星载相机地面电性能测试系统的设计与实现

张雅琳，杜以强，王淳，林喆，孙伟健

1. 北京空间机电研究所，北京 100094 2. 中国资源卫星应用中心，北京 100094

航天遥感探测广泛应用于民用与军事各个领域[1]，对光谱细分测量可以获取准确的测量数据，为气候预测与气候效应评估、农业、渔业、环境监测、矿产开发、军事侦察等提供科学依据。其中星载相机是航天遥感最重要的一种成像方式。星载相机一旦升空便无法对其进行维修，因此要求在卫星发射之前对相机各部分进行严格的测试。星载相机地面检测系统[2-4]是在卫星相机升空前对其进行可靠性和稳定性测试的重要系统，地面测试系统模拟卫星平台数管分系统、遥控分系统、供电分系统、遥测分系统等功能和接口，完成对光学相机的控制，并为星载相机进行性能测试、相机自检、相机问题排查及配合各种试验研制。

目前的航天遥感类地面测试文献着重于卫星整星测试或相机专检测试两个方面，而没有针对星载相机地面测试方法的论述。采用卫星整星的地面测试方法[5-6]并不合适，整星测试只着重测试星载相机的直接指令和直接遥测信号，而间接指令、间接遥测和辅助数据等信号量无法完全覆盖到；而采用相机专检设备的测试方法[7]也不合适，因为专检设备只是相机的一部分，同样不够全面。因此本文总结了星载相机地面测试的需求，提出了针对星载相机的电性能地面测试方案并实现了测试系统。

而且随着高轨、大口径等新型相机的研制任务增多，相机有了结构更复杂、载荷更多的新特性。这些新特性增加了相机的测试内容，在保证测试全面性、可靠性、安全性方面增加了难度。因此需要针对性的设计星载相机的地面测试系统和测试方法，以满足测试的新需求。

本文分析了星载相机的地面测试需求，开发了一套地面电性能测试系统，并针对新型星载相机全面性、可靠性、安全性的测试需求，设计了星载相机的地面测试方法。通过试验表明该系统实现了星载相机的地面测试，提高了工作效率。

1 测试系统方案

星载相机地面测试系统的测试原理是通过仿真与模拟卫星平台数管分系统、遥控分系统、供电分系统、遥测分系统等系统的功能和接口，以完成对星载相机的控制，并对相机的性能进行测试。星上地面测试系统总体功能需求如下：

1)供电功能。为相机控制器等相机载荷提供供电，并实时测试一次电源、二次电源的电压及电流，对超限异常电压报警。

2)控制功能。主要完成对被测星载相机的某项状态启动/停止、状态设置、状态切换控制、测控回路建立、测控通道选择、状态复位等，使星载相机处于某种工作状态或完成某项/系列动作。模拟整星对相机发送1553B总线指令，具有超限处理功能，并将指令名称、指令时间和指令内容进行存储。

3)状态遥测功能。实时采集模拟遥测量及1553B总线遥测量，能够解析、判读、显示并存储。对超限异常数据报警。

4)一次电源设备具有应急加断电控制功能和电流、电压保护功能，避免地面测试设备故障损坏星上其他设备。

因此地面测试系统包括一次电源、控制终端、电源模拟组建、星上数管模拟组件、星上GPS模拟组件几个模块。其中一次电源输入AC 220V，输出可调直流电压；控制终端由控制主机、显示器、键盘、鼠标等组成；星上电源模拟组建包括电源配电，配套电缆；星上数管模拟组建包括遥控指令模拟模块，遥测模拟接收模块，1553B总线BC端；星上GPS模拟组件则是模拟秒脉冲信号发送单元。

地面测试控制台与相机连接框图如图1所示。

图1 地面测试系统与相机连接框图Fig.1 The connection between ground testing system and camera

而针对地面测试系统上位机软件需要实现的功能则包括一次电源监控单元、直接指令控制单元、间接指令控制单元、指令发送监测单元、直接遥测监测单元、间接遥测监测单元、速变数据监测与通断控制单元、缓变数据监测与通断控制单元、GPS秒脉冲通断控制单元、各广播数据的监测与通断控制单元、指令和遥测数据存储检索单元、批指令编辑和发送单元、曲线绘制显示单元等。这些单元实现以下5个主要功能：

1)初始化功能。初始化为整个程序最初执行的部分，初始化程序设计主要包括软件初始化、读取配置文件、数据库连接、创建日志文件等。

2)遥控功能。遥控指令发送及数据注入用于模拟星务向星载相机发送遥控指令，基于星载相机相关遥控指令数据格式，提供用户可视化的指令选择平台。具备直接指令、间接指令、注入数据指令等指令的生成、发送、保存、查询等功能。支持单此发送、连续发送、轮询发送。

3)遥测功能。星载相机地面测试计算机以轮询的方式每隔一定时间向星载相机发送遥测数据请求命令，接收并实时显示星载相机的遥测数据，以测试星载相机的实时运行情况和各个参数的正确性。

4)辅助测试功能。主要针对星载相机地面测试的几个关键指标编写的测试模块，例如错误指令统计数据包、提供相机星上系统钟的时间广播数据包、提供地面测试系统计算机内存数据的内存下卸数据包等。

5)数据存储功能。星载相机地面测试系统的测试指令发送记录信息、接收的遥测原始数据和分包解析处理后的遥测参数，在程序运行过程中生成的数据文件、测试中产生的信息都由数据库功能模块来存储和管理。

地面测试系统上位机软件结构如图2所示。

图2 地面测试软件结构Fig.2 Ground testing software constructure

此外，与传统星载相机相比，高轨、大口径等新型相机的地面测试设计上具有以下特点。

(1)新型相机测试的全面性

新型相机成像系统的体制复杂程度与等效口径成正比，并且新型相机的力载荷、控温热载荷等载荷数量也远多于传统星载相机。这些特性增加了地面测试系统接口的种类，增加了相机的测试内容，因此需要针对测试内容多的特点进行全面性测试。

(2)新型相机测试的可靠性

因为新型相机载荷增多，测试数据量大对测试系统通信链路的可靠性有了更高的要求。针对测试的可靠性需求，设计了基于1553B总线的通信链路，并提出了冗余网络的切换系统设计方法，提高了总线通信的可靠性。同时高速大数据量存储容易引发数据库访问冲突的问题，需要对测试系统的存储功能进行针对性设计。

(3)新型相机测试的安全性

测试系统选用高可靠性的冗余型总线通信链路，但冗余型总线会在链路故障、消息发送失败等情况下自动跳转到备用通道，从而容易掩盖问题点，给相机带来安全性隐患。因此设计针对冗余链路的测试方法和错误注入的测试方法，提高新型相机测试的安全性。

2 测试系统与测试方法设计

2.1 针对全面性的新型相机测试系统设计

新型相机的测试接口种类增多，测试内容增多，在这个背景下为保证对星载相机进行全面性的测试，地面测试系统必须实现对所有接口进行模拟。

1)电源模拟模块。为了实现模拟卫星供电分系统为被测的星载相机系统提供电源，设计方式为上位机通过CAN总线向配电与开关指令模块发送配电指令，由处理器单元进行指令解析，通过控制相应的继电器通断实现配电，从而输出被测试相机所需要的各种形式的直流电源。电源模块采用具有监视各路电源的电压和电流的功能的设计，自动进行过压过流保护，确保被测对象的安全。整星为分系统提供主备分开的配电通路，主备通路可单独配电，也可联合配电。因此地面测试系统也设计为能够控制主备份的一次供电输入。

2)直接指令模拟模块。直接指令采用开关量的形式实现模拟。地检台向相机控制器提供两种输出线：一是遥控专用供电线，二是命令线。当命令作用时命令线与地面测试系统的地电位间呈低阻低电压状态。

3)直接遥测模拟模块。直接获取被测对象的参数设置情况、开关状态。例如星载相机的电源开关状态、相机调焦开关状态、相机增益设置状态等。设计为AN量参数的形式，AN量通道由两条线组成，一条称为信号线(高线)，另一条称为回线(低线)。接收端量取高线和低线之间的电位差。

4) GPS秒脉冲模拟模块。该模块为星载相机提供精确的时间、频率信息。测试时由地面测试系统发送，视频控制器为信号的接收端。信号采用RS422差分电压信号的形式实现，也分主备份两路。

5)1553B总线模拟模块。设计1553B总线通信链路和通信协议，从而实现星载相机通过1553B总线与地面测试系统(模拟卫星数管分系统)进行数据交换，接收数据型间接指令和轮询指令，并把打包好的相机遥测参数发往地检台。通过1553B总线可以实现间接遥控、间接遥测和辅助数据的测试功能。

2.2 针对可靠性的新型相机测试系统设计

新型相机的载荷增多，接口多同时测试内容增多同时测试数据也大量增多。因此需要选用吞吐量大同时可靠性高的1553B通信总线链路。同时利用1553B总线的双冗余通道的特性提高测试系统的可靠性。高速实时的数据存储还容易带来数据库存储访问冲突的问题，因此需要对设计库进行避免访问冲突的设计。

(1)总线选择

为了提高新型相机地面测试系统的可靠性，选择1553B总线作为通信总线。1553B总线具有1个BC和31个RT可实现1Mbit/s的高吞吐量通信。同时该总线广播式分布处理的模式可使远程终端的故障不会引起网络系统的失效，具有很好的可靠性。此外，1553B总线是主从式结构，其网络机构不存在争抢总线控制权的问题，数据传输和响应都具有确定的时间。因此该总线可保证星载相机测试高可靠性需求。

(2)冗余网络切换设计

1553B总线采用双冗余的总线结构，包括A、B两条总线，互为热备份。冗余总线的备份设计使得1553B总线在实际使用时更可靠。通过对1553B总线的BU-61580芯片的寄存器配置，来实现对冗余网络的切换策略。配置参数采用结构体指针形式，结构体参数定义如表1所示。

表1 寄存器参数

通过设置是否重试、重试次数、消息错误重试和状态字设置重试来解决链路上出现丢包、错包等问题时，确保通信链路的可持续性从而提高测试系统网络通信的可靠性。

(3)针对数据库访问冲突的设计

由于需要实时、大量地存储星载相机的测试数据，容易引起数据库Access写入冲突的问题。因此采用互斥体技术，互斥对象能够确保线程拥有单个资源的互斥访问权。在WaitForSingleObject函数里获取共享资源的使用权后，动态创建DAO智能指针_pConnectionPtr和_RecordsetPtr，从而保证避免访问冲突，提高了相机测试系统存储功能的可靠性。

2.3 针对安全性的新型相机测试系统设计

星载相机地面测试系统的一个重要意义就是查找相机设计的功能缺陷、性能漏洞，从而实现星载相机的安全性。因此地面测试系统通过针对冗余链路的测试方法和采用错误注入的测试方法来保证相机的安全性测试。

(1)针对冗余链路的测试方法

冗余总线的备份设计使得1553B总线在实际使用时更可靠，但在测试时却存在隐患，容易掩盖出问题的地方。因此在安全性测试时通过将重试功能和通道改变的功能全部关闭来实现。具体测试方法为将表1中的寄存器参数Retry_ENABLE、Retry_IF_MSGErr和Retry_IF_StatusSet设置为禁止消息重试，同时将AlterChan_On_Retry1和AlterChan_On_ Retry2设置为禁止改变通道。

(2)采用错误注入的测试方法

错误注入的测试方法通过主动注入错误数据来查找星载相机的功能、性能设计缺陷，提高星载相机的安全性。测试方法为根据1553B总线的协议，实时解析1553B的命令字，然后将错误数据替换原总线数据。具体实现方法为利用FPGA判断出消息的同步头位，再跟据采集数据的大小和持续时间来分析命令字的同步头，然后根据分析命令字按需求替换数据、改变数据传送方向等。

3 系统实现

3.1 硬件实现

星载相机的地面测试系统硬件设计关键技术是实现各模块中地面测试计算机与相机各组件之间通信的接口适配转换，其中地面测试计算机与1553B总线的通信及接口适配转换是核心功能之一。本地面测试系统的1553B总线数据通信电路由4部分组成：CPCI接口协议电路单元、现场可编程门阵列(FPGA)时序和逻辑电路单元、1553B总线通信电路单元、秒脉冲电路单元(产生秒脉冲信号，并以此触发1553B总线发送秒脉冲对应的时刻数据)，通信电路的结构如图3所示。

图3 通信电路的结构Fig.3 Block diagram of the communication board

CPCI接口电路单元采用的协议芯片为PCI9054[8-9](其配置芯片为NM93CS56)。CPCI与本地总线的数据传送速率高达132 Mbyte/s[10]。

FPGA时序和逻辑电路单元选择的芯片为EP1C3T144，该款芯片具有2910LE逻辑单元，13条M4KRAM(共6.5 Kbyte)，还有1个数字锁相环[11-12]。

1553B总线收发器选用HOLT公司的HI-1573，它能够实现信号在单极性曼彻斯特Ⅱ型码与双极性曼彻斯特Ⅱ型码之间的转换。1553B总线控制器选用BU-61580，实现了总线控制器(BC)，远程终端(RT)和监视器终端(MT)模式[13-14]。

3.2 软件实现

地面测试系统的上位机软件由基于MFC框架并采用多文档软件架构形式编程实现。软件框架如图4所示，以CMainFrame类为程序主躯干和神经枢纽，和各CDialog类建立的指令窗口、遥测窗口以及数据总线进行数据交换。指令类数据以指令数据格式进行通信，而总线接收到的遥测数据以多线程的结构进行接收，并以事件方式触发遥测界面线程，进行数据更新显示。而实时数据、历史数据则以CView类进行曲线绘制。数据库选用Access数据库。数据库访问技术采用数据访问对象DAO(Data Access Object)技术。

图4 地检上位机软件框架Fig.4 Host computer software framework

软件运行流程为：执行初始化操作，首先对相机进行上电操作。直接指令、间接指令等开关指令或需要输入参数的指令在界面上手动点击、输入设置后立即生效，通过总线传输到相关板卡，总线采集遥测数据后启动中断，并触发相关线程解析、显示数据到各界面。

4 系统功能验证

本文采用某高轨相机型号地面测试系统为例，测试流程为：

1)电源电压电流测量：电源输出设置为30.5 V、电子负载输入电流设置为2 A。点击管理器电源主备份、前后视二次电源箱主备份，测量电源输出电流，测量值见表2。由表2可知,地面测试系统的电源模拟模块可以很好地为星载相机提供电源。测量精度达到整星测试水平。

2)直接指令测试：测量继电器负载的负脉冲的幅值与信号脉宽。幅值均为29.3 V，信号脉宽均值80 ms。误差不大于0.001%。地面测试系统的直接指令可有效实现模拟控制功能。测量精度达到整星测试水平。

3)直接遥测测试：模拟量输入1为3.5 V，模拟量输入2为0.3 V。测试输出1为3.51 V，测试输出2为0.31 V。测量精度达到整星测试水平。

4)秒脉冲测试：打开地检设备GPS秒脉冲输出，用示波器测量M-M连接器的相关引脚。要求负脉冲宽度：1 ms±1 μs；脉冲周期：1 s±1 μs。测量的负脉冲宽度：0.999 8 ms，脉冲周期：999.999 8 ms。

5)总线测试：设置1553B测试仪，设置RT地址和子地址；地检设备发送软件指令，检查接收数据一致。间接遥测遥控测试如表3所示。

表2 电源电流测量

表3 间接遥测遥控

由表3可见，本文提出的测试系统间接测控可实现连续72 h零误码率的水平，实现了新型星载相机全面、可靠的地面测试，并对相机的安全性充分测试。

5 结束语

本文设计并实现一种星载相机的电学性能地面测试系统，同时根据高轨、大口径新型相机的特点，针对性地设计了测试系统和测试方法。设计的地面测试系统已在某高轨型号星载相机的研制中得到实际应用，并对星载相机的研制具有重要意义：1)针对高轨、大口径新型相机测试内容多、测试数据量大等特点，实现了对相机全面性、可靠性、安全性的地面测试。2)加速星载相机的研制速度。卫星平台与相机分系统很难一次保证对接的成功，利用地面测试设备无需等卫星平台与相机、相机各载荷全部研制成功再对接，可根据各系统研制周期进行地面测试，及时验证功能。地面检测系统能够使卫星平台相机、相机与相机上各载荷组装和对接的成功率大大提高。3)保证星载相机的研制质量。星载相机地面检测系统对相机的电性能进行了全面的检测，保证了星载相机的研制质量。