CN109582287A - 一种通用化运载火箭测试体系结构设计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用化运载火箭测试体系结构，该体系结构适用于我国多型运载火箭的自动化测试系统设计。所设计的一种通用化运载火箭测试体系结构包括基于C/S(Client/Sever)和B/S(Browser/Sever)构建的混合测试架构、基于LXI、PXI等总线型仪器构建的网络化分布式测试系统、基于国际上先进的ABBET标准构建的新一代航天自动测试系统软件体系结构。本发明体积小、测试效率高、交互性好、安全可靠性高、适应性好、定时和同步能力强、传输速度快、兼容性强，为新一代运载火箭自动测试系统提供了一种通用性强、成本低的设计方法。

Description

一种通用化运载火箭测试体系结构设计

技术领域

本发明属于自动化测试领域，是一种通用化运载火箭测试体系结构设计。

背景技术

运载火箭自动测试发控技术的发展是随着运载火箭的发展而发展的。在国外，航天运载器测试技术以美国和欧洲航天局为代表。美国早期的运载火箭未采用标准的加工、程序、支援设备或基础设施，每套测试设备都具有很强针对性和专一性，每次任务都是独立的，通用性非常差，测试所需的费用非常昂贵。因此，从20世纪60年代后期开始，美国在测试技术上开始考虑“三化”(模块化、组合化、通用化)。这么多年来，“三化”的实现已经为美国航天运载器的测试带来了很大的利益[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]。它们利用了箭上总线技术，由箭上计算机实施运载火箭的地面测试工作，提高了测试效率，缩短了测试周期。一些火箭已经把遥测系统作为数据采集的重要手段，采用无线接收测试数据方案，在射前监视火工品系统、动力系统、控制系统以及环境监测。为了提高测试信息的可靠性，避免遥测信息通过电磁波途径传送受到环境干扰，增加了PCM数据流通过同轴电缆传递地面接收系统的方案。测试信号的传输处理主要是无线测试为主，辅以有线测试[[25]李俊.运载火箭测试发射优化方法研究[D].北京：装备指挥技术学院，2004]。

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两代：CAMAC自动测试系统和VXI自动测试系统，但关于航天测试体系结构研究方面的文献十分稀少，仅有孟汉城在1998年撰写的航天测试与测试体系结构一篇文献，详细讲解了当时非常先进的VXI测试体制及其在航天测试中广阔的应用前景[孟汉城.航天测试与测试体系结构[J].测控技术，1998，17(2)：1～3]。

CAMAC系统是计算机自动测量和控制的通用标准接口，具有通用化标准化的特点，采用模块化、积木化的结构，在组建测试系统上有灵活性，易于开发、扩充，在运载火箭的自动化测试及发射控制系统中获得广泛的应用。但是随着人们对航天测试提出更高的要求，CAMAC系统在某些方面越来越不能满足人们的要求，例如：在测试速度、实时性、系统可扩展能力方面等[韩树旺，胡迎新.VXI总线技术在航天地面测试系统中的应用分析[J].导弹与航天运载技术，1996(01)：63-69]。VXI总线以其开放的系统结构、模块化的设计、紧凑的机械结构、良好的电磁兼容性，以及可靠性高、灵活的通行能力等一系列优点满足了工业领域(尤其是军事领域)测量的要求。现在我国运载火箭主要采用基于VXI总线的测试系统，经历了工程实践的考验，在测试精度和测试可靠性等方面能够很好满足目前航天任务的需要，但传输速度仅有40Mb/s，也无法满足未来发射场测试系统在一体化和信息化方面的更高要求。

随着测试技术的不断发展，测试体系结构的研究不断深入，尤其是新标准、新体系的引入为航天测试体系结构的研究提供了很好的技术基础。中国空间技术研究院的孙波等人提出了一种航天器综合测试系统的体系结构，并对其进行了详细的设计，建立了航天器综合测试系统层析关系模型[孙波，赵吉明，白少华.航天器综合测试系统体系结构设计[J].计算机测量与控制，2009，17(3)：440～442]。该体系结构设计明确定义了整个综合测试系统的软件体系结构和接口标准框架，详细说明了层次之间的功能以及各个层次之间的管理方式，同时制定了各个软件研制所必须遵守的接口和服务设计标准框架，具有很强的通用性和较好的扩展性，而且目前已经取得了较好的应用效果，对以后相关内容的研究具有很好的借鉴意义。其他与运载火箭和卫星地面测试相关的文献也十分有限，造成这种状况的原因，一方面是由于部分研究内容的涉密性，造成成果的发表与交流受限制；另一方面也在一定程度上说明了航天测试体系结构研究的滞后性和迫切性。

目前国内航天自动测试系统(Automatic Test System，ATS)主要存在如下问题：

(1)航天设备缺乏充分的可测试性设计：由于设备在设计阶段可测试性设计不足，导致设备在测试阶段被测点的选择困难，进而对测试工作的顺利开展带来不便；

(2)通用性差：由于缺乏统一的ATS规范和标准，大部分产品至今没有摆脱被测对象与测试设备一对一的模式，测试资源利用率低；

(3)兼容性差：我国航天测试历史比较悠久，这过程中产生了大量的自动测试系统，这些系统以单一的某一种总线型仪器设备为主(例如：GPIB、VXI等)，测试系统、设备之间互不兼容；

(4)测试诊断信息利用率低：测试数据是通过文本或二进制的内容格式、以文件的方式存储，对于数据的查询、分析、对比等工作带来了很大的困难；

(5)测试产品产业化程度低：目前国内配备的航天测试系统中，测试设备绝大多数是国外的产品，国产化率低。

发明内容

本发明的一种通用化运载火箭测试体系结构设计，目的是面向信号构建新一代航天自动测试系统体系结构，并对硬件体系结构和软件体系结构进行设计，实现航天测试系统国产化，满足我国航天测试发射任务需求。

本发明的目的是这样实现的：

一种通用化运载火箭测试体系结构设计首先需要对被测设备可测试性、主要被测信号和功能需求进行分析；其次，对测试系统的体系结构进行选择与分析，确定系统的硬件平台和软件平台；再次，构建测试系统，对测试硬件进行选型与配置，对软件进行编写；最后，不断的对系统进行调试，出现问题后，重新反馈到上一层进行设计完善，直到完全满足设计要求和预期的功能指标要求。

其特征在于：

(1)基于C/S(Client/Sever)和B/S(Browser/Sever)构建的混合测试架构。测试过程采用C/S架构，以测试主控计算机为主实现本地或远程测试功能；对于测试数据管理、远程浏览，以及系统测试过程的实时查看等，采用B/S架构，并定义了用户等级，实现测试数据远程浏览和数据网络管理功能。

(2)基于LXI、PXI等总线型仪器构建的网络化分布式测试系统。系统主要分为两个部分：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、PXI/VXI、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。

(3)基于国际上先进的ABBET标准构建的新一代航天自动测试系统软件体系结构。该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五个层次，采用IEEE 1641标准建立测试资源模型。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。

本发明的优势是：

(1)基于C/S和B/S混合系统的测试模式既有高度的交互性和安全性，又有客户端平台无关性，测试效率高，升级维护方便。

(2)基于LXI、PXI等总线型仪器构建的网络化分布式测试系统，体积小、成本低、传输速度快(可达266Mb/s)、适应性好、有高带宽的LAN接口、强大的发现和网络管理能力，以及较强的定时和同步能力。

(3)面向信号的测试软件结构兼容性、可移植性、重用与互操作性较强，可有效降低测试成本。

附图说明

图1本发明的一种通用化运载火箭测试系统硬件结构原理图；

图2本发明的基于C/S和B/S的混合测试架构示意图；

图3本发明的一种通用化运载火箭测试系统软件体系结构框架图；

图4本发明的一种通用化运载火箭测试系统软件体系结构的RTS运行服务体系结构图。

具体实施方式

结合附图对本发明的一种通用户运载火箭测试体系结构设计做进一步详细描述。

图1为本发明的一种通用化运载火箭测试系统硬件结构原理图，采用C/S和B/S混合架构，基于LXI、PXI等总线型仪器构建网络化分布式测试系统。

系统主要分为两个部分：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、PXI/VXI、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。

主控计算机：主控计算机提供本地操作服务。在进行本地测试时，客户端向主控计算机中的Web服务器发送测试请求指令，主控计算机对请求作出结果响应，请求通过后，客户端将调用相关的服务组件，实现仪器的控制、状态的监控、测试数据的处理和存取；除了完成被测设备的测试请求响应外，还要接收现场测试设备测试维修任务请求，提供测试范围内远程共享测试诊断平台，建立资源共享与多故障诊断系统机制，控制协调网络内各被测设备测试终端等任务，提供必要的测试诊断服务。同时，主控计算机还完成测试数据的存储、处理与发布工作。

测试客户端：测试客户端直接面向用户，用于访问主控计算机，由LXI、PXI/VXI、GPIB等总线型仪器模块组成，采用C/S结构模式，是系统的控制端，负责系统的管理和各种测试任务的执行。用户通过测试软件添加仪器，配置测试流程，通过网络调用主控计算机内相关的远程服务组件，实现仪器控制、状态监控、数据处理等功能。

接口适配器：系统测试设备主要由LXI、PXI/VXI、CPCI等总线型仪器模块组成，接口适配器主要完成信号的转接功能，实现VXI、PXI与LAN接口的无缝连接；从而可以使非LAN接口的仪器方便的接入到系统中来。

隔离调理模块：在使用CPCI总线结构采集卡对箭上信号进行采集时，需要使用信号隔离调理模块对每路输入信号进行隔离和调理。各种幅度的输入信号经隔离调理后满足A/D卡或计数器卡信号输入要求。

时钟同步触发模块：该模块负责为系统提供统一的时钟同步触发信号，从而实现不同测试节点之间的同步测量，提高测量的时效性。系统主时钟由用户任命其中一个模块担任，其他的时钟都与主时钟进行同步。

故障诊断模块：该模块包括一个诊断服务器，主要用于存储各类设备信息数据库、管理信息数据库、设备维修资源库、专家诊断知识库、各种智能诊断算法及设备专用测试诊断程序等。接到被测设备的诊断要求后，服务器调取相关资源，完成设备的故障诊断。

服务器：服务器通过网络组件与主控计算机相连，测试结束后将测试数据通过LAN传输至服务器中。浏览器端通过Internet连接服务器，通过身份认证，对测试数据进行调用。

浏览器端：新一代航天自动测试系统将采用WWW浏览技术，用户只需要输入正确的数据服务器IP地址，就可以方便的通过网页浏览测试数据，并监控整个测试过程，完成测试数据的下载、存储和打印。

图2为本发明的基于C/S和B/S的混合测试架构示意图。

在航天自动测试系统中仅仅对于测试过程部分使用C/S架构，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。当系统开始工作时，主控计算机首先进行初始化，启动数据采集进程和服务器进程，然后等待与客户机(测量设备)的连接；当连接成功后，就可以随时开始被测信号的采集工作，测试结束后，客户端关闭连接。这样就能充分利用C/S架构客户端程序的丰富功能和可操作性，提高了测试效率，同时，在该架构中，主控计算机不接入因特网，浏览器端不能直接接触到测试数据库，这将在很大程度提高了测试安全性。

航天测试信息利用部分将使用B/S架构，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。当浏览器端通过IP地址与主控计算机建立连接后，向主控计算机请求页面和控件，传送完毕后，就可以通过WWW网页对测试过程进行监控、浏览测试数据，对出现的故障进行远程诊断等。由于主要的测试任务及数据处理任务都将在主控计算机上完成，大大减轻了客户端的负载能力，而且，通过与更多客户端建立连接，可以大大提高了数据库中数据的利用效率，通过现有浏览器支持的SSL等协议很容易实现客户端通信数据加密，保障可测试信息的安全性。

图3为本发明的一种通用化运载火箭测试系统软件体系结构框架图，该软件体系结构框架模型主要分为五个层次：设备描述层、测试资源管理层、测试程序层、测试策略和需求层、仪器控制层。层与层之间严格按照ABBET规范的相关标准进行信息的描述和交互，从而实现测试信息的高度共享。

设备描述层的主要任务就是按照指定的格式描述运载火箭控制、遥测、动力、推进剂利用等各系统部件(如控制系统包括平台、箭机、速率陀螺、伺服机构、一次电源、程序配电器、功率及开关放大器、配电器等)和卫星各分系统设备UUT的设计信息，包括各单元设备的物理和电路设计、可测量特性、响应和需要得出响应的激励。

测试策略和需求层描述了箭上各单元仪器设备及分系统测试任务的测试需求、测试策略和相关产品数据标准规范，它还包含测试程序的自动生成，故障诊断模型和设备维护数据。ABBET标准中的这个层次有众多的标准支持，如测试需求资源模型(TeRM)、被测设备数据信息(DEIF)、测试策略(IEEE 1232)等。测试策略和需求层中的各种测试需求信息都采用了基于ATML标准的信息描述方式，这样便于测试需求信息的共享和复用。

测试程序层主要提供支持使用虚拟资源模型(测试需求)生成测试程序代码的接口。该层是面向信号的，建立在STD标准之上。该层的主要功能是基于面向信号的方法，自动生成运载火箭和卫星测试程序，例如：功率和开关放大器测试、小回路测试、调零精度测试、速率陀螺指令极性测试等分系统测试，总检查测试和匹配测试等，方便用户在进行测试时调用。STD的基本信号组件层为TPS提供最基本的基础信号、事件和测量功能。由于STD采用XML、COM等技术，以API代替了专门的测试语言，所以信号模型组件库可以为不同编程开发环境(VC，VB，CVI等)的TPS开发提供信号模型。STD实现了在一个标准框架下面向测试的信号建模，为表达测试需求(虚拟资源)和仪器能力(真实资源)提供了一个共用的描述机制。该标准还定义了信号和测试描述框架和接口描述方法。接口提供的内容比较全面地描述信号，方便实现虚拟资源与真实资源之间的映射，实现软件设计的硬件无关性，因而有利于实现良好的TPS可移植性。此外，测试程序层主要由面向信号的测试程序和面向信号的远程测试接口组成。面向信号的测试程序指利用面向信号的信号接口编写的测试程序。面向信号的远程测试接口为测试软件编程人员提供了面向信号的远程编程接口，测试软件编程人员可通过面向信号的远程测试接口在现场测试服务器上创建信号对象接口，然后指定操作，完成远程测试任务。面向信号的远程测试接口采用分布式组件技术，隔离了物理硬件的差异性和网络的分布性，是实现网络化自动测试系统分布式测试的基础。

测试资源管理层提供访问测试资源行为、测试资源相互联系、测试对象与ATE间联系的描述性信息。提供执行虚拟资源到真实资源仪器的映射、虚拟资源管理、测试设备构造管理和实际资源管理所需的所有服务。根据具体的航天测试需求，结合现有的测试仪器设备能力，实现测试需求与测试能力的最佳匹配，在最大限度上发挥测试仪器的作用，保证测试结果的精确性和可靠性。

仪器控制层主要功能是使用不同测试资源的命令和通信协议完成对测试仪器和开关的控制。面向信号的仪器驱动器在封装内部实现时可以调用IVI、SCPI、IVI-SignalInterface等，具体的物理控制指令可以是VISA、SCPI、488.2中的一种或几种混合起来。由于VISA规范屏蔽了测试仪器的物理接口，仪器接口可以是VXI、PXI、GPIB、LXI等类型中的任意一种或多种。它是所有基于仪器和基于信号控制的软件体系结构都有的层次，是驱动具体仪器的共同接口和基础，因此，仪器控制层使用VISA I/O库驱动函数直接控制仪器。

图4为本发明的一种通用化运载火箭测试系统软件体系结构的RTS运行服务体系结构图。RTS在软件体系结构中处于核心的位置，它首先对测试程序提交的测试需求进行语法检查和编译，转换为STD信号模型对应的条目(信号类型、UUT端口连接、信号范围、信号属性、方法调用等)；资源的需求启动查询引擎，将虚拟资源定位到真实资源；最后，调用驱动引擎按照连接模型执行UUT端口和信号端口连接算法，并执行信号规定的属性、方法及事件，实现真实资源对应仪器属性的设定和测试/激励的执行。

Claims (3)

1.一种通用化运载火箭测试体系结构设计，其特征在于构建了C/S和B/S的混合测试架构。测试过程采用C/S架构，以测试主控计算机为主实现本地或远程测试功能。信息利用部分采用B/S架构，主要的测试任务及数据处理任务都在主控计算机上完成，大大减轻了客户端的负载能力，易于保障可测试信息的安全性。

2.一种通用化运载火箭测试体系结构设计，其特征在于构建了基于LXI、PXI等总线型仪器的网络化分布式测试系统。系统主要分为两个部分：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、PXI/VXI、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，实现了测试系统的通用化、模块化、小型化。

3.一种通用化运载火箭测试体系结构设计，其特征在于基于国际上先进的ABBET标准构建了新一代航天自动测试系统软件体系结构。该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五个层次，采用IEEE 1641标准建立测试资源模型。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。