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卫星综合测试通用系统研究

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作者:艾晓然,王庆成时间:2006-07-23来源:收藏

摘要:为了缩短周期和减少成本,开发了一种用于系统级的“综合通用系统研究”。本文章在简要说明了系统的主要目标和技术指标后,详细介绍了系统各个组成部分的技术方案、技术途径和解决的关键技术,归纳了所取得的技术成果和未来发展的设想。  

关键词:;综合  

0 引言  

     1990年代以前,我国航天器是分散的手工操作模式,这种模式的不可能实现自动化。经过多年的努力,在借鉴ETOL(欧洲测试操作语言)系统的基础上研制了航天器系统,改变了传统测试分散模式的体系结构,形成了以器(MTP)为中心的分布式体系结构。但是这个系统基本是为具体型号服务的,没有发挥计算机的潜能,测试过程的计算机辅助实施、计算机辅助分析能力仍然较差。测试系统不具备通用性;测试过程基本是以人为主的测试,或者测试过程仅仅是人工测试的模仿,还没有实现真正意义上的测试过程自动化;对测试过程进行了大量记录,但没有有效的利用记录信息进行故障的分析和诊断。为了能够解决这些问题,适应未来多型号发展的需要,我们开展了卫星综合测试通用系统项目的研究。  
通过该项目的实施,建立了具有示范性的卫星综合测试通用平台及软件系统,为各类卫星综合测试软件提供验证环境,为今后卫星测试提供综合测试通用平台及软件,系统的主要组成部分MTP(器软件)软件、软件、遥测遥控虚拟仪器具有非常强的通用性,可应用于所有的卫星测试,模块化的VXI模件可用率为100%,MTP软件和可用率达90%以上,从而缩短组建系统的时间50%。  

1  系统技术方案介绍  

1.1 系统组成  

    卫星综合测试通用系统由主测试处理机(MTP)、遥测/遥控前端设备(TM/TC FEE)、测试操作台(TCC)、专用测试设备(SCOE)、测试数据显示器和数据库服务器及其它设备通过网络组成,各个设备与MTP遵循用户规定的通信协议,在演示系统中我们用PC机模拟多个SCOE,系统如图1所示。  

这样构成的系统的主要功能是:  
a.通过脐带电缆对卫星仪器供电控制,以及相关模拟量和数字量参数的;  
b.发送遥控命令,验证星上仪器对命令的执行情况;  
c.接收解调遥测信号,处理遥测数据,实时显示,归档;  
d.MTP对各专用测试设备(SCOE)实施管理和与之进行信息交换;  
e.管理各个SCOE工作,运行各个阶段的整星测试程序;  
f.通过数据库服务器实时连续地记录测试过程中的事件和测试数据。  

    系统的硬件部分除了VXI接口模块和匹配器是卫星测试专用的之外,其余部分都是成熟的商用(COTS)产品,包括个人计算机(PC)、操作系统、编程语言和网络产品。系统可以分解成了七个子系统:主测试处理器(MTP)软件、基于Linux的测试操作台(TCC)、测试数据库服务器软件、SCOE模拟器软件、数据显示器软件、遥测/遥控前端虚拟仪器以及供配电测试设备(VXI接口)。从在系统中的地位和功能来说,MTP软件是系统的核心软件,测试数据库服务器是和遥测遥控虚拟仪器模块具有广泛通用性,本文将重点予以介绍。其余几部分,用户可以直接使用,或者根据自己的喜好进行开发。  

1.2  主测试处理器(MTP)软件  

    MTP软件的开发环境是基于LINUX操作系统,采用服务器/客户结构,MTP软件在服务器端。MTP软件是集计算机通讯、实时控制、实时数据处理、分析、回放等功能于一体的复杂系统,因此采用多进程并行处理的方式。进程间通过消息机制实现数据的传递和进程间的同步。系统在准备阶段建立参数描述库,在运行期间生成的各类监视参数表存放在共享存储区内,各个进程使用信号灯实现对这些共享区操作的互斥保护,从而以实现多个进程对数据的共享。图2是MTP软件的软件体系结构图。  
MTP软件主要包括:系统初始化、遥测参数监视和处理、遥控命令管理、控制命令分析、测试序列管理、测试操作台管理、专用测试设备(SCOE)管理、数据和事件的回放以及特殊参数的处理等进程。主要的进程的功能概述如下:  



a.    遥测前端处理进程:管理MTP与TMFEE 的数据链路,接收来自TMFEE的卫星遥测数据流,判断数据流的状态,将数据送处理进程和共享数据区。  
b.    遥控前端处理进程:管理MTP与TCFEE之间的通信接口。根据请求,向TCFEE发送用符号定义的遥控指令,处理指令授权、比对和相关参数。  
c.    SCOE处理进程:管理多个卫星分系统的SCOE,建立SCOE数据链路;支持MTP向SCOE设备发送命令和数据,接收来自SCOE的请求和数据。  
d.    控制台管理进程:管理与测试控制台前端(TCC)的数据链路。该进程可以管理多个TCC;负责TCC信息在网上进行广播;可在TCC上进行人机交互,可以控制或干预测试过程,包括发送遥控指令;可在TCC上显示测试状态,监视参数状态变化,测试序列的执行情况;在TCC上显示控制命令、遥控指令的执行情况、状态变化和有关操作的信息。  
e.    遥测数据处理进程:该进程依据用户在测试准备阶段所定义的实时监视数据表对参数进行监视,也称监视进程(Monitor)。Monitor进程将收到的遥测数据与参数表定义的数据模型进行比较,对于模拟量要将其转化成工程值并检查是否越过上下限。对于数字量要检查状态是否改变。  
Monitor进程对格式或包遥测数据的处理方法包括曲线法、公式法、读原始值法、特殊方法计算等。根据要求可以对参数校准和按照定义的条件进行处理;可以实现参数拼接和数字量提取处理;可以动态加载监视参数表;支持在线修改参数上下限修改、禁止或允许参数监视、显示参数原始值或工程值、周期性或单词显示参数值。  
f.    控制命令分析进程:处理来自TCC、SCOE或测试序列发来的各类控制命令,提交给有关的进程去执行。该进程支持简单命令和批命令功能;处理与参数监视、遥控发送,测试序列运行等相关的各种命令。  
g.    测试序列管理进程:该进程可以管理16个同时运行的测试序列,测试序列有优先级机制,可以访问系统中的各类共享数据区。测试序列采用C语言+测试函数编写,可以接收对测试序列运行管理的控制命令,可以在TCC上显示测试序列的执行状态;提供访问监视参数的原始值和工程值的测试函数;支持发送遥控指令、向SCOE发送信息、接收SCOE的信息、向TCC发送信息、对SCOE状态进行设置、支持共享全局变量、可以使用循环结构、条件语句、变量定义等语句进行编程;测试序列间可以进行通讯。  
h.    初始化进程:该进程负责系统启动时创建所需要的共享数据区、消息队列、信号灯。并将数据准备期间生成的各类监视参数表装入相应的共享区中。  

1.3  测试数据库服务器软件  

     测试数据库记录卫星测试过程和结果,用于事后的统计分析。测试数据库系统的数据源来自EGSE的主测试处理器(MTP)。测试数据库接收并存储的数据有:遥控指令、遥测原代码、SCOE的测试数据、其它测试信息。在卫星测试过程中,测试数据库在收集数据的同时,应能向网络用户提供数据发布服务,以使请求者能够及时了解测试情况。对测试参数数据能以图表的形式显示。数据库系统应能对测试数据进行下列处理和分析:  
a. 日报生成:统计遥控指令数目、越限参数数目、测试时间、各分系统测试时间、测试项目。  
b.    阶段测试报告生成:统计测试项目、遥控指令数目、预定参数曲线、开关机次数、测试时间、各分系统测试时间。阶段测试报告的生成是由人为指定和控制的。  
c.    其它统计分析:累计开机时间、开关机次数、指令的执行次数、成功/失败次数、模拟量遥测在指定时间内的平均/最大/最小值、设备的累计开机时间和开关次数。实现关联查询,如A参数处于某种条件下时,B参数的平均/最大/最小值的统计。 



d.    系统管理功能: 配置管理(通讯参数配置MTP地址、数据发送方式)和系统数据(如分系统名称、参数名称、分析方法)管理;测试数据库系统用户的管理和权限管理,如增加/取消/终止用户、用户权限设置/修改等。  

    数据库服务器被纳入EGSE中,它全面实时地记录和存储测试过程的数据和事件。数据库服务器包括接收和存储模块(TDR)、实时数据发送模块(RDS)、数据监视模块、Web服务器模块以及在客户端(Client)的管理和分析模块组成。图3为数据库服务器总体结构图。  

数据库各个模块的功能和相互之间的关系如下:  
• TDR模块:TDR从MTP接收测试数据(支持TCP/UDP),在进行数据库操作的同时,向RDS发送接收到的测试数据。  
• RDS模块:RDS从TDR实时接收测试数据,并且监听客户的请求和每个请求的参数集合,将适当的参数遥测值和测试信息传送给相应的客户。  
•数据监视器模块:数据监视作为客户代理,实时显示当前监视参数的遥测值以及测试的情况,作为一个整体,还包括网络通讯的统计信息和用户控制。  
•管理和分析模块:管理和分析模块是一个脱机的系统,作为系统管理员和测试分析员的操作台,它独立于测试时间,可以单独操控。主要任务是系统的管理,如系统数据的输入、修改,系统用户及权限的变更等。分析任务是对遥测数据的事后分析,如统计、回放等。  
• 数据库模块:作为系统结构的一个单位,数据库管理系统构成了系统的核心数据存储部件。  

1.4 TM/TC FEE虚拟仪器  

   TM/TC FEE采用虚拟仪器技术,它的主要任务一是接收卫星遥测信号,完成遥测信号的解调,遥测数据的采集、记录和处理,并通过网络送给MTP。其次是产生PSK遥控视频信号,送到卫星上对被测试设备激励或控制。  

    该虚拟仪器的TM/TC模块采用VXI的成熟技术,硬件部分设计是满足VXI总线规范的模块形式,按多种型号卫星的要求设计而成。遥测遥控前端机采用外控式的VXI系统,由TM/TC处理计算机,VXI机箱、机箱控制器、系列功能模块和虚拟处理软件等部分组成。包括TM模块和TC模块,TM模块包括TM信号模拟源子模块、TM信号匹配器子模块、PSK解调器子模块和PCM解调器子模块。应用软件使用了Labwindows/CVI开发工具,为用户开发了通用的TM/TC前端虚拟仪器。 图4是TM/TCFEE连接示意图。  





   该虚拟前端机具有三大特点:①标准的模块化结构,完全符合VXI的机械和电气标准,符合“即插即用”标准;②模块适应当前所有在研的卫星测试需求,可以说是通用化的模块;③虚拟技术的应用使应用软件不但提供了友好的人机交互界面,而且也是按照通用化设计的,可以满足任何在研卫星的测试需求。  
虚拟仪器的重要体现在于软件。使用虚拟开发工具LabWindows/CVI,为应用提供了人性化的友好界面,图5是遥测部分的界面。  

2  实现途径和技术特点  

2.1 实现技术途径  
       开发过程中采取合理的技术途径,使项目按时完成和达到了预期的目标。  
a. 注重需求分析  
为了使系统具有通用性,进行了广泛的、深入的需求分析,由用户、设计人员和管理人员协同把全部需求加以提炼汇集,形成需求文档。文档中详细阐述功能需求、性能需求、环境需求、接口需求、操作需求、资源需求、验收需求、文档需求、安全需求以及可靠性需求等,此外还有可维修性、成本、计划等方面的需求。要求做到各项需求是不含糊的、完整的、相容的和可测试的。  
b. 强调通用性更注重开放性  
开放式系统是能够支持新的测试需求、允许灵活地进行更新和引入新技术并且对现存的设备影响最小的系统。开放式系统强调使用已被认可的工业标准去规定体系结构组成部分的性能和接口要求。在课题研究中我们在硬件上采用标准的VXI接口,采用广泛技术支持和应用的以太网结构,采用商用(COTS)成熟的计算机及其开发环境(操作系统和编程语言),为系统的开放奠定了基础。   
c.开发阶段受控和应用验证  
• 开发过程遵循自顶向下的方法,即系统级、子系统级和模块级;测试工作遵循自下向上的方法;  
• 软件经历原型样机阶段,硬件经历初样阶段;  
• 关键点的阶段性评审,如MTP软件的需求和结构设计评审,数据库软件的设计评审等;  
• 系统中的主要部分在某些卫星的测试中得到了应用验证。  

2.2 技术特点  

   该系统是在借鉴了过去型号应用的经验,广泛收集应用需求的基础上开发而成。它除了具备了以往类似系统的功能和通用性之外,还具备如下技术特点。  
a. 一台服务器实现多星同时测试      
采用一台服务器,同时支持多颗不同类型的卫星的测试。系统通过提供配置文件的功能,定义不同卫星测试所需的监视参数表、配置文件和不同的网络连接端口,定义不同卫星各自的共享区名和消息队列名,通过多进程控制和通信技术,实现了虚拟服务器功能,可以同时处理多个遥测设备、遥控设备、专用设备发来的各种数据和控制命令。  
b. 外挂处理方法  
为了方便特殊遥测数据的处理,通过建立外挂处理程序的方式,为用户提供了可以随意增加数据处理方法的能力。用户可以编制自己的处理函数,外挂处理程序无需与遥测数据处理程序链接即可运行。系统还提供了用户在处理函数中获取和设置各种遥测参数原始值和工程值的方法。  
c. 基于数据库的测试参数定义及在线修改动态加载功能  
采用数据库技术来管理测试监视参数表,通过对数据库表中的数据项进行相关检查,提高了数据定义的正确性,便于数据检索和修改。使重新修改的数据通过动态加载,能够直接在测试中生效。  
d. TCC软件(测试操作台软件)   
在Linux操作系统下引入了图形用户界面。MTP的服务器操作界面采用KYLIX 3.0开发,操作方式和Windows操作完全一致。同时,为每一种操作设计了多种快捷的操作手段。每一颗卫星在测试中都允许多个操作控制台同时运行,不同的操作控制台发出的各种命令和结果都能其在操作控制台上显示,并进行归档。  
e. 卫星测试数据库服务器的建立  
系统首次建立了用于卫星综合测试的数据库服务器系统,它具备了B/S(浏览器/服务器)和C/S(客户机/服务器)两种体系结构的特点,使系统的各个部分的接入灵活,可以分别创建和开发,体现了开放式特点。  

3  结束语  

    该系统可以直接或间接用在目前和未来我国的卫星测试中,但是技术的发展是相互关联和无止境的。随着国民经济对航天技术需求的增加,各种类型卫星的功能越来越强,系统越来越复杂。这样就给从事测试和设备研制的人员提出了苛刻的要求,既要满足多型号测试应用的要求,又要溶入新的技术,本课题仍然有些部分需要进一步延伸和提高。  

参考文献  
[1]王庆成,陈逢田等. 一种航天器通用测试软件.自动与控制.1995.  
[2]张翰英.卫星电测技术.宇航出版社.1999.  
 


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