卫星通用化综合测试鉴定评估系统设计与实现

冯科峰

(上海航天壹亘智能科技有限公司,上海201306)

随着现代科学技术和军事武器装备的发展,试验鉴定评估工作在国防科研和装备建设中发挥着越来越重要的作用。为全面贯彻落实全军开展武器装备试验鉴定的总体思路,通过改进试验鉴定工作模式,强化军民融合发展理念,建立型号任务鉴定评估体系,形成全面鉴定评估能力对于确保任务成功具有重要意义。

目前国内对卫星的鉴定评估工作的研究和论证比较少,还处于探索验证阶段,各总体单位相对成熟的测试系统还只是停留在卫星电测试功能和性能层面要求上,无法从系统鉴定和专家打分综合评估卫星的各项指标,通过构建“卫星通用化综合测试鉴定评估系统”可实现卫星发射场测试及试验鉴定工作“流程规范化、接口标准化、设备通用化、软件信息化、评估智能化”的目标,最终形成发射场试验鉴定能力。

本文共有五个部分,第一部分介绍了项目背景和总的要求；第二部分列出了项目的基本要求和验收标准；项目的系统设计工作和应用验证工作分别安排在了本文的第三部分和第四部分；最后一部分作为本文结论。

1 项目概况

在整个卫星试验鉴定流程中,发射场作为承前启后的关键环节,是卫星上天之前的最后一道关口,对于航天装备列装前质量把控、效能评估意义毋庸置疑。开展发射场航天装备试验鉴定,是确保航天装备在未来战场上形成实战能力的重要途径,是航天装备试验鉴定模式创新发展的必然趋势。航天装备试验鉴定正逐步从过去传统的“研制单位主导技术指标验证”向“面向用户整体效能指标考核”转变。目前,航天装备发射场试验鉴定尚处于摸索与起步阶段,发射场己经开展运载火箭发射场综合测试和鉴定评估等相关工作,因此对卫星在发射场的测试和鉴定评估提出了新的要求,该系统的设计和实现将对卫星的真实作战能力和满足作战功能需求程度作出全面的评价和鉴定,将会对卫星快速形成战斗力产生重大影响。

2 技术标准

项目技术指标要求主要有以下5 项:

2.1 在配置完成、操作熟练、任务明确的前提下,完成一次鉴定试验验证系统的全流程测试时间小于20min。

2.2 通过软件配置适应性调整及星地接口转换,可适用于目前主流类型微小卫星(小于100kg)的鉴定试验。

2.3 预留接口,可适应不少于3 颗卫星的并行测试和鉴定试验。

2.4 在满足常规S 频段测控和X 频段数传的基础上,预留接口,可方便转换为U/V、X 频段和S 频段数传。

2.5 利用简单的人机界面和数据接口,可实现一键化快速测试及鉴定评估,实现测试流程自动生成、鉴定测试自动化执行、实时数据检测、测试数据自动处理、常用故障自动诊断等功能。

3 系统设计要点

3.1 系统架构设计

鉴定试验验证系统设计采用分层架构,单一计算机测试无法实现,设计采用多计算机控制结构,具体可分为四层,系统分层组成图如图1 所示。

图1 系统架构图

第一层为直接测控层,直接测控层是与卫星直接相连的环节,卫星采集信号和控制信号都是由前端系统来完成的。鉴定试验验证系统和卫星直接联系的通道包括以下几个方面:卫星通过脱落插头传送的星上地测信号、直接测控信号和卫星供电；星上测控系统通过有线或无线方式传送的卫星测控信号。直接测控层前端设备包括:能源前端、星务前端以及测控数传前端。每个前端系统相对独立,既可脱离网络自成系统独立工作,也可通过网络在控制中心管理下协调工作,以满足不同测试模式的要求。前端设备作为地面系统与卫星的通信通道,指令由主控制中心统一调度。前端设备将配备标准一体化机柜实现集成化设计,通过外接局域网实现远程控制,通过这样的设计可以灵活布控前端设备。

第二层为中心控制管理层,中心控制管理层作为整个鉴定试验验证系统的核心,该层在系统中起到至关重要的管理和控制功能,负责整个测试系统的协同工作、测试设备监控。中心控制层包括:主控制中心系统和数据路由管理系统。在主控制中心可直接登陆数据库进行数据配置和管理,可实时、自动进行指令发送等操作和控制；数据路由中心设计采用虚拟网络技术,实现虚拟信道,适应多星多类型数据共享物理链路的功能,同时在卫星测试任务中,可在路由中心实时监控下行通道的网络连接状态,数据接收状态,以保证数据传输通畅。

第三层为数据存储服务层,数据存储服务层作为综合测试系统的数据中枢,负责接收数据路由系统发送的所有卫星测试数据,存储卫星测试生命周期内的所有数据及测试日志,为卫星研制人员的设计提供数据分析支持。

第四层为终端监控鉴定评估层,主要由实时判读终端、查询分析终端、鉴定评估终端以及打印终端组成。实现卫星测试过程监控、数据实时显示与自动判读、测试数据的查询分析,测试数据的回放、生成鉴定评估报告以及测试数据的导出和打印等功能。

3.2 功能模块设计

3.2.1 能源前端模块

功能要求:能源前端模块主要负责给整星供电、卫星状态控制(主要电源分系统的充放电控制、内外电切换和星载计算机的切换和复位控制等)及有线测量信号(主要是电源分系统的有线测试信号)的采集等功能。

设计难点:太阳方阵模拟设备特性和输出电缆接口类型要能够覆盖多类卫星型号的供电需求；能源设备控制软件需动态识别接入设备并完成自检。

解决思路:太阳方阵模拟器设计采用模块化管理和集成方式,电缆接口设计采用适配器设计方式,通过电缆适配箱转接不同接口；能源设备软件通过配置表更新自动触发机制,实现设备动态初始化和接入自检。

3.2.2 星务前端模块

功能要求:星务前端模块主要通过RS-422 异步通信串口实现与星载计算机的交互。异步通信的地测串口把星上的所有信息实时传递给地面:包括星上自主遥测数据、软件运行状态、各个分系统的工作情况；也支持把地面的数据发送至卫星:包括间接遥控指令、程序注入、数据注入,以方便综测过程中的交互式调试。

设计难点:对于不同串口下行传输速率的适配性问题,容易造成数据丢包现象。

解决思路:设计串口下行数据包动态缓冲机制,构建了线程安全队列,该安全队列可以根据实际数据速率动态调整缓冲队列空间大小。

3.2.3 测控前端模块

功能要求:测控前端模块由PXI 机箱、零槽控制器、中频信号处理与模拟单元上变频、下变频、信道调理单元以及CAN 总线接口测试单元组成。所有单元都以PXI 板卡形式集成在PXI机箱中。

设计难点:不同卫星型号的测控体制和测控频段不同,测控上下行通道数量不确定,要求设备具有扩展性。

解决思路:机箱结构设计上通过模块化、标准化思想；测控体制上通过FPGA 软件版本在线升级的方式实现。

3.2.4 主控中心模块

功能要求:主控中心模块负责完成测试人员向卫星或某些前端设备发送指令,对试验鉴定系统中各子系统所需要的配置信息提供人机管理接口,配置信息包括各软件运行所需要的初始化数据,卫星遥测遥控数据协议格式信息,各系统设备网络通信配置信息,判读规则数据、数据处理脚本管理以及卫星测试命令帧等。

设计难点:主控中心作为连接系统内部的数据中转枢纽,具有承上启下的作用,要能够保证数据的畅通和故障时的快速切换。

解决思路:通过虚拟化技术,多虚拟机部署,基于心跳检测机制快速实现程序切换,程序设计上采用多线程架构,实现多数据源的处理转发。

3.2.5 数据存储模块

功能要求:数据存储模块主要用于存储包括包括遥测包格式信息、指令帧格式信息、网络配置信息、设备连接信息、测试用例数据、数据类型信息、测试计划调度信息等所有配置数据。通过与采集存储软件对接,将流数据形式的测试数据永久化存储在数据库中,能够存储TB 甚至PB 级的数据。

设计难点:数据存储架构要适应多并发查询要求,具备可扩展性和容错性。

解决思路:采用分布式存储架构,基于Hadoop 底层存储框架技术和HBase 分布式存储技术实现数据的安全本分和高效写入。

3.2.6 监控评估模块

功能要求:监控评估模块主要用于实时显示卫星平台测试数据和前端机设备采集来的数据。实时显示模块支持数据分组分页显示,实时对发送来的测试数据进行数据有效性判读。通过用户自定义的各项评定指标,对相关的卫星工作状态、遥测数据、测试用例执行结果进行统计计算和判别分析,形成约定格式的鉴定评估结果报告,报告中包含评定指标明细和各项结果以及最终结论。

设计难点:鉴定评估指标涉及多级指标,指标类型多样化,指标计算方法要具备通用性和扩展性。

解决思路:构建标准的指标评估体系和指标计算方法库,通过层次分析法设计鉴定评估模块架构,基于指标计算可编辑接口扩充更新指标方法库,结合专家打分方式综合评估各级指标。

3.3 鉴定评估模型的设计

在卫星效能评估中,通过使用层次分析法计算出在当前层级中指标的权重,换句话说该指标在此层级下的重要程度。层次分析法主要有建立递归层次结构模型、构造判断矩阵、层次单排序和一致性检验。本文中采用层次单排序及一致性检验,层次单排序即为各个指标在该层次下所占的权重值(判断矩阵最大特征值所对应的特征矩阵)由计算得到。采用EM法计算层次单排序,算法步骤如下所示:

(1)对判断矩阵每一列进行归一化处理

(5)计算一致性比例CR=CI/RI,其中CI=(λmax-n)/(n-1),随机一致性指标RI 由查表得到(如表1 所示),当CR＜0.1 时认为判断矩阵的一致性可接受,则结果可以作为权值数。

表1 随机一致性指标

4 系统应用与验证

系统在微小卫星联合实验室进行了硬件的安装部署和系统各软件模块的联调,选取了实验室存放的某单位软件星电性件产品作为系统应用和验证对象,部署的软硬件条件和系统配套清单；按如图2 的测试流程完成了各项测试工作。

图2 系统测试流程

按照以上测试流程对系统的各个模块功能、模块接口数据协议、系统集成测试以及系统的稳定性、安全性等性能指标进行了半个月的联合测试,系统整体上已经具备了任务书要求的各项功能指标和性能指标,可适应于不同微小卫星的快速电测试和基于评估指标体系的快速鉴定评估能力。

5 结论

微小卫星鉴定试验验证系统按照用户技术要求逐项进行了测试,满足要求,通过了出厂系统测试和用户试用。系统开发过程受控,质量监管到位,配套文档资料齐全。系统开发过程符合软件工程的有关要求,采用设计、编码、测试三分离原则,配置项状态受控,并已通过用户试用。通过系统联试和软件测试等,系统软件满足任务书要求,可以开展现场部署、联调、测试工作。