虛擬軟硬件技術在衛(wèi)星測控中的應用

引言
衛(wèi)星研制過程的不同階段測試內(nèi)容和重點各不相同，初樣階段需要對接口信號做出及時判斷，正樣階段測試則強調(diào)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和一致性，另外，不同測試場合對系統(tǒng)的靈活性要求也不同，研制階段要求測試系統(tǒng)“大而全”，發(fā)射場地則可以做到“小而精”，傳統(tǒng)做法是測試研發(fā)人員根據(jù)不同需求研發(fā)不同階段的測試設備，這種方法需要為測試設備耗費不少研制經(jīng)費和精力，硬件可靠性常常依賴于研發(fā)者的水平，更改起來也十分不便。這種方法尤其不適應以成本低、開發(fā)周期短為特點的小衛(wèi)星。不同測試目的和系統(tǒng)的融合是提高測試系統(tǒng)開發(fā)費用和周期的有效辦法，虛擬儀器技術的硬件可靠性由標準硬件提供商保障，用戶根據(jù)自己的需求適當選擇硬組件，編寫操作界面，并對測試數(shù)據(jù)實時分析，可隨時根據(jù)需求對系統(tǒng)進行方便修改，達到不同測試目的公用一套測試系統(tǒng)的目的。
筆者用NI公司的軟硬件測控產(chǎn)品開發(fā)衛(wèi)星測試系統(tǒng)，以提高衛(wèi)星研發(fā)過程中的測試水平


圖1 基于VXI的信號分析系統(tǒng)


圖2 基于PXI的整星測試系統(tǒng)


圖3 自動測試平臺的硬件體系結構

系統(tǒng)結構
針對不同測試內(nèi)容和條件研制的基于虛擬儀器技術的測試系統(tǒng)主要由兩大模塊組成，一組是基于VXI的信號分析系統(tǒng)，主要針對系統(tǒng)內(nèi)部接口設計，功能為直接監(jiān)控被測對象的接口輸出信號，并為被測對象提供模擬輸入，控制被測對象；另一組則針對整星對外接口進行測試，包括星上供電以及和衛(wèi)星通信等內(nèi)容。
基于VXI的信號分析系統(tǒng)主要由以下各部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、激勵信號產(chǎn)生器、控制服務器、電源等系統(tǒng)以及和被測對象對接的接口、隔離組件等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要分析被測對象的輸出，包括模擬量輸入、數(shù)字I/O、開關量等；激勵信號產(chǎn)生系統(tǒng)主要針對被測對象輸入設計，包括開關控制、模擬輸出、數(shù)字I/O輸出控制以及故障模擬等；控制服務器則對以上相關組件進行控制，并可根據(jù)用戶需求提供故障模擬和在線分析等功能。這一部分組成如圖1，其中用到的主要組件為：VXI-1500，VXI-MXI-2，MIO-64E-1，AMC2501，SCXI-1001，SCXI-1320；軟件在LABWindows/CVI下開發(fā)。
整星測試系統(tǒng)主要基于PXI完成，針對被測對象的對外輸出信號進行測試和控制，包括對整星供電從及和衛(wèi)星通信等功能。該部分組成如圖2所示。
整星測試系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)共用調(diào)理信號，共享軟件資源，同時，它可以通過總線產(chǎn)品完成和被測系統(tǒng)的CPU通信，間接獲取被測對象信息。PXI小巧靈活的特點可以使之很方便的從一種被測對象擴展到多種被測對象，從一個測試場地搬運到另一個測試場地，這尤其適合野外測試、車載發(fā)射測試、搭載發(fā)射等對靈活性有要求的測試場合。
整星測試系統(tǒng)組成如圖2，其中用到的主要組件為：XI-1011，PXI-1025，PXI-6527，SCXI-1120，SCXI-1327，SCXI1120D，SCXI-1001，SCXI-1320；軟件在LABWindows/CVI下開發(fā)。

發(fā)展目標
根據(jù)研制需要，一種具有更大靈活性和通用性的基于虛擬儀器技術的自動測試系統(tǒng)將極大地提高系統(tǒng)研制效率，這一系統(tǒng)具有的硬件體系結構如圖3所示，在信號分析系統(tǒng)的基礎上增加控制服務器、應用服務器和綜合測試系統(tǒng)軟件功能，并將測試數(shù)據(jù)上網(wǎng)共享。
應用服務器由用戶根據(jù)測試需求向控制服務器提出測試申請，控制服務器則根據(jù)應用服務器的申請直接操作硬件，應用服務器同時根據(jù)權限通過局域網(wǎng)將系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享給不同的數(shù)據(jù)用戶。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用于管理測試過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。
這種系統(tǒng)的軟件分層管理，物理層為主要包含硬件信號屬性、定義等；驅(qū)動層完成硬件信號驅(qū)動并屏蔽硬件的差異，中間層完成硬件資源的分配；應用層主要完成用戶交互、自動測試、數(shù)據(jù)管理、遠程通信、系統(tǒng)診斷模塊。

結語
本文所述的信號分析系統(tǒng)、整星測試系統(tǒng)已成功應用于某顆實驗星的研制，第三階段研發(fā)也在方案設計之中，系統(tǒng)的成功應用證明了虛擬儀器技術應用于衛(wèi)星測試的可行性、可靠性?！?

參考文獻：
1.  Ruth Moser , ‘Novel Missions for Nest Generation Microsatellites : The Results of a Joint AFRL-JPL Study’，13th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites.
2.  ‘ALS proposal for improving the effectiveness of the model and test philosophy applied by ESA’，SG PP Al0908
3.  ‘虛擬儀器白皮書’，NI公司