 刘 静

中国科学院微小卫星创新研究院，上海201210

根据北斗三号系统建设总体规划，2020年前后，完成35颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。在发射高峰年，每年可能需要并行研制8-10颗卫星。在组网卫星进入批生产AIT(总装集成试验)阶段后，需要对构成卫星实体的单机、分系统以及整星的功能和性能进行全面的综合测试。卫星综合测试是北斗导航卫星批生产阶段检验卫星电气功能、性能指标，确保卫星工程品质的重要技术手段[1-3]。

然而，适合单星测试的地面综合测试系统[4]没有一个统一的任务规划调度系统，对于导航组网卫星研制所需的自动测试和故障诊断、海量数据查询等更缺乏必要的软硬件设备支持。这种设备现状已经无法满足导航组网卫星的批量化研制生产。具体差距如下：

1)总控设备同一时间只能支持单颗卫星测试;

2)测试自动化程度低。现有的测试设备基本依靠人工手动进行测试，测试方式落后，导致测试周期长，测试覆盖性不全，人为因素对测试结果影响较大，个别功能项只能以分析代替测试等问题;

3)缺乏测试设备集中监控。在系统工作过程中，需要在每个测试设备端进行监控，以避免软、硬件随时会发生的各种错误，因此需要投入大量的测试员，效率低且成本高;

4)测试报告难以自动生成。在当前测试中，一次测试完成后，测试报告的生成只能通过测试人员手动统计测试结果并撰写，难以对测试全过程进行全面的描述;

5)数据库性能有限。在长时间的测试过程中，需要存储大量的数据，因此，只有高性能的数据库才能满足数据对存储、检索和回放的要求。

以上这些问题对导航组网卫星的批生产[5]时间进度和成本开支都造成了极大的影响，已不能满足后续导航组网卫星研制进度的要求。因此需要研制新的智能化综合测试系统，降低测试人员的工作强度，提高测试效率，降低测试成本。

1 系统构成

导航组网卫星多星分布式智能综合测试系统由总控设备(OCOE)[6]和各分系统专用测试设备(SCOE)组成(如图1所示)。

图1 多星分布式智能综合测试系统构成图

1.1 总控设备(OCOE)

由主测试计算机MTP、操作控制台TCC、数据中心DMS、时间基准源、标准输出外设、监控显示计算机、局域网和系统测试软件等组成，主要负责完成综合测试的数据管理，辅助测试人员管理所有专用测试设备、自动化测试以及全生命周期的信息化管理。

1.2 专用测试设备(SCOE)

由各分系统测试计算机、专门研制的设备和通用仪器设备组成。网络环境连接总控设备和专用测试设备的测试计算机，通过标准的测试通讯协议实现设备间的数据通讯，从而形成统一指挥和调度的卫星电气综合测试体系。

1.2.1 综合测试有线控制前端

包括能源前端、星务前端、综合测试转接线路盒和低频电缆网，通过测试电缆建立综合测试系统与被测卫星之间的有线测试接口，完成卫星供配电、参数监测和指令控制(如图2所示)。

图2 综合测试有线控制前端设备组成框图

1.2.2 测控前端

由非相干数传综合基带、扩跳频综合基带、上下变频器、时频系统及码服务器等组成。实现测控信号的调制解调、遥测遥控数据接收及测距信号的生成与处理。

1.2.3 姿轨控前端

主要由星载计算机仿真机、星上单机仿真机、姿控动力学仿真机、信号调理单元、轨道仿真机、地面测试终端、供电设备、监视终端和数据库服务器组成。

1.2.4 Ka星间链路前端

由上行、下行信号测试子系统、卫星信息处理测试子系统和时频测试子系统组成。

1.2.5 RNSS载荷前端

包括上行、下行信号测试子系统、卫星信息处理测试子系统和时频测试子系统。

2 系统功能

导航组网卫星多星分布式智能综合测试系统功能如图3所示。

图3 多星分布式智能综合测试系统功能图

2.1 供电及供电检测

地面太阳电池阵模拟器和运载上面级供电模拟器(恒压源)供电，通过GPIB或网络接口实现对地面模拟电源的有线控制及参数监测。

2.2 任务规划与进度管理

满足多星并行测试需求，提供测试任务管理功能，实现从分系统测试到整星测试的各阶段测试过程的规范化管理。

2.3 用户管理与控制

对测试参与人员、测试设备等资源进行规划；专用测试设备SCOE的入网工作，首先要注册管理；OCOE可对参与测试的SCOE设备设置权限，进行动态监测。

2.4 配置管理与控制

包括遥控指令配置、ICD配置、测试界面配置、测试环境和设备网络结构配置。

2.5 测试管理与控制

2.5.1 地面时间基准

配备专用时间基准源，用于地面测试设备的时间统一以及对卫星平台的校时。

2.5.2 状态控制与参数监测

通过测控无线或地测有线通道以遥控指令形式对卫星施加供电、激励及控制信号，再经下行遥测检测、验证星上设备相应参数；对星上设备的各种参数按一定时间间隔进行监视，并按判据检测出状态变化参量；采集各SCOE的遥测数据，同时将采集到的遥测参数转发给姿轨控、测控及载荷等分系统前端机；通过网络端口以及相关协议实现对各SCOE的管理与控制。

2.5.3 测试过程管理

支持单星或多星的单条指令以及测试序列的发送。用户可以选择性地对某颗星发送单指令或自动执行指令序列。对整个测试系统的网络连接、硬件连接及软件运行的状况进行监控，确保测试系统的正常运行。

2.5.4 测试数据监测

不同数据通道的数据显示可通过监显软件界面灵活切换，实现卫星遥测数据监显。提供监显窗口分组管理。通过卫星遥测参数构建卫星运行的三维虚拟空间环境并由终端显示。

2.5.5 自动测试功能

实现测试细则的执行，包括指令下发、遥测数据采集及工程数据接收等测试任务。自动判读与自动测试相结合，具有基于专家经验的实时自动判读卫星工程遥测数据功能。根据自动判读结果，对测试状态、测试数据进行后处理，并自动生成测试报告。

2.5.6 故障模拟与诊断功能

尽可能的将历史测试经验数据都搜集到卫星知识库中；设置故障模式，测试验证卫星处理故障的能力，具备图形化建模能力；对非确定故障，采用推理机实现精确推理，降低系统误报率。

2.6 数据管理与控制

2.6.1 数据归档与回放功能

对测试过程中遥控指令发送记录、遥测原始记录、专用测试设备测试原始记录等按时间存入测试数据库中，以便事后离线回放。所有发出和接收命令的信息设备均有运行日志归档。对存储数据进行回放，根据存储的测试时间段来选择回放数据。

2.6.2 数据分析功能

可按测试数据、测试日志、操作日志、指令执行统计及卫星加电时间统计等查询，对查询数据进行分析，分析结果能够以列表或图表的形式进行分别显示。

2.6.3 数据挖掘功能

根据测试过程中出现的故障数据，以及故障注入测试的参数信息，使用相应的算法进行计算，对可能出现的故障及出现时间进行预测。

2.6.4 图像快视功能

在数据监视界面定义过程中，支持多种显示控件的调用，包括文本显示控件、表单显示控件、曲线显示控件及图形图像控件等内容。

3 智能测试设计

测试过程智能化是指对于整个测试任务，系统可根据时间安排及设备状况给出合理化的任务安排，自动化执行测试流程，智能分析故障情况。要实现测试过程智能化[7]，系统必须具有“学习”的能力，即具有获取知识、积累知识和改进知识的能力。因此，测试平台智能化的基础是实现多星测试自动化，包括实时数据自动判读监控、故障诊断和自动测试报告生成(如图4所示)。导航地面智能综合测试系统的智能化主要体现在以下几个方面。

3.1 测试任务规划与调度

根据任务自动生成测试细则、用例、指令序列，可以对指令序列修改编辑；对测试依据文件、测试仿真数据、测试计划调度、测试流程信息、接口关系以及数字签名等文件进行版本入库管理，实现对测试需求变更的追踪管理。

3.2 自动化测试

根据任务安排调用相对应的测试用例执行，自动执行指令和发送数据，自动判读和存储测试结果，最终自动化完成项目的执行和测试。

3.3 自动判读

预先定义判读规则模板，对判读规则进行管理，自动判读数据的理论值和临界值，给出超差结论，并能对判读结果生成的判读报告进行存储和导出。

图4 智能测试执行工作原理图

3.4 故障诊断报警

卫星测试过程中产生的海量特征数据蕴含了大量的故障信息，智能故障诊断软件的输入信息[8-10]有：采集和记录的故障信息、设备状态、执行状态和测试结果，以及自动判读标记的异常记录。依据有效算法分析训练测试数据，获得相应的训练模型；应用聚类、决策树等机器学习算法，对大数据进行知识挖掘[11-12]，获得与故障有关的诊断规则，通过加载诊断策略模型，实现测试结果的故障诊断，经分析、推理确定故障类型，为异常数据的处理和分析提供初步结论。在故障识别和定位的基础上对故障进行解释和评估，并提供处理决策。同时，对异常数据可以定义不同的报警等级，进行数据报警。

3.5 测试报告自动生成

根据测试结果和判读结果自动生成指定模板的测试报告，根据预期测试结果与故障诊断结论自动生成诊断报告，并给出初步诊断结论。

3.6 大数据存储和分析

卫星综合测试中产生多种类型、多种表现形式的数据，卫星综合测试数据库的建设过程是一个卫星数据不断积累，数据表现多样化的过程。通过建立统一的数据服务中心(如图5所示)，能够支持多星大数据的存储和处理。

图5 数据中心信息交互图

4 关键技术

4.1 多星并行分布式测试技术

多星分布式智能综合测试系统的并行多任务设计，主要体现在采用独立硬件接口、软件模块复用以及多任务处理架构3个方面。并行测试模式下，将测试任务与测试系统的测试工程相对应，通过多个测试工程加载不同的测试模型，连接不同的测试前端实现多任务的并行测试[13-16]，保证各测试任务的独立性，同时提供相应的接口满足多任务间数据交互的需求。采用分布式测试方案，各子操作台可以单独进行SCOE测试工作，同时通过主操作台也可实现对各子操作台的集中控制与管理，可以满足不同测试场景的需求。

4.2 海量测试数据管理分发技术

在导航批生产卫星研制过程中，通过整星功能性能级测试、大型试验、对接试验和发射场测试等综合测试，会产生海量数据。随着导航全球组网运行，除了处理在研卫星数据，还要比对可能高达10颗以上的在轨卫星数据。这些数据存储、检索和回放都对数据库的性能提出了较高的要求。总控OCOE提供了性能较强的数据处理能力，实现组网星海量数据存储和事后分析的功能。用户可以查询到测试中所有操作、命令和数据，详查每个过程的细节，并且可以复现任一时刻的系统状态。

4.3 测试标准化通用化技术

导航试验卫星地面综合测试系统有很多设备，各设备之间交换的信号类型众多、数量庞大且交联关系复杂。分系统的地检有些是标准仪器，有标准的对外开放接口；有些是专用设备接口，无对外接口或对外接口不标准，需要进行接口转换，统一到1个故障模拟和测试系统中。制定标准化的接口协议，OCOE和SCOE之间按统一标准协议进行通讯，符合协议规范的SCOE设备能够快速接入整个平台，以应对地面设备变化带来的整星研制进度风险。

5 结束语

智能化测试是未来卫星地面和在轨综合测试的发展方向，卫星智能测试是传统卫星测试与数据挖掘技术和人工智能的有机融合。北斗导航全球组网卫星多星分布式智能综合测试系统实现了批生产卫星并行测试，集中监控管理，性能较强的数据库可以实现数据存储和事后分析的功能，提升了测试过程中的自动化程度，减少了人员的投入，降低了生产测试成本，提高了测试的效率和完整性，有效支撑了北斗全球组网的建设。