基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台

摘要

基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台，其特征在于：该测试平台由被测对象、直接测控层、中心控制管理层和终端监控层相互联结组成。本发明提供的测试平台与现有的微小卫星测试平台相比，具有通用性强、自动化和智能化程度高、较强的开发性和灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于构建微小卫星综合测试平台，特别是基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台，该测试平台通过构建一套智能、灵活、功能全面的卫星自动测试系统，能够完成卫星研制过程中从方案仿真测试到临射测试各个阶段的整星及单机的激励仿真和测试。

背景技术

卫星研制成本和周期的降低不只依赖于卫星技术本身的发展，在很大程度上也依赖卫星开发工具的提高。卫星测试技术是卫星研发过程中不可缺少的设备，伴随着卫星研发的全过程，测试设备的水平在某种程度上代表卫星研发的水平，研发测试设备和研发卫星本身同等重要。而微小卫星开发周期短、成本低、测量控制信号相对较少等特点决定了其综合测试系统应与传统卫星有所不同。

但目前微小卫星测试设备存在以下缺点：

1)通用性不强

主要沿用大卫星的测试方法，测试设备包括单机自检设备、综合测试设备等都有很强的针对性，测试设备繁多但互不关联，测控任务的统一性与整体性缺乏体系支持，每研制一个卫星，就要重新开发一套综合测试设备。

2)自动化和智能化程度不高

当前的测试过程中，测试数据管理能力不强，测试操作没有日志，智能化程度低人工操作的强度较大，增加了人为操作失误的发生率。

3)开放性和灵活性不够

以往的测试设备着眼于卫星的研发的特定阶段，专用性较强，造成测试设备灵活度不够，没有预留升级和扩展的空间。

为此，开发开放式、通用性较强的卫星智能测试平台，用于卫星单机及整星各个测试阶段的测试系统，既能提高卫星研发效率和可靠性，也能降低研制成本，对于我国小卫星事业的发展有着极大的价值和意义。

当前，测试技术近年来迅速向虚拟技术发展。用虚拟仪器组成自动测试系统可靠性高、灵活性强，可以通过软件配置把系统从一个被测系统移植到另一个被测系统。VXI、PXI是虚拟仪器的代表，但VXI组件多为高端产品，系统较为庞大；PXI为美国NI公司近年提出并推广的模块仪器系统，已得到国内外各个领域的广泛应用，NI发展的虚拟软件语言LABVIEW和LABWINDOWS/CVI使PXI硬件得到强有力的支持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种主要通过选用NI公司的软硬件构建一套比较全面的测试系统，并利用原有VXI组件完成较高要求的测试的基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台，该测试平台各个层次协同工作，一起构成了集卫星各个技术阶段的测试、各单机性能和功能测试于一体的具有广泛适用性的、可重复利用的、操作简便易行的、自动化程度高的、无人职守的智能测试平台。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台，其特征在于：该测试平台由被测对象、直接测控层、中心控制管理层和终端监控层相互联结组成。

所述终端监控层包括对应于六个卫星分系统的GPS终端、星务终端、姿控终端、通信终端、电源终端和热控终端；所述GPS终端、星务终端、姿控终端、通信终端、电源终端和热控终端通过集线器与所述中心控制管理层联接；这六台终端所处理的数据不同，但功能和软件结构相同。在不同的测试阶段，根据测试对象的不同，终端数可有相应的变化。在整星闭环模飞测试阶段，各个终端同时运行，分别完成卫星各分系统的测试任务；在整星开环试验阶段，仅留下星务终端和电源终端即可完成任务；而在单机测试阶段，则只需由单机所对应的分系统终端即可。

另外，为了便于直观观测卫星运行状态，所述终端监控层还包括一姿轨演示终端，该姿轨演示终端也通过集线器与所述中心控制管理层联接。该姿轨演示终端将控制中心分发的卫星轨道和姿态数据，以三维形式仿真显示。

所述中心控制管理层包括控制中心和数据库服务器，该中心控制管理层与直接测控层交互联接，并与上述集线器与终端监控层联接。以完成对卫星的直测和有线遥测控制，并完成测试数据的比对，自动生成数据库测试记录，行成系统工作日志功能；同时响应终端监控层请求，实现测试数据的查询和公布，并对各终端控制命令请求进行验证，交有直接测控端执行，将最终执行结果返回给各终端。

所述直接测控层在网络结构上是设计为直接和卫星相连的一层。同时，在物理功能上它也作为直接测控端。该直接测控层包括测控前端机柜和星上接口箱，两者之间通过星地；连接信号电缆联接，测控前端机柜与中心控制管理层的控制中心交互联接；所述星上接口箱通过三通插座或者星地串口和有线遥测终端与星载计算机和各信号测量装置联接。

该直接测控层既可以实现直接从脱落插头引出的有线直测，完成卫星封装前的直接测试工作。直接测试时通过三通插座对卫星进行直接数据采控，即对星载计算机的集中式控制起监控作用，所有的信号测量参数同星上测控参数，并与来自地测串口的实时测量数据作比对。并为卫星提供正常的工作电源。

又可以通过星地串口实现有线遥测，遥测时通过星地串口采集星上实时传递给地面的所有信息：如星上自主遥测数据、软件运行状态、各个分系统的工作情况；也支持把地面的数据传到星上：间接遥控指令、程序注入、数据注入，以方便测试过程中的交互式调试。

本发明的直接采控端可以作为单机和塔架测试的主要设备，由直接采控端配合有线遥测终端完成对卫星的塔架测试。

上述的星地串口采用标准的异步485通信标准模式。

上述直接采控层作为卫星智能测试平台的前端，使用PXI总线系统，在硬件配置完备的情况下，只需对软件(虚拟仪器)进行修改就可以实现不同测试对象的测试和控制，增强了系统的可配置性、可重构性，缩短系统研制周期；充分体现系统的智能化特点。

所述测控前端机柜由PXI数据采集(DAQ)机箱、信号调理(SCXI)机箱、信号转接机箱、等效负载机箱、电源机箱组成，供电机箱负责给PXI数据采集(DAQ)机箱、信号调理(SCXI)机箱、信号转接机箱、等效负载机箱供电，所述PXI数据采集(DAQ)机箱与信号调理(SCXI)机箱之间交互联接，信号调理(SCXI)机箱与信号转接机箱之间交互联接，信号转接机箱与等效负载机箱和被测对象之间交互联接。

所述PXI数据采集(DAQ)机箱内配置有相互联接的系统控制器、输入输出(DI/O)、模拟输出(DA)、高速模拟输入(AD)、RS-485串口卡模块，系统控制器安装MicrosoftWindows2000操作系统，使用Measurement Studio软件开发不同测试对象的采控程序，并建立本地数据库(用MS Access实现)。

所述信号调理(SCXI)机箱内配置有模拟信号调理模块和数字信号调理模块，对现场模拟或数字信号进行滤波、隔离放大等处理。

所述信号转接机箱内配置有将现场测试信号分离成同一类型的信号组的转接模块和对卫星和等效负载机箱之间进行切换的切换模块，转接模块可以将现场测试信号如数字信号、如数字信号、模拟信号、串口信号分离成同一类型的信号组并将不同信号组的信号送入相应的信号调理模块，切换模块可同时完成对卫星和等效器的电路切换。

所述等效负载机箱包括负载等效器、信号等效器、一体化线形电源及与所述信号转接机箱内的转接模块和电源机箱内的地面供电模块连接的接口，其中电源等效仅做负载等效。

上述等效负载机箱等效的目的是：在测试前确保测试设备自身的可靠性，验证设备的测试可信度。因此，等效要求在负载能力上对不同测试对象进行等效，供系统设备自检使用，验证系统的安全可靠性。该等效负载机箱实际上并不能真正等效卫星。它仅仅是模拟卫星通过脱落电连接器的部分测量和控制信号。其主要功能是可以进行电源等效和功能等效，电源等效一是检查地面电源对卫星供配电物理接口和电气接口的正确性和协调性；二是模拟供电过程条件，产生模拟电源和状态信号。功能等效是模拟星上负载，验证控制指令的正确性；检查测试设备控制设备软、硬件各项功能和技术要求的正确性和合理性。

所述被测对象层包括星载计算机、太阳敏感器、动量轮、磁力矩器等被测对象，所述星载计算机、太阳敏感器、动量轮、磁力矩器等被测对象均可通过星上电缆连接在上述星上接口箱上。

可靠性是航天科技的生命，无论是空间飞行器还是地面测试设备都必须充分考虑可靠性的设计要求，不允许由于测试系统的故障或人为失误发出错误的控制信号，以至造成故障延迟测试的进行甚至使卫星受到损坏。

由于采用了如上的技术方案，本发明的测试平台与现有的微小卫星测试平台相比，在可靠性方面具有如下优点：

a)功能模块化，系统组装化设计，使系统故障判断和维修方便；

b)星地系统电气隔离：测试系统与星上设备地线全部隔离，主要由光藕隔离和继电器隔离实现；

对于模拟信号的输入，先通过接线端子选择合适的电压，再经信号调理板进行隔离，最后送入A/D采集卡中，实现卫星和测试系统的隔离。

c)通过等效器系统自诊断和进行有效的自检，确保信号连接的准确性；

d)对遥控指令模块的电源，采用继电器控制，当不发遥控指令时继电器断开，遥控指令模块处于不工作状态，可确保无任何误动作的发生，从而确保对卫星的安全保护；

e)在软件设计上充分考虑对卫星的安全保护，尤其是对控制信号输出采取了超量程的限制手段，即输出的值不可能超过系统允许的最大值和最小值。从而保证了控制输出的值不会影响卫星的安全。

另外，本发明提供的测试平台与现有的微小卫星测试平台相比，还具有如下优点：

a)通用性强：本发明的测试平台只要通过软件(虚拟仪器)配置就可以从一个系统移植到另一个被测系统。

b)自动化和智能化程度高，本发明的测试平台主要由虚拟仪器组成，各终端做操作日志，将本身程序的启动、网络连接情况、发送指令情况、测试数据越界报警情况、退出程序等动作写入本地数据库数据库备查。各终端在程序启动并联入测试网络后可无人职守，数据自动存储、数据越限或测试出错会自动以声、电、文的形式报警。在测试结束或测试过程中，终端用户可要求指定时间区域的测试数据报表并打印。

c)具有较强的开发性和灵活性：本发明采用虚拟仪器来建立测试平台，且各硬件均留有扩展空间。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台的网络结构图。

图2为本发明基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台进行综测时模拟飞行设备扩展图。

图3为本发明基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台的测控前端机柜的原理框图。

图4为本发明基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台的硬件组成示意图。

图5为本发明基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台的等效负载机箱一种等效方式的示意图。

图6为本发明基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台系统扩展时的原理示意图。

具体实施方式

参看图1，基于PXI体系的通用微小卫星综合测试平台，由被测对象、直接测控层、中心控制管理层和终端监控层相互联结组成。

由于测试技术近年来迅速向虚拟技术发展。用虚拟仪器组成自动测试系统可靠性高、灵活性强，可以通过软件配置把系统从一个被测系统移植到另一个被测系统。VXI、PXI是虚拟仪器的代表，但VXI组件多为高端产品，系统较为庞大；PXI为美国NI公司近年提出并推广的模块仪器系统，已得到国内外各个领域的广泛应用，NI发展的虚拟软件语言LABVIEW和LABWINDOWS/CVI使PXI硬件得到强有力的支持，因此本发明的测试平台主要通过选用NI公司的软硬件构建一套比较全面的测试系统，并利用原有VXI组件购买少量配件完成较高要求的测试。

构成整个测试平台的被测对象、直接测控层、中心控制管理层和终端监控层之间协同工作，一起构成了集卫星各个技术阶段的测试、各单机性能和功能测试于一体的具有广泛适用性的、可重复利用的、操作简便易行的、自动化程度高的、无人职守的智能测试平台。

终端监控层包括对应于六个卫星分系统的GPS终端、星务终端、姿控终端、通信终端、电源终端和热控终端；所述GPS终端、星务终端、姿控终端、通信终端、电源终端和热控终端通过集线器与所述中心控制管理层联接；这六台终端所处理的数据不同，但功能和软件结构相同。在不同的测试阶段，根据测试对象的不同，终端数可有相应的变化。在整星闭环模飞测试阶段，各个终端同时运行，分别完成卫星各分系统的测试任务；在整星开环试验阶段，仅留下星务终端和电源终端即可完成任务；而在单机测试阶段，则只需由单机所对应的分系统终端即可

另外，为了便于直观观测卫星运行状态，所述终端监控层还包括一姿轨演示终端，该姿轨演示终端也通过集线器与所述中心控制管理层联接。该姿轨演示终端将控制中心分发的卫星轨道和姿态数据，以三维形式仿真显示。

终端监控层的总体功能如下：

各终端分管自己分系统的测试任务，完成分系统测试数据的显示、存储和管理。在由控制中心授权的情况下，对测试对象发各种直接控制指令或间接控制指令。

两种指令均先汇集到控制中心，由控制中心分析指令的有效性、进行安全审查，若成功则发送给数采控制前端，再由数采控制前端分类别的将两种指令经由激励信号产生器或数采设备发送至被测对象。

同时，各终端做操作日志，将本身程序的启动、网络连接情况、发送指令情况、测试数据越界报警情况、退出程序等动作写入本地数据库数据库备查。各终端在程序启动并联入测试网络后可无人职守，数据自动存储、数据越限或测试出错会自动以声、电、文的形式报警。在测试结束或测试过程中，终端用户可要求指定时间区域的测试数据报表并打印。

中心控制管理层包括控制中心和数据库服务器，该中心控制管理层与直接测控层交互联接，并与上述集线器与终端监控层联接。负责整个测试平台的协同工作、测试任务的制订及分配、测试数据存储和管理、系统工作日志等。

中心控制管理层是整个智能测试平台的控制和管理的核心，它既要和直接测控层交互，以完成对卫星的直测和有线遥测控制，并完成测试数据的比对，自动生成数据库测试记录，行成系统工作日志功能；又要响应终端监控层请求，实现测试数据的查询和公布，并对终端控制命令请求进行验证，交有直接测控端执行，将最终执行结果返回给终端。

直接测控层，在网络结构上是设计为直接和卫星相连的一层。同时，在物理功能上它也作为直接测控端。

该直接测控层包括测控前端机柜和星上接口箱，两者之间通过星地；连接信号电缆联接，测控前端机柜与中心控制管理层的控制中心交互联接；所述星上接口箱通过三通插座或者星地串口和有线遥测终端与星载计算机和各信号测量装置联接。

直接测控层的功能任务是：

1、有线直测(控)----直接从脱落插头引出；

主要完成卫星封装前的直接测试工作。该部分通过三通插座对卫星进行直接数据采控，即对星载计算机的集中式控制起监控作用，所有的信号测量参数同星上测控参数，并与来自地测串口的实时测量数据作比对。并为卫星提供正常的工作电源。主要包括：

1)为卫星提供正常的工作电源；

2)提供电源控制所需要的各种硬件信号，包括蓄电池的充、放电和通讯电源的开、关等操作；

3)为星载计算机的控制，包括开、关、切换和复位等操作提供符合要求的控制信号；

4)测量脱落插头提供的需要直接测量的各种模拟信号(0-35V)；在卫星封装以后，该部分就不再起作用，即与卫星脱离联系。

2、有线遥测----通过星地串口(地测串口)；

星地通信串口采用标准的异步485通信标准模式，通过星地串口采集星上实时传递给地面的所有信息：星上自主遥测数据、软件运行状态、各个分系统的工作情况；也支持把地面的数据传到星上：间接遥控指令、程序注入、数据注入，以方便测试过程中的交互式调试。具体星地通信协议待定。

直接采控端可以作为单机和塔架测试的主要设备，由直接采控端配合有线遥测终端完成对卫星的塔架测试。

参看图2，在综测阶段，很重要的一点是要进行模飞，以保证星载软件和各个分系统在各种模式下都能执行到。完成这个任务是将姿控的专检设备和GPS专检设备纳入该系统。姿控的专检设备主要是包括一个动力学仿真机，通过动力学仿真算法模型和轨道数据来控制输出，达到改变太阳模拟器、地球模拟器、地磁模拟器状态的目的，以此来模拟实际飞行过程中的各种模式。GPS模拟机可以模拟实际轨道运行情况，使卫星上的GPS接收机能获取仿真状态下的轨道数据。通过网络，控制中心将姿控执行器件的输出和轨道数据传送给动力学仿真机，由动力学仿真机进行模飞，同时控制中心也可以对动力学发布控制命令，改变现行运行模式，方便调试。

以上两类设计输入的部分内容重复，即某些测量或控制信号既可通过有线遥测完成，也可通过有线直测完成，脱落插头的部分信号在塔架上也不便测试，因此，在塔架测试的阶段，根据测试的重点和特点，部分测试在塔架测试中不作要求。

参看图3，上述直接采控层作为卫星智能测试平台的前端，使用PXI总线系统，在硬件配置完备的情况下，只需对软件(虚拟仪器)进行修改就可以实现不同测试对象的测试和控制，增强了系统的可配置性、可重构性，缩短系统研制周期；充分体现系统的智能化特点。

测控前端机柜由PXI数据采集(DAQ)机箱、信号调理(SCXI)机箱、信号转接机箱、等效负载机箱、电源机箱组成，供电机箱负责给PXI数据采集(DAQ)机箱、信号调理(SCXI)机箱、信号转接机箱、等效负载机箱供电，所述PXI数据采集(DAQ)机箱与信号调理(SCXI)机箱之间交互联接，信号调理(SCXI)机箱与信号转接机箱之间交互联接，信号转接机箱与等效负载机箱和被测对象之间交互联接。

在PXI数据采集(DAQ)机箱内配置有相互联接的系统控制器、输入输出(DI/O)、模拟输出(DA)、高速模拟输入(AD)、RS-485串口卡模块，系统控制器安装Microsoft Windows 2000操作系统，使用Measurement Studio软件开发不同测试对象的采控程序，并建立本地数据库(用MS Access实现)。

在信号调理(SCXI)机箱内配置有模拟信号调理模块和数字信号调理模块，对现场模拟或数字信号进行滤波、隔离放大等处理。

在信号转接机箱内配置有将现场测试信号分离成同一类型的信号组的转接模块和对卫星和等效负载机箱之间进行切换的切换模块，转接模块可以将现场测试信号如数字信号、如数字信号、模拟信号、串口信号分离成同一类型的信号组并将不同信号组的信号送入相应的信号调理模块，切换快可同时完成对卫星和等效器的电路切换。

所述等效负载机箱包括负载等效器、信号等效器、一体化线形电源及与所述信号转接机箱内的转接模块和电源机箱内的地面供电模块连接的接口，其中电源等效仅做负载等效。

上述等效负载机箱等效的目的是：在测试前确保测试设备自身的可靠性，验证设备的测试可信度。因此，等效要求在负载能力上对不同测试对象进行等效，供系统设备自检使用，验证系统的安全可靠性。

等效负载机箱设计时，遵循的技术要求是：

1、卫星等效器对地面配电器和地面有关测试设备的接口与地面配电器和地面有关测试设备的接口一致；

2、使用的指令接收继电器与星上设备基本相同，控制指令执行状态用相关的指示。

其主要功能应包括电源等效和功能等效，电源等效一是检查地面电源对卫星供配电物理接口和电气接口的正确性和协调性；二是模拟供电过程条件，产生模拟电源和状态信号。功能等效是模拟星上负载，验证控制指令的正确性；检查测试设备控制设备软、硬件各项功能和技术要求的正确性和合理性。

上述等效负载机箱可以有两种设计方案：

方案一：传统做法是设计的专门的被测对象“等效器”作为等效负载；这种方案要求等效器本身具有适度的“等效”功能，设计复杂，通用性不够；优点是：作为功能性验证，可靠性较高；具体设计如下：

等效器主要包括负载等效器和信号等效器。实际上并不能真正等效卫星。它仅仅是模拟卫星通过脱落电连接器的部分测量和控制信号。

其中电源等效仅做负载等效；控单元卫星等效设计等效器

鉴于以上要求和考虑，等效器主要包括：

1)一体化线性电源：等效器驱动电路供电和模拟蓄电池(DC/DC)供电；

2)模拟蓄电池电压：主要由DC/DC变换器组成，模拟星上蓄电池供电部分；

3)模拟星上动作开关：主要由磁保持继电器，消反和保护、限流电路组成；模拟星上放电开关，星载计算机开关动作等。

4)模拟母线负载电阻：(目的)在卫星地面测试阶段，由地面电源(包括方阵模拟器和地电模拟电源)给卫星供电，为确保地面供电正常，需要对地面电源的负载能力进行测试；(组成)根据卫星负载功率，由大功率电阻并串联组成等效母线负载电阻，通过电流监控确定地面电源的负载能力。

5)电压和电流测量和显示：测量和显示卫星等效器的模拟蓄电池电压和模拟母线等效负载电流等。

6)和其它设备的接口：主要实现和“直接采控前端”的信号转接模块和地面供电模块的连接。

方案二：参看图5，采用高可靠性、标准化的功能模块组成闭环等效方式，该方案利用高可靠性、通用性的功能模块，也能可靠的实现对设备前端测试通道的自检，设计简单、方便；缺点是功能性自检可靠性不如“等效器”。

依据简化原则，卫星等效器不包括RS-422星地通讯的等效，电源等效电源等效仅做负载等效。

参看图4，上述PXI数据采集(DAQ)机箱、信号调理(SCXI)机箱中的硬件均选用美国国家仪器公司的产品(National Instruments，以下简称NI公司)，各模块在电气、结构等方面符合PXI总线规范。

系统控制器选用NI最新推出的PXI-8186 PIV2.2G嵌入式零槽控制器，保证了系统的运行速度。32路模拟信号首先进入SCXI-1120D信号调理模块前端的SCXI-1327端子模块经衰减后再经SCXI-1120D模块滤波放大，最后由PXI-6052E模块采集；8路模拟输出信号由PXI-6733模块的D/A完成，另外PXI-6052E模块还带有2路D/A输出，这些模拟输出信号可进入自制的信号调理电路板进行隔离放大，达到系统对输出信号的要求；24路数字输出及8路数字输入信号均由PXI-6527数字I/O模块来完成，该模块输入为24路光隔离0～28VDC信号，输出为隔离固态继电器0～60VDC或0～30Vrms信号。PXI-8423/2为2口RS-485串行通讯接口模块，用于系统与外部设备之间的通讯控制；通过RS-485串行通讯接口模块，可以在直接采控端完成有线遥测功能。

在硬件开放性和扩展性方面，本发明的测试平台的PXI数据采集(DAQ)机箱、信号调理(SCXI)机箱选用1台8槽的PXI数据采集机箱和1台18槽的SCXI信号调理机箱，实际进行整星测试时，PXI机箱仅占用了6个插槽，其中控制器占用1个，采集卡占用5个，有2个插槽可供扩展模块使用；SCXI机箱仅占用4个插槽，还有8个插槽供系统扩展使用。

若系统还要进行更大的扩展，则可增加PXI机箱，与原有的PXI机箱之间可通过NI公司的MXI-3接口卡连接起来。另外，还可通过增加调理机箱或SCXI多路复用模块来增加信号输入通道数量，每块采集卡最多可连接8个12槽的SCXI信号调理机箱，多达3072个输入通道。

参看图1，被测对象层包括星载计算机、太阳敏感器、动量轮、磁力矩器等被测对象，所述星载计算机、太阳敏感器、动量轮、磁力矩器等被测对象均可通过星上电缆连接在上述星上接口箱上。

当然，对于本领域的一般技术人员，不花费创造性的劳动，在上述实施例的基础上能够作多种变化，同样能够实现本发明的目的。但是，上述各种变化显然应该在本发明的权利要求书的保护范围内。