虚拟测试技术在卫星研制中的应用

吴小明, 句美琪, 林佳伟, 王梦菲, 孙天逸, 高新宇

1.北京控制工程研究所, 北京 100094 2.中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部, 北京 100094

0 引 言

随着高科技产业的发展,数字技术、数字经济成为了新一轮国际竞争的重点领域.航天作为高新技术产业,在引领我国科技进步和创新、数字化建设中发挥着至关重要的作用.数字化航天建设和数字化卫星研制是未来的一大发展趋势.

传统卫星研制一般经历方案、初样、正样阶段,研制过程围绕单机生产、测试、分系统测试、整星集成测试开展,尤其在分系统和整星阶段测试时以硬件为基础,而全数字测试工作开展不充分.当前卫星研制面临需求越来越复杂、研制周期越来越短和成本越来越低的新挑战.为了顺应当今世界技术潮流和满足卫星行业需求,需要设计出效率高、手段丰富、适应性强、搭建灵活的测试系统.

目前针对数字化测试系统,北京空间飞行器总体设计部、北京控制工程研究所、航天恒星科技有限公司和北京航天自动控制研究所开展的研究较多,主要关注形式化建模与模型检测方法、计算机数字目标机设计方案与软件测试以及系统级测试仿真设计与实现等[1-13].文献[14-17]是目前高校和中电集团在虚拟测试领域开展的工作.文献[18]总结了虚拟测试系统的体系结构及其发展情况.文献[19]研制了基于虚拟仪器的测试和测量系统,文献[20]研制了电源测试与性能评估的虚拟仪器.

区别于传统纯硬件测试方法,虚拟测试指利用软件仿真技术逼真地模拟实际硬件环境,完成软件测试与验证工作.本文设计的虚拟测试平台突出全数字化,在设计阶段就可以开展整星测试,相比以往做法和参考文献中的方案,整星测试工作前移,而且通过测试发现的问题进行设计迭代,加速型号研制进展;为了适应不同场合的测试需求,虚拟测试平台配备少量硬件,具备接入硬件单机的能力,并完成相应的功能测试,这也是本文的一大创新点.

1 卫星平台介绍

典型的通信卫星平台包括8个分系统:结构分系统、热控分系统、供配电分系统、综合电子分系统、测控分系统、控制分系统、化学推进分系统和安全告警分系统.在综合电子架构下,卫星平台计算机被称为中心管理单元(central management unit, CMU),其作为卫星平台的信息中枢,实现姿态轨道控制、能源、热控、遥控、遥测、有效载荷等方面的管理.

CMU对外系统接口除了1553B总线外,一般还有用于时间管理的秒脉冲接口,用于收发测控数据的同步串口.在平台综合业务单元(platform integrated services unit,PFISU)、载荷业务单元(payload integrated service unit,PLISU)和遥测遥控单元(telemetry and telecommand unit,TTU)配合下,完成整星遥测数据采集下行、遥控指令上行和指令脉冲输出等功能.

CMU软件主要完成姿态轨道控制功能和星务管理功能.星务管理功能主要包括1553B通信、能源管理、热控管理、程控和故障检测隔离恢复.

2 虚拟测试平台设计

CMU作为卫星平台的信息中枢,是虚拟测试平台运行的基础,所以虚拟测试平台围绕CMU模拟和数据驱动设计.

如图1所示,虚拟测试平台运行在一台PC机上,主要由虚拟卫星(virtual satellite,VS)和自动测试系统(automatic test system,ATS)组成,还包括一些硬件扩展接口.

图1 虚拟测试平台组成

CMU模拟器以处理器指令集模拟器为核心,包括外部接口模块(例如1553B总线、内存、同步串口、异步串口、IO端口等).CMU软件目标码直接加载到CMU模拟器中运行,其运行的动态特性与在真实硬件环境上一致.

2.1 虚拟卫星

虚拟卫星由嵌入星上软件的虚拟目标机(CMU模拟器)、姿态轨道动力学仿真软件、控制敏感器和执行机构仿真软件、星务模拟器、TTU模拟器、自动化测试软件等组成.

CMU作为控制器,是控制分系统的核心,完成姿态和轨道确定和控制量计算,并驱动执行机构.CMU模拟器采用CPU指令集模拟方式实现,相当于在PC机上运行CPU的目标机.CMU模拟器直接运行星上目标码,还能模拟CPU其它特性,例如指针异常、数据非法、数据校验失败等.

敏感器通常包括太阳敏感器、地球敏感器、星敏感器、陀螺、GNSS(global navigation satellite system)接收机等,用于测量姿态和轨道信息.执行机构一般包括反作用轮、推力器、太阳帆板驱动机构等,用于执行CMU发出的指令,产生控制力和力矩,使得姿态和轨道朝期望值变化.动力学模拟卫星姿态和轨道运动,根据当前状态和执行机构输出的力与力矩,递推下一步的姿态和轨道,并计算出敏感器的预期输出,为敏感器提供激励信号.敏感器、CMU、执行机构、动力学一起构成了闭环的姿态轨道控制系统.

TTU模拟器实现遥测数据下行和遥控指令上行;PFISU模拟器实现指令转发和信号采集等;星务模拟能源、热控、测控、载荷等分系统的功能.

2.2 自动测试系统

自动测试系统包括遥测数据接收、遥控指令发送、数据存储与显示、测试管理等功能.

2.3 虚拟测试平台硬件扩展功能

虚拟测试平台采用开放式架构.该平台具备“全软件”和“半实物”等多个模式,既能采用全虚拟部件运行,也支持接入真实部件.在半实物工作模式下,既能模拟整星各分系统与真实CMU连接,也能模拟真实CMU与整星其他分系统的真实部件连接.为了模拟CMU和整星其他分系统的真实部件连接,需配置1553B总线、秒脉冲接口、同步串口硬件.从这3个电接口功能上看,虚拟测试平台实现的CMU目标机功能上和CMU硬件等价.

3 虚拟测试平台的应用

3.1 虚拟测试平台在控制分系统测试阶段的应用

TTU模拟器实现遥测数据下行和遥控指令上行.PFISU模拟器配合星上软件,实现开关控制和信号采集等功能.相比硬件平台测试,虚拟测试平台主要特点表现在控制分系统和外系统由软件模拟,所有接口也由软件虚拟.在控制分系统测试阶段,控制和星务软件联合测试分为“全软件”和“半实物”2种模式,如图2～3所示.

图2 控制和星务软件联合测试(“全软件”模式)

“全软件”模式依赖完整的虚拟测试平台功能,在1台PC机上独立完成测试;“半实物”模式下,虚拟测试平台通过硬件扩展接口与嵌入外系统模拟器的地面测试设备以及另1台PC机上的星务模拟器共同完成测试.“半实物”模式和“全软件”模式最大的差别在于使用了1553B总线和控制分系统星上产品.

某卫星控制分系统初样技术状态确定后,单机开始生产时同步开发虚拟测试平台,虚拟测试平台比单机研制提前5个月完成.在等待单机研制完成的这5个月,利用虚拟测试平台进行软件测试和升级迭代.单机产品齐套时,测试用例、测试脚本都已经完成验证,星上软件开发也完成多轮迭代,在硬件平台上只花了25天时间完成测试,与以往型号在单机齐套后初样测试一般需要3个月以上相比加快了研制进度.

图3 控制和星务软件联合测试(“半实物”模式)

3.2 虚拟测试平台在整星测试阶段的应用

在AIT(assembly, integration and test)中心运行虚拟测试平台,使用AIT中心的主控软件,测试流程、指令发送、参数判读和在整星硬件平台测试时完全一样.整星硬件平台测试直接运行在虚拟测试平台上验证过的测试序列,大大节省了测试准备时间.

虚拟测试平台应用于型号研制具有多项优势.它的运行环境只需要1台电脑,单人即可完成测试,降低了对测试设备、测试场地、测试操作和保障人员齐备的要求.在虚拟测试平台上能够运行的测试用例更加丰富,通过自动化测试和加速测试能大大提高测试效率.而且不会给星上产品引入安全风险,避免由于操作不当引起的硬件产品损伤.同时提供了一个不受测试现场限制、便携高效的需求确认手段,在硬件产品齐套之前就可以开展以需求验证、软件验证、接口验证为主的测试工作.

虚拟测试平台采用开放式架构,具有灵活的部件接入机制,能替代CMU硬件完成各种联试.若按照传统流程,在CMU和其他分系统联试时,卫星总体需要多方协调参试产品、设备、人员、场地,CMU作为核心产品,往往需要在多个场地和环境之间拆装,相关的整星地面测试设备也随之反复搬运,存在较多不便.虚拟测试平台,仅需1台装备有1553B板卡的便携电脑,即可作为CMU目标机完成和1553B总线上各个终端的联试,极大简化了参试设备要求,并且不影响整星的测试主线.

某卫星型号在AIT中心,利用虚拟测试平台开展控制软件和星务软件测试,并完成了和全球导航卫星系统(GNSS)接收机、电源控制器、综合信息处理器、管控机、星间收发信机的联试.虚拟测试平台上开展的工作并行于硬件平台,为研制主线节约了20个工作日.

图4 AIT阶段虚拟测平台的应用

图5 CMU目标机组成

3.3 各阶段虚拟测试平台配置

根据卫星研制阶段,虚拟测试平台配置如表1.虚拟测试平台包含除AIT总控软件外的所有功能模块,为适应不同的测试工况,用户可以选择使用软件模拟的功能模块,也可以选择通过硬件接口与真实设备联合完成功能测试.

表1 各阶段虚拟测试平台配置

3.4 虚拟测试平台在卫星研制中的作用

目前,虚拟测试平台在卫星研制过程中已取得成功应用,并在卫星全寿命周期发挥重要作用:

1)初样研制阶段,电性星硬件产品和虚拟测试平台,采用同步规划、同步设计、同步建设的方案.基于测试覆盖性分析,初样研制阶段,将测试项目在初样电性星硬件平台和虚拟测试平台进行合理划分,开展并行测试.有效发挥了并行工作效能,实现更高效的型号研制,有力保障分系统的顺利交付及整星测试;正样研制阶段,虚拟测试平台实现星上软件逻辑和测试用例的提前验证,从而降低了星上产品损坏的风险.

2)基于硬件扩展接口,虚拟测试平台实现了CMU和下位机的联试,很好地解决了硬件并行需求冲突和组织联试工作量大的难题.

3)卫星飞控阶段,虚拟测试平台替代传统卫星模拟器,配合完成飞控策略演练.卫星长期在轨运行管理期间,虚拟测试平台可对在轨现象进行模拟、复现,提高问题排查、定位、解决的效率,同时可实现在轨注入措施的前期验证以及重要参数辨识、数据智能判读、健康状态评估、在轨任务调度演练等.

4 结 论

本文针对卫星研制过程中技术难度跨越大和“阶段交叠、多线并行”等问题,将星上软件、动力学仿真软件、部件仿真软件、星务模拟软件、自动化测试软件等集成到1台PC机上,实现了“全软件”和“半实物”状态下的虚拟测试.虚拟测试平台模拟了星上应用软件真实的底层运行环境,可以验证内存、地址等操作,测试结果可信度高.同时,虚拟测试平台中的测试用例、数据处理系统,可以不加修改地在硬件平台中复用,为用户使用提供了便利.

本文提出的虚拟测试技术实现了控制与星务软件测试同步和虚拟测试与硬件测试并行,已在控制分系统和整星测试阶段中应用.其有效提高了软件设计迭代效率、降低了卫星研制成本,具有较强的工程应用推广价值.

当前虚拟测试平台实现了CMU软件目标码嵌入运行,为了提高模拟的真实程度和星上代码的复用性,后续将研究多个软件配置项的嵌入运行,实现多分系统的联合虚拟测试.目前,虚拟测试平台已实现卫星 “数字伴研(制)”,后续将实现 “数字伴飞(控)”和 “数字伴运(管)”.