微小衛(wèi)星發(fā)射場測試流程優(yōu)化研究

1、微小衛(wèi)星發(fā)射場測試流程優(yōu)化研究摘要近年來，微小衛(wèi)星發(fā)展迅速，呈現(xiàn)百花齊放態(tài)勢，快速響應的微小衛(wèi)星批量化組網(wǎng)，可以更快速、更經(jīng)濟的獲得傳統(tǒng)大衛(wèi)星的效能，成為商業(yè)航天的首選途徑。本文依托某型號衛(wèi)星，開展微小衛(wèi)星快速測試技術(shù)研究，梳理衛(wèi)星地面測試項目和內(nèi)容，優(yōu)化裁剪測試項目，總結(jié)提煉一套微小衛(wèi)星典型測試流程，用于指導后續(xù)地面測試。關(guān)鍵詞快速測試流程優(yōu)化1 引言近年來，全球小衛(wèi)星特別是微納衛(wèi)星的研制發(fā)射進入到爆發(fā)式增長階段，衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量急劇增加，應用領(lǐng)域快速擴展，在需求牽引下，微小衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量快速增長，發(fā)射場設(shè)施設(shè)備和資源調(diào)配難度加大。目前，微小衛(wèi)星仍然沿用科研試驗衛(wèi)星時的流程設(shè)計方法，其發(fā)射場測試周

2、期一般為5天至60天，快速響應衛(wèi)星主要任務(wù)在于應對突發(fā)事件，達到快速集成、測試、發(fā)射和在軌應用的目的，一般要求衛(wèi)星整星射前快速測試與射前狀態(tài)設(shè)置時間不大于1小時。本文對傳統(tǒng)測試流程、方法和技術(shù)進行改進，研究一套快速測試方法能夠縮短衛(wèi)星研制周期、降低研制成本。2 常規(guī)衛(wèi)星測試流程傳統(tǒng)衛(wèi)星發(fā)射場測試流程項目多、耗時長，主要原因為出廠測試與發(fā)射場測試完全分割，為保證衛(wèi)星在軌期間的可靠性，需要在發(fā)射場重復完成出廠測試的絕大部分內(nèi)容。以某型號微小衛(wèi)星為例，若完成全部測試，充分保證衛(wèi)星的可靠性，其流程如下：2.1 測試目的整星電測的目的是為了確保衛(wèi)星在軌工作的正確性，因此需要檢驗衛(wèi)星電氣性能和參數(shù)指標是否

3、符合設(shè)計要求以及各組件在整星條件下能否完成規(guī)定的功能；同時，為了保證測控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕枰獧z查指令通道傳遞的可靠性、準確性和數(shù)據(jù)通道傳遞的可靠性、準確性；此外，為了保證衛(wèi)星能夠與火箭及地面測試設(shè)備連接正確，需要檢查衛(wèi)星內(nèi)外接口匹配的正確性；最后，在地面測試前，為保證測試能夠順利進行，需要檢查星上軟件、地面軟件、測量參數(shù)定義和測試文件的正確性以及衛(wèi)星電氣設(shè)計的正確性、合理性、匹配性及接地系統(tǒng)的正確性。根據(jù)以上電性能測試目的，由此可確定測試項目如后。2.2 測試流程在地面測試前要進行一系列的準備和狀態(tài)檢查，包括測試文件、測試環(huán)境、測試設(shè)備、整星測試狀態(tài)與技安檢查。微小衛(wèi)星電性能測試包括衛(wèi)

4、星各分系統(tǒng)測試、系統(tǒng)綜合測試和整星地面模飛測試。衛(wèi)星電性能測試流程如圖1所示。圖1衛(wèi)星電測流程圖1. 衛(wèi)星電源分系統(tǒng)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)是星上產(chǎn)生、儲存、調(diào)節(jié)、變換、分配和輸送功率的分系統(tǒng)?；竟δ苁峭ㄟ^物理變化或化學變化，將光能、核能、化學能等轉(zhuǎn)換成電能，根據(jù)需要進行儲存、調(diào)節(jié)和變換，然后向各分系統(tǒng)供電。電源分系統(tǒng)測試目的是檢驗分系統(tǒng)所屬正樣產(chǎn)品在整星各種工作模式下的功能及主要性能，以及與其它分系統(tǒng)之間的接口關(guān)系，并為整星供電。其具體項目包括：（1）配電功能及瞬態(tài)測試，設(shè)備開關(guān)操作，測試組件加、斷電的瞬態(tài)特性；（2）整星功耗測量；（3）蓄電池遙測；（4）外部供電功能測試；（5）門限電壓測試。2.

5、星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)是將小衛(wèi)星的遙測、遙控、程控、時統(tǒng)、設(shè)備運行、任務(wù)調(diào)度、自主控制等多項事物管理集成與統(tǒng)一的系統(tǒng)中，形成一個新興的小衛(wèi)星的重要系統(tǒng)。星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)測試目的是檢查CAN總線的流動信息，其具體項目包括：(1) 指令收發(fā)測試(UHF通道、USB通道、CAN地測通道)；(2) 設(shè)備開關(guān)功能測試；(3) 設(shè)備通信測試；(4) 星務(wù)管理測試；(5) 直接指令測試；(6) 實時遙測功能測試；(7) 程序上注測試；(8) 心跳信號測試。3. 衛(wèi)星測控分系統(tǒng)衛(wèi)星測控分系統(tǒng)是具有遙測、遙控、測距、測速、測角及星地時差測量功能的系統(tǒng)。測控分系統(tǒng)測試重在響應判別，向衛(wèi)星發(fā)送激勵信

6、號，引起一個或數(shù)個狀態(tài)參數(shù)的變化，通過對遙測參數(shù)的監(jiān)測，判斷激勵動作的執(zhí)行情況。其具體項目包括：(1) UHF收發(fā)機遙測、遙控功能測試；(2) USB應答機遙測功能測試；(3) USB應答機遙控功能測試。4. 衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)負責完成衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制工作。姿控分系統(tǒng)測試采用半物理仿真試驗的方法，通過軟件模擬空間環(huán)境和衛(wèi)星動力學控制定律，地面測試計算機采集執(zhí)行機構(gòu)的工作信息，并進行衛(wèi)星姿態(tài)動力學的仿真計算，算出作用在衛(wèi)星上的力和力矩，求出衛(wèi)星新的姿態(tài)角度、姿態(tài)角速率，再轉(zhuǎn)換成各敏感器的輸入信息，送給相應的敏感器信號源。其具體項目包括：（1）單軸轉(zhuǎn)速控制模式測試；（2）單軸遙測測試

7、；（3）三軸飛輪/陀螺組合遙控測試；（4）三軸飛輪/陀螺組合遙測測試；（5）陀螺噪聲和長漂測試；（6）星圖數(shù)據(jù)測試；（7）輪廓圖數(shù)據(jù)獲取測試；（8）星敏感器參數(shù)設(shè)置或獲取測試；（9）參考圖像設(shè)置測試；（10）姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取測試：同時訪問三軸飛輪/陀螺和星敏感器；（11）3分鐘自動斷電測試；（12）電流方向切換測試。5. 載荷分系統(tǒng)微小衛(wèi)星設(shè)計目標是實現(xiàn)靈活的空間信息支持，對應的載荷為4個相機，分別是：紅外相機、廣角相機、低分相機和高分相機，其測試的具體項目包括：（1）信號傳輸測試；（2）S波段數(shù)傳單元切換測試；（3）成像測試；（4）攝像機參數(shù)設(shè)置測試；（5）對焦機構(gòu)測試；（6）參數(shù)設(shè)置測試；（7

8、）參數(shù)獲取測試。6. 整星綜合測試整星綜合測試通常可以分成三個層次，即單元級測試、分系統(tǒng)級測試和系統(tǒng)級測試，單元級測試和分系統(tǒng)級測試主要是性能測試，系統(tǒng)級測試主要是功能性測試。其具體項目包括：（1）狀態(tài)確認測試；（2）攝像機測試；（3）飛輪測試；（4）三軸飛輪聯(lián)合測試；（5）星敏感器測試；（6）姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取測試；（7）磁力矩器測試；（8）星務(wù)管理測試。根據(jù)上述項目梳理結(jié)果，將衛(wèi)星測試完畢，具備發(fā)射條件至少需要兩天時間，而快速響應微小衛(wèi)星整星射前快速測試與射前狀態(tài)設(shè)置時間要求不大于1小時。因此優(yōu)化測試流程、改進測試方法、設(shè)計測試項目、提高測試效率成為研制快速響應微小衛(wèi)星必不可少的過程。3 快速響

9、應微小衛(wèi)星快速測試方法快速響應微小衛(wèi)星要求快速研制、快速發(fā)射和快速在軌應用，傳統(tǒng)衛(wèi)星的地面測試無法滿足微小衛(wèi)星的需求，迫切需要提出新的測試方法，建立適應快速測試的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計和研制具備自動化測試功能的測試系統(tǒng)。目前，隨著地面測試技術(shù)的進步，已經(jīng)具備流程優(yōu)化的條件。3.1快速響應微小衛(wèi)星測試項目優(yōu)化方法地面測試項目的優(yōu)化主要是在可靠性基本不變的前提下，達到簡化流程、節(jié)約時間的目的，具體從以下兩個方面入手：（1）發(fā)射場只進行功能測試，提前性能測試。在發(fā)射場測試階段，對于可重構(gòu)綜合電子系統(tǒng)與公用模塊（單機）只進行必要的功能和指標測試，如單機產(chǎn)品特性測試、遙測參數(shù)與遙控指令檢查等。對于傳統(tǒng)衛(wèi)星這

10、些測試項目在出廠測試和發(fā)射場測試中都要進行，其主要原因是傳統(tǒng)衛(wèi)星研制采用定制的模式，產(chǎn)品及配套軟件必須經(jīng)過充分的測試才能保證其可靠性。而對于快速響應微小衛(wèi)星，在建立了產(chǎn)品體系實現(xiàn)貨架采購后，所有產(chǎn)品的研制和定型均遵循統(tǒng)一的標準，可以保證其應用的可靠性。（2）優(yōu)化整星測試，縮減重復項目?？焖夙憫⑿⌒l(wèi)星的測試不再區(qū)分單機測試、分系統(tǒng)測試和整星測試。單機和分系統(tǒng)的測試項目涵蓋在整星測試中，從而優(yōu)化了重疊的測試項目，在保證測試覆蓋性的前提下，簡化了測試流程，有效縮短了測試時間。微小衛(wèi)星的電性能測試主要包括單元測試、系統(tǒng)級測試、整星綜合測試以及環(huán)境試驗過程中的測試等，測試時間一般為幾個月。對于快速響應

11、微小衛(wèi)星而言，從應急任務(wù)提出到衛(wèi)星發(fā)射入軌要在極短的時間內(nèi)完成，發(fā)射場測試一般限制在幾小時內(nèi)完成，測試項目的優(yōu)化顯得尤為重要，因此，必須進行測試序列的優(yōu)化設(shè)計。3.2 流程優(yōu)化方法建模測試序列優(yōu)化的內(nèi)容是測試時間。如果每個測試模塊對測試序列的需求是獨立的，即對于一個測試序列而言，只為一個測試模塊服務(wù)。當出現(xiàn)一個測試序列為兩個或者多個模塊服務(wù)的情況時，在計算總的消耗時間時，與該測試序列相關(guān)的時間只需計算一次。因為，可以設(shè)置一個全局變量來保存已經(jīng)計算過的該測試序列的內(nèi)容。給定一個測試任務(wù)，其中P是測試要求，Al,A2,，Am是實現(xiàn)測試要求P所要測試的項目。對于項目Ai(i=1,2,，m),ai1，

12、ai2，aik是實現(xiàn)項目Ai測試所需要的測試序列。對于每一個測試序列aij(i=1，2，,m；j=1，2，,k)，假定完成測試需要消耗的時間是tij,其在整個系統(tǒng)測試中的時間有效性參數(shù)用cij來表示。時間有效性參數(shù)越大代表其在衛(wèi)星貨架式儲存時測試有效期越長。問題即轉(zhuǎn)化為考慮時間有效性參數(shù)滿足的情況下，選擇合適的測試序列來完成既定測試目標。故做出如下定義：將所有測試序列構(gòu)成的有限集合記作A,A中的元素是完成測試任務(wù)所需要的全部測試序列，表示為：國心，心其中，每個ai是一個測試序列，相應的把完成測試序列ai所用的時間記作ti,其在整個測試系統(tǒng)中的時間有效性參數(shù)記作ci。為了表示在測試過程中，測試序

13、列ai是否被選中，定義測試序列狀態(tài)量xi。xi取值0或者1，當xi取0時，表示衛(wèi)星出廠測試至衛(wèi)星發(fā)射時間間隔小于測試時間有效性長度，即在當前測試要求下沒有被選中；當xi取1時，表示表示衛(wèi)星出廠測試至衛(wèi)星發(fā)射時間間隔大于測試時間有效性長度，即在當前測試要求下被選中。于是，在給定測試時間和時間有效性的情況下，流程優(yōu)化問題即可表示為：T=i1xl+t2x2+.+titxn兀=0"石=l（i=以上是以時間有效性為目標抽象得到的數(shù)學模型，衛(wèi)星流程優(yōu)化過程主要包括以下四個步驟：（1）將衛(wèi)星發(fā)射場測試劃分為m個測試項目；確定每個測試項目Ai所對應的ki個測試序列ai1，ai2，aiki；（2）確定

14、每個測試序列aij所對應的測試時間tij以及該測試序列的時間有效性參數(shù)；（3）根據(jù)發(fā)射時間距衛(wèi)星出廠測試時間間隔確定各測試序列aij的狀態(tài)量xij；（4）得到需要執(zhí)行的測試序列aij以及測試所需要的總時間T。4 測試流程及項目優(yōu)化4.1衛(wèi)星項目優(yōu)化過程以載荷分系統(tǒng)的測試為例，說明測試流程優(yōu)化方法的應用，載荷分系統(tǒng)的測試項目、時間、時間有效性參數(shù)見表1所示。表1載荷分系統(tǒng)測試項目優(yōu)化表序號測試項目時間/s時間有效性參數(shù)/天距出廠測試時間/天30501信號傳輸測試50802S波段數(shù)傳單元切換測試5020VV3成像測試120904攝像機參數(shù)設(shè)置測試8040V5對焦機構(gòu)測試7045V6參數(shù)設(shè)置測試80

15、40V7參數(shù)獲取測試6025VV實際測試過程中沒有對工作量進行限制，即只要求在規(guī)定時間內(nèi)，盡可能將重要的測試項目測試完畢。從優(yōu)化結(jié)果可以看出，如果發(fā)射時間距出廠測試時間為30天，需要測試第2、7項，總測試時間為110s；如果發(fā)射時間距出廠測試時間為50天，就需要測試第2、4、5、6、7項，總測試時間為340s，即根據(jù)測試要求進行測試項目的優(yōu)化選擇。通過測試流程優(yōu)化方法，將測試任務(wù)劃分為m個測試模塊，每個測試模塊對應了多個測試序列，并確定了每個測試序列對應的測試時間，這樣，就可以根據(jù)測試任務(wù)的優(yōu)化目標來合理確定各測試序列的狀態(tài)量取值，使時間有效性能夠滿足優(yōu)化目標要求。4.2 測試流程優(yōu)化結(jié)果快速

16、響應微小衛(wèi)星在發(fā)射前采用模塊或整星貯存的方式在衛(wèi)星廠房進行存放，接到發(fā)射任務(wù)后衛(wèi)星在廠房進行快速集成、測試并整星運輸至發(fā)射區(qū)，衛(wèi)星在發(fā)射場減少了不必要的總裝操作，節(jié)省了總裝及相關(guān)測試、狀態(tài)確認的時間?？焖夙憫⑿⌒l(wèi)星在研制過程中對其部組件、分系統(tǒng)進行了長時間的測試，測試項目覆蓋功能及性能，提前暴露產(chǎn)品的質(zhì)量問題，在模塊或整星存儲前已剔除失效產(chǎn)品。產(chǎn)品依據(jù)貯存時間有效性要求進行定期檢測，以確保產(chǎn)品的功能和性能滿足產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性要求。在發(fā)射場取消衛(wèi)星產(chǎn)品性能測試，僅對衛(wèi)星蓄電池進行充電，衛(wèi)星加電，通過發(fā)送遙控指令和觀察遙測參數(shù)判讀產(chǎn)品狀態(tài)是否正常。衛(wèi)星活動部件、有精度要求的單機以及太陽陣電池片等

17、產(chǎn)品在飛機運輸、鐵路運輸或火車運輸經(jīng)歷的振動響應量級遠小于地面試驗時的振動量級，衛(wèi)星在發(fā)射場可以不進行活動部件展開試驗、太陽電池陣光照試驗和單機精度測量。4.3 測試項目優(yōu)化結(jié)果綜合考慮測試時間及測試可靠性，以時間有效性為優(yōu)化目標，利用單目標線性規(guī)劃的方法對測試序列進行優(yōu)化，結(jié)合衛(wèi)星測試目的，可以得出優(yōu)化后的測試項目：1. 為檢驗衛(wèi)星電氣設(shè)計的正確性、合理性、匹配性及接地系統(tǒng)的正確性。電源分系統(tǒng)需進行：（1）配電功能及瞬態(tài)測試，設(shè)備開關(guān)操作，測試組件加、斷電的瞬態(tài)特性；（2）外部供電功能測試。2. 為檢驗衛(wèi)星電氣性能和參數(shù)指標是否符合設(shè)計要求。電源分系統(tǒng)需進行：（1）蓄電池遙測；（2）門限電壓

18、測試。3. 為檢驗數(shù)據(jù)通道傳遞的可靠性、準確性。星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)需進行：（1）設(shè)備通信測試；（2）實時遙測功能測試；（3）程序上注測試。姿控分系統(tǒng)需進行：(1) 星圖數(shù)據(jù)測試；(2) 姿態(tài)數(shù)據(jù)獲取測試。載荷分系統(tǒng)需進行：(1)信號傳輸測試。4. 為檢驗指令通道傳遞的可靠性、準確性。星載數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)需進行：(1) 指令收發(fā)測試(UHF通道、USB通道、CAN地測通道)；(2) 設(shè)備開關(guān)功能測試；(3) 直接指令測試；(4) 心跳信號測試。衛(wèi)星測控系統(tǒng)需進行：(1) UHF收發(fā)機遙測、遙控功能測試;(2) USB應答機遙測功能測試；(3) USB應答機遙控功能測試。姿控分系統(tǒng)需進行：(1) 單軸轉(zhuǎn)速控制模式測試；(2) 單軸遙測測試；(3) 三軸飛輪/陀螺組合遙控測試；(4) 三軸飛輪/陀螺組合遙測測試；(5) 3分鐘自動斷電測試；(6) 電流方向切換測試。載荷分系統(tǒng)需進行：（1）S波段數(shù)傳單元切換測試；（2）參數(shù)獲取測試。5. 為檢驗各組件在整星條件下能否完成規(guī)定的功能。整