“嫦娥”五号系统测试“六统一”管理模式及应用

景争艳、宋世民、刘加明 /北京空间飞行器总体设计部

“嫦娥”五号月球探测器是嫦娥工程三期采样返回任务中国首个地月采样往返探测器，是“绕、落、回”探月任务的第三步。2020 年11 月24 日“嫦娥”五号探测器发射升空，2020 年12 月17 日返回器携带月壤完成回收，首次实现了中国地外天体采样返回。“嫦娥”五号是中国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，航天系统测试以及测试过程管理是任务执行前的重要环节，是评价航天器研制质量的重要依据和最后防线。在“嫦娥”五号系统测试过程中，北京空间飞行器总体设计部采用了“六统一”管理模式。整个任务的圆满成功，全面验证了“六统一”管理方法在探测器系统测试中的正确性和有效性。

作为国家重大专项工程，“嫦娥”五号系统测试人员达到114 人，参试团队涉及中国航天科技集团有限公司、中国科学院、中国航天科工集团有限公司等多家单位。为实现对各参试人员的统一管理，按照参试岗位统一划分的原则，以14 个岗位的设置实现了不同行政单位的人员融合，依托每日电测安排、每日判读报告、每周（双周）计划安排、每月任务调度的方式，完成型号测试任务的统一划分。为了解决重大专项任务中业务个性特点强、参试团队来源多样的难题，通过共性要素提取及统一实施实现抓总的要求，体现了整器系统级测试的业务优势与能力。

一、系统级验证测试的难点

“嫦娥”五号探测器承担着月球取样返回任务，面临月球轨道交会对接、月面采样、月面起飞、高速返回四大难点。探测器由着陆器、上升器、返回器和轨道器4 个航天器组成，涵盖 14 个分系统，在不同时间执行不同的飞行任务，每个航天器都是一个相对独立的飞行器，但彼此又存在相互耦合的关系。

探测器在不同研制阶段均需要进行大量的系统验证试验，如4 个航天器的电性能测试、真空热试验、振动噪声试验、EMC 试验、质量特性试验、外协试验等。“嫦娥”五号探测器的系统验证测试过程复杂多样，全寿命周期内极少出现重复周期性工作模式和确定性飞行模式。过程多样性的影响主要表现在：一是航天器间组合模式多，导致信息传输量大，配合工作内容多；二是遥测模式的多样性，包括物理信道多样、虚拟信道多样、调度策略多样、封装格式多样；三是航天器间供电流向多样，涵盖4 个航天器以及7 种单器/组合体状态，跨航天器的单向及双向能源流及信息流通路验证要求高。

5MlE 理论基础来源于全面质量管理，是过程管理的主要方法。从微观角度看，引起产品质量波动的原因主要来自6 个方面，即人员（man）、机器（machine）、材料（material）、方法（method）、测量（measurement）和环境（environment）6 个因素，简称5M1E。总体设计部将5MlE 分析方法与“嫦娥”五号产品保证工作流程相结合，并与5MIE 的6 个因素相结合，系统梳理了“嫦娥”五号综合测试工作产品保证项目，提出了“六统一”管理方法与工作体系框架，通过岗位设置、设备部署、信息处理、细则编制、现场指挥、实施调度6 个方面的工作，以具体要素统一实现的方式进行系统验证测试。

二、“六统一”管理方法的提出

作为国家重大专项工程，“嫦娥”五号系统测试人员达到114 人，参试团队涉及中国航天科技集团有限公司、中国科学院、中国航天科工集团有限公司等多家单位。为实现对各参试人员的统一管理，按照参试岗位统一划分的原则，以14 个岗位的设置实现了不同行政单位的人员融合，依托每日电测安排、每日判读报告、每周（双周）计划安排、每月任务调度的方式，完成型号测试任务的统一划分。为了解决重大专项任务中业务个性特点强、参试团队来源多样的难题，通过共性要素提取及统一实施实现抓总的要求，体现了整器系统级测试的业务优势与能力。

型号全面质量管理要求测试统一抓总，体现整个探测器工作的一致性，通过岗位设置、设备部署、信息处理、细则编制、现场指挥以及实施调度6 个方面的工作，以具体要素统一实现的方式做到系统级测试全研制周期管理模式的落地，具体表现为：测试计划的统一制定、测试环境的统一部署、测试设备的统一管理、测试过程的统一实施、测试信息的统一处理、测试现场的统一调度。其中，测试过程统一实施的含义是：测试用例设计的统一规范、测试程序细则的统一制定、测试总结评价的统一模板。

基于“六统一”管理模式，理清探测器各个分系统之间的接口关系，寻找系统级验证“地随天动”和“面随点动”的本质和表现。“六统一”管理模式如图1 所示。

图1 “六统一”管理模式

三、“六统一”管理应用实践

在系统级测试验证“六统一”管理过程中，以飞行任务为核心，以满足功能模块和性能指标评价为基线，关注用于支撑全任务飞行过程的各个模块和指标，明确各个分系统自身整器所占用的功能，以及对过程的影响程度。在项目管理和实践过程中，总体设计部将“六统一”管理方式在系统级验证测试的应用通过技术手段逐渐演化为：测试模拟环境统一部署、测试程序统一制定、关键动作统一处理、技术验证统一实施、模拟飞行策略统一调度、系统级评估统一管理。

1.测试模拟环境统一部署

在验证“嫦娥”五号系统健壮性过程中，需要进行任务模拟，将测试模拟环境统一部署，地面设备设置的变化主要受探测器上星时变化的驱动，在约定的时刻实时更新相应的地面设备模拟状态。地面模拟环境统一设置的具体内容主要表现为：能源输出供给方式；测控数传上下行码速率/编码方式的切换；飞行轨道变化引发的敏感器（太敏和星敏）输出变化、姿态变化引发的陀螺输出变化、以及由此变化通过姿轨控算法造成的动量轮及推力器等执行机构的变化；热控模式变化引发的加热器及控温热敏电阻的参数内容变化；相机成像过程中引发的地面图像解析软件状态变化。

在数据管理过程中，针对这些状态建立数据变更追踪记录和状态数据包管理，确保依照飞行任务中探测器工作特点变化实时更新测试设备的各项设置，做到所有数据有记录并且可追踪。

2.测试程序统一制定

测试程序实施过程中建立数据属性和对象关联数据库，进行关键节点式管理。主要包括4 个方面的内容：一是明确上行控制指令，尤其要关注实时生成的注入指令，如内存下卸、数据回放起始地址；二是确定各个步骤及相应状态的判读依据；三是设置地面设备完成模拟条件的合理状态；四是既定飞行程序各个步骤间的连续性和互相支撑关联性。

测试程序的驱动核心为星时（即卫星时间），按照顺序完成设定的程序步骤，进而完成整器状态在所有星时过程中的静态映射遍历。程控、自主执行等各个模块的起始时刻需要作为关键起始时刻，严密控制该过程起始点的动作与星时对应关系。

飞行任务中重复出现的过程可选择典型子样作为考核该过程正确性的事例。星时非相关过程独立成章，剥离星时不相关工作模块，识别并设定具备并行开展工作条件的项目是提高模拟飞行测试实施工作效率的重要条件。实施中确保当前飞行任务既定状态与自身工作模块开始前的状态一致无冲突，整个测试程序统一制定、统一执行，并在模块实施过程中不能有影响整器飞行状态基线的变化，完成模块实施后需要开展飞行状态恢复。

3.关键动作验证统一处理

对探测器在轨飞行过程可能发生的工作模式完成分析，并对各个模式对应的关键状态完成提取和整合，以覆盖各飞行状态。以分系统详细测试的方式，分别实现电总体方面在特征阻抗和功率特性方面的检查，信息总体方面在数据流及测控信道定量检查，以及任务总体方面的单器状态下的任务剖面检查。

尤其关注飞行任务针对该关键动作引发的各种时序和逻辑触发关系。主要表现为器箭分离、舱器分离、10km 到达、着陆过载通4 个部分。各个关键点均隐含着事件触发引起的程序自动控制过程，需要验证地面飞控工作与在轨飞行过程之间的动作交互匹配性，主要表现为指令密集发送时段器上飞行需求在飞行程序规定的既定时间内完成。在关键动作验证统一处理过程中关注的重点是外部触发机制的连续动作、程控功能及自动执行过程、动作过程的指令控制及判读时间。通过这些关键提取和提前识别手段，达到风险识别与风险管理的效果。

4.技术验证统一实施

技术验证统一实施体现了整个项目的过程管理和流程管理，由技术状态的内容确定技术流程。主要包括3 个方面的技术内容：一是探测器上负载整器飞行全过程对功率需求是否在供电设计输入的包络范围内；二是测控信息通道容量是否包络各种类型数据下传的实际结果；三是遥测信息体制的支持性，包括遥测模式和传输方式2 个方面。

统一实施的技术流程设计，首先展开各器功率和通道检查，再进行组合体状态的信息交互、供电交互项目，最后开展全过程模拟飞行。系统级技术验证流程如图2 所示。

图2 统一实施系统级技术验证流程

5.模拟飞行策略统一调度

飞行程序是表征单个航天器在轨执行任务的逻辑关系，而模拟飞行工作的目标就是依托各种模拟设备、模拟环境，按照事先制定的测试程序统一调度飞行策略，以完成系统逻辑关系正确性的验证。按照航天器在轨故障容限能力设计要求规定：一重故障保业务连续产品研制质量保证要求，重点开展面向不可逆环节健壮性的模拟飞行测试。

统一调度方法是先建立飞行程序项目管理信息系统，包含的信息主要有：识别关键飞行事件，确定各任务剖面中每个飞行事件执行结果对任务目标的影响；分解单事件对应的支撑功能，以信息传递及时序关系、工作模式表达，确定测试设计输入；以敏感器、控制器和执行部件作为故障激励分类，最后根据信息系统统一实施测试设计及细则编制。

工程实施过程中，共实现了涵盖50 个故障源的多层多源故障注入的健壮性模飞，完成了落月/起飞/再入等关键环节的冗余设计正确性验证。

6.系统评估统一管理

系统级效能评估的流程是：首先统一分析系统指标，建立综合验证评价体系，将探测器系统中各分系统进行分解，以充分反映实际设备的状态和能力，进一步分解到关键单机和部件的性能指标，最后形成可信性矩阵D 和有效能力向量C 联合评估模型。评估管理数据模型主要构成包括系统开始工作时状态的度量、系统执行任务中正常工作的能力、系统圆满完成任务的程度。

以“嫦娥”五号试验过程阶段为例，将A/B/C/D 测试阶段划分为4 种系统正常工作状态D1、D2、D3、D4 和一个故障状态D5，执行任务期间，其变化的概率(转移概率)就构成了可信性矩阵[D]：

以D1 状态为例：d为系统在开始执行任务时处于工作状态，在任务完成时系统处于故障状态的概率；d为系统在开始执行任务时处于故障状态，在任务完成时处于工作状态的概率；系统在执行任务时，正常工作状态按照顺序进行，故有d=0，d=0，遇到特殊情况，可发生一些可逆状态，如状态3 可以转为状态1；假设系统在执行任务的过程中是可修复系统，故有d=0。系统故障和维修都服从指数分布。取λ表示系统状态1 发生故障的故障率，λ1/MTBF，（MTBF 为设备的平均故障时间），μ表示系统状态1 的修复率，μ1/MTTR，MTTR 为设备的平均故障修复时间，取T表示系统任务工作时间，可得：

d=exp（-λ），d=exp（-μ）

系统执行任务的有效能力用向量C 代表。计算固有能力矩阵C，可采用品质效用函数的方法。Cj代表系统处于状态j 时完成任务的概率或所能完成的任务量。根据探测器的子任务划分为月面降落任务C1，月面样品采集任务C2、月面动力上升任务C3、交会对接任务C4、高速再入返回与着陆任务C5，具体可分为2 种情况计算：一是对于要求系统在任务期间必须连续工作的情况，Cj 根据任务结束时系统所处的状态能完成任务的概率(或量)计算；二是对于允许系统不必在整个任务期间内连续工作的情况，Cj 的计算首先计算[C]，其中C为由状态i 转移到状态j 所完成任务的概率（或量）。因此，总体系统效能可评价为：

[D][C]=∑DC

通过探测器系统评估过程控制的统一管理手段，从各分系统数据中提取关键指标参数，建立基于任务目标的指标评价体系，通过定量、定性指标量化评价、权重系数比较等计算约束条件，解决了“嫦娥”五号探测器目标完成能力不易定量评估的难题，实现了系统级评估从定性到定量的升级。

针对“嫦娥”五号探测器系统测试模式复杂、过程多样性等特点，北京空间飞行器总体设计部探索并研究新型测试管理模式，从个体到整体总结归纳出探测器系统级测试管理原则和方法，建立了“六统一”管理方式。在应用实践过程中，实现了测试模拟环境的统一部署、测试程序统一制定、关键动作验证统一处理、技术验证统一实施、模拟飞行策略统一调度，最终完成系统目标任务的精确度和品质评价的统一管理，为探测器系统级验证以及任务圆满完成提供了有力支持。▲