复杂空间光学载荷电接口性能仿真建模及测试方法

于思博，咸竞天，吴 瑾，郑家宁，张 宁

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033)

空间光学载荷在空间侦查、探测中起着至关重要的作用.空间光学载荷通常由多种类、多功能的电子设备及数据管理和通信系统组成［1-3］，为确保性能，空间光学载荷从研制到正式发射，通常需要经过电接口测试、桌面联试、电性测试、力学试验测试、热真空试验验证、电磁兼容性测试、发射场区技术测试等多次仿真测试［4-6］.空间光学载荷各分系统主要性能和功能的合理性，分系统的电接口正确性，以及分系统间合理协调及各计算机软件系统运行的正确性、可靠性等都需要进行测试.只有通过全面系统测试，充分暴露空间光学载荷设计和生产的工艺缺陷，发现设备及软件的缺陷，才能保障空间光学载荷达到设计要求的生命周期［7］.根据空间光学载荷研制流程，各分系统第1次对接测试为电接口测试，为保证空间光学载荷电接口信号的统一性，各成像单元虽功能不同，但大多采用相同的硬件接口和通信协议［8］.当空间光学载荷的成像单元数量较多时，直接使用真实的成像单元参与空间光学载荷电接口联试存在空间光学载荷主体与各成像单元之间接口不一致、通信协议错误等问题，且使联试时间变得十分漫长.因此，在空间光学载荷的电接口测试阶段，首先需要测试空间光学载荷主体电接口功能的完整性和鲁棒性.为此，本文提出采用仿真建模的方法模拟成像单元的电接口功能、性能，参与载荷主体的联网测试，模拟成像单元工作模式、功率，接收载荷主体的供电、命令和注入指令，返回遥测参数、科学图像数据，形成完整的闭环测试.本文建立的成像单元模型仿真测试设备利用仿真测试的方法对载荷主体电接口性能进行测试，不受硬件条件制约.通过对空间光学载荷主体与各成像单元之间的通信、图像数据交换功能、工作模式以及对应的功率进行建模仿真，实现对空间光学载荷电接口的完整闭环测试.

图1 空间光学载荷电接口测试原理Fig.1 Principle of space optical load electrical interface test

1 测试设备组成及测试原理

空间光学载荷电接口测试原理见图1.空间光学载荷测试系统由被测单元和成像单元仿真系统两部分组成.该系统通过后端模型仿真机箱模拟真实的后端设备电接口状态，并对空间光学载荷的电接口功能和通信链路进行测试.成像单元仿真系统通过对空间光学载荷发出的1553B数据和程控指令等进行解析［9-10］，控制各后端机箱的工作状态，并根据当前工作模式控制功率仿真装置的功率大小，模拟出真实后端设备接收到空间光学载荷指令时的工况.

成像单元模型仿真测试设备主要包括数据库服务器、主控台计算机、后端模型仿真计算机、功率模拟设备、图像模拟源等.主控台计算机中的软件部分由C#编写，该软件主要完成试验配置、存储ICD规则至数据库服务器、注入数据、向成像单元仿真计算机发布XML等功能;后端模型仿真单元通过NI机箱与Labview编程实现，解析XML中的内容，获得数据解析规则，完成数据的解析和传递［11］;功率模拟设备采用艾德克斯的可编程电子负载，该设备通过接收模型仿真计算机发送的指令，模拟不同工作模式下的后端模块功率［12-14］;图像模拟源通过计算机模拟生成图像数据并将图像发送给被测单元.空间光学载荷测试系统网络拓扑图见图2.

在空间光学载荷电接口测试过程中，通过发送1553B数据指令、图像数据等对空间光学载荷和各成像单元之间的通信、控制功能进行测试.通过主控台计算机注入数据、模型仿真数据解析规则存储和ICD管理，通过计算机对后端仿真系统解析出的参数进行判读，通过空间光学载荷地面检测设备中的快视系统对图像数据进行拼接和判读［15］.空间光学载荷主体联试流程见图3.

以成像单元端模块为例详述空间光学载荷测试原理.在测试开始之前，通过主控台软件将ICD规则存入数据库中，并通过发布XML的方式，将数据解析规则发布给各后端机箱;测试开始时，首先由主控台软件发送母线电源和主控箱上电指令，然后注入压缩存储上电指令，并将电源遥测状态字3的bit9置1，电源控制发送状态3的bit13置1.数据判读终端通过解析各参数的状态位判断当前状态，并给出判读结果，然后注入成像单元上电指令，电源遥测状态字1的bit1置1.完成成像单元上电动作，同时将电源控制发送状态1的bit15置1.成像单元仿真系统向功率模拟装置发送上电指令，控制其模拟成像单元上电时的功率值.通过数据判读终端显示当前电流、电压和功率模拟装置的功率值，并与参考值进行比较，完成对成像单元上电动作的判读.

注入数据控制压缩存储开始执行成像单元任务存储，并控制图像模拟源向压缩存储发送成像单元任务数据［16-18］，当压缩存储的文件计数值停止时，成像单元任务数据发送完毕.当注入下行通道打开指令时，压缩存储工作模式bit3置1，进入允许下行状态，再次注入成像单元数据下行指令后，快视服务器将接收到压缩存储经万兆网下行的成像单元数据.万兆网下行包计数从零开始递增，直至不再增长后，数据下行完毕.比较快视接收服务器的接收数据包计数与压缩存储下行数据包计数得到数据下行的判读结论，最后注入下行通道关闭指令，工作模式指示bit3置0，压缩存储下电，电源遥测状态字3的bit9置0，电源控制发送状态3的bit13置0，母线和主控下电，母线电压、电流为0.

图3 空间光学载荷主体联试流程Fig.3 Joint test process of space optical load main body

2 仿真试验及数据分析

测试空间光学载荷的电接口.通过模拟成像单元的电接口状态和通信链路，对空间光学载荷的电接口功能和各成像单元之间的数据交互功能进行完整测试.通过模拟成像单元工况和解析指令后返传的参数，对空间光学载荷测试数据进行判读，形成完整的测试闭环.测试过程中通过主控台软件按测试用例逐步注入测试指令，并判读注入结果.测试用例见表1.

表1 空间光学载荷成像单元电接口测试用例Tab.1 Test case of space optical load imaging unit electrical interface

2.1 数字遥测量数据、工程参数测试

在成像单元模型仿真入网测试过程中，成像单元仿真系统接收主控单元发来的数字遥测量和工程参数，通过实测值与预期值比对，验证电接口的正确性.成像单元仿真测试系统覆盖了各个成像单元的所有数字遥测量.测试成像单元模块数字遥测量数据见表2.

表2 成像单元数字遥测量数据Tab.2 Imaging unit digital telemetry data

2.2 模拟成像单元工作模式和功率测试

在成像单元模型仿真系统入网测试过程中，成像单元仿真计算机将主控单元发送的工作指令和消息进行解析，并为成像单元功率模拟装置设定相应的工作模式，同时按照协议规则控制功率模拟装置的电流大小，使功率模拟装置消耗相应功率.成像单元功率模拟装置采用艾德克斯IT8816可编程电子负载，最大电压120 V，最大电流240 A，最大功率3 000 W.成像单元功率模拟装置实现了成像单元全部工作模式的功率模拟，各模块工作模式及功率见表3.

表3 成像单元的工作模式及功率模拟Tab.3 Working mode and power simulation of the imaging unit

2.3 图像数据传输测试

快视解压缩服务器接收压缩存储下行的图像数据，并对数据进行解压，解压完成后将数据发送给快视图像监显终端，通过图像监显软件显示图像数据.成像单元模型仿真收到图像模拟源发送的图像数据指令时，图像模拟源将产生图像信息，并通过光纤将数据传送给压缩存储单元.由于图像数据巨大，压缩存储采用先压缩、再存储的方式，将压缩后的图像数据经万兆网发送至快视磁盘阵列中，随后解压缩服务器对磁盘阵列中的图像数据进行解压，使得图像模拟源发送的图像显示在快视监显终端界面上.为测试空间光学载荷图像下传接口的稳定性，对成像单元图像数据下行功能进行8 h压力测试，每轮测试时长1 h.图像快视系统接收的数据结果见表4.

表4 图像快视系统接收数据分析结果Tab.4 Analysis results of image quick view system receives data

3 结 论

为测试空间光学载荷电接口功能，同时避免因电接口不匹配、通信协议错误等问题损毁后端设备，设计了一种测试成像单元的通用仿真方法.通过对成像单元电接口、数据解析通信、功率模拟和图像数传功能的模拟和验证，完整地对空间光学载荷主体电接口性能和通信链路进行测试，保证了空间光学载荷电接口的鲁棒性，为后续试验时成像单元入网提供了安全保障.同时，空间光学载荷在作为成像单元测试设备时具有更高的可靠性.试验表明:本文设计的空间光学载荷主体电接口仿真测试方法有效地验证了其电接口功能，为真实的成像单元入网提供了安全保障;同时，8 h图像下传测试无误，证明空间光学载荷具有较强的鲁棒性.