张翔宇
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摘 要 近年来，微小卫星发展迅速，呈现百花齐放态势，快速响应的微小卫星批量化组网，可以更快速、更经济的获得传统大卫星的效能，成为商业航天的首选途径。本文依托某型号卫星，开展微小卫星快速测试技术研究，梳理卫星地面测试项目和内容，优化裁剪测试项目，总结提炼一套微小卫星典型测试流程，用于指导后续地面测试。
关键词 快速测试 流程优化
1 引言
近年来，全球小卫星特别是微纳卫星的研制发射进入到爆发式增长阶段，卫星发射数量急剧增加，应用领域快速扩展，在需求牵引下，微小卫星发射数量快速增长，发射场设施设备和资源调配难度加大。目前，微小卫星仍然沿用科研试验卫星时的流程设计方法，其发射场测试周期一般为5天至60天，快速响应卫星主要任务在于应对突发事件，达到快速集成、测试、发射和在轨应用的目的，一般要求卫星整星射前快速测试与射前状态设置时间不大于1小时。本文对传统测试流程、方法和技术进行改进，研究一套快速测试方法能够缩短卫星研制周期、降低研制成本。
2 常规卫星测试流程
传统卫星发射场测试流程项目多、耗时长，主要原因为出厂测试与发射场测试完全分割，为保证卫星在轨期间的可靠性，需要在发射场重复完成出厂测试的绝大部分内容。以某型号微小卫星为例，若完成全部测试，充分保证卫星的可靠性，其流程如下：
2.1 测试目的
整星电测的目的是为了确保卫星在轨工作的正确性，因此需要检验卫星电气性能和参数指标是否符合设计要求以及各组件在整星条件下能否完成规定的功能；同时，为了保证测控系统与数据传输的可靠性，需要检查指令通道传递的可靠性、准确性和数据通道传递的可靠性、准确性；此外，为了保证卫星能够与火箭及地面测试设备连接正确，需要检查卫星内外接口匹配的正确性；最后，在地面测试前，为保证测试能够顺利进行，需要检查星上软件、地面软件、测量参数定义和测试文件的正确性以及卫星电气设计的正确性、合理性、匹配性及接地系统的正确性。根据以上电性能测试目的，由此可确定测试项目如后。
2.2 测试流程
在地面测试前要进行一系列的准备和状态检查，包括测试文件、测试环境、测试设备、整星测试状态与技安检查。微小卫星电性能测试包括卫星各分系统测试、系统综合测试和整星地面模飞测试。卫星电性能测试流程如图2所示。
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图2卫星电测流程图
1.卫星电源分系统
卫星电源分系统是星上产生、储存、调节、变换、分配和输送功率的分系统。基本功能是通过物理变化或化学变化，将光能、核能、化学能等转换成电能，根据需要进行储存、调节和变换，然后向各分系统供电。电源分系统测试目的是检验分系统所属正样产品在整星各种工作模式下的功能及主要性能，以及与其它分系统之间的接口关系，并为整星供电。其具体项目包括：
（1）配电功能及瞬态测试，设备开关操作，测试组件加、断电的瞬态特性；
（2）整星功耗测量；
（3）蓄电池遥测；
（4）外部供电功能测试；
（5）门限电压测试。
2.星载数据管理分系统
星载数据管理分系统是将小卫星的遥测、遥控、程控、时统、设备运行、任务调度、自主控制等多项事物管理集成与统一的系统中，形成一个新兴的小卫星的重要系统。星载数据管理分系统测试目的是检查CAN总线的流动信息，其具体项目包括：
（1）指令收发测试（UHF通道、USB通道、CAN地测通道）；
（2）设备开关功能测试；
（3）设备通信测试；
（4）星务管理测试；
（5）直接指令测试；
（6）实时遥测功能测试；
（7）程序上注测试；
（8）心跳信号测试。
3.卫星测控分系统
卫星测控分系统是具有遥测、遥控、测距、测速、测角及星地时差测量功能的系统。测控分系统测试重在响应判别，向卫星发送激励信号，引起一个或数个状态参数的变化，通过对遥测参数的监测，判断激励动作的执行情况。其具体项目包括：
（1）UHF收发机遥测、遥控功能测试；
（2）USB应答机遥测功能测试；
（3）USB应答机遥控功能测试。
4.卫星姿控分系统
卫星姿控分系统负责完成卫星的姿态和轨道控制工作。姿控分系统测试采用半物理仿真试验的方法，通过软件模拟空间环境和卫星动力学控制定律，地面测试计算机采集执行机构的工作信息，并进行卫星姿态动力学的仿真计算，算出作用在卫星上的力和力矩，求出卫星新的姿态角度、姿态角速率，再转换成各敏感器的输入信息，送给相应的敏感器信号源。其具体项目包括：
（1）单轴转速控制模式测试；
（2）单轴遥测测试；
（3）三轴飞轮/陀螺组合遥控测试；
（4）三轴飞轮/陀螺组合遥测测试；
（5）陀螺噪声和长漂测试；
（6）星图数据测试；
（7）轮廓图数据获取测试；
（8）星敏感器参数设置或获取测试；
（9）参考图像设置测试；
（10）姿态数据获取测试：同时访问三轴飞轮/陀螺和星敏感器；
（11）3分钟自动断电测试；
（12）电流方向切换测试。
5.载荷分系统
微小卫星设计目标是实现灵活的空间信息支持，对应的载荷为4个相机，分别是：红外相机、广角相机、低分相机和高分相机，其测试的具体项目包括：
（1）信号传输测试；
（2）S波段数传单元切换测试；
（3）成像测试；
（4）摄像机参数设置测试；
（5）对焦机构测试；
（6）参数设置测试；
（7）参数获取测试。
6.整星综合测试
整星综合测试通常可以分成三个层次，即单元级测试、分系统级测试和系统级测试，单元级测试和分系统级测试主要是性能测试，系统级测试主要是功能性测试。其具体项目包括：
（1）状态确认测试；
（2）摄像机测试；
（3）飞轮测试；
（4）三轴飞轮联合测试；
（5）星敏感器测试；
（6）姿态数据获取测试；
（7）磁力矩器测试；
（8）星务管理测试。
根据上述项目梳理结果，将卫星测试完毕，具备发射条件至少需要两天时间，而快速响应微小卫星整星射前快速测试与射前状态设置时间要求不大于1小时。因此优化测试流程、改进测试方法、设计测试项目、提高测试效率成为研制快速响应微小卫星必不可少的过程。
3 快速响应微小卫星快速测试方法
快速响应微小卫星要求快速研制、快速发射和快速在轨应用，传统卫星的地面测试无法满足微小卫星的需求，迫切需要提出新的测试方法，建立适应快速测试的系统体系结构，设计和研制具备自动化测试功能的测试系统。目前，随着地面测试技术的进步，已经具备流程优化的条件。
3.1 快速响应微小卫星测试项目优化方法
地面测试项目的优化主要是在可靠性基本不变的前提下，达到简化流程、节约时间的目的，具体从以下两个方面入手：
（1）发射场只进行功能测试，提前性能测试。在发射场测试阶段，对于可重构综合电子系统与公用模块（单机）只进行必要的功能和指标测试，如单机产品特性测试、遥测参数与遥控指令检查等。对于传统卫星这些测试项目在出厂测试和发射场测试中都要进行，其主要原因是传统卫星研制采用定制的模式，产品及配套软件必须经过充分的测试才能保证其可靠性。而对于快速响应微小卫星，在建立了产品体系实现货架采购后，所有产品的研制和定型均遵循统一的标准，可以保证其应用的可靠性。
（2）优化整星测试，缩减重复项目。快速响应微小卫星的测试不再区分单机测试、分系统测试和整星测试。单机和分系统的测试项目涵盖在整星测试中，从而优化了重叠的测试项目，在保证测试覆盖性的前提下，简化了测试流程，有效缩短了测试时间。
微小卫星的电性能测试主要包括单元测试、系统级测试、整星综合测试以及环境试验过程中的测试等，测试时间一般为几个月。对于快速响应微小卫星而言，从应急任务提出到卫星发射入轨要在极短的时间内完成，发射场测试一般限制在几小时内完成，测试项目的优化显得尤为重要，因此，必须进行测试序列的优化设计。
3.2 流程优化方法建模
测试序列优化的内容是测试时间。如果每个测试模块对测试序列的需求是独立的，即对于一个测试序列而言，
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以上是以时间有效性为目标抽象得到的数学模型，卫星流程优化过程主要包括以下四个步骤：
（1）将卫星发射场测试划分为m个测试项目；确定每个测试项目Ai所对应的ki个测试序列ai1，ai2，…，aiki；
（2）确定每个测试序列aij所对应的测试时间tij以及该测试序列的时间有效性参数；
（3）根据发射时间距卫星出厂测试时间间隔确定各测试序列aij的状态量xij；
（4）得到需要执行的测试序列aij以及测试所需要的总时间T。
4 测试流程及项目优化
4.1 卫星项目优化过程
以载荷分系统的测试为例，说明测试流程优化方法的应用，载荷分系统的测试项目、时间、时间有效性参数见表1所示。
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实际测试过程中没有对工作量进行限制，即只要求在规定时间内，尽可能将重要的测试项目测试完毕。
从优化结果可以看出，如果发射时间距出厂测试时间为30天，需要测试第2、7项，总测试时间为110s；如果发射时间距出厂测试时间为50天，就需要测试第2、4、5、6、7项，总测试时间为340s，即根据测试要求进行测试项目的优化选择。
通过测试流程优化方法，将测试任务划分为m个测试模块，每个测试模块对应了多个测试序列，并确定了每个测试序列对应的测试时间，这样，就可以根据测试任务的优化目标来合理确定各测试序列的状态量取值，使时间有效性能够满足优化目标要求。
4.2 测试流程优化结果
快速响应微小卫星在发射前采用模块或整星贮存的方式在卫星厂房进行存放，接到发射任务后卫星在厂房进行快速集成、测试并整星运输至发射区，卫星在发射场减少了不必要的总装操作，节省了总装及相关测试、状态确认的时间。
快速响应微小卫星在研制过程中对其部组件、分系统进行了长时间的测试，测试项目覆盖功能及性能，提前暴露产品的质量问题，在模块或整星存储前已剔除失效产品。产品依据贮存时间有效性要求进行定期检测，以确保产品的功能和性能满足产品质量和可靠性要求。在发射场取消卫星产品性能测试，仅对卫星蓄电池进行充电，卫星加电，通过发送遥控指令和观察遥测参数判读产品状态是否正常。
卫星活动部件、有精度要求的单机以及太阳阵电池片等产品在飞机运输、铁路运输或火车运输经历的振动响应量级远小于地面试验时的振动量级，卫星在发射场可以不进行活动部件展开试验、太阳电池阵光照试验和单机精度测量。
4.3 测试项目优化结果
综合考虑测试时间及测试可靠性，以时间有效性为优化目标，利用单目标线性规划的方法对测试序列进行优化，结合卫星测试目的，可以得出优化后的测试项目：
1.为检验卫星电气设计的正确性、合理性、匹配性及接地系统的正确性。
电源分系统需进行：
（1）配电功能及瞬态测试，设备开关操作，测试组件加、断电的瞬态特性；
（2）外部供电功能测试。
2.为检验卫星电气性能和参数指标是否符合设计要求。
电源分系统需进行：
（1）蓄电池遥测；
（2）门限电压测试。
3.为检验数据通道传递的可靠性、准确性。
星载数据管理分系统需进行：
（1）设备通信测试；
（2）实时遥测功能测试；
（3）程序上注测试。
姿控分系统需进行：
（1）星图数据测试；
（2）姿态数据获取测试。
载荷分系统需进行：
（1）信号传输测试。
4.为检验指令通道传递的可靠性、准确性。
星载数据管理分系统需进行：
（1）指令收发测试（UHF通道、USB通道、CAN地测通道）；
（2）设备开关功能测试；
（3）直接指令测试；
（4）心跳信号测试。
卫星测控系统需进行：
（1）UHF收发机遥测、遥控功能测试；
（2）USB应答机遥测功能测试；
（3）USB应答机遥控功能测试。
姿控分系统需进行：
（1）单轴转速控制模式测试；
（2）单轴遥测测试；
（3）三轴飞轮/陀螺组合遥控测试；
（4）三轴飞轮/陀螺组合遥测测试；
（5）3分钟自动断电测试；
（6）电流方向切换测试。
载荷分系统需进行：
（1）S波段数传单元切换测试；
（2）参数获取测试。
5.为检验各组件在整星条件下能否完成规定的功能。
整星需进行：
（1）状态确认测试；
（2）摄像机测试；
（3）飞轮测试；
（4）三轴飞轮联合测试；
（5）星敏感器测试；
（6）姿态数据获取测试；
（7）磁力矩器测试；
（8）星务管理测试。
与原有的测试流程相比，考虑到整星还要进行相应测试，电源分系统减少了整星功耗测量，星载数据管理分系统减少了星务管理测试，载荷分系统减少了成像测试、对焦机构测试；考虑到整星运输到发射场所受的振动响应量级远小于地面试验时的振动量级，姿控分系统减少了陀螺噪声和长漂测试、轮廓图数据获取测试；考虑到去除不必要的性能测试，姿控分系统减少了星敏感器参数设置、参考图像设置测试，载荷分系统减少了摄像机参数设置测试、参数设置测试。新流程可靠性与原有流程一致，总时间为48min20s，缩减了12min30s（25.86%），取得了很好的效果。
5 结束语
针对发射场测试流程项目多、耗时长，以及卫星出厂测试与发射场测试重复性高等问题，笔者通过搜集资料、下厂学习，并依托某型号卫星鉴定星，开展微小卫星地面测试方法、测试流程裁剪优化及测试系统优化设计等技术研究，掌握了卫星单机和各分系统功能，针对目前较为普遍的光学遥感类快速响应微小卫星，探索了一种适用于作战应用的快速测试技术，编写了快速测试操作规程，实现了快速响应微小卫星的快速测试。未来将在快速地面测试设备、快速测试软件方面进行研究，结合部队实战化训练要求，制定出一套适应于战备训练的技术方案，用于指导日常战备训练，最终提高战斗力。
参考文献
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