衛(wèi)星綜合測試通用系統(tǒng)研究

摘要：為了縮短周期和減少成本，開發(fā)了一種用于衛(wèi)星系統(tǒng)級測試的“衛(wèi)星綜合測試通用系統(tǒng)研究”。本文章在簡要說明了系統(tǒng)的主要目標和技術指標后，詳細介紹了系統(tǒng)各個組成部分的技術方案、技術途徑和解決的關鍵技術，歸納了所取得的技術成果和未來發(fā)展的設想。  

關鍵詞：衛(wèi)星；綜合測試；主測試處理；數(shù)據(jù)庫；局域網(wǎng)（LAN）  

0 引言  

     1990年代以前，我國航天器綜合測試是分散的手工操作模式，這種模式的綜合測試不可能實現(xiàn)自動化。經(jīng)過多年的努力，在借鑒ETOL(歐洲測試操作語言)系統(tǒng)的基礎上研制了航天器綜合測試系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)測試分散模式的體系結(jié)構(gòu)，形成了以主測試處理器（MTP）為中心的分布式體系結(jié)構(gòu)。但是這個系統(tǒng)基本是為具體型號服務的，沒有發(fā)揮計算機的潛能，測試過程的計算機輔助實施、計算機輔助分析能力仍然較差。測試系統(tǒng)不具備通用性；測試過程基本是以人為主的測試，或者測試過程僅僅是人工測試的模仿，還沒有實現(xiàn)真正意義上的測試過程自動化；對測試過程進行了大量記錄，但沒有有效的利用記錄信息進行故障的分析和診斷。為了能夠解決這些問題，適應未來多型號發(fā)展的需要，我們開展了衛(wèi)星綜合測試通用系統(tǒng)項目的研究。  
通過該項目的實施，建立了具有示范性的衛(wèi)星綜合測試通用平臺及軟件系統(tǒng)，為各類衛(wèi)星綜合測試軟件提供驗證環(huán)境,為今后衛(wèi)星測試提供綜合測試通用平臺及軟件，系統(tǒng)的主要組成部分MTP（主測試處理器軟件）軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、遙測遙控虛擬儀器具有非常強的通用性，可應用于所有的衛(wèi)星測試，模塊化的VXI模件可用率為100%，MTP軟件和數(shù)據(jù)庫可用率達90%以上，從而縮短組建系統(tǒng)的時間50%。  

1  系統(tǒng)技術方案介紹  

1.1 系統(tǒng)組成  

    衛(wèi)星綜合測試通用系統(tǒng)由主測試處理機（MTP）、遙測/遙控前端設備（TM/TC FEE）、測試操作臺（TCC）、專用測試設備(SCOE)、測試數(shù)據(jù)顯示器和數(shù)據(jù)庫服務器及其它設備通過網(wǎng)絡組成，各個設備與MTP遵循用戶規(guī)定的通信協(xié)議，在演示系統(tǒng)中我們用PC機模擬多個SCOE，系統(tǒng)如圖1所示。  

這樣構(gòu)成的系統(tǒng)的主要功能是：  
a.通過臍帶電纜對衛(wèi)星儀器供電控制，以及相關模擬量和數(shù)字量參數(shù)的測量；  
b.發(fā)送遙控命令，驗證星上儀器對命令的執(zhí)行情況；  
c.接收解調(diào)遙測信號，處理遙測數(shù)據(jù)，實時顯示，歸檔；  
d.MTP對各專用測試設備（SCOE）實施管理和與之進行信息交換；  
e.管理各個SCOE工作，運行各個階段的整星測試程序；  
f.通過數(shù)據(jù)庫服務器實時連續(xù)地記錄測試過程中的事件和測試數(shù)據(jù)。  

    系統(tǒng)的硬件部分除了VXI接口模塊和匹配器是衛(wèi)星測試專用的之外，其余部分都是成熟的商用（COTS）產(chǎn)品，包括個人計算機（PC）、操作系統(tǒng)、編程語言和網(wǎng)絡產(chǎn)品。系統(tǒng)可以分解成了七個子系統(tǒng)：主測試處理器（MTP）軟件、基于Linux的測試操作臺（TCC）、測試數(shù)據(jù)庫服務器軟件、SCOE模擬器軟件、數(shù)據(jù)顯示器軟件、遙測/遙控前端虛擬儀器以及供配電測試設備（VXI接口）。從在系統(tǒng)中的地位和功能來說，MTP軟件是系統(tǒng)的核心軟件，測試數(shù)據(jù)庫服務器是和遙測遙控虛擬儀器模塊具有廣泛通用性，本文將重點予以介紹。其余幾部分，用戶可以直接使用，或者根據(jù)自己的喜好進行開發(fā)。  

1.2  主測試處理器（MTP）軟件  

    MTP軟件的開發(fā)環(huán)境是基于LINUX操作系統(tǒng)，采用服務器/客戶結(jié)構(gòu)，MTP軟件在服務器端。MTP軟件是集計算機通訊、實時控制、實時數(shù)據(jù)處理、分析、回放等功能于一體的復雜系統(tǒng)，因此采用多進程并行處理的方式。進程間通過消息機制實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和進程間的同步。系統(tǒng)在準備階段建立參數(shù)描述庫，在運行期間生成的各類監(jiān)視參數(shù)表存放在共享存儲區(qū)內(nèi)，各個進程使用信號燈實現(xiàn)對這些共享區(qū)操作的互斥保護，從而以實現(xiàn)多個進程對數(shù)據(jù)的共享。圖2是MTP軟件的軟件體系結(jié)構(gòu)圖。  
MTP軟件主要包括：系統(tǒng)初始化、遙測參數(shù)監(jiān)視和處理、遙控命令管理、控制命令分析、測試序列管理、測試操作臺管理、專用測試設備（SCOE）管理、數(shù)據(jù)和事件的回放以及特殊參數(shù)的處理等進程。主要的進程的功能概述如下：  



a.    遙測前端處理進程：管理MTP與TMFEE 的數(shù)據(jù)鏈路，接收來自TMFEE的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)流，判斷數(shù)據(jù)流的狀態(tài)，將數(shù)據(jù)送處理進程和共享數(shù)據(jù)區(qū)。  
b.    遙控前端處理進程：管理MTP與TCFEE之間的通信接口。根據(jù)請求，向TCFEE發(fā)送用符號定義的遙控指令，處理指令授權(quán)、比對和相關參數(shù)。  
c.    SCOE處理進程：管理多個衛(wèi)星分系統(tǒng)的SCOE，建立SCOE數(shù)據(jù)鏈路；支持MTP向SCOE設備發(fā)送命令和數(shù)據(jù)，接收來自SCOE的請求和數(shù)據(jù)。  
d.    控制臺管理進程：管理與測試控制臺前端(TCC)的數(shù)據(jù)鏈路。該進程可以管理多個TCC；負責TCC信息在網(wǎng)上進行廣播；可在TCC上進行人機交互，可以控制或干預測試過程，包括發(fā)送遙控指令;可在TCC上顯示測試狀態(tài)，監(jiān)視參數(shù)狀態(tài)變化，測試序列的執(zhí)行情況;在TCC上顯示控制命令、遙控指令的執(zhí)行情況、狀態(tài)變化和有關操作的信息。  
e.    遙測數(shù)據(jù)處理進程：該進程依據(jù)用戶在測試準備階段所定義的實時監(jiān)視數(shù)據(jù)表對參數(shù)進行監(jiān)視，也稱監(jiān)視進程（Monitor）。Monitor進程將收到的遙測數(shù)據(jù)與參數(shù)表定義的數(shù)據(jù)模型進行比較，對于模擬量要將其轉(zhuǎn)化成工程值并檢查是否越過上下限。對于數(shù)字量要檢查狀態(tài)是否改變。  
Monitor進程對格式或包遙測數(shù)據(jù)的處理方法包括曲線法、公式法、讀原始值法、特殊方法計算等。根據(jù)要求可以對參數(shù)校準和按照定義的條件進行處理；可以實現(xiàn)參數(shù)拼接和數(shù)字量提取處理；可以動態(tài)加載監(jiān)視參數(shù)表；支持在線修改參數(shù)上下限修改、禁止或允許參數(shù)監(jiān)視、顯示參數(shù)原始值或工程值、周期性或單詞顯示參數(shù)值。  
f.    控制命令分析進程：處理來自TCC、SCOE或測試序列發(fā)來的各類控制命令，提交給有關的進程去執(zhí)行。該進程支持簡單命令和批命令功能；處理與參數(shù)監(jiān)視、遙控發(fā)送，測試序列運行等相關的各種命令。  
g.    測試序列管理進程：該進程可以管理16個同時運行的測試序列，測試序列有優(yōu)先級機制，可以訪問系統(tǒng)中的各類共享數(shù)據(jù)區(qū)。測試序列采用C語言+測試函數(shù)編寫，可以接收對測試序列運行管理的控制命令，可以在TCC上顯示測試序列的執(zhí)行狀態(tài)；提供訪問監(jiān)視參數(shù)的原始值和工程值的測試函數(shù)；支持發(fā)送遙控指令、向SCOE發(fā)送信息、接收SCOE的信息、向TCC發(fā)送信息、對SCOE狀態(tài)進行設置、支持共享全局變量、可以使用循環(huán)結(jié)構(gòu)、條件語句、變量定義等語句進行編程；測試序列間可以進行通訊。  
h.    初始化進程：該進程負責系統(tǒng)啟動時創(chuàng)建所需要的共享數(shù)據(jù)區(qū)、消息隊列、信號燈。并將數(shù)據(jù)準備期間生成的各類監(jiān)視參數(shù)表裝入相應的共享區(qū)中。  

1.3  測試數(shù)據(jù)庫服務器軟件  

     測試數(shù)據(jù)庫記錄衛(wèi)星測試過程和結(jié)果，用于事后的統(tǒng)計分析。測試數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源來自EGSE的主測試處理器（MTP）。測試數(shù)據(jù)庫接收并存儲的數(shù)據(jù)有：遙控指令、遙測原代碼、SCOE的測試數(shù)據(jù)、其它測試信息。在衛(wèi)星測試過程中，測試數(shù)據(jù)庫在收集數(shù)據(jù)的同時，應能向網(wǎng)絡用戶提供數(shù)據(jù)發(fā)布服務，以使請求者能夠及時了解測試情況。對測試參數(shù)數(shù)據(jù)能以圖表的形式顯示。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應能對測試數(shù)據(jù)進行下列處理和分析：  
a. 日報生成：統(tǒng)計遙控指令數(shù)目、越限參數(shù)數(shù)目、測試時間、各分系統(tǒng)測試時間、測試項目。  
b.    階段測試報告生成：統(tǒng)計測試項目、遙控指令數(shù)目、預定參數(shù)曲線、開關機次數(shù)、測試時間、各分系統(tǒng)測試時間。階段測試報告的生成是由人為指定和控制的。  
c.    其它統(tǒng)計分析：累計開機時間、開關機次數(shù)、指令的執(zhí)行次數(shù)、成功/失敗次數(shù)、模擬量遙測在指定時間內(nèi)的平均/最大/最小值、設備的累計開機時間和開關次數(shù)。實現(xiàn)關聯(lián)查詢，如A參數(shù)處于某種條件下時，B參數(shù)的平均/最大/最小值的統(tǒng)計。 



d.    系統(tǒng)管理功能： 配置管理（通訊參數(shù)配置MTP地址、數(shù)據(jù)發(fā)送方式）和系統(tǒng)數(shù)據(jù)（如分系統(tǒng)名稱、參數(shù)名稱、分析方法）管理；測試數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用戶的管理和權(quán)限管理，如增加/取消/終止用戶、用戶權(quán)限設置/修改等。  

    數(shù)據(jù)庫服務器被納入EGSE中，它全面實時地記錄和存儲測試過程的數(shù)據(jù)和事件。數(shù)據(jù)庫服務器包括接收和存儲模塊（TDR）、實時數(shù)據(jù)發(fā)送模塊（RDS）、數(shù)據(jù)監(jiān)視模塊、Web服務器模塊以及在客戶端（Client）的管理和分析模塊組成。圖3為數(shù)據(jù)庫服務器總體結(jié)構(gòu)圖。  

數(shù)據(jù)庫各個模塊的功能和相互之間的關系如下：  
• TDR模塊：TDR從MTP接收測試數(shù)據(jù)（支持TCP/UDP），在進行數(shù)據(jù)庫操作的同時，向RDS發(fā)送接收到的測試數(shù)據(jù)。  
• RDS模塊：RDS從TDR實時接收測試數(shù)據(jù)，并且監(jiān)聽客戶的請求和每個請求的參數(shù)集合，將適當?shù)膮?shù)遙測值和測試信息傳送給相應的客戶。  
•數(shù)據(jù)監(jiān)視器模塊：數(shù)據(jù)監(jiān)視作為客戶代理，實時顯示當前監(jiān)視參數(shù)的遙測值以及測試的情況，作為一個整體，還包括網(wǎng)絡通訊的統(tǒng)計信息和用戶控制。  
•管理和分析模塊：管理和分析模塊是一個脫機的系統(tǒng)，作為系統(tǒng)管理員和測試分析員的操作臺，它獨立于測試時間，可以單獨操控。主要任務是系統(tǒng)的管理，如系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸入、修改，系統(tǒng)用戶及權(quán)限的變更等。分析任務是對遙測數(shù)據(jù)的事后分析，如統(tǒng)計、回放等。  
• 數(shù)據(jù)庫模塊：作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一個單位，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)構(gòu)成了系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)存儲部件。  

1.4 TM/TC FEE虛擬儀器  

   TM/TC FEE采用虛擬儀器技術，它的主要任務一是接收衛(wèi)星遙測信號，完成遙測信號的解調(diào)，遙測數(shù)據(jù)的采集、記錄和處理，并通過網(wǎng)絡送給MTP。其次是產(chǎn)生PSK遙控視頻信號，送到衛(wèi)星上對被測試設備激勵或控制。  

    該虛擬儀器的TM/TC模塊采用VXI的成熟技術，硬件部分設計是滿足VXI總線規(guī)范的模塊形式，按多種型號衛(wèi)星的要求設計而成。遙測遙控前端機采用外控式的VXI系統(tǒng)，由TM/TC處理計算機，VXI機箱、機箱控制器、系列功能模塊和虛擬處理軟件等部分組成。包括TM模塊和TC模塊，TM模塊包括TM信號模擬源子模塊、TM信號匹配器子模塊、PSK解調(diào)器子模塊和PCM解調(diào)器子模塊。應用軟件使用了Labwindows/CVI開發(fā)工具，為用戶開發(fā)了通用的TM/TC前端虛擬儀器。 圖4是TM/TCFEE連接示意圖。  





   該虛擬前端機具有三大特點：①標準的模塊化結(jié)構(gòu)，完全符合VXI的機械和電氣標準，符合“即插即用”標準；②模塊適應當前所有在研的衛(wèi)星測試需求，可以說是通用化的模塊；③虛擬技術的應用使應用軟件不但提供了友好的人機交互界面，而且也是按照通用化設計的，可以滿足任何在研衛(wèi)星的測試需求。  
虛擬儀器的重要體現(xiàn)在于軟件。使用虛擬開發(fā)工具LabWindows/CVI，為應用提供了人性化的友好界面，圖5是遙測部分的界面。  

2  實現(xiàn)途徑和技術特點  

2.1 實現(xiàn)技術途徑  
       開發(fā)過程中采取合理的技術途徑，使項目按時完成和達到了預期的目標。  
a. 注重需求分析  
為了使系統(tǒng)具有通用性，進行了廣泛的、深入的需求分析，由用戶、設計人員和管理人員協(xié)同把全部需求加以提煉匯集，形成需求文檔。文檔中詳細闡述功能需求、性能需求、環(huán)境需求、接口需求、操作需求、資源需求、驗收需求、文檔需求、安全需求以及可靠性需求等，此外還有可維修性、成本、計劃等方面的需求。要求做到各項需求是不含糊的、完整的、相容的和可測試的。  
b. 強調(diào)通用性更注重開放性  
開放式系統(tǒng)是能夠支持新的測試需求、允許靈活地進行更新和引入新技術并且對現(xiàn)存的設備影響最小的系統(tǒng)。開放式系統(tǒng)強調(diào)使用已被認可的工業(yè)標準去規(guī)定體系結(jié)構(gòu)組成部分的性能和接口要求。在課題研究中我們在硬件上采用標準的VXI接口，采用廣泛技術支持和應用的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，采用商用（COTS）成熟的計算機及其開發(fā)環(huán)境（操作系統(tǒng)和編程語言），為系統(tǒng)的開放奠定了基礎。   
c.開發(fā)階段受控和應用驗證  
• 開發(fā)過程遵循自頂向下的方法，即系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級和模塊級；測試工作遵循自下向上的方法；  
• 軟件經(jīng)歷原型樣機階段，硬件經(jīng)歷初樣階段；  
• 關鍵點的階段性評審，如MTP軟件的需求和結(jié)構(gòu)設計評審，數(shù)據(jù)庫軟件的設計評審等；  
• 系統(tǒng)中的主要部分在某些衛(wèi)星的測試中得到了應用驗證。  

2.2 技術特點  

   該系統(tǒng)是在借鑒了過去型號應用的經(jīng)驗，廣泛收集應用需求的基礎上開發(fā)而成。它除了具備了以往類似系統(tǒng)的功能和通用性之外，還具備如下技術特點。  
a. 一臺服務器實現(xiàn)多星同時測試      
采用一臺服務器，同時支持多顆不同類型的衛(wèi)星的測試。系統(tǒng)通過提供配置文件的功能，定義不同衛(wèi)星測試所需的監(jiān)視參數(shù)表、配置文件和不同的網(wǎng)絡連接端口，定義不同衛(wèi)星各自的共享區(qū)名和消息隊列名，通過多進程控制和通信技術，實現(xiàn)了虛擬服務器功能，可以同時處理多個遙測設備、遙控設備、專用設備發(fā)來的各種數(shù)據(jù)和控制命令。  
b. 外掛處理方法  
為了方便特殊遙測數(shù)據(jù)的處理，通過建立外掛處理程序的方式，為用戶提供了可以隨意增加數(shù)據(jù)處理方法的能力。用戶可以編制自己的處理函數(shù)，外掛處理程序無需與遙測數(shù)據(jù)處理程序鏈接即可運行。系統(tǒng)還提供了用戶在處理函數(shù)中獲取和設置各種遙測參數(shù)原始值和工程值的方法。  
c. 基于數(shù)據(jù)庫的測試參數(shù)定義及在線修改動態(tài)加載功能  
采用數(shù)據(jù)庫技術來管理測試監(jiān)視參數(shù)表，通過對數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)項進行相關檢查，提高了數(shù)據(jù)定義的正確性，便于數(shù)據(jù)檢索和修改。使重新修改的數(shù)據(jù)通過動態(tài)加載，能夠直接在測試中生效。  
d. TCC軟件（測試操作臺軟件）   
在Linux操作系統(tǒng)下引入了圖形用戶界面。MTP的服務器操作界面采用KYLIX 3.0開發(fā)，操作方式和Windows操作完全一致。同時，為每一種操作設計了多種快捷的操作手段。每一顆衛(wèi)星在測試中都允許多個操作控制臺同時運行，不同的操作控制臺發(fā)出的各種命令和結(jié)果都能其在操作控制臺上顯示，并進行歸檔。  
e. 衛(wèi)星測試數(shù)據(jù)庫服務器的建立  
系統(tǒng)首次建立了用于衛(wèi)星綜合測試的數(shù)據(jù)庫服務器系統(tǒng)，它具備了B/S（瀏覽器/服務器）和C/S（客戶機/服務器）兩種體系結(jié)構(gòu)的特點，使系統(tǒng)的各個部分的接入靈活，可以分別創(chuàng)建和開發(fā)，體現(xiàn)了開放式特點。  

3  結(jié)束語  

    該系統(tǒng)可以直接或間接用在目前和未來我國的衛(wèi)星測試中，但是技術的發(fā)展是相互關聯(lián)和無止境的。隨著國民經(jīng)濟對航天技術需求的增加，各種類型衛(wèi)星的功能越來越強，系統(tǒng)越來越復雜。這樣就給從事測試和設備研制的人員提出了苛刻的要求，既要滿足多型號測試應用的要求，又要溶入新的技術，本課題仍然有些部分需要進一步延伸和提高。  

參考文獻  
[1]王慶成，陳逢田等. 一種航天器通用測試軟件.自動測量與控制.1995.  
[2]張翰英.衛(wèi)星電測技術.宇航出版社.1999.