航天器综合测试技术发展与展望

王华茂

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

航天器综合测试技术是一项具有总体属性的专业技术；是在航天器总装集成和环境试验过程中，依据激励-响应测试基本原理，运用“实物+仿真”测试方法和手段，获取被测航天器定性、定量信息，并进行处理和评定的技术；是对航天器接口、功能、性能指标，正常模式、故障模式、模拟飞行，系统间及大系统兼容性等进行全面测试验证和诊断评估的技术[1]。航天领域的科学理论研究和现代装备的成功试验和定型，都需要先进的测试技术的支持，测试所获取的定性或定量的信息是科学研究、改进设计及试验分析的依据。航天器综合测试是航天器研制过程中重要的组成部分，并与航天器系统的设计、制造和系统集成构成一个完整的研制链条，是航天器系统研制的最后的重要环节，是评价航天器研制质量的重要依据，是确保航天器发射成功、在轨稳定运行的重要保证[2]。自我国第1颗人造地球卫星研制起，航天器综合测试有力地支持和保障了通信、遥感、导航、载人航天、深空探测、科学试验等各类航天器的研制和发射；形成了涵括总控、供配电、测控、数管、热控、综合电子、控制、有效载荷等分系统完整的综合测试专业体系；具备测试任务分析、测试方案设计、测试系统研制、测试用例设计、测试实施和测试分析评估等全流程的综合测试能力。面对正在或即将开展的空间站建设、月球基地、月球着陆巡视探测、载人登月及火星着陆巡视探测、小行星探测等航天任务，航天器综合测试也将迎来重大发展机遇和前所未有的挑战。

1 航天器综合测试技术体系架构

测量或测试是依据激励-响应测试基本原理，获得反映事物物理属性信息的过程。对一个系统进行测试的过程，实际上是为了获取表征被测试系统特性的信息的过程。航天器产品的实物测试验证，同样是对产品施加各种形式的外部激励，包括机、电、热、压、磁等，获取产品产生的响应，根据判别准则判定航天器产品设计的正确性，或发现产品存在的故障和隐患。航天器综合测试技术体系架构，如图1所示。

注：OCOE为总控测试设备；MTP为主测试计算机；RTS为实时数据服务器；SCOE为分系统专用测试设备。图1 航天器综合测试技术体系架构Fig.1 Spacecraft comprehensive testing technology architecture

虽然实物测试验证方法能够解决目前航天器产品设计的测试验证的大部分问题；但仍有很多实物测试没有办法在地面完成，如在轨环境下的失重、真空、起爆、伸展等。因此，只能通过重力卸载、抽真空等手段模拟在轨环境进行有限的测试验证，但实物测试验证方法在遇到在轨姿态和轨道控制的测试验证时就无法应用了。在航天器测试中，通过实物、半实物、仿真模型，如姿态和轨道的动力学仿真，很好地解决了仅仅靠实物测试无法实现的难题。航天器综合测试研制技术流程，如图2所示。

图2 航天器综合测试研制技术流程Fig.2 Spacecraft comprehensive testing development technology process

在奠定了“实物+仿真”的测试验证方法的基础上，以“遥控遥测”作为整器测试激励-响应手段，通过基于自动化测试序列的测试用例设计，实现航天器软硬件的功能类的测试；以物理信号作为整器测试激励-响应手段，通过基于板卡驱动的测试插件的自动化测试用例设计，实现航天器软硬件的性能指标类的测试。上述设计实现了基于“测试序列+驱动程序”的自动测试，并在此后尝试基于“专家知识+人工智能”的智能测试，以及探索基于全数字模型的数字测试。

我国航天器综合测试技术，经过了50多年的发展历程。从我国首颗卫星东方红一号手动操作和人工判读的测试开始，到20世纪80年代末，在学习引进ESA自动化测试技术的基础上，跟踪ESA和NASA航天器测试技术发展，形成了今天覆盖各类航天器测试需求、专业齐全、批产的全流程综合测试技术体系架构和研制技术流程[3]。

2 航天器综合测试设计与实施

测试一般处于产品研制流程的末端，被动地对已完成设计和生产的产品来开展。在产品设计阶段，重点考虑的是功能、性能的实现，往往忽视产品设计的可测试性或进行测试性设计。事实上，测试与被测试产品的设计密不可分。对复杂系统的测试，需要从被测试产品的设计入手，在研制初期就综合考虑测试和诊断问题，使被测试产品的设计为测试、诊断提供便利，同时具备一定的自测试和自诊断能力，即可测试性要求。

2.1 测试性设计研究

航天器结构和功能复杂度、集成度的提高，带来了测试覆盖不充分、故障检测不完全、故障隔离不到位等问题，给航天器的发射和在轨运行留下了可靠性、安全性隐患，也降低了系统效能和研制效率。测试性代表方便测试和故障处理的能力，是指产品能及时、准确地确定其状态并隔离其内部故障的一种设计特性。

系统的测试性要求要与可靠性、维修性、保障性、安全性等相关特性及资源相协调，保证与任务需求、使用要求、维修保障策略一致，并满足可靠性、维修性、保障性、安全性工作的有关输入要求，结合进行，减少重复，降低寿命周期费用。为此，系统应当满足测试性的定量和定性要求。

当前，国内外虽然出台了很多相关的标准规范对测试性设计进行了规定，但仍然停留在定性要求的层面，没能给出具体的定量的设计方法，也没有成熟的工具手段。要提出测试性定量设计要求，首先要解决的是，如何把系统设计指标分解转化为测试性设计指标，然后对系统设计进行测试性建模，得出模型的初步测试性指标值，最后根据测试性设计指标与模型指标的差异，对模型进行迭代和优化。这里的模型就是满足测试性设计指标的系统设计模型。通过定量的系统设计指标，借助测试性设计工具，从初始模型逐步得出优化的系统设计模型。测试性设计工作流程，重点围绕测试性设计定量指标(故障检测率、隔离率、检测时间、隔离时间和虚警率等)展开。

(1)测试性设计面向测试，其指标要求的输入来源于系统可用度、可靠度、最优化设计等影响因素，通过对系统测试过程的确定与随机Petri网(DSPN)建模分析，以及对模型的数学求解，确定测试性指标输入输出函数关系式，并最终得出测试性指标的输出值。

(2)根据器地大回路的激励-响应测试原理，基于多信号流图建模方法，利用测试性工程和维修系统(TEAMS)软件建立具备通用性的航天器系统级测试性模型。从系统级出发，以航天器多层次功能结构为框架，按照功能和信息流，逐级向下确定各级功能模块的供电、信息及故障传播关系。

(3)利用测试性分析对设计进行量化评估，反映系统测试性设计的质量。测试性分析包括测试性概况报告、故障诊断状况、冗余测试项目等几部分工作，需要综合各项结果对系统进行评估，并由TEAMS给出测试性量化评估报告。

(4)为使系统级测试性分析结果满足测试性指标要求，需要对测试性初始模型进行优化。根据测试性初步分析，测点设计、故障隔离开关设计和自测试(BIT)设计为主要优化方向，并使得最终设计模型满足测试性指标要求[4]。

在航天器复杂光、机、电设备的测试性设计上，故障码设计和菊花链设计是典型范例。

2.2 航天器测试原理

2.2.1 系统测试研究的两类科学问题

系统测试研究包括两类科学问题。一类是通过给被测试对象一系列输入(或称激励)Xi和测量相应的一系列输出(或称响应)Yi，通过输入和输出之间关系的分析和处理，求出变换函数F，从而得出Yi=F(Xi)。这类测试是为了获取系统的数学模型或系统特性。另一类是系统的数学模型或系统特性已知，通过对输入和输出特性的分析，检查和确认系统是否达到了要求，系统中是否存在故障。这类测试是对系统的功能和性能测试检查和确认，以及判断系统是否有故障的过程。航天器综合测试一般侧重的是第二类科学问题。

2.2.2 测试基本原理

测试的基本原理即激励-响应基本原理，是通过上行链路对被测对象进行控制和激励，通过下行链路对其响应情况进行采集和判断。对于航天器测试来说，模拟航天器在轨经历的环境激励必不可少。

2.2.3 测试建模

建模就是通过抽象、理想化、简化和类比等方法形成仿真模型的过程。一个设计的成功与否，取决于物理系统是否正确地被描述。物理系统可以用它的仿真模型正确地描述。除被测对象航天器模型外，通常还需要建立两类模型：测试系统模型和测试模型。①测试系统模型：理想模型为时不变、线性系统；实际测试系统模型为时变、非线性系统，且存在系统干扰。②测试模型：由航天器模型和测试系统模型组成。由于被测对象航天器的数学模型已知，根据激励-响应测试原理，通过测试系统模型，提供输入激励，取得输出响应，再根据相应判据，最终获得测试结果。

2.3 航天器测试方案设计

2.3.1 测试验证基本策略

测试验证的基本策略包括：①遵循先进行“通过/不通过”(GO/NOGO)链测试，再进一步做故障寻迹或诊断性测试的原则。②由上至下方法(Start-Top)，也称降级法，把被测试对象分为几个大的部分(A，B，C等)。对A进行测试，若A通过，则测试B；若B通过，则测试C；直到各部分测试都通过。③由下至上方法(Start-Down)，也称为升级法或滚雪球法。从被测试对象的最小可测试部分T1开始进行测试。若T1通过了测试，则把被测试对象的另一小部分T2加上去，同T1一起进行测试；直到整个系统通过测试为止。④混合方法，也称重新划分法。对被测对象的某一部分(由A和B组成)做测试T1，然后再对另一部分(由B和C组成)做测试T2。2次测试的部分有一部分是公共部分B，不同的部分是A和C。测试T1包含了A和B，测试T2包含了B和C。综合运用上述策略，进行逻辑推理，就能最终进行故障定位。

2.3.2 航天器测试总体设计

航天器系统的功能性能验证通过电性能测试来完成，一般分为总装测试、试验测试和发射场测试3个阶段。具体为：①总装测试是航天器总装过程的测试，根据航天器的总装状态的不同，分为A，B，C，D等电测状态。②试验测试包括航天器模拟电磁兼容性(EMC)、力学、热真空、在轨运行等空间环境的电性能测试。③发射场测试包括航天器再总装测试、与运载和发射场系统联合测试、发射前设置等测试工作。

航天器系统的功能性能测试验证安排在4个层级完成。①单机、分系统交付整器总装集成后，通过地面测试系统模拟整器供电，建立上行、下行信息通道和测试环路，在整器环境下开始接口匹配测试和功能性能测试。②分系统级测试，即主要测试整器的组成分系统，如供配电分系统、测控分系统、数管分系统、热控分系统、控制分系统、有效载荷分系统。③系统级测试，主要包括系统级功能和主要技术指标、正常工作模式、故障工作模式、冗余设计项目的测试，以及系统联试、模式测试、模飞测试，大系统测控对接测试、运控对接测试，以及专项试验测试等。④环境适应性试验测试，包括地面运输环境、发射环境、空间环境、磁环境等的试验测试。

2.3.3 器地测试系统

为了实现上述测试需求，需要设计、研制电气地面支持设备(EGSE)，构建器地测试系统，如图3所示。EGSE各部分主要功能如下。①OCOE：测试数据库准备、测试过程管理、数据处理、数据归档和事后离线回放处理。它包括MTP、遥测前端设备(TMFEE)、遥控前端设备(TCFEE)、测试控制台(TCC)，其中MTP是OCOE的核心。②SCOE：完成自身分系统测试，在系统级测试时，在MTP管理下完成相关的测试和信号激励。③局域网(LAN)：用以太网(TCP/IP)协议，通过局域网互联，构成完整的EGSE。④数据库(Database)：测试过程的记录和历史数据、事件查询。

作为EGSE核心软件的MTP软件，通常采用前后台作业分开的方式开发。前台软件也称作实时处理软件，负责测试软件的执行；后台软件负责被处理参数的属性定义。前台、后台软件通过测试数据库接口，后台软件定义和修改数据库，前台软件使用测试数据库。两者之间的关系如图4所示。

注：PSS为供配电分系统；AOCS为姿态轨道控制分系统；TM/TC为遥测/遥控。图3 器地测试系统的基本组成Fig.3 Basic components of spacecraft-ground testing system

2.3.4 测试环路设计

航天器系统级测试是由2个基本测试环路来实现的。①遥控/遥测(TC/TM)数据测试环路。这个环路同航天器在轨运行时的测控环路相似。在MTP控制下，TC前端设备产生遥控指令通过上行链路发送给航天器，对应分系统设备接收指令后产生相应的响应，并反映在相关遥测参数的变化上。TM前端设备通过遥测下行链路接收航天器遥测信号，经过解调后将数据送往MTP作处理比对，作出正确性判断，TC和TM的链路可以是射频(RF)或是通过传输线的视频接口。②信号激励/响应测试环路。在MTP控制下，分系统SCOE产生的上行激励信号经传感器或测试专用接口传送到航天器分系统。激励信号引起的分系统响应也反映在相关遥测参数的变化上，这些参数也是经过遥测下行链路，经过MTP把数据转送给SCOE计算机，进行监视，SCOE也可以把非遥测数据返回给OCOE，在OCOE中被监视。

2.4 航天器测试详细设计

在完成航天器测试方案设计后，要进行测试方案的详细设计，包括测试系统设计、测试文档设计、测试方法用例设计、测试判读设计等内容。这里重点介绍测试用例设计、遥测数据处理方法和测试判读方法。

2.4.1 测试用例设计

测试用例设计的依据是测试方法标准规范、用例设计规范和用例设计方法。测试用例需要覆盖航天器单机、分系统、系统和大系统等各个层级，以及从初样、正样、环境试验到发射等各个阶段的所有电测项目的测试原理，以及测试方法的设计需求和实现。测试方法标准规范为：根据测试项目，选择相关测试原理和测试方法，依据相应测试方法的标准规范，具体化测试用例设计。用例设计方法一般包括状态图分析法、等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、因果图法、正交表分析法和任务场景分析法等[5]。

2.4.2 遥测数据处理方法

遥测数据处理通常是以一个遥测帧为周期，一个完整的帧结束使处理程序被启动，把一帧结束做为“帧事件”。程序根据数据表定义的属性，逐一对数据进行处理，直到这一帧的所有数据处理完毕，再等待下一个帧事件的到来。遥测数据处理是按照流程来驱动数据表、启动帧事件，数据处理过程中要多次访问数据表。对于空间数据系统咨询委员会(CCSDS)包遥测，需要先进行源包的缓存与拼接预处理，再按照上述帧遥测数据处理方式对包遥测进行处理。

2.4.3 测试数据判读方法

测试数据判读一般包括实时数据判读和历史(离线)数据判读。①实时数据判读。对于某个参数P来说，其期望值V与当前下行遥测P、控制指令C、飞行事件E及当前时刻T之间的关系是确定的，可以表示成函数V=f(P,C,E,T)。那么，有关参数P的数据判读过程，也就是在相应条件下，计算函数V=f(P,C,E,T)的值是否与设计指标相符的过程。②历史(离线)数据判读。它是一种离线、时间跨度较长、针对数据历史趋势、同时结合不同数据间相关性、包括数据分类和提取、基于知识过程分析和利用统计学方法比对的技术[6]。其按流程可以大体划分为数据分类、数据提取、相关性分析、一致性比对分析、结合知识的过程分析5个模块。

2.5 航天器测试故障诊断

在航天器研制和在轨运行过程中，出现故障后，首先要对故障进行定位。一般步骤为：先地面后器上，先系统后部件，从大到小、从易到难、逐步缩小检查范围，直至定位故障部位为止。然后，要对故障进行诊断。只有准确地找出故障原因，才能进行故障对策研究。有许多因素都能引起故障，故障的表现形式也是多种多样，故障处理和诊断的方法也各不相同[7-8]。通常使用故障仿真的方法进行故障定位、诊断和验证。①分析讨论故障的各种可能原因；②应用故障仿真方法对可能原因进行仿真试验，对故障进行诊断定位；③讨论此故障的对策；④应用故障仿真方法对此对策进行仿真试验，验证对策有效性；⑤发出相应遥控指令，执行故障对策。

故障仿真可以通过3种方式进行：数学仿真、半物理仿真和全物理仿真。

(1)数学仿真。对于不同轨道的航天器，以其轨道动力学的数学模型为基础，进行在轨航天器轨道和姿态设计的测试验证或故障排查，包括正常模式仿真、故障模式仿真及故障对策仿真等。其重点是建立和不断完善航天器模型库，包括故障模型。数学仿真方法是最基础的方法，对硬件的要求最简单，有合适的计算机即可以进行数学仿真。在具有比较精确的数学模型情况下，数学仿真可以得到较满意的结果。

(2)半物理仿真。一般在进行飞行程序、复杂逻辑、并发性、实时性等设计的测试验证或故障排查时，航天器上计算机用实物，其余用数学模型。由于航天器上计算机的行为十分复杂，很难用精确的数学模型去表达，若用纯数学仿真方法很难有满意的结果。其余部件不用实物，而用数学模型后，有利于故障模式的实现。

(3)全物理仿真。仿真试验中应用模拟器设备，如气浮台、重力卸载架、振动台、真空罐、微波暗室等，模拟航天器工作环境状态，将整个航天器或部分航天器设备实物接入仿真试验回路，进行航天器设计的测试验证或故障排查。该方法仿真逼真度最高，仿真试验系统也最复杂。

3 航天器综合测试技术展望

随着航天技术空前的发展，航天器测试技术取得了长足进步。ESA的自动化系统正经历着从传统自动化系统(SCOS-2000)向以公共核(EGS-CC)为代表的新型自动化系统的转型。NASA的任务服务评估(GMSEC)系统定义了一套开放的框架和协议，采用基于消息的中间件结构整合商业软件和开源软件，以消息服务的形式支持、兼容现有在轨控制和地面测试，并开展了基于模型测试(MBT)技术的研究应用。

跟踪测试需求和测试技术发展趋势，对标EGS-CC和GMSEC等测试技术发展成果，在奠定了激励-响应基本测试原理，以及“实物+仿真”的测试验证基本方法的基础上，航天器综合测试技术的发展，也越来越明确和聚集在基于“实物航天器+数字航天器”的自动测试、智能测试、数字测试等测试技术上，如图5所示。

图5 基于“实物航天器+数字航天器”的测试技术Fig.5 Testing technology based on “physical spacecraft + digital spacecraft”

基于以上所述，建立航天器数字化测试技术体系架构，按照基于模型的系统工程(MBSE)设计思想，开展航天器系统级、分系统级、单机级测试建模，建立被测航天器实物模型的数字孪生体，搭建航天器数字模型及其测试验证平台和环境，形成复杂航天器数字化测试验证及故障诊断能力，是解决问题的关键。在航天器数字模型的建模过程中，必须逐级进行航天器实物模型与航天器数字模型的对照验证，以确保数字模型的准确性。在完成航天器数字模型建模后，即可开展基于“实物航天器+数字航天器”的自动测试、智能测试、数字测试[9-12]。航天器数字化测试技术体系架构，如图6所示。

图6 航天器数字化测试技术体系架构Fig.6 Spacecraft digital testing technology architecture

1)航天器自动测试

通过统一的航天器测试语言编写测试序列，自动执行测试序列，并对指令及数据进行判读，实现自动化测试。但是，存在两点局限性：发指令-判遥测的“简单自动化”；全测试业务中“局部自动化”。

全测试业务自动化测试系统体系架构为：面向“实物航天器+数字航天器”，以总控和数据库为核心，以综合测试信息管理为顶层，以功能自动化测试和性能自动化测试为支柱，以前端设备为支撑，实现综合测试全过程的信息化管理，满足全过程的自动化测试需求。其中：①功能自动化测试是以遥控遥测作为整器测试激励-响应手段，通过基于自动化测试序列的测试用例设计，实现航天器软硬件的功能类的测试。②性能自动化测试是以物理信号作为整器测试激励-响应手段，通过基于板卡驱动的测试插件的自动化测试用例设计，实现航天器软硬件的性能指标类的测试。③测试信息管理是对测试用例设计、测试流程安排、测试过程监控、测试资源管理、测试综合评估等全生命周期测试业务流程，应用动态工作流技术，建立工作流引擎模型，根据任务表中当前任务触发对应的工作流运行，实现测试全流程的信息化管理手段。

2)航天器智能测试

随着航天器功能越来越复杂，测试工作要求远超出了现有人工或自动化测试能力，需要有更智能的手段。面向“实物航天器+数字航天器”，基于知识的人工智能技术，将原来以自动化测试序列为核心的自动化测试过程，由知识处理和知识推理为核心的智能测试过程代替。利用自动化测试和判读工具、故障诊断技术及专家知识库，建立航天器智能测试验证技术体系与支持环境。

3)航天器数字测试

实物测试一般处于研制流程末端，问题暴露滞后并且有限，研制周期过长，投入过大。其致命弱点为：地面环境实物不可测试；测试方法和用例在测试前难以得到验证。这都可能导致航天器设计存在的问题或缺陷无法充分暴露。面向“实物航天器+数字航天器”，基于实时仿真数据、实时测试数据、历史测试数据等，逐级进行航天器实物模型与航天器数字模型的对照验证，以确保数字模型的准确性。建立航天器数字化电性能测试模型，模拟航天器在轨运行环境，使得航天器在方案设计阶段就能提前得到验证。

4 结束语

经过50多年的发展，航天器综合测试有力地支持和保障了各类航天器的研制和发射任务，形成了完整的综合测试专业体系，具备全流程的综合测试技术能力。当前，随着航天器测试需求越来越复杂，测试技术发展越来越快，对标国际先进测试技术发展成果，航天器综合测试将面临从传统的“实物航天器”的测试模式向“实物航天器+数字航天器”测试模式的转变。