虛擬軟硬件技術在衛星測控中的應用

引言
衛星研制過程的不同階段測試內容和重點各不相同，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系統的協調性和一致性，另外，不同測試場合對系統的靈活性要求也不同，研制階段要求測試系統“大而全”，發射場地則可以做到“小而精”，傳統做法是測試研發人員根據不同需求研發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費和精力，硬件可靠性常常依賴于研發者的水平，更改起來也十分不便。這種方法尤其不適應以成本低、開發周期短為特點的小衛星。不同測試目的和系統的融合是提高測試系統開發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，用戶根據自己的需求適當選擇硬組件，編寫操作界面，并對測試數據實時分析，可隨時根據需求對系統進行方便修改，達到不同測試目的公用一套測試系統的目的。
筆者用NI公司的軟硬件測控產品開發衛星測試系統，以提高衛星研發過程中的測試水平


圖1 基于VXI的信號分析系統


圖2 基于PXI的整星測試系統


圖3 自動測試平臺的硬件體系結構

系統結構
針對不同測試內容和條件研制的基于虛擬儀器技術的測試系統主要由兩大模塊組成，一組是基于VXI的信號分析系統，主要針對系統內部接口設計，功能為直接監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星通信等內容。
基于VXI的信號分析系統主要由以下各部分組成：數據采集系統、激勵信號產生器、控制服務器、電源等系統以及和被測對象對接的接口、隔離組件等。數據采集系統主要分析被測對象的輸出，包括模擬量輸入、數字I/O、開關量等；激勵信號產生系統主要針對被測對象輸入設計，包括開關控制、模擬輸出、數字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。
整星測試系統主要基于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星通信等功能。該部分組成如圖2所示。
整星測試系統和信號采集系統共用調理信號，共享軟件資源，同時，它可以通過總線產品完成和被測系統的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、車載發射測試、搭載發射等對靈活性有要求的測試場合。
整星測試系統組成如圖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。

發展目標
根據研制需要，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將極大地提高系統研制效率，這一系統具有的硬件體系結構如圖3所示，在信號分析系統的基礎上增加控制服務器、應用服務器和綜合測試系統軟件功能，并將測試數據上網共享。
應用服務器由用戶根據測試需求向控制服務器提出測試申請，控制服務器則根據應用服務器的申請直接操作硬件，應用服務器同時根據權限通過局域網將系統數據共享給不同的數據用戶。數據庫系統用于管理測試過程產生的數據。
這種系統的軟件分層管理，物理層為主要包含硬件信號屬性、定義等；驅動層完成硬件信號驅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、數據管理、遠程通信、系統診斷模塊。

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