资源一号02D卫星关键测试系统设计与实现

杨黎 高何 封硕 张田青 罗荣蒸 李勇

(中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)

资源一号02D卫星(又称为5米光学业务卫星)属于国务院批复的空基规划首批立项业务卫星，采取“一步正样”研制模式，卫星搭载可见近红外相机和高光谱相机，在保持中等分辨率、较大成像幅宽特点的基础上，进一步提高了谱段分辨率，能提供更为丰富的景物细节信息。

卫星的测试设计体现着测试水平的高低。以往遥感卫星的测试目标主要是完成各分系统的功能性能指标验证，整星级测试也是将各种在轨可能遇到的工作模式进行细化分解并进行独立验证[1-4]，相应设计的地面测试系统也是根据卫星的特点研制的专用测试系统，并不具备通用性。本文以资源一号02D卫星在轨飞行任务为总体测试目标，根据卫星发射及在轨运行的工作内容，将卫星飞行程序分为发射前阶段、发射阶段、状态建立阶段、在轨测试阶段和在轨应用阶段。针对不同阶段的任务特点设计了通用的测试验证系统，在一次整星级测试中充分模拟和串接在轨各种任务场景，能有效提高测试可信性和验证的完备性，为卫星发射任务的圆满成功提供了有力的支持。

1 关键测试系统设计与实现

资源一号02D卫星在轨飞行程序各个阶段的定义和描述如下。

(1)发射前阶段，从卫星加电开始进行发射前状态设置到运载火箭点火。

(2)发射阶段，从运载火箭一级点火开始到星箭分离完成。

(3)状态建立阶段，从星箭分离完成开始到入轨后卫星工作状态建立完成。在本阶段，卫星工作的主要内容包括：太阳翼火工品起爆、天线a/b火工品起爆、双频GPS导航系统开机引入控制、引入天线控制等试验。

(4)在轨测试阶段，卫星平台及有效载荷的工作状态建立后，根据卫星处于阳照或阴影、境内或境外的位置时序关系，由数管上注卫星各种延时自主任务，包括实传、记录、回放、快记慢放、定标等任务，卫星根据时序安排自动执行。

(5)在轨应用阶段，以有效载荷试验为主线，通过卫星有效载荷的各种工作模式，由地面获得想要的各种图像和数据产品。

根据以上飞行程序规定时序，设计测试序列时分解成典型飞行任务剖面序列，见图1。针对发射前阶段和发射阶段的任务，各分系统通过遥测遥控建立发射前状态，运载火箭点火后卫星保持状态并进行遥测监视，设计综合测试数据判读系统，解决卫星遥测自动化监视判读的难题；针对状态建立阶段的任务，设计智能模块化火工品测试系统，解决火工品控制电路测试过程的精确测试验证的难题；针对在轨测试阶段的任务，设计通用任务规划仿真推演系统，解决任务生成及时性和安全性的难题；针对在轨应用阶段的任务，设计通用化的有效载荷数据实时处理系统，解决高速并行实时数据处理、存储和自动判读的难题。下面对这4个系统分别进行介绍。

图1 典型飞行程序过程Fig.1 Typical flight program process

1.1 综合测试数据判读系统

针对资源一号02D卫星发射前阶段和发射阶段的测试验证任务，引入了自动化判读手段，结合卫星特点，建立相对完善的自动化测试判读专家知识库。综合测试数据判读系统能够依据专家经验知识对综合测试数据自动监测、自动判读，根据系统判读结果及时发现问题，辅助测试人员快速有效地完成地面测试，这对提高卫星的快速排故、稳定运行具有重要意义[5]。根据功能需求、网络环境、使用方式、性能要求等主要因素，综合测试数据判读系统由知识管理客户端、判读显示客户端、数据判读服务器、结论存储服务器4个模块组成，其网络拓扑结构如图2所示。

图2 综合测试数据判读系统网络拓扑结构Fig.2 Integrative testing data judgment system network topology structure

由图2可知，数据判读服务器部署在服务器端，以用户数据报协议(UDP)方式接收到主测试处理器(MTP)的广播数据，然后对接收到的数据进行推理判读，并把推理判读后的结果以UDP方式进行广播，结论存储服务器、判读显示客户端以UDP方式接收数据判读服务器广播出的数据进行存储和显示。知识管理客户端是系统的判读知识管理中心，实现参数判读和指令判读的知识编辑与管理。判读显示客户端是系统的判读结果显示监视中心，实现参数判读的异常信息监视显示、指令判读的所有信息的监视显示和历史判读数据的查询。数据判读服务器是系统的知识推理判读中心，实现参数判读和指令判读。结论存储服务器是系统的判读结论存储中心，实现参数判读的异常存储和指令判读的正常、异常存储。

资源一号02D卫星为“资源”系列卫星首次实施发射前3 h加电进行发射前状态设置，面对各分系统在发射前3 h至发射前2 h内进行快速构建整星发射前状态的新需求，并行执行各分系统发射前设置测试用例、地面集中校时、发射前5 min脱插脱落后进行遥控通道自检等发射场流程优化新状态，通过引入综合测试数据判读系统，在发射前阶段采用“指令遥测关联判读+遥测稳态判读”的组合判读方法，有效规避分系统间指令冲突的风险，缩短卫星40%以上的发射前状态设置时间，在发射阶段通过异步判读的方式提高遥测并行检测效率，能为卫星发射任务的圆满成功提供可靠的数据支撑。

1.2 智能模块化火工品测试系统

智能模块化火工品测试系统主要解决以下问题：传统火工品等效器无法精确测试火工品的起爆电流,不能实现对脉冲全过程的精确测量；无法测量星上蓄电池在发火瞬间大电流冲击时的电压瞬变特性，过程数据无法量化。其主要包括设置功能和采集功能。一方面，设备接收来自软件人机交互接口的设置指令和参数，根据设置指令和参数控制经过等效器电流的幅值及脉冲时间；另一方面，采集电路对加在电路两端的电压及回路中的电流幅值和脉冲时间进行采集，并将采集的数据及图形显示在设备的显示屏中[6]。基于上述功能需求，智能模块化火工品测试系统划分为定脉宽恒流模块、采集测量模块、控制模块和供电转换模块，其功能模块组成见图3。

注：SPI为串行外设接口。图3 智能模块化火工品测试系统组成Fig.3 Intelligent modular explosive initiator testing system composition

定脉宽恒流模块提供N路独立的定脉宽恒流电路，根据用户设置模拟火工品等效负载，控制恒流电路的通断控制，将发火电压、电流幅值和电流脉宽进行转换后输出。

采集测量模块向定脉宽恒流模块输出N路电压量，控制定脉宽恒流模块等效用户设置的负载电流。同时，采集测量模块采集以下内容：定脉宽恒流模块输出的N路等效负载电流经转换后输出的电压量，以及N路分压后输出的发火电压。

控制模块采用FPGA实现SPI接口，对采集模块进行控制；对定脉宽恒流模块的金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)继电器通断进行控制；对控制模块输入/输出的控制信号进行译码，将相应信息和指示信号上传到控制模块。

智能模块化火工品测试系统的工作流程原理为：火工品启动后，一旦光电耦合器检测到有效的启动电压便启动控制模块，控制模块测量负脉冲宽度并通过向定脉宽恒流模块输出低电平来闭合MOSFET继电器；同时，控制采集测量模块向定脉宽恒流模块输出相应的电压量，根据用户设置的负载电流启动火工品等效负载电路。通过电流-电压转换电路将模拟的负载电流转换为电压量，将火工品启动的发火电压输出到采集测量模块，采集测量模块通过对这2个采集量的模数转换实现对电流幅值和发火电压的测量。

在资源一号02D卫星火工品专项测试及整星模飞测试过程中，使用智能模块化火工品测试系统对星上火工品控制电路的正确性、安全性、可靠性进行了试验验证。

1.3 自主任务规划推演系统

针对早期在轨测试阶段自主任务规划功能的星地协同验证需求，结合大幅宽长时间普查成像、任务链执行过程中有效载荷开关机次数频繁、姿态连续侧摆要求高、由地面进行任务间动作优化设计等特点，设计自主任务规划推演系统，以满足上述验证应用需求。自主任务规划推演系统由上行仿真子系统和判读比对子系统两部分组成，如图4所示。

图4 自主任务规划推演系统模块组成Fig.4 Autonomous mission deducing system module composition

1.3.1 上行仿真子系统设计

上行仿真子系统内嵌资源一号02D卫星有效载荷任务序列指令生成模型，具备与卫星一致的有效载荷任务序列生成算法，通过接收上注的任务信息，提前在地面进行合法性判断、任务冲突检测及任务编排修订等算法流程验证。将任务信息展开为卫星可执行的指令序列，然后将任务信息，合法性、修订、展开仿真结果向判读比对子系统发送，等待判读比对子系统反馈。

1.3.2 判读比对子系统设计

判读比对子系统建立屏蔽规则及掩码配置，形成“知识库”，作为星地算法一致性的比对依据。对上行仿真子系统地面仿真结果进行判读比对，保障仿真结果输出的正确性；同时，对星上自主任务管理实时进行监控，保障卫星自主任务管理的正确运行。

判读比对子系统组成，如图5所示。其内核主管整个子系统的流程运行和逻辑控制。网络通信中间件能够根据需求快速建立各类常见的网络连接，并支持自定义通信协议、挂载回调方法。过滤器负责将MTP传来的原始数据进行第一层解析，分离地面信息和星上信息，并丢弃本系统不需要的数据。数据工厂将过滤器传给它的数据进行识别和转换，将数据格式化为数据段。存储服务中间件为业务数据操作层提供统一的底层数据操作方法，分离业务中数据的访问操作与数据存储方式，通过该中间件使不同数据存储方式之间的差异透明化，为业务层提供统一的操作方法。原子操作层用来实现最基本的数据操作方法，供业务逻辑层共享使用。业务逻辑层包含业务相关数据操作的实现，并对外提供业务服务接口。

注：RTS为实时数据服务器；XML为可扩展标记语言；MySQL为关系型数据库管理系统；TCP为传输控制协议。

1.3.3 测试业务流程

在资源一号02D卫星整星自主任务编排测试过程中，将测试各阶段生成的指令序列固化，共形成47类任务模式基础知识模板。测试人员首先选取任务基础模板并带入任务参数，形成基础任务信息。通过MTP将基础任务信息逐一发送至上行仿真子系统，系统调用指令仿真模型；上行仿真子系统接收基础任务信息后，根据任务修订算法进行指令生成，优化成像/回放时刻、侧摆角度及有效载荷开关机次数等任务信息参数，并向判读比对子系统发送任务信息。当全部任务均通过比对检测后，上行仿真子系统将比对通过的任务信息中的关键信息(包括起始时间、基准时间、结束时间、任务号等)保存至数据库。上行仿真子系统将比对通过的任务信息发送给卫星，卫星自主生成任务指令序列并执行，执行情况通过遥测反馈。当需要对星上自主生成的任务指令序列正确性进行确认时，由判读比对子系统进行自动判读，同时对各类任务信息包解析显示，由设计人员和测试人员确认；判读比对子系统将比对结果反馈至上行仿真子系统，比对不通过的任务由上行仿真子系统自主发出任务删除指令，以保障卫星任务执行的安全性。以表1为例，系统自动生成资源一号02D卫星在100 h可靠性增长试验期间的任务编排优化结果，最终实现批量上注长时段有效载荷任务。

表1 自主任务编排示例Table 1 Autonomous mission arrange example

1.4 有效载荷数据实时处理系统

针对在轨应用阶段的有效载荷处理测试验证需求，结合资源一号02D卫星的有效载荷工作模式，主要包括图像实传模式、快记慢放传输模式、成像记录模式、成像回放模式、服务系统数据传输模式、偏航定标模式等，面对2台相机同时成像工作、数传分系统2×450 Mbit/s双通道高速并行数据下传、基带处理全过程各级数据的自动判读、快视图像花块噪点的全幅面自动判读检测的测试需求和难题，设计了通用化的有效载荷数据实时处理系统，见图6。

有效载荷数据实时处理系统工作流程(见图7)为：数传分系统将相机数据进行复接后，按照空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的标准格式进行高级在轨系统(AOS)格式编排，格式编排后的数据送到数传通道进行传输或送固态存储器进行记录。根据不同的工作模式，在需要传输原始观测量数据时，数传分系统接收存储与处理单元输出的原始观测量数据，并按照CCSDS的标准格式进行AOS格式编排，格式编排后的数据送到数传通道进行传输。地面收到数传射频信号后，经功率衰减、变频、解调后传输至基带处理系统，进行数据反演处理[7]。

有效载荷数据实时处理系统中的系统管理模块用于控制、监视与系统管理模块在同一局域网内的所有设备，可以对系统进行全面的自检，保证系统工作的有效性，包括UTM、PSM和DTM。基带处理模块用于解码、去格式、解压缩、业务数据处理和各级数据的自动化判读，最终将基带处理后的数据通过DTM送入网络传输模块，供快视模块进行显示处理，数据判读信息上报给UTM。存储模块用于处理流程各阶段的数据存储，可根据需要对各级数据进行回查和分析，存储容量可扩展。快视模块从网络传输模块获取基带处理模块的数据并进行存储，完成对卫星服务系统数据、图像数据和辅助数据的工程值计算、高速格式化显示和数据判读。网络传输模块用于数据的高速交换和系统管理信息的监控。

有效载荷数据实时处理系统中的各个模块均可扩展，其中基带处理模块、存储模块、快视模块、网络传输模块可以根据任务需要部署多个节点，利用PSM资源调度功能分配硬件资源，完成资源一号02D卫星的数据存储、处理、分析、判读、显示任务。在卫星实际测试应用时，基带处理模块配置了10台高性能刀片服务器计算节点，存储模块配置了50 Tbyte的盘阵容量；快视模块配置了2台快视终端；网络传输模块配置了2台万兆交换机和1台千兆交换机，功能和性能满足数传分系统双通道高速并行可见近红外相机图像数据和高光谱相机图像数据下传的测试需求。

注：UTM为用户终端管理；PSM为平台服务管理；DTM为业务终端管理。

图7 有效载荷数据实时处理系统工作流程Fig.7 Payload data real-time processing system processing flow

有效载荷数据实时处理系统的工作过程为：基带处理模块从存储模块中获取解调后的原始数据，通过2个解码节点进行帧同步、解扰、低密度奇偶校验码(LDPC)译码、循环冗余校验码(CRC)校验等处理生成AOS帧格式数据，将解码后的数据通过DTM送入网络传输模块，数据判读信息上报给UTM。解码节点中的LDPC译码和CRC校验能对原始数据中的误码进行识别和剔除，恢复成正常的数据。2个去格式节点从网络传输模块获取解码后数据并进行存储，同时完成解AOS格式、分路和数据判读，恢复成9路虚拟信道完整的数据，将去格式后的数据通过DTM送入网络传输模块，数据判读信息上报给UTM。8个解压缩节点从网络传输模块获取各虚拟信道的完整数据并进行存储，对去格式后的多路数据并行完成解压缩处理和数据判读，将解压缩后的数据通过DTM送入网络传输模块，数据判读信息上报给UTM。2个业务数据处理节点从网络传输模块获取解压缩后的数据并进行存储，进行图像抽点输出、辅助数据提取等处理和数据判读，将处理后的数据通过DTM送入网络传输模块，数据判读信息上报给UTM。最终，2台快视终端从网络传输模块获取图像数据和服务数据，进行高速格式化显示和数据判读。

2 创新性分析

本文设计的面向飞行任务的关键测试系统，技术创新有以下几点。

(1)相比以往遥感卫星以分系统功能性能测试验证为主，测试流程反复、测试有效性不足的问题，资源一号02D卫星以卫星在轨飞行任务为总体测试目标，结合飞行程序规定时序，形成了典型飞行任务剖面序列。以面向任务为目标的测试方案，针对飞行程序中的每个任务阶段研制通用的测试系统，一次测试就能充分模拟在轨各种任务场景，不仅提高了测试的有效性，同时保证了复杂系统逻辑验证覆盖的完备性，为在轨飞行零故障提供了有力支持，具备推广价值。

(2)使用火工品等效器和通用数字示波器的传统测试系统，只能检查通路的对应关系，无法评估火工品信号相关指标的缺陷。资源一号02D卫星采用的智能模块化火工品测试系统，在发火试验时对火工品的起爆电流、起爆电压脉宽及系统间是否产生干扰进行测试验证，实现了对火工品控制电路测试过程的精确测试验证。该系统软硬件相结合的设计思路，具备远程监视操作功能，通过合理划分各模块，便于故障定位与隔离。另外，模块参数可调，能够灵活配置输入参数。系统等效模块具有可扩展性，集成度高，能实现不同卫星的通用性测试应用。

(3)自主任务规划推演系统可以快速准确地完成卫星自主任务推演工作，还能够提供丰富的诊断信息，辅助设计人员快速定位错误点及分析错误原因。另外，该系统在设计时充分考虑了资源一号02D卫星自主任务管理的相关功能特点，任务上注仿真验证时间小于2 s，上注方式由单任务转变为动作优化后的批量任务，有效支撑了卫星热试验、运控对接等长期考核模式，满足卫星自主任务功能验证需求，具有批量检测、高效运行等应用特点。

(4)以往遥感卫星研制的通用数据处理系统，基带处理是通过共享存储系统进行前后级数据的读写，网络传输存在速率处理瓶颈[8-10]，数据判读自动化欠缺且不充分，硬件资源无法统筹共享。资源一号02D卫星设计的有效载荷数据实时处理系统，同时具备数据处理、显示、判读、分析、存储、订阅6个方面的能力，前后级数据的处理通过万兆网络直连，进一步提高了处理性能。依托各处理节点开发的数据判读功能，实现了基带处理全过程的数据自动化判读，全面提升了卫星有效载荷数据判读的效率和质量。通过系统资源调度功能，实现多星共用一套硬件处理资源，这将在高分辨率批产遥感卫星系统级测试中有广阔的应用前景。

3 结束语

本文以资源一号02D卫星在轨飞行任务为总体测试目标，结合飞行程序规定时序，形成了典型飞行任务剖面序列。针对每个典型飞行任务特点，设计并研制了通用化的地面关键测试系统，即发射前阶段和发射阶段设计了综合测试数据判读系统，状态建立阶段设计了智能模块化火工品测试系统，在轨测试阶段设计了通用自主任务规划推演系统，在轨应用阶段设计了通用载荷数据实时处理系统。以上4个系统能充分模拟在轨各种任务场景，有效保证复杂系统逻辑验证覆盖的完备性。关键测试系统在资源一号02D卫星系统级测试中应用，完全满足卫星的测试需求，可推广应用到其他高、中、低轨遥感卫星的综合测试任务中。