我国小卫星综合测试技术发展与展望

戴涧峰 陈逢田 李培华 王志勇 陆文高 李立

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

小卫星由于其轻量化、小型化、低成本和性价比优势，已经成为了空间系统的重要组成部分，特别是近年来小卫星性能的不断提高和应用领域的不断扩大，在航天服务体系中起到了重要的作用。随着小卫星任务的不断变化，小卫星综合测试正在向两个方向发展：一是系统复杂程度不断提高，功能越来越强大，综合测试满足的要求更严苛，测试需求日趋多样化和复杂化；二是小卫星批量化生产的需求，促使在综合测试中要利用有限的场地、人力、设备等测试资源产生更大的生产效能。小卫星综合测试自动化水平快速提升，但随着小卫星任务数量的持续增长，以及高复杂度测试、批量化测试需求的增加，对小卫星自动化测试向智能化测试转型也提出了迫切的要求。

本文对我国小卫星综合测试技术发展的历程进行了简要的回顾，从系统层面、核心技术、专项技术分析了小卫星综合测试技术的现状，最后进行了技术展望。

1 小卫星综合测试技术发展回顾

我国小卫星综合测试技术从20世纪90年代起步，通过采用自动化手段、强化通用性设计、合理配备软硬件资源，取得了很大的进步，在这30多年的发展过程中，逐步形成了“测试系统通用化-自动化测试-智能化测试”的发展路径。

1.1 综合测试系统通用化

1999年，实践五号卫星发射，拉开了小卫星发展的序幕。实践五号卫星综合测试系统参考ESA的欧洲测试操作语言(ETOL)系统，建立了以总控设备为中心的多级分布式体系结构[1]。2002年，针对海洋一号卫星的研制，完成了通用化的小卫星综合测试系统。系统中基于欧洲插卡式模块总线仪器扩展(VXI)总线技术的遥测遥控前端一体化设备、供配电测试设备、姿态轨道控制测试设备[2]，使用LabWindows/CVI编制测试设备控制软件，大大提高了数据显示及控制软件的编制效率和可靠性[3]。通用化的小卫星综合测试系统在10多颗卫星的研制过程中得以应用，改变了以往研制1颗卫星投产1套地面系统的模式，使卫星的研制成本大大降低，并且以通用化测试系统为基础进行不断迭代，小卫星综合测试技术得到了持续发展。

1.2 自动化测试

随着计算机技术的飞速发展，2005年后，我国小卫星综合测试专用测试数据库开始引进了大型关系数据库和实时数据库系统。以实时数据库系统为例，系统在测试现场完成实时监测、在线查询、趋势分析等功能。2007年，开始了小卫星自动化测试系统的研制工作，小卫星综合测试正式开始进入了自动化测试的实践阶段。系统逐渐在小卫星测试中得以应用并不断完善，测试效率和测试安全性得到了较大提高[4-5]。在自动化测试技术发展的同时，通信测试、电气测试、并行测试等专项测试技术也在不断发展。针对统一S频段(USB)和扩频体制分别进行了基于通用基带测试设备(CORTEX CRT)的测控分系统地面测试系统的通用化改造，开发出了基于USB/扩频体制的测控基带设备的遥测/遥控前端软件[6]。基于可编程逻辑控制器(PLC)技术的通用供配电测试设备采用模块化双机箱结构设计，大功率供电能力明显提高，大量应用于小卫星测试任务中[7]。2007年，基于小卫星星座的测试要求，首次提出了小卫星多星并行测试的测试理念。应用多星并行总控软件、星座遥测遥控前端软件，以及当时新研制的国产化测控基带设备与收发信道组合配合使用，能够处理多种变化码速率下的多种长度的遥测帧，此模式也广泛应用于后续小卫星多星并行测试及星座测试。

1.3 初级智能化测试

进入“十二五”中期，随着小卫星任务数量的迅猛发展，小卫星自动化测试技术也进入了飞速发展的阶段。航天东方红卫星有限公司、上海微小卫星工程中心、哈尔滨工业大学卫星技术研究所、长光卫星技术有限公司等卫星研制单位均开发并成功应用了小卫星自动化测试系统，并在10年间完成了百余颗卫星的测试及发射任务。随着卫星产品技术成熟度的提高，测试过程的自动化程度也在不断提升，有效释放了测试中人力持续投入的压力。但对于小卫星综合测试，“计算机完全替代人”还有很长的路要走，用计算机软件替代人脑中复杂的测试逻辑、判读逻辑、异常现象处置逻辑的技术就是智能化测试技术，这是小卫星综合测试迈向“无人测试”目标的关键技术。航天东方红卫星有限公司在2018年研制了智能批量测试系统，经实际应用对比，多星批量自动化测试平台能够将星群(星座)卫星测试人员的配置数量由2人每星缩减为2人每5颗星，人力需求量缩减了50%以上。

2 小卫星综合测试技术发展现状

经过20多年的发展，小卫星综合测试技术在系统层面打下了深厚的基础，确定了自动化测试为综合测试的核心，而计算机技术是小卫星自动化测试的核心，此外，各专项测试技术在各类特殊应用场景中得到了有效的应用。

2.1 系统层面

(1)形成了小卫星综合测试技术标准和规范。测试人员对测试过程的因素制定编写了标准。针对不同的小卫星平台进行技术状态固化，以平台为基础，开展整星测试策略、方法、规范的研究，对不同平台的小卫星的测试项目和测试内容进行梳理，研究通用的测试方法和手段，制定统一、标准的整星测试规范，提高测试覆盖性和测试效率，利用标准化的测试用例进行测试模块化设计。将整星的测试过程分解为通用的测试模块，定义每个模块的标准输入/输出，每颗卫星可以根据技术特点和研制流程对模块进行动态组合，从而完成整星综合测试，减少对设计师的依赖和由于测试人员水平引起的测试偏差[2]。在小卫星标准化体系下制定小卫星综合测试体系，从系统级测试、专业级测试两个方面，编写了一系列的相关技术标准和规范文件[8]。

(2)建立了多级分布式的自动化测试系统架构。小卫星电气地面支持设备(EGSE)是一个比较复杂的系统。它的功能不仅包括供配电、测控、数据处理、信息加工，还要包括各种模拟、激励、仿真，并能支持各个阶段的测试应用。它的组成包括总控设备和专用测试设备，可以根据需求的不同以各种拓扑结构出现[9]。小卫星综合测试在测试系统的基本构架和测试设备通用化的基础上，通过对测试流程和测试方法的规范化，逐渐形成了通用、稳定的多级分布式的自动化测试系统架构(见图1)。

图1 多级分布式的自动化测试系统架构

自动化测试系统按照不同的应用分成5个层次：接口层、基础测试层、分系统自动化测试应用层、整星自动化测试应用层和数据服务层。接口层是地面测试系统与小卫星的接口，包括脱落插头、星表插头、天线等。基础测试层是指总控测试设备、专用测试设备、网络环境、设备通信协议等。在基础测试层之上，按照测试环路划分为分系统自动化测试和整星自动化测试应用层。分系统自动化测试通过独立的测试环路，由专用测试设备实现测试设计、测试执行、自动化的测试激励和检测、自动判读与结果生成。整星自动化测试则是利用上下行环路，将分系统自动化测试串联进来，对它们进行统一调度和控制，完成整星自动化的测试设计、自动执行、自动判读、综合评价等一系列闭环测试过程。数据服务层是利用测试数据库实现测试数据的采集、处理、存储、监视、判读、查询、分析、发布及挖掘等功能[2]。

2.2 计算机技术

(1)测试数据库技术得到了广泛应用。在大量的卫星研制测试过程中，测试数据库起到了至关重要的作用。一颗小卫星的遥测参数约5000条，遥控指令约3000条[10]。测试过程中产生的测试数据是测试的结果和测试质量评估的依据，对测试本身和小卫星研制具有重大的意义。小卫星综合测试数据库的应用需求及构建方式基本上都是由“基础数据库-实时数据库-历史数据库”构建的三位一体的测试数据服务中心。基础数据库是存储小卫星及地面设备的参数、指令配置信息的统一的关系型数据库结构；实时数据库完成小卫星综合测试数据的快速采集处理，利用表格、图形等形式实时完成小卫星综合测试状态的展示和监视，多任务之间实现多颗卫星数据的快速比对和分析，并同时向外提供高效、易用的数据服务接口用于测试数据的自动化判读、评价与分析；历史数据库是一种基于超大规模蓝光光盘库的存储系统，结合磁盘、电子盘和光盘的优点与特性，构建具有磁、光、电融合的体系结构，从而实现小卫星数据长期、可靠的保存及数据查询、挖掘。

(2)实现了智能批量测试技术。小卫星综合测试的自动化程度提高，其中重要的发展方向就是智能化，由系统逐步替代人工的大部分工作，满足批量化卫星测试任务带来的繁重测试任务需求。自动化测试主要体现在实际测试执行过程，也就是由人逐个运行测试用例被测试工具自动执行所代替。而智能化测试技术的核心是计算机软件技术，是应用计算机技术在“无人干预”的情况下完成测试辅助设计，并具备模拟人脑处理复杂逻辑的自动测试实施和测试评价等全流程测试工作能力。在智能批量测试系统中，硬件部分通过模块化、标准化的通用板卡构建具备小型化、低成本、高集成等特点的批量快速测试设备，配合高可靠性的智能批量测试软件软件，建设适应小卫星发展需要的测试系统。智能批量测试技术体现了全流程自动化测试的全部内涵。在测试设计阶段，工作人员进行测试条件输入、测试流程规划、测试项目管理，快速生成、修改小卫星测试细则；在测试实施阶段，选择相应的测试模块和序列并自动化执行，对执行过程进行自动判读返回；在测试总结阶段，通过软件完成测试结果的评价与分析。智能批量测试过程如图2所示。

图2 智能批量测试过程

(3)模板总线技术有效提升了测试系统集成化程度。微纳卫星测试要求地面设备具备快速展开部署及应用的能力，分布式小卫星综合测试系统无法满足，因此，需要利用模板总线技术构建小型化、集成化、一体化微纳卫星测试系统。模板总线属于内部总线，传输延时小、带宽大，是并行总线，不仅能实现数据传输，还能完成同步、触发、定时等功能[11]。随着芯片功能的增强，模板上芯片数目越来越少，连线也越来越简单，总线标准化应用越来越多，VXI、面向仪器系统的外围组件互联扩展及其下一代(PXI/PXIe)、紧凑型外围组件互联(CPCI)总线在遥控遥测信号处理、供配电测试设备、测控基带设备等小卫星综合测试设备中均有广泛应用。在分布式小卫星综合测试系统中，测控、供配电、总控设备需要配置3个20U的机柜，而利用模板总线技术构建的微纳卫星测试系统可以集成在一个12U的机柜中，有效提高了测试系统的小型化和易用性，得到了很好的应用效果。

2.3 专项测试技术

(1)远程测试技术成为小卫星发射场测试中的重要手段。发射场远程测试是指利用异地通信链路实现研制厂房与发射场之间的网络互连互通，完成远程遥测数据判读、遥控指令发送及音视频交互，两地协同开展发射场综合测试工作。与传统的发射场工作模式相比，发射场远程测试在确保完成小卫星任务和保证测试安全的前提下，能解放专业设计人员进场量，或者缩短进场时间。通过远程测试技术，在极小带宽的测试专线中，能实现小卫星遥测遥控、音频视频数据跨网段多路并行、双向交互的最优方案，既确保数据安全，又使传输更加高效。这种方式能改进传统的测试发射工作模式，建立覆盖研制厂房和发射场的远程测试环境，形成在发射场完成实施和操作、在研制厂房完成数据判读和分析的远程测试模式，减少人员占用，缓解人力资源配置矛盾，提升研制和服务能力。

(2)基于星载测试的快速地面测试技术是小卫星综合测试的一种尝试。在传统测试中，主要的测试环路是卫星与地面测试系统间的遥控遥测链路，而在基于星载测试的快速地面测试中，测试的发起端和响应端都在星上。以星载测试单元为核心，采用“指令-遥测”的简单激励反馈模式，能更加迅捷、准确、全面地获取小卫星参数，是小卫星在快速响应任务中实现快速自动化测试的重要手段。基于星载测试的快速地面测试技术主要包含星载测试单元、星地测试总线接口协议和便携式快速测试终端3个关键环节[12-13]。基于星载测试的快速地面测试技术应用如图3所示。

图3 基于星载测试的快速地面测试技术应用

(3)仿真测试技术的应用。小卫星模拟器主要用于测试设计验证、地面测试系统验证、在轨指令模板验证、地面应用系统数据接口对接、卫星地面站人员培训等。目前已经实现了卫星功能的部分仿真，并形成了一套相对成熟的研制模式。①采用纯数字化仿真策略，整个仿真系统配置项均为计算机软件；②采用小卫星部分功能数字化仿真+仿真运行环境模式；③小卫星部分功能数字化仿真采用“关键系统移植星上软件，重要系统建模，一般系统构建指令遥测关系”方案，如星务、控制软件采用移植星上软件，电源、数传等建立模型(能源、固态存储器)，测控、热控、有效载荷构建遥控遥测关系，仿真遥控遥测层面；④仿真运行环境移植小卫星总装、集成与测试(AIT)数据库，姿态轨道控制动力学计算、接口和人机交互；⑤内外部接口均为网络传输控制协议/网际协议(TCP/IP)或者用户数据报协议(UDP)，可进行功能扩展。

3 小卫星综合测试技术展望

小卫星系统复杂程度的提高、批量化研制的需求决定了小卫星综合测试技术发展的核心就是智能化和批量化。应用不同于传统模式的差异化思路解决批生产的难题，依靠计算机技术提升综合测试智能化水平，向无人化测试目标迈进，针对特殊需求推动专项测试技术发展，使小卫星综合测试技术走得更深、更远。

3.1 系统层面

(1)应用差异化的测试模式。综合测试是整个小卫星研制的末端，测试技术的发展方向是由整个小卫星系统工程的特点及被测对象——小卫星的发展方向决定的。从被测对象的角度看，小卫星及其研制模式在向2个方向发展：①由于芯片、软件、材料技术的发展，使同样质量下的小卫星可完成的功能越来越多，能力越来越强，系统更复杂，平台的承载比提升，有效载荷类型多元化，新技术、新思路得到应用；②星座、星群的任务需求使小卫星必须批量化生产，产品技术成熟度高，快速生产、快速发射。因此，小卫星综合测试模式也将形成差异化，即传统测试模式和批量测试模式。传统测试模式下，需要系统级、专业级两类测试人员，需要较强的专业技术深度，对系统测试技术和专业测试技术(通信、软件、电气、控制、有效载荷等)分别展开研究，为复杂的小卫星提供测试解决方案。批量模式下，需要设计、实施两类测试人员，需要完善、有针对性的批量化测试设计及丰富的测试实施经验，分别开展批量化测试设计及批量化测试实施。

(2)开展大规模批量化生产测试技术研究。从一网(OneWeb)公司提出的大型低地球轨道(LEO)卫星星座到太空探索技术(SpaceX)公司的“星链”(Starlink)卫星逐步部署，大型互联网星座任务对整个卫星行业带来了巨大的影响[14]。近年来，我国小卫星一直属于典型的订货型小批量生产，但进入“十四五”后，越来越多批量研制的大型组网飞行项目立项并投入生产阶段，大规模批量化测试工作已经提上日程。目前的单体小批量卫星测试技术面对大批量规模化生产的需求，距离形成脉动流水线式的工业化卫星生成模式存在较大差距。批生产模式下，小卫星综合测试工作要从系统工程的概念出发，参考国外柔性生产线、准时生产方式、并行工程、多项目管理等先进的管理方法，围绕模块化、标准化、平台化、系列化的制造模式，探索符合自身特点的新型管理模式，实现从面向小卫星到面向生产线的转变，建设测试生产线，从而满足小卫星任务对测试的需求[15]。

3.2 计算机技术

(1)以“无人化测试”为目标，提升综合测试智能化水平。小卫星综合测试技术已经由自动化测试阶段逐步迈入了智能化测试阶段，但距离“完全取代人”还有很长的路要走。专家系统、人工智能技术的快速发展及其在工业系统中卓有成效的应用，使工业智能化成为当前工业生产转型的一个重要趋势。大数据技术的发展和计算机性能的不断提升，让人工智能在强化学习、深度学习、机器学习等方面取得了巨大进步。小卫星综合测试领域亟待将专家系统、人工智能与大数据技术应用到测试设计、测试实施、故障诊断、故障预测、健康管理、结果评价与分析、决策支持、数据挖掘等各个方面[16-18]。快速便捷的智能判读模型描述方法、高实时性的智能判读技术、基于复杂逻辑的智能化自动执行、基于智能判读模型的测试结果评价与分析、深度学习对智能判读模型的修正技术等，是目前需要突破的关键技术。

(2)开展有效载荷自动化测试技术研究。有效载荷作为小卫星的主要功能载体，在电性能测试阶段具有测试组合态多、测试阶段多、测试项目多、测试用例多和测试结果比对多的特点，在整个小卫星测试周期中占据了大量时间[19-20]。小卫星有效载荷功能和接口多种多样，因此需要依据不同的有效载荷开展不同专业的测量测试服务，根据不同产品功能系列配备专门的测试设备。目前，我国小卫星有效载荷测试实现了部分自动化，主要在星上设备指令发送、遥测数据判读、地检设备操作方面，但有效载荷数据自动化判读方面距离完全替代人工判读也还有一定的差距。小卫星综合测试应该主要以通信专业领域、光学遥感专业领域、微波遥感专业领域为重点方向，开展有效载荷自动化测试技术研究。

3.3 专项技术

(1)加强可测试性设计，提高综合测试有效性。传统小卫星设计以功能实现为主，综合测试基本依赖遥测遥控模拟小卫星在轨应用，测试周期长、效率低、成本高。可测试性在单机产品乃至系统级设计过程中都没有得到足够的重视。随着小卫星系统功能越来越复杂，特别是星上计算机能力越来越强，星上软件设计复杂度也在不断提高，综合电子技术、自主健康管理技术都在飞速的发展，推动着整星级可测试性技术也在不断向前发展[21]。同时，为了适应未来小卫星大规模批量化研制的需求，快速研制、快速测试、快速发射都是必须要解决的实际问题，这也给可测试性技术的发展带来了前所未有的机遇。加强可测试性设计，使综合测试达到最大的效能，用最短的时间、最小的测试费用检测出小卫星存在的故障或缺陷；提高系统级可测试性分析能力，给出最优的测试方法，提高整星的测试覆盖性，从而提高小卫星产品的可靠性和寿命。

(2)广泛应用远程测试技术，实现常态化多地协同测试。小卫星虽然“小”，但也是复杂的系统工程，分系统众多、参研单位众多，研制流程复杂，测试、试验、发射场地分散是其显著的特点。随着近年来高密度发射的态势，以及后续大规模批量化研制进程，对于有限的测试人员、测试设备资源来说，都是巨大的挑战[22-23]。在提高智能化测试水平、减少测试人力占用的同时，在各测试、试验场地与各参研单位之间，实现常态化多地协同测试是需要迫切解决的问题之一。远程测试在发射场的成功应用给出了有效的解决思路，广泛应用远程测试技术，突破物理空间带来的限制，是解决小卫星人力资源协调问题的有效途径。

(3)利用数字卫星提升虚拟测试能力，为实物卫星测试提供有力辅助。数字卫星技术是目前的热点技术。针对部分小卫星项目，各阶段虽已开展一定的数字化工作，但在小卫星工程全生命周期中仍存在部分系统数字化程度低、系统间信息交互能力弱、流程间模型演化与数据关联能力差等问题[24]。随着数字卫星技术的发展，虚拟测试技术将大大发挥其用武之地。尤其是像批产小卫星，在数字卫星上开展测试验证、故障注入测试、异常问题排查等工作，将会是重要的研制手段。数字卫星与虚拟测试技术示意如图4所示。

4 结束语

我国小卫星综合测试技术的发展，从技术引进，到借鉴国外先进技术自行研制，再到能够根据自己的任务需求合理预测行业的发展趋势，实现测试自动化并逐步迈入智能化测试，已经走出了一条适合我国小卫星行业发展的道路。在新的形势下，面向小卫星大规模批量化测试任务，以及越来越复杂的小卫星系统，还存在许多关键技术有待突破和解决。因此，需要不断学习和研究国内外各领域先进的测试技术，积极开拓创新，改变和解决现有问题，以适应小卫星发展的测试需求，为小卫星系统研制能力的提升发挥至关重要的作用。