CN105911880A - 卫星姿轨控软件数字闭环测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，包括接口仿真端，通过网络接口与iSystem系统、遥测遥控端及动力学模型端相连，用于接口仿真以进行数据传输；iSystem系统，用于运行姿轨控软件并监视其运行状态，收集外部接口的数据；遥测遥控端，用于接受输入的遥控指令并发送至姿轨控软件，以及接收并处理遥测结果数据；动力学模型端，用于接收姿轨控软件输出的控制信息，完成卫星外围姿态轨道模型的计算，以及将输入部件的数据发送给姿轨控软件。该系统的接口仿真端构成了数字模拟的运行环境和灵活自定义的外部接口，与外围的动力学模型进行交互，实现了能够以黑盒测试方法完成以往需白盒测试内容的效果。

Description

卫星姿轨控软件数字闭环测试系统及方法

技术领域

本发明涉及卫星姿态轨道控制软件的仿真测试领域，特别涉及一种可自由配置接口的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统及方法。

背景技术

姿轨控软件为卫星姿态轨道控制软件，负责接收单机数据，姿态解算后输出控制动作，完成卫星实际任务，是卫星所有单机和相应软件的中枢，是一种嵌入式软件，该软件的可靠性和健壮性直接影响卫星的成败。

由于姿轨控软件属于嵌入式软件，且拥有大量的外部接口，与众多的下位单机进行通讯，因此，姿轨控软件的黑盒测试平台的搭建难点在于外围环境的模拟。以往，姿轨控软件的黑盒测试都在设计师平台上进行，设计师平台一般为半物理仿真平台，具备真实的卫星单机、真实的通讯接口单机以及由动力学模型仿真的下位机数据。该平台外部仿真所有接入控制的单机，并由动力学模型进行统一计算，构成闭环测试系统，因此，受到测试输入的限制，平台可以完成正常的模式控制功能测试，但针对某个单机的控制功能和故障、安全性相关用例则往往无法实现。且该平台操作难度高，测试输入有效性依据测试人员经验，发现问题后的软件缺陷查找也较为费时。另一方面，对于黑盒测试无法实现的用例，以往一般使用白盒测试的方法进行补充，但白盒测试由于与代码结合紧密，过于底层，难以发现较为复杂的功能性缺陷。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可自由配置接口的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，以解决现有的卫星姿轨控软件测试系统受黑盒测试平台输入手段的限制，很多测试用例只能使用白盒方法进行测试的问题。

本发明的第二目的在于提供一种可自由配置接口的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，以解决现有的卫星姿轨控软件测试系统存在的操作难度高，测试输入有效性对测试人员依赖性过大，不利于发现测试软件的功能性缺陷的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，包括：

接口仿真端，通过网络接口与iSystem系统、遥测遥控端及动力学模型端相连，用于接口仿真以进行数据传输；

iSystem系统，用于运行姿轨控软件，监视姿轨控软件的运行状态、收集外部接口的数据，并通过网络接口将收集的数据发送给所述接口仿真端；

遥测遥控端，用于接受输入的遥控指令并通过所述接口仿真端发送至所述iSystem系统的姿轨控软件，以处理得到遥测结果数据，以及通过所述接口仿真端接收遥测结果数据并对遥测结果数据进行处理；

动力学模型端，用于通过所述接口仿真端接收姿轨控软件输出的控制信息，完成卫星外围姿态轨道模型的计算，以及将输入部件的数据发送给所述姿轨控软件。

较佳地，所述iSystem系统的核心为嵌入式处理器全数字仿真运行软件，可加载运行被测的姿轨控软件，并实现中断、寄存器和内存访问以及可外部扩展相关功能的自定义函数接口；所述接口仿真端安装有接口仿真软件；所述遥测遥控端安装有遥测显示和遥控注数软件；所述动力学模型端安装有MATLAB软件，用于根据所述控制信息加载动力学模型文件进行运算。

较佳地，所述iSystem系统包括一扩展IO读写管理模块，用于对外部接口进行监视及收集外部接口的数据，并将数据保存在临时缓冲区中，以及在接收到来自接口仿真端的数据后将其映射到外部接口地址上，所述姿轨控软件通过读取外部地址获得相应的接口数据。

较佳地，所述姿轨控软件运行的周期、接口仿真端数据传输的周期及动力学模型端的模型计算的周期相同，且与实际时间同步。

较佳地，所述接口仿真端包括接口仿真软件，所述接口仿真软件包括：

下行接口仿真模块，用于与所述iSystem系统通信，并对收到的接口数据进行区分、对串口数据进行解包、对并口数据进行字节合并、及对A/D、D/A数据进行量纲转化；

上行接口仿真模块，用于与所述iSystem系统通信，并对待发送的接口数据进行区分、对串口数据进行组包、对并口数据进行字节分拆、及对A/D、D/A数据进行量纲转化；

遥测发送模块，用于在每周期中将串口数据中的遥测数据发送给所述遥测遥控端；

遥控接收模块，用于接收来自所述遥测遥控端的遥控指令，并将其保存为待发送的串口数据；

动力学参数发送模块，用于将解包后及量纲转换后的数据打包为动力学参数，并发送给所述动力学模型端；

动力学参数接收模块，用于接收来自所述动力学模型端的姿态数据；

自定义接口模块，包含人工操作界面，用于接收人工操作命令、设置开环输入的单机的故障状态、默认参数或人工设定的数值。

本发明还提供了一种卫星姿轨控软件数字闭环测试方法，用于上述的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统中，包括以下步骤：

S1：分别开启接口仿真端、iSystem系统及动力学模型端；

S2：在所述iSystem系统上加载被测的姿轨控软件，在所述动力学模型端加载动力学模型；

S3：打开接口仿真端处的接口仿真软件，使其与iSystem系统及动力学模型端连接，并进行接口初始化；

S4：运行所述姿轨控软件及动力学模型；

S5：开启所述遥测遥控端以运行遥测遥控软件，并输入控制指令，完成输入闭环测试用例；

S6：通过所述接口仿真软件设置需要开环的单机，输入单机故障状态或输入输出数据，结合遥测遥控软件，实现闭环测试系统下的部分单机的开环输入；

S7：通过所述遥测遥控软件记录测试结果，保存结果文件，并对测试结果数据进行分析；

S8：测试完成后，停止iSystem系统和动力学模型的运行，关闭遥测遥控软件，最后关闭接口仿真软件，然后依次关闭iSystem系统、动力学模型端、遥测遥控端和接口仿真端设备。

本发明为一种可自由配置接口的卫星姿态轨道控制软件全数字闭环测试系统，由于构成了数字模拟的运行环境和灵活自定义的外部接口，与外围的动力学模型进行交互，从而可以在整个系统保持闭环的前提下，对部分单机进行开环的输入输出配置，实现了能够以黑盒测试方法完成以下以往需白盒测试内容的效果：

下位单机的接口故障测试；

输入敏感部件的数据异常测试；

输出执行部件的不敏感故障测试；

在特定控制模式下，单个部件或数个部件组合的功能测试；

闭环控制模式下，某些部件输入数据与当前控制规律不符的异常处理测试；

本发明可自由配置接口的卫星姿态轨道控制软件全数字闭环测试系统能用于其他后续型号的姿轨控软件测试，同时该测试方法亦可适用于其他的中大型控制软件测试上。

附图说明

图1为本发明的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统原理示意图；

图2为本发明的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统组成图。

具体实施方式

为更好地说明本发明，兹以一优选实施例，并配合附图对本发明作详细说明，具体如下：

如图1所示，本实施例提供的可自由配置接口的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，包括：iSystem系统101、接口仿真端102、遥测遥控端103及动力学模型端104。其中，接口仿真端102通过网络接口与iSystem系统101、遥测遥控端103及动力学模型端104相连，系统各设备间通过网络接口进行数据交互，该网络接口基于TCP协议进行数据交互，当然在其他实施例中，各设备间可基于其他合适的通讯网络进行通信。

iSystem系统101的核心为嵌入式处理器全数字仿真运行软件，其通过全数字仿真的方式来运行被测的姿轨控软件以生成遥测结果及控制信息，监视姿轨控软件的运行状态、收集外部接口的数据，实现中断、寄存器和内存访问以及可外部扩展相关功能的自定义函数接口，并通过网络接口将数据发送给接口仿真计算机102。

接口仿真端102用于接口仿真以进行数据传输，具体用于模拟软件的串口、并口、A/D口、D/A口、完成软件上下行通道中数据的解包、编码、传输、量纲转换、各端口的计算机的时间同步，实现测试系统的闭环运行；接口仿真端102还可以通过自定义设置对各单机的开闭环状态、故障状态和手动设置输入值等功能，实现闭环测试系统中的部分单机的开环输入，完成自主开闭环测试任务。

遥测遥控端103，具体为遥测遥控计算机，用于接受输入的遥控指令并通过所述接口仿真端发送至所述iSystem系统的姿轨控软件，以处理得到遥测结果数据，以及通过所述接口仿真端接收遥测结果数据并对遥测结果数据进行处理。具体为对测试结果进行列表或曲线显示、分析，并支持动态数据的保存及回放。

动力学模型端104，具体为动力学模型计算机，用于通过所述接口仿真端接收姿轨控软件输出的控制信息，完成卫星外围姿态轨道模型的计算，以及将输入部件的数据发送给所述姿轨控软件。其中，输入部件包括星敏感器、地平仪、陀螺等设备，其得到的数据发送给姿轨控软件以进行测试。

本实施例中，iSystem系统101的核心为嵌入式处理器全数字仿真运行软件，可加载运行被测的姿轨控软件，并实现中断、寄存器和内存访问以及可外部扩展相关功能的自定义函数接口；接口仿真端102，安装有接口仿真软件；遥测遥控端102，安装有遥测显示和遥控注数软件；动力学模型端104，安装有MATLAB软件，可根据控制信息加载动力学模型文件进行动力学模型的运算。

进一步地，iSystem系统101还包括一扩展IO读写管理模块，用于对外部接口的读写操作进行监视及收集外部接口的数据，并将数据保存在临时缓冲区中，在软件每周期运行结束后发送给接口仿真端102；接口仿真端102在每周期开始前，将打包好的遥控指令、接口数据等内容发送给iSystem系统101；iSystem系统101在接收到来自接口仿真端的数据后将其映射到外部接口地址上，所述姿轨控软件通过读取外部地址获得相应的接口数据。

本实施例中的姿轨控软件运行的周期、接口仿真端数据传输的周期及动力学模型端的模型计算的周期相同，且与实际时间同步。

其中，上述的接口仿真端102具体为一仿真用计算机，该计算机设有接口仿真软件，根据软件实现的功能，接口仿真软件包括以下7个模块：

下行接口仿真模块201，用于与所述iSystem系统通信，并对收到的接口数据进行区分、对串口数据进行解包、对并口数据进行字节合并、及对A/D、D/A数据进行量纲转化；

上行接口仿真模块202，用于与所述iSystem系统通信，并对待发送的接口数据进行区分、对串口数据进行组包、对并口数据进行字节分拆、及对A/D、D/A数据进行量纲转化；

遥测发送模块203，用于在每周期中将串口数据中的遥测数据发送给所述遥测遥控端103；

遥控接收模块204，用于接收来自所述遥测遥控端103的遥控指令，并将其保存为待发送的串口数据；

动力学参数发送模块，用于将解包后及量纲转换后的数据打包为动力学参数，并发送给所述动力学模型端；

动力学参数接收模块，用于接收来自所述动力学模型端的姿态数据；

自定义接口模块，包含人工操作界面，用于接收人工操作命令、设置开环输入的单机的故障状态、默认参数或人工设定的数值。即软件测试人员可以通过自定义接口模块进行自由组合接入闭环系统的单机及手动修改各项参数，以实现软件保持闭环运行的情况下，部分单机开环输入的测试效果。

下面进一步对本发明的工作过程进行描述。

本发明的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统的操作过程包括如下的步骤：

1)开启iSystem系统101，开启接口仿真端102，开启动力学模型端104；

2)在iSystem系统101上加载被测姿轨控软件，在动力学模型端104上加载动力学模型；

3)打开接口仿真软件，连接iSystem系统101和动力学模型端104，完成接口初始化。

4)同时运行姿轨控软件和动力学模型。

5)开启遥测遥控端103，运行遥测遥控软件，在遥测界面上观察测试结果，在遥控界面上输入控制指令，完成输入闭环测试用例。

6)打开接口仿真软件的人机交互界面，设置需要开环的单机，手动输入单机故障状态或输入输出数据，结合遥测遥控端103的遥控软件，实现闭环测试系统下的部分单机的开环输入。

7)在遥测界面上记录测试结果，保存结果文件，对测试结果数据进行分析。

8)测试完成后，停止iSystem系统和动力学模型的运行，关闭遥测遥控软件，最后关闭接口仿真软件，然后依次关闭iSystem系统、动力学模型计算解、遥测遥控计算机和接口仿真计算机。

为了达到发明目的，本发明为解决其技术问题所采用的技术方案包括一些关键技术，这些技术的突破也是本测试平台的技术特征，包括：

1、全数字模拟的外部接口

以往半物理闭环测试平台中，测试接口由真实硬件接口模拟，可控性差，故障状态模拟不完备，输入数据范围受真实硬件限制。因此，为了实现闭环仿真测试系统中，对下位单机开环输入的测试需求，本发明采用全数字的方式模拟外部接口。对于嵌入式软件而言，与外部接口的通讯其本质为软件外部地址的读写操作，因此，平台通过对iSystem系统自带的桩程序进行二次开发，监视CPU对特定地址的读写操作：对于姿轨控软件每一个外部接口地址的写操作，使用桩程序采集输出的数据，每周期发送给接口仿真计算机；对于姿轨控软件每一个外部接口地址的读操作，桩程序在周期开始时预先从接口仿真计算机中接收数据，映射至该外部接口地址中。全数字模拟的外部接口，回避了真实硬件接口输入的局限性，为测试打下了基础。

2、周期同步

姿轨控软件是嵌入式软件，其主任务按周期时间定时运行。在闭环系统测试中，姿轨控软件的运行周期必须与动力学模型的计算周期保持同步，以免控制系统产生偏差。在以往的半物理闭环仿真测试平台中，姿轨控软件运行于真实单机中，其软件运行周期与现实时间一致，与模拟的下位单机、动力学模型异步通讯，存在掉帧可能，产生的时间误差需要通过指令进行修正。

本发明中，姿轨控软件运行于PC机模拟的软件环境中，其实际运行周期时间远小于软件设计时间，因此，采用时间同步的方式，使整个测试系统保持同步运行。整个系统流程为：iSystem系统每运行一个周期后挂起等待新的消息；动力学模型每解算一个周期后暂停等待新的参数；接口仿真计算机精确定时每个周期，周期达到后，先向iSystem系统发数后收数，再向动力学模型计算机发送参数后接收解算结果，之后等待周期时间到达，再重复下一周期。由于遥测结果显示数据较多，占用时间较长，且即使漏帧也不影响测试系统运行，而发送遥控指令为随机偶发事件，所以遥测遥控指令并不接入闭环系统，与另外三台计算机异步运行。

3、接口仿真软件设计

为实现在测试系统保持闭环运行的前提下，能够注入部分单机的开环测试输入，本发明中对接口仿真软件进行模块化的设计。将所有的输入输出数据按照硬件类型(串口、A/D、D/A等)、单机类型(星敏感器、飞轮、陀螺等)、单机(星敏A、星敏B等)进行划分，并调用相应的模块进行处理，将处理后的中间结果显示在操作界面上。测试人员根据测试需要和当前接口的输出情况，操作单机接入闭环或保持开环，设置故障状态或手动输入接口数据，接口仿真软件将用户输入作为参数传入模块，在打包接口数据、量纲转化和故障模拟时实现相应的输入效果，达成部分单机的开环输入，并保持整个测试系统的闭环仿真运行。当开环输入完毕，软件进入下一控制模式后，用户还可以通过操作界面将已经开环的单机重新接入闭环进行控制，令一些复杂的测试用例继续执行下去，以完成后续测试工作。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对本发明所做的变形或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述的权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，其特征在于，包括：

接口仿真端，通过网络接口与iSystem系统、遥测遥控端及动力学模型端相连，用于接口仿真以进行数据传输；

iSystem系统，用于运行姿轨控软件，监视姿轨控软件的运行状态、收集外部接口的数据，并通过网络接口将收集的数据发送给所述接口仿真端；

遥测遥控端，用于接受输入的遥控指令并通过所述接口仿真端发送至所述iSystem系统的姿轨控软件，以处理得到遥测结果数据，以及通过所述接口仿真端接收遥测结果数据并对遥测结果数据进行处理；

动力学模型端，用于通过所述接口仿真端接收姿轨控软件输出的控制信息，完成卫星外围姿态轨道模型的计算，以及将输入部件的数据发送给所述姿轨控软件。

2.根据权利要求1所述的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，其特征在于，所述iSystem系统的核心为嵌入式处理器全数字仿真运行软件，可加载运行被测的姿轨控软件，并实现中断、寄存器和内存访问以及可外部扩展相关功能的自定义函数接口；所述接口仿真端安装有接口仿真软件；所述遥测遥控端安装有遥测显示和遥控注数软件；所述动力学模型端安装有MATLAB软件，用于根据所述控制信息加载动力学模型文件进行运算。

3.根据权利要求1所述的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，其特征在于，所述iSystem系统包括一扩展IO读写管理模块，用于对外部接口进行监视及收集外部接口的数据，并将数据保存在临时缓冲区中，以及在接收到来自接口仿真端的数据后将其映射到外部接口地址上，所述姿轨控软件通过读取外部地址获得相应的接口数据。

4.根据权利要求1所述的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，其特征在于，所述姿轨控软件运行的周期、接口仿真端数据传输的周期及动力学模型端的模型计算的周期相同，且与实际时间同步。

5.根据权利要求1所述的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统，其特征在于，所述接口仿真端包括接口仿真软件，所述接口仿真软件包括：

下行接口仿真模块，用于与所述iSystem系统通信，并对收到的接口数据进行区分、对串口数据进行解包、对并口数据进行字节合并、及对A/D、D/A数据进行量纲转化；

上行接口仿真模块，用于与所述iSystem系统通信，并对待发送的接口数据进行区分、对串口数据进行组包、对并口数据进行字节分拆、及对A/D、D/A数据进行量纲转化；

遥测发送模块，用于在每周期中将串口数据中的遥测数据发送给所述遥测遥控端；

遥控接收模块，用于接收来自所述遥测遥控端的遥控指令，并将其保存为待发送的串口数据；

动力学参数发送模块，用于将解包后及量纲转换后的数据打包为动力学参数，并发送给所述动力学模型端；

动力学参数接收模块，用于接收来自所述动力学模型端的姿态数据；

自定义接口模块，包含人工操作界面，用于接收人工操作命令、设置开环输入的单机的故障状态、默认参数或人工设定的数值。

6.一种卫星姿轨控软件数字闭环测试方法，其特征在于，用于权利要求1至5任意一项所述的卫星姿轨控软件数字闭环测试系统中，包括以下步骤：

S1：分别开启接口仿真端、iSystem系统及动力学模型端；

S2：在所述iSystem系统上加载被测的姿轨控软件，在所述动力学模型端加载动力学模型；

S3：打开接口仿真端处的接口仿真软件，使其与iSystem系统及动力学模型端连接，并进行接口初始化；

S4：运行所述姿轨控软件及动力学模型；

S5：开启所述遥测遥控端以运行遥测遥控软件，并输入控制指令，完成输入闭环测试用例；

S6：通过所述接口仿真软件设置需要开环的单机，输入单机故障状态或输入输出数据，结合遥测遥控软件，实现闭环测试系统下的部分单机的开环输入；

S7：通过所述遥测遥控软件记录测试结果，保存结果文件，并对测试结果数据进行分析；

S8：测试完成后，停止iSystem系统和动力学模型的运行，关闭遥测遥控软件，最后关闭接口仿真软件，然后依次关闭iSystem系统、动力学模型端、遥测遥控端和接口仿真端设备。