星上实时处理半实物测试系统的设计与实现

吉 宇，张 君，郭 辉，翟宏骏，宋大伟

（中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

随着航天事业的飞速进步，卫星产品蓬勃发展，星上有效载荷的功能性和稳定性备受重视，由于其特殊性，在发射入轨正常工作前，都无法获取实际运行条件下的各种参数，需要采用分析、仿真、试验等方法进行模拟，因此，测试工作对于卫星产品的研制愈发重要。测试环境是测试的基础条件，测试环境的功能、性能，测试环境下的试验执行方式，测试数据分析能力，乃至测试环境的搭建方式，都很大程度地影响着产品性能的准确鉴定，尤其是现在的卫星产品任务急剧增加，测试环境的开发效率也成了影响调试和产品交付的重要环节。所以，尽可能逼真地模拟实际环境，是评估星上产品能力的关键配套。

针对星上有效载荷如何测试的问题，先后发展起来了三种主要的测试方案：全实物仿真测试环境、全数字仿真测试环境和半实物仿真测试环境。全实物仿真需要对待测系统进行完全真实的目标环境下的运行和测试，实物仿真系统复杂，数学建模难度巨大；全数字仿真是给予待测系统完整数学模型的仿真方法，成本低廉，但仿真的效果取决于代码的质量，也往往会出现软件模拟硬件运行环境不可靠的情况。与此同时，半实物仿真技术的出现，很大程度地改变了传统的测试方法，其定义是：在仿真实验系统的仿真回路中接入部分实物的实时仿真。采用半实物仿真技术，一方面可以构建被测软件运行所需的实时物理环境，测试结果可信度高，保证测试的真实性；另一方面，输入数据、采集结果、软件运行状态可以实时观察和控制，保证测试的可控性，最大程度地兼顾了上述2种测试环境的优势。

对于有效载荷星上实时定位处理的验证问题，由于星载平台环境的特殊性，搭建全实物仿真测试环境不够现实，全数字仿真测试环境又不够可靠。本文尝试搭建一套半实物测试系统为主体的测试环境，利用构建逼真的星上运行环境，将软件仿真的数据注入到有效载荷，在保持与入轨运行相同处理时序的条件下，充分测试星上实时定位能力，并自动对定位结果进行评估。

1 测试系统设计

本测试系统搭建了一种模型驱动的仿真测试环境，以此次测试产品为例，通过对辐射源真实位置和卫星运行轨迹的模拟，构建数字相位干涉仪真实运行环境的仿真模型，从测试系统软件仿真中得到定位所需的具体参数，通过测试系统的硬件设备播放，驱动被测星上分系统运行，收集从被测系统返回的数据，实现仿真模型与被测系统之间的交互，比对定位结果，完成测试任务。

1.1 工作原理

卫星在轨运行过程中，有效载荷将会侦收到特定区域内存在的雷达、通信、广电、导航、军用民用等电磁复合信号，除了感兴趣辐射源外，还包括各类干扰信号。所以，在地面对有效载荷功能和性能进行测试的过程中，为了模拟有效载荷面临的真实电磁环境，需要从以下几个方面开展工作：

1）分析各类辐射源的信号模型，根据频率、脉宽、幅度、重复周期等参数对信号进行分类，建立重点目标库和背景目标库（干扰辐射源库）；

2）根据不同作战条件下对电磁环境模拟的需求，设定特定区域内目标和干扰辐射源的分布，产生对应的想定场景；

3）综合考虑特定区域内多个辐射源的地理位置、波形特性、天线特性和扫描方式等参数，结合空间传播特性和卫星平台轨道参数的影响，动态更新各目标的辐射特性；

4）根据有效载荷侦收原理，对场景内多目标信号进行合理消隐，降低电磁环境模拟系统对系统硬件的需求。

上述参数需要依靠软件进行模拟，并部署在硬件设备上实现与载荷的互联互通。基于此，构建如图1所示的测试系统，包括数据模拟软件、存储播放设备、地检设备，对有效载荷待测设备进行测试。

图1 测试系统功能框图

数据模拟软件部署在系统的硬件平台上，对设备进行数据管理和功能控制，将在下文中进行详细描述。本软件平台的优势在于：通过提供图形用户界面(GUI)，做到人机交互，方便测试结果的直观展现，实现所见即所得。

存储播放设备受系统的软件平台控制，主要作用是将软件中仿真得到的各参数做同步且符合相位要求的输出和存储，用途包括注入载荷或播放至通用设备端等。硬件平台主要由主板、DAC 模块、光纤数据收发卡、时钟模块、存储模块、万兆光纤卡搭建而成。

1.2 工作流程

测试系统的工作流程如图2 所示，数据模拟软件根据场景想定参数输入，模拟产生各类定位参数，存储到存储播放设备，并发送控制参数、平台参数到地检设备；地检设备产生同步信号，控制待测设备与存储播放设备同步工作，实现中频、全脉冲、平台数据的同步播放；待测设备完成星上实时处理，通过地检设备转发定位结果到数据模拟软件，自动对比分析完成效果评估。

图2 测试系统工作流程图

2 半实物环境构建

2.1 硬件设计

根据图1 可知，硬件部分主要包括主控模块、DAC模块、光纤收发模块、时钟模块等组成。

2.1.1 主控模块

主控模块是硬件系统的核心，如图3 所示，以高性能标准服务器主板为主体架构，配备2 块intel Xeon(R) CPU E5-2683V4 处 理 器，每 个CPU 有16 个 核 心处理器；配备4 条内存提供128 GB 内存空间，最大可扩展到16 条内存；同时提供10 个高性能PCIE 3.0 X8插槽和1 个PCIE 2.0 X8 插槽，满足所有现有功能模块的应用，剩余的插槽可继续扩展PCIE 存储模块或者其他标准PCIE 模块。

图3 主控模块功能框图

2.1.2 DAC 模块

如图4 所示，DAC 模块由DAC 载板与DAC 子卡组成。其中DAC 载板接收光纤数据缓存板传输过来的中频发送数据，将数据缓存在载板DDR 中，通过PCIE 接口接收运行在服务器上的仿真控制软件的控制指令，通过FMC 接口控制DAC 子板，并将中频数据通过FMC 接口传输给DAC 子卡，通过DAC 芯片将中频信号发出。

图4 DAC 模块功能框图

2.1.3 光纤收发模块

如图5 所示，光纤数据收发模块实现接收输入信号和发送信号功能。设计采用专用的光模块实现光电信号转换，转换后信号直接 与FPGA 进 行 连 接，FPGA 完成信号采集，并通过外部DDR 进行缓存，最后通过PCIE 接口完成传输功能。数据收发卡的同步信号采用SMA 接口，为同步25 M时钟和同步脉冲信号，由设备内的数字光纤接口卡提供。

图5 光纤收发模块功能框图

2.1.4 时钟模块

时钟模块提供1×10s 的时钟信号，可将高精度时钟信号输出给DAC 模块和被测设备，提供测试精度，单个时钟模块提供5 路时钟信号输出接口，1 路输出给DAC，4 路输出给被测设备。采用高精度、高稳定度100 MHz 恒温晶振作为时钟参考源，通过高性能PLL 输出100 MHz 时钟源。

2.2 软件设计

数据模拟软件主要包括参数设置、场景规划、控制管理等模块。

2.2.1 参数设置模块

参数设置界面如图6 所示，首先选择设置重点目标库、背景目标库等目标类型；通过全随机、半随机或者全人工方式建立常规脉冲信号，频率分集、脉间捷变、脉组捷变等频率变化信号，重频参差、抖动、滑变、成组等时间变化信号，线性调频、非线性调频、二相/四相编码、频率编码等脉内调制信号，塔康/DME 信号等敌我识别信号；根据建立的信号模型，模拟生成多信号侦收场景的原始辐射源参数和全脉冲数据并保存；通过统计坐标显示PDW 中的重要信息（TOA 和RF），实现交互并实时监控。

图6 参数设置界面

2.2.2 场景规划模块

场景规划界面如图7 所示，由目标参数设置页面中生成的单个场景，通过画图或键入圆心和半径可以在地图中选取场景发生区域（圆形ROI 区域），随机生成圆内或圆上的辐射源真实位置点；同样可以直接通过键入坐标值的方式和导入文本文档的方式直接将辐射源真实位置显示在地图上。通过Matlab 互联STK 仿真卫星的星历数据和姿态数据，并由此生成对应的实时姿态矩阵，将产生的全脉冲数据和与之对应的星历、姿态数据，实时姿态矩阵、基线转角数据等保存成文件，并通过网口发送到系统的其它硬件设备。按照写定的进制和格式提取地检设备所需的注入式数据；根据重点目标库、背景目标库、卫星平台参数以及控制参数产生模拟有效载荷中频数据。

图7 场景规划界面

2.2.3 控制管理模块

控制管理模块如图8 所示，数据交互将存储在存储播放设备中的中频数据进行同步输出，频率和功率皆可调，可选择直接播放频谱和波形，也可以注入载荷进行后续验证操作；硬件管理将Super DOC 嵌入GUI 中，实现对系统硬件的电压监测、温度检测、系统档案信息管理等。

图8 控制管理界面

整个测试系统软件部分采用标准C 和Matlab 实现，采用人机交互的方式运行，其可视化、输入灵活的结构特点，为测试的实施及测试结果的记录提供了方便。

3 测试实例

3.1 实施方案

测试的目的是检验由软硬件搭建的整体系统是否满足星上定位测试的所有功能和性能需求。测试应按以下的步骤进行：

1）仔细阅读软硬件需求和设计说明书等文档，深入了解被测系统的功能及实现细节，并进行细化分解，明确各功能测试方法。

2）针对软件功能，主要采用黑盒测试的方法，为了涵盖全部功能的验证与仿真，对其实行全流程测试；针对硬件部分，主要采用性能达标分析，将功能分解后，对每一个子模块的每一个功能设计测试用例。

3）编辑并根据测试用例实施操作，详细记录测试结果。

4）对测试结果进行分析，编写测试报告，提出测试方法、测试环境搭建等的改进意见。

此次半实物仿真测试环境的搭建，因为系统构型以及软硬件的同时存在，所以测试用例的生成便成为测试的关键环节，测试时不仅要包括合理的数据输入，更要包含不合理的或无意义的数据，通过异常数据发现程序是否存在错误。

3.2 测试过程

按上述构建半实物系统测试环境，对某有效载荷数字接收机星上实时处理性能进行测试，利用数据模拟软件，产生32 部雷达辐射源对应的全脉冲、中频等数据，存储到存储播放设备，在控制管理模块控制下，按时序播放存储的数据，实现对数字接收机星上实时处理的测试，实时定位处理对比分析结果如图9 所示，结果表明系统能够较好地完成对设备的测试。

图9 测试效果示意图

4 结束语

本文设计了一套适用于卫星有效载荷产品的半实物测试系统，利用数据模拟软件可以构建逼真的试验环境，并通过存储播放设备按时序发送数据，充分验证了星上实时定位处理能力，协助嵌入式软件开发调试，提高地面测试验证的全面性和有效性，为保证卫星在轨可靠运行提供支撑。■