我国航天自动测试系统体系结构研究

2012-12-31蔡远文姚静波

装备学院学报 2012年6期

蔡远文，同江，姚静波，程龙

（装备学院航天装备系，北京101416）

航天技术的研究和发展都需要自动测试技术的定性、定量验证和检验。因此，自动化测试技术水平在很大程度上决定了航天型号的整体水平，甚至关系到航天系统在战时的生存问题，是保证现代装备系统实际性能指标的极其重要的手段［1］。随着计算机技术、微电子技术、网络通信技术、测试技术的飞速发展，航天各系统、设备的复杂程度日益提高，传统测试模式的弊端逐渐暴露出来。我国从20世纪80年代开始针对运载火箭开展自动化测试系统的研制，但目前各型号运载火箭都有独立的地面测试发射控制设备，通用性不强，加大了设备操作、检修、维护的难度与费用，严重制约了发射场综合测试能力的提高。进一步提高自动测试系统的结构通用性、仪器互换性、软件移植性和系统之间的互操作性，提升测试装备资源的利用率，关键在于对自动化测试系统的体系结构进行深入的研究，构建一种通用的、标准的测试系统体系结构。

1 目前我国航天自动测试体系结构

我国航天型号自动测试系统从20世纪80年代初开始研制至今主要经历了CAMAC（comput－er automated measurement and control）自动测试系统和VXI（VME bus eXtensions for instrumentation）自动测试系统2代。开发出的相应测试系统主要包括：卫星控制系统、卫星整星自动测试系统、遥测测试系统、运载火箭测试系统、仿真系统等。目前，我国航天发射场已经全面实现了远距离测试发射控制［2］。基于VXI的远距离测试发射控制系统结构如图1所示。

图1 基于VXI的远距离测试发射控制系统结构

图1中虚框内为测试部分，主要以VXI总线测试设备为主体，包括主控计算机、光纤传输系统和VXI机柜，在主控计算机测试管理程序的控制下，完成箭上控制系统测试时自动供配电、箭上设备加激励信号、数据采集、数据处理、飞行软件装订及配合发射控制系统完成火箭的点火发射。由VXI仪器与计算机构成的集数据采集、传输与处理为一体的网络化系统，是当今航空、航天与自动化测试技术领域的主导系统。VXI测试体制主要利用VXI总线测试设备标准化、模块化、互换性好的特点，来满足我国的航天试验测试任务要求。但它存在体积较大、可扩展能力有限、不具有自主产权等缺点。为弥补VXI体制的不足，提高测试设备国产化程度，探索能够更好满足我国航天发射场信息化建设的路子，经多家科研院所的努力，现已研制出了功能集成度高、信息化程度高的新型国产测试系统，如CZ－XX系列运载火箭多路测试信息采集处理系统和新一代运载火箭数字化箭地信息检测分析系统。

CZ－XX系列运载火箭多路测试信息采集处理系统能够实现对运载火箭控制系统的工作状态和性能进行监测，实时显示波形和记录数据，现场进行数据分析，是我国CZ－XX系列运载火箭的“三化”地面设备核心产品［3－4］。自2003年来，在航天科技集团及某卫星发射中心等单位开始工程应用，自动化程度高、数据存储和分析处理能力强、可扩展性好、适应性强。新一代运载火箭数字化箭地信息检测分析系统实现对新一代运载火箭箭上信息的多路并行采集、实时远程传输、监测处理、判读分析以及信息的实时响应与分发。系统对箭上信息获取全面（包括模拟信号、时序时串、脉冲计数等，完全取代了VXI），功能集成度高，体积小，成本低，将解决现有测试设备存在的很多问题。另外，系统具有强大的信息判读分析功能，可为将来相关的智能信息化系统（如专家系统、设施信息综合管理系统、远程故障诊断系统、辅助决策系统等）提供支持。

2 国外先进自动测试系统体系结构

2.1 “NxTest”自动测试系统体系结构

从20世纪90年代中后期开始，在美国国防部自动测试系统执行局的统一协调下，美国陆、海、空、海军陆战队与工业界联合开展命名为“NxTest”的下一代自动测试系统的研究工作，并于1996年提出了体系结构［5］，如图2所示。

下一代自动测试系统研制，基于“开放系统”的设计思想，首先规划自动测试系统严格的外部和内部接口，采用开放的商业标准和事实标准，确定自动测试系统体系结构，在该体系结构框架下开发若干演示、验证系统，最终将下一代自动测试系统的设计思想和技术用于延长过时系统的寿命和开发新的系统。该体系结构可以方便地实现信息共享和交互，能满足测试系统组件间、不同测试系统间、测试系统与外部环境间信息的共享和无缝交互能力［6］。从图2可以看出，下一代自动测试系统体系结构主要包括2个标准框架和1个协议：①基于VPP（VXI plug＆play）的测试系统仪器接口和服务接口框架；②基于IEEE P1226 ABBET（a broad－based environment for test）的测试信息交换框架；③在构成分布式网络综合测试系统时遵循TCP／IP网络传输协议。下一代自动测试系统涉及的主要关键技术包括并行测试技术、合成仪器技术、公共测试接口、测试软件开发技术（软件体系结构与ABBET标准、仪器可互换技术与IVI系列规范、TPS可移植与互操作技术、AI－ESTATE标准与ATML）。

图2 NxTest自动测试系统体系结构框图

2.2 LXI和“AXLe”测试体系结构

2.2.1 LXI测试体制

LXI（LAN eXtentions for instrumentation）是基于著名的工业标准以太网（ethernet）技术，扩展了仪器需要的语言、命令和协议等内容。它集合了4种总线的优点：GPIB的高性能，VXI、PXI的小尺寸和LAN的高吞吐率特性。它是2004年出现的新型仪器总线规范，符合下一代自动测试系统体系结构标准。

LXI测试系统主要有如下特点：①高精度的时钟同步能力，采用IEEE1588精确时钟同步协议，使不同测试点之间的同步精度可以达到亚微秒级甚至于纳秒级，比VXI毫秒级的精度有很大程度的提高；②网络化的测试模式，针对测发设备种类繁多、位置分布比较分散的特点，非常适合于组建网络化分布式测试系统；③强大的兼容性，我国发射场发展至今，形成了多套、多类型的地面测试设备，LXI可以把现有的总线测试设备都容纳进来，提高测试效率，节约测试资源。

2.2.2 AXLe测试体制

2009年11月，安捷伦科技有限公司、艾法斯公司和Test Evolution公司联合成立了AXIe（the advancedTCA extensions for instrumentation）联盟，旨在开发和推广AXIe系列标准。2010年6月，AXIe联盟发布了AXIe 1.0基础体系结构标准和AXIe 3.1半导体测试扩展技术。

AXIe是一种分层体系结构，建立在AdvancedTCA（telecom computing architecture）标准（PICMG 3.0和3.4）的基础上，可提供大型电路板、LAN、PCIe和系统管理等特性［7］。AXIe能够充分地利用机架空间，提供更高的性能、更强大的可扩展性、更出色的模块性和灵活性，可轻松与PXI、LXI和IVI进行集成并显著减少开发和部件的成本。AXIe包括PCIe（PCI express）和LAN2种接口，是LXI和PXI标准的最佳补充。AXIe测试体系结构如图3所示。

图3 AXIe体系结构

3 基于先进混合总线技术的航天测试体系结构

3.1 硬件体系结构

基于先进混合总线技术的航天测试体系结构采用C／S（client／sever）和B／S（browser／sever）混合架构，基于LXI、PXI和CPCI等总线型仪器构建网络化分布式测试系统。系统主要分为2个部分：测试过程和测试信息利用。测试过程主要完成数据采集功能，包括：激励源、被测单元、测试系统、服务器；测试信息的综合利用主要包括故障诊断和远程信息浏览、查询等。测试系统主要由主控计算机、测试客户端、接口适配器、测量模块（LXI、CPCI等总线型仪器）、时钟同步触发模块、故障诊断模块、信号隔离与调理模块、浏览器端等组成。系统硬件体系结构如图4所示［8－14］。

C／S模式部分主要由主控计算机、测量设备等组成。主要完成被测单元信号的采集、传输、存储、分析等工作，采用TCP／IP协议进行数据传输。B／S模式部分主要由主控计算机、浏览器端、远程监测和诊断设备等组成。主要完成测量数据的本地或远程浏览、测试过程的远程控制、测量结果发布、故障诊断等功能，该模式采用HTTP协议。

图4 基于先进混合总线的航天测试系统硬件体系结构

3.2 软件体系结构

软件体系结构建模是研究航天自动测试系统软件体系结构的重要手段和方法。根据建模的侧重点不同，软件体系结构模型主要分为4种：结构模型、框架模型、过程模型和功能模型。本文将通过构建基于先进混合总线的航天自动测试系统框架模型和功能模型来研究其软件体系结构。

基于先进混合总线的航天自动测试系统软件体系结构框架模型如图5所示。该模型将借鉴国际上先进的ABBET标准，将测试软件分为设备描述层、测试策略和需求层、测试程序层、测试资源管理层和仪器控制层5个层次，采用IEEE1641标准建立测试资源模型［15］。通过建立虚拟资源向真实资源的映射机制，实现TPS在不同配置的测试系统上运行，从而实现测试软件与测试系统硬件、软件运行平台的无关性，达到测试软件可移植、重用与互操作的目的。

图5 先进混合总线测试系统软件体系结构框架模型

基于先进混合总线的航天自动测试系统软件体系结构功能模型主要包括5个功能模块：用户管理、测试管理、数据管理、故障诊断和时钟同步管理。

4 主要关键技术分析

4.1 测试系统软件建模与分析方法研究

航天自动测试系统测试软件的质量直接关系到航天测试任务能否顺利地完成。为了提高这些软件以及系统的复用性、可维护性、可扩展性，借助建模语言和工具对软件的结构进行分析已成为提高软件质量的重要技术手段。UML具有在自动测试系统形式化描述方面的优势，但UML本身不具备对所构建模型的分析与验证能力。而Petri网以其严格的数学基础支持模型的分析验证和优化，可以为描述和研究复杂系统提供强有力的分析手段。因此，使用UML和Petri网模型相结合的方法，对航天自动测试系统软件进行建模与分析，可以有效地提高系统测试软件的质量。首先，通过构建系统静态和动态UML模型对系统进行描述；然后，根据模型转换规则，将UML动态模型（状态图和活动图）转化成相应的Petri网模型，并对其活性、有界性、可逆性等性质进行分析。

4.2 测试资源配置优化方法研究

随着测试技术的不断发展，航天自动测试系统可选的测试资源种类不断丰富，系统组建的灵活性大大增加，这就为测试资源和路径提供了许多选择。另外，由于应急测试发射任务的需求，对于目前的航天测试模式提出了很大的挑战，并行测试技术的引入势在必行。因此，测试资源的最佳配置问题就成为组建航天自动测试系统的关键问题。即在满足测试时序约束的条件下，对多个并发执行的测试任务分配有限的测试资源，从而使测试时间与测试精度达到最优。通过研究可以实现测试资源优化配置，提高测试效率。首先，建立航天自动测试系统任务调度问题的数学描述，对航天测试任务分解策略和影响任务调度质量的因素进行分析；其次，建立基于赋时Petri网的航天自动测试系统并行测试任务调度模型，在测试资源已知的条件下，以测试时间最短、测量精度最优等指标为测试任务调度目标，通过相关智能算法得出时间最优测试序列，实现测试资源最优配置。

4.3 测试系统时钟同步技术研究

高精度的时钟同步能力是保证测试结果完整性和有效性的重要手段。基于先进混合总线技术的航天自动测试系统将采用分布式、网络化的测试方案，解决监测点多而且分散在不同测试场所的问题。测试仪器种类多（如LXI、VXI、CPCI总线仪器等），各测试节点之间通过网络连接在一起。如何统一各个测试节点之间的时钟，保证测试过程的时序一致性，就成为航天自动测试系统研究的一个关键问题。因此，引入IEEE1588精确时钟同步协议势在必行。首先，研究IEEE1588协议的体系结构和同步原理，深入分析影响IEEE1588精确时钟同步协议精度的主要因素，并给出了相应的提高方法；其次，提出基于IEEE1588协议的航天自动测试系统时钟同步方案，对不支持IEEE1588协议的设备，通过增加时间戳模块实现对该协议的支持；最后，通过实验和仿真验证系统的同步精度。

5 结束语

随着我国航天发射场信息化建设的不断推进，以及我国应急发射任务的迫切需求，传统的航天测试模式已经明显不能满足航天任务在快速性、可靠性和高自动化程度等方面的需求，测试新技术、新体系的引入势在必行。本文在深入分析了我国目前航天测试技术现状的基础之上，结合国际上正在开展的“NxTest”和“AXLe”2种体系结构研究，提出了一种基于先进混合总线的航天测试体系结构，分析了该结构涉及的主要关键技术。该研究将对于构建更加快速、通用、高效的航天自动测试系统具有一定的理论参考价值和实践借鉴意义。

（

）

［1］孟汉城.航天测试与测试体系结构［J］.测控技术，1998，17（2）：1－3.

［2］杨乐平.测试技术［M］.北京：国防工业出版社，2002：2.

［3］蔡远文，张迎新，陈胜，等.运载火箭多路测试信息采集处理系统的设计与实现［J］.导弹与航天运载技术，2004（6）：12－15.

［4］蔡远文，余国浩.运载火箭测试方法研究［J］.装备指挥技术学院学报，2005，16（4）：61－65.

［5］ROSS W A.The impact of next generation test technology on aviation maintenance［R］.Anaheim，CA，USA：2003 IEEE Autotestcon，2003：2－9.

［6］于劲松，李行善.美国军用自动测试系统的发展趋势［J］.测控技术，2001，20（12）：1－3.

［7］AXLe 1.0 Specification［EB／OL］.［2012－05－11］.http：／／www.axiestandard.org.

［8］李岩，蔡远文.基于PXI总线技术的运载火箭测试发射控制系统研究［J］.航天控制，2005，23（4）：64－69.

［9］李岩，蔡远文.基于1553B总线的新型运载火箭测试技术研究［J］.计算机测量与控制，2005，13（9）：964－966.

［10］王华，蔡远文，首俊明.航天ATS快速测试体系结构研究［J］.航天控制，2007，25（4）：72－76.