衛星載荷地面測試系統設計研究范文

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摘要:衛星載荷在衛星發射前需要通過地面各種類型的測試。針對某衛星載荷地面測試的需求特性和特點，設計了一種衛星載荷地面測試系統。該系統通過將載荷相關外部測試接口功能集成到一個通用的接口適配器，采用數據庫，結合自動測試技術實現測試計劃、數據文件和測試結果的分布式管理。該系統的建立能夠高效解決重復開發載荷測試設備的問題，提高載荷測試效率，同時有利于形成可靠考核載荷技術指標的專用設備。應用結果表明，該衛星載荷地面測試系統在項目地面測試中顯著提升了測試效率。

關鍵詞:衛星載荷;電性能測試;接口適配器;地面測試系統

引言

隨著我國綜合國力的日益強盛，航天事業也步入一個飛速發展的黃金期，各類衛星包括微小衛星的研發和應用不斷推陳出新，作為配套測試衛星載荷的地面測試系統也面臨新的挑戰。美國早在2007年就提出了快速響應空間(ORS)的概念，其中就重點明確指出快速響應衛星(有效載荷)要具備快速測試能力［1］。近些年我國發射衛星的數量也呈現爆炸式的增長，衛星生產流程不斷精益優化，研制周期隨之縮短。衛星載荷作為衛星的主要功能載體，從開始研發到最終裝備，經歷各種嚴格而全面的地面電性能測試［2－3］和在軌測試，其中地面測試階段的電性能測試具有測試組合態多、測試階段多、測試項目多、測試用例多和測試結果比對多的“五多”特點，在整個衛星載荷的研發周期中占據大量時間，對衛星載荷關鍵功能和性能指標測試和驗證起到至關重要的作用。目前，國內衛星載荷地面電性能測試主要以人工測試為主，只在部分地方引入了自動測試［4－11］，導致載荷測試效率依舊低下。同時由于不同衛星載荷功能和接口變換多樣，導致適配的地面測試系統［12－15］開發難度大，復用程度不高。本文通過梳理衛星載荷與衛星平臺［16－17］的接口關系、地面常規測試流程和測試內容要求，采用常規通用信號源、定制信號模擬設備、載荷接口適配器［18－20］、計算機和以太網交換機，建立了一種衛星載荷地面測試系統，結合數據庫技術，開發測試平臺軟件實現了整個測試系統的控制和管理，最大程度實現了對衛星載荷的全流程自動化測試。

1系統總體設計

某型衛星載荷功能在同類衛星載荷產品中較具代表性，其地面測試依據交付前后分為系統測試階段和整星測試階段，2個階段測試矩陣均圍繞性能指標測試項開展設計，測試項目上存在重疊，系統測試項目更加細致和繁多。設計載荷地面測試系統的目的是既能在交付前方便、快捷地對衛星載荷各類組成單機和分系統的性能指標進行自動測試，又能在交付后的整星測試中，通過修改地面測試系統配置，快速適應整星測試環境，配合整星測試平臺完成載荷性能指標的自動測試。

1．1測試系統原理

衛星載荷地面測試系統組成如圖1所示。對衛星載荷進行測試時，首先由中心控制計算機輸出信號控制參數至測試儀器，產生測試信號送至衛星載荷，然后星務模擬計算機輸出指令和任務包到衛星載荷，引導衛星載荷執行測試任務，星地、星間數傳模擬接收設備接收載荷下發的結果數據，通過網絡送至地面處理終端，地面處理終端對載荷結果數據進行預處理、解析、分析和統計，生成測試結果，存入數據庫。本地面測試系統的核心在于載荷接口適配器的集成設計和基于數據庫技術的全流程自動化測試軟件平臺的構建、設計和實現。

1．2載荷接口適配器設計

載荷接口適配器統一集成了與衛星載荷接口緊密聯系且支撐載荷正常工作的多種功能單元模塊，組成如圖2所示。根據衛星載荷所處的不同測試階段，載荷接口適配器可靈活配備不同數量的接口板、數傳接收板，構成不同的測試功能載體，滿足不同測試需要。

1．2．1接口板設計接口板上集成了與衛星載荷相關的大量通用控制接口，如圖3所示。同步接口PPS的輸入源可選擇外部輸入源或內部時鐘，通過FPGA對輸入的PPS進行分路，并同時通過串口輸出一路軟件同步信號，用做保障地面測試系統的控制時鐘和衛星載荷的工作時鐘嚴格同步，適用于對時統要求特別嚴格的星座組網類載荷。OC接口符合一般的OC門電路接口要求，最低下拉電平可以低至0．2V。

1．2．2數傳接收板設計數傳接收板上設計了兩類數據接收接口，如圖4所示。數據接收卡中的單向2路數傳通道實時接收衛星載荷下發的各類數據，通道位寬(1X\2X\4X\8X)可根據被測試衛星載荷的實際設計靈活配置。為適應不同載荷輸出數據流的速率，設計了2種不同的數據存儲方式:通過PCI-e接口存于主控板上的SSD固態硬盤方式，適用于載荷數據流速率小于2Gbps，當數據流速率大于2Gbps，可直接將數據存儲在數傳接收卡上的256GB的FLASH陣列上，等待數據接收完畢之后，轉儲至主控板SSD硬盤上。數傳轉發卡具備載荷數據接收、緩存并轉發的功能，可滿足星座組網類載荷星間數據傳輸測試需要。

1．3地面測試軟件設計

地面測試軟件以通用衛星載荷測試硬件平臺為基礎，以數據庫為中心，輔以各種配套軟件保證整個測試系統的有機運轉，地面測試軟件的組成如圖5所示。

1．3．1軟件結構設計地面測試主控軟件根據層次結構劃分，采用3層架構設計，即應用層、業務層和I/O層，層次結構如圖6所示。應用層向測試人員或用戶展示各種界面，測試人員或用戶通過界面對系統進行操作，并通過業務邏輯層來實現測試人員或用戶的各種操作，包括測試指令編輯、測試腳本編輯等、載荷任務管理、測試結果統計和出具報表等，同時還負責維護登錄數據庫的用戶權限;業務層負責處理數據層的數據，實現業務邏輯，包括解析測試指令邏輯、腳本邏輯、載荷任務管理邏輯;I/O層封裝了通用測試儀器、定制類測試儀器設備及各類測試資源的接口驅動、載荷接口適配器接口、載荷接口和數據庫的接口操作。

1．3．2數據庫設計測試數據庫是載荷地面測試系統能夠維持有序運行的核心，存儲了載荷地面測試系統的計劃任務數據、儀器控制參數、測試系統運行日志、載荷遙測數據、載荷測試原始數據、終端處理結果數據等。測試數據庫為地面測試系統中所有其他軟件提供數據支持和數據交換服務，測試數據庫與各軟件間數據信息流情況如圖7所示。

1．3．3自動測試設計載荷地面測試系統可以調用預先存儲在測試數據庫里的單個或多個測試計劃，根據載荷測試的通用流程和測試要求，編排并生成測試指令序列，測試指令序列是對本次測試過程載荷狀態切換、設置，同時包含了對載荷任務模式參數設置包和儀器設置參數包的調用信息與執行過程，通過有序控制不同的設備，自動完成測試流程。同一個測試計劃內可以包含不同的測試任務，多個測試計劃通過指令編排，可以依次自動順序或多次執行。自動測試流程如圖8所示。

2應用結果與分析

按照上述設計方案，完成了衛星載荷地面測試系統的通用化設計。根據載荷測試系統組成搭建測試環境，對載荷進行測試，其主要工作步驟如下:①測試前準備:依據測試要求，利用地面測試軟件對載荷測試項進行測試任務分解，生成載荷任務模式參數設置包、儀器設置參數包和測試指令序列，并將載荷任務模式參數設置包和儀器設置參數包存入數據庫。②測試計劃自動執行:載入已編輯完畢的測試指令序列(包含單個或多個測試項)，以儀器設置參數包為執行主線，以時間為觸發條件，根據不同的測試項，輸出相應的測試信號，從而引導載荷執行測試任務，形成測試數據。③測試數據處理:地面測試軟件自動監測是否有新數據文件進行生成，對新的數據文件解包、解析、處理及結果顯示，將測試結果寫入測試數據庫，并與被測試文件關聯，更新文件處理標識，完成本次測試。同時，地面測試軟件具備對特定階段或某一時間段內測試結果依據測試報告模板生成測試報表的功能，可以方便對載荷測試內容進行一致性比對、完整性記錄。對比某工程項目載荷應用地面測試系統前后的測試情況，測試結果如表1所示。應用地面測試系統后測試人員大幅減少，測試時間明顯縮短，出具測試報告環節節約了大量時間，測試效率顯著提升。

3結束語

隨著未來衛星載荷項目的增多，地面測試系統作為衛星載荷的配套服務設備，應逐漸走向通用化和標準化設計的道路。通用衛星載荷地面測試系統能最大程度的滿足衛星載荷測試的基本需求，同時通過少量的定制開發滿足不同任務載荷測試的具體要求，可達到加快載荷研制進度、縮短載荷測試周期、提高載荷測試遍歷性的作用。該地面測試系統已獲得工程化應用，效果良好，大大減少了載荷測試工作量，節省了寶貴的人力資源，測試效率得到質的飛躍。本文設計的衛星載荷地面測試系統可供同行從業者參考借鑒。

作者：徐凡 單位：中國西南電子技術研究所