一种卫星载荷地面测试系统的设计

徐 凡

(中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036)

0 引言

随着我国综合国力的日益强盛，航天事业也步入一个飞速发展的黄金期，各类卫星包括微小卫星的研发和应用不断推陈出新，作为配套测试卫星载荷的地面测试系统也面临新的挑战。美国早在2007年就提出了快速响应空间(ORS)的概念，其中就重点明确指出快速响应卫星(有效载荷)要具备快速测试能力[1]。近些年我国发射卫星的数量也呈现爆炸式的增长，卫星生产流程不断精益优化，研制周期随之缩短。卫星载荷作为卫星的主要功能载体，从开始研发到最终装备，经历各种严格而全面的地面电性能测试[2-3]和在轨测试，其中地面测试阶段的电性能测试具有测试组合态多、测试阶段多、测试项目多、测试用例多和测试结果比对多的“五多”特点，在整个卫星载荷的研发周期中占据大量时间，对卫星载荷关键功能和性能指标测试和验证起到至关重要的作用。

目前，国内卫星载荷地面电性能测试主要以人工测试为主，只在部分地方引入了自动测试[4-11]，导致载荷测试效率依旧低下。同时由于不同卫星载荷功能和接口变换多样，导致适配的地面测试系统[12-15]开发难度大，复用程度不高。本文通过梳理卫星载荷与卫星平台[16-17]的接口关系、地面常规测试流程和测试内容要求，采用常规通用信号源、定制信号模拟设备、载荷接口适配器[18-20]、计算机和以太网交换机，建立了一种卫星载荷地面测试系统，结合数据库技术，开发测试平台软件实现了整个测试系统的控制和管理，最大程度实现了对卫星载荷的全流程自动化测试。

1 系统总体设计

某型卫星载荷功能在同类卫星载荷产品中较具代表性，其地面测试依据交付前后分为系统测试阶段和整星测试阶段，2个阶段测试矩阵均围绕性能指标测试项开展设计，测试项目上存在重叠，系统测试项目更加细致和繁多。设计载荷地面测试系统的目的是既能在交付前方便、快捷地对卫星载荷各类组成单机和分系统的性能指标进行自动测试，又能在交付后的整星测试中，通过修改地面测试系统配置，快速适应整星测试环境，配合整星测试平台完成载荷性能指标的自动测试。

1.1 测试系统原理

卫星载荷地面测试系统组成如图1所示。对卫星载荷进行测试时，首先由中心控制计算机输出信号控制参数至测试仪器，产生测试信号送至卫星载荷，然后星务模拟计算机输出指令和任务包到卫星载荷，引导卫星载荷执行测试任务，星地、星间数传模拟接收设备接收载荷下发的结果数据，通过网络送至地面处理终端，地面处理终端对载荷结果数据进行预处理、解析、分析和统计，生成测试结果，存入数据库。本地面测试系统的核心在于载荷接口适配器的集成设计和基于数据库技术的全流程自动化测试软件平台的构建、设计和实现。

图1 卫星载荷地面测试系统组成

1.2 载荷接口适配器设计

载荷接口适配器统一集成了与卫星载荷接口紧密联系且支撑载荷正常工作的多种功能单元模块，组成如图2所示。根据卫星载荷所处的不同测试阶段，载荷接口适配器可灵活配备不同数量的接口板、数传接收板，构成不同的测试功能载体，满足不同测试需要。

图2 载荷接口适配器组成

1.2.1 接口板设计

接口板上集成了与卫星载荷相关的大量通用控制接口，如图3所示。同步接口PPS的输入源可选择外部输入源或内部时钟，通过FPGA对输入的PPS进行分路，并同时通过串口输出一路软件同步信号，用做保障地面测试系统的控制时钟和卫星载荷的工作时钟严格同步，适用于对时统要求特别严格的星座组网类载荷。OC接口符合一般的OC门电路接口要求，最低下拉电平可以低至0.2 V。

图3 接口板设计

1.2.2 数传接收板设计

数传接收板上设计了两类数据接收接口，如图4所示。数据接收卡中的单向2路数传通道实时接收卫星载荷下发的各类数据，通道位宽(1X2X4X8X)可根据被测试卫星载荷的实际设计灵活配置。为适应不同载荷输出数据流的速率，设计了2种不同的数据存储方式：通过PCI-e接口存于主控板上的SSD固态硬盘方式，适用于载荷数据流速率小于2 Gbps，当数据流速率大于2 Gbps，可直接将数据存储在数传接收卡上的256 GB的FLASH阵列上，等待数据接收完毕之后，转储至主控板SSD硬盘上。数传转发卡具备载荷数据接收、缓存并转发的功能，可满足星座组网类载荷星间数据传输测试需要。

图4 数传接收板设计

1.3 地面测试软件设计

地面测试软件以通用卫星载荷测试硬件平台为基础，以数据库为中心，辅以各种配套软件保证整个测试系统的有机运转，地面测试软件的组成如图5所示。

图5 卫星载荷地面测试软件组成

1.3.1 软件结构设计

地面测试主控软件根据层次结构划分，采用3层架构设计，即应用层、业务层和I/O层，层次结构如图6所示。应用层向测试人员或用户展示各种界面，测试人员或用户通过界面对系统进行操作，并通过业务逻辑层来实现测试人员或用户的各种操作，包括测试指令编辑、测试脚本编辑等、载荷任务管理、测试结果统计和出具报表等，同时还负责维护登录数据库的用户权限；业务层负责处理数据层的数据，实现业务逻辑，包括解析测试指令逻辑、脚本逻辑、载荷任务管理逻辑；I/O层封装了通用测试仪器、定制类测试仪器设备及各类测试资源的接口驱动、载荷接口适配器接口、载荷接口和数据库的接口操作。

图6 卫星载荷地面测试软件结构

1.3.2 数据库设计

测试数据库是载荷地面测试系统能够维持有序运行的核心，存储了载荷地面测试系统的计划任务数据、仪器控制参数、测试系统运行日志、载荷遥测数据、载荷测试原始数据、终端处理结果数据等。测试数据库为地面测试系统中所有其他软件提供数据支持和数据交换服务，测试数据库与各软件间数据信息流情况如图7所示。

图7 测试数据库信息流

1.3.3 自动测试设计

载荷地面测试系统可以调用预先存储在测试数据库里的单个或多个测试计划，根据载荷测试的通用流程和测试要求，编排并生成测试指令序列，测试指令序列是对本次测试过程载荷状态切换、设置，同时包含了对载荷任务模式参数设置包和仪器设置参数包的调用信息与执行过程，通过有序控制不同的设备，自动完成测试流程。同一个测试计划内可以包含不同的测试任务，多个测试计划通过指令编排，可以依次自动顺序或多次执行。自动测试流程如图8所示。

图8 自动测试流程

2 应用结果与分析

按照上述设计方案，完成了卫星载荷地面测试系统的通用化设计。根据载荷测试系统组成搭建测试环境，对载荷进行测试，其主要工作步骤如下：

① 测试前准备：依据测试要求，利用地面测试软件对载荷测试项进行测试任务分解，生成载荷任务模式参数设置包、仪器设置参数包和测试指令序列，并将载荷任务模式参数设置包和仪器设置参数包存入数据库。

② 测试计划自动执行：载入已编辑完毕的测试指令序列(包含单个或多个测试项)，以仪器设置参数包为执行主线，以时间为触发条件，根据不同的测试项，输出相应的测试信号，从而引导载荷执行测试任务，形成测试数据。

③ 测试数据处理：地面测试软件自动监测是否有新数据文件进行生成，对新的数据文件解包、解析、处理及结果显示，将测试结果写入测试数据库，并与被测试文件关联，更新文件处理标识，完成本次测试。同时，地面测试软件具备对特定阶段或某一时间段内测试结果依据测试报告模板生成测试报表的功能，可以方便对载荷测试内容进行一致性比对、完整性记录。

对比某工程项目载荷应用地面测试系统前后的测试情况，测试结果如表1所示。应用地面测试系统后测试人员大幅减少，测试时间明显缩短，出具测试报告环节节约了大量时间，测试效率显著提升。

表1 地面测试系统应用前后效果对比表

测试阶段设备数量测试人员/人测试时间/天出具测试报告时间/h应用前应用后应用前应用后应用前应用后单机测试10台×2套4121482分系统测试11台×2套3231482

3 结束语

随着未来卫星载荷项目的增多，地面测试系统作为卫星载荷的配套服务设备，应逐渐走向通用化和标准化设计的道路。通用卫星载荷地面测试系统能最大程度的满足卫星载荷测试的基本需求，同时通过少量的定制开发满足不同任务载荷测试的具体要求，可达到加快载荷研制进度、缩短载荷测试周期、提高载荷测试遍历性的作用。该地面测试系统已获得工程化应用，效果良好，大大减少了载荷测试工作量，节省了宝贵的人力资源，测试效率得到质的飞跃。本文设计的卫星载荷地面测试系统可供同行从业者参考借鉴。