潘顺良 赵吉明 吕晔 李鸿飞 应鹏 刁伟鹤 谢志勇 吴伟
(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)
1992年，中国载人航天工程列入国家计划，成为中国高科技领域的标志性工程之一。从立项到2021年实现空间站在轨，中国航天人经历了近30年艰苦卓绝的奋斗，循序渐进，突破了一个又一个关键技术，独立自主构建起具有中国特色、配套完善的载人航天工程体系[1]。综合测试是载人航天器研制生产过程的重要环节，载人航天器综合测试是指整船(器)级的电测试，即载人航天器完成总装后，在统一供电状态下，对载人航天器规定的电性能和功能做全面的检测，对各分系统之间电气接口的匹配性和电磁兼容性进行多项复杂的综合检查，以确保载人航天器在发射、入轨、组合体飞行及再入返回各阶段安全可靠工作和成功回收[2-3]。作为载人航天器研制过程中重要的验证环节之一，综合测试起着质量总检查的作用，通过综合测试可以尽早发现问题，改进产品设计或工艺，保证航天产品的质量，是确保航天飞行任务成功的重要保障。
综合测试技术与载人型号研制共同发展，载人航天综合测试技术支持了神舟系列飞船研制、天宫一号、天宫二号研制、货运系列飞船研制、空间站天和核心舱、空间站问天实验舱、巡天空间望远镜研制以及新一代载人飞船试验船等研制，支持了中国载人航天事业的一个又一个辉煌时刻，也在此过程中进一步发展创新。
载人飞船、货运飞船、空间实验室、空间站等载人航天器本身属于高复杂度系统，“载人航天、人命关天”的最高质量标准，对综合测试提出了以下更高要求：
(1)载人航天器需要航天员和飞船工程师参与测试：需要根据航天员需求方要求开展载人环境、生理信号、手动控制功能、应急救生测试、应急返回等载人专有测试；
(2)载人航天器协作分系统多、大系统接口匹配多：一般包括十四五个分系统，此外，还需要与测控通信系统、航天员系统、发射场系统、火箭系统、空间应用系统以及船器、船站之间开展大系统匹配等；
(3)载人航天器测试模式多：需要自主应对在轨各种故障，空间站型号需要开展3000多项地面验证试验，多达50艘飞行器对接组合模式；
(4)载人航天器测试周期、加电时间长：正样载人型号从进入总装、测试与试验(AIT)测试到进场发射往往需要1.5～2年时间，整船/器加电时间1500～3500 h；
(5)载人航天器测试数据流多、数据类型多、数据量大：包括应答机、中继S宽波束、中继S窄波束、中继SMA、中继Ka、空空通信等传输链路，包含上行指令、上下行话音、上下行图像、下行遥测参数等多种数据类型，空间站单舱下行数据速率达1.2 Gbit/s；
(6)载人航天器测试要求高：空间站稳定运行15年以上，同时涉及到航天员高可靠性要求，载人型号需要逐帧判读，不放过任何一帧跳变。
载人航天30年间，高密度发射成为载人三期常态，从载人一期的几年发射一艘飞船，到现在空间站阶段2年11次载人发射任务，载人重大工程呈现批产特点。以上因素对载人航天器综合测试的设计和实施带来了极大的难度。
从神舟一号开始，综合测试设计人员开始按照模块化结构开发自主设计自动化测试系统，实现了所有代码的国产化自主可控，改变了传统分散操作模式的测试体制，逐步形成了以总控(OCOE)和分系统专用测试设备(SCOE)组成的两级分布式测试体系结构，逐步把分系统测试设备链成一体，实现了我国第一套真正意义上的自动化测试系统，开创了我国航天器测试专业新的里程碑[4]。这也成为了后续载人航天器综合测试系统的蓝本，后续所有载人型号的综合测试系统都是OCOE-SCOE两级分布式测试系统，并在此基础上增加交会对接、多航天器联合测试、远程测试等新发展、新技术。图1为空间站天和核心舱测试系统架构图。
图1 空间站综合测试系统组成图Fig.1 Composition chart of spacecraft integrated test system
以空间站天和核心舱测试系统为例，综合测试系统为局域网络化两级管理分布式系统，采用模块化设计，采用通用设备加少量专用设备组成系统，具备自动化测试能力，具备扩展性，支持远程测试和自动化测试、联合测试。
(1)整器使用太阳方阵模拟器或稳压供电方式供电。
(2)使用无线、有线两种测控方式构成上下行信息闭环回路：通过遥测前端等链路测试设备，完成遥测数据下行；
通过上行控制前端设备实现遥控指令上行和数据注入功能；
通过1553B总线监视设备完成器上1553B总线数据的监视、存储配合测试判读。
(3)利用动态地球模拟器、电子星模拟器、红外太阳模拟器等设备产生敏感器的激励信号，模拟机电设备的响应特性和数据流，为器上设备创造测试环境，达到仿真、闭环的要求。
(4)由总控系统统一处理解析天和核心舱任务下行数据，地面综合测试有线数据，地面测试的总线、网线监视数据；
统一对数据进行存储，支持查询；
由总控系统统一发令控制和调度，通过遥控通道、有线通道、其它的地面前端设备完成整器的指令发送工作；
由飞船工程师进行手动操作完成手控令发送。
(5)使用数管对接数据模拟器、空空通信模拟器、并网负载模拟器、机械臂小臂模拟器和舱段模拟器等系统级测试支持设备完成对接飞行器的接口信号模拟，配合天和核心舱开展组合体功能的单舱测试。
(6)使用C3I 接口设备、USB和中继对接支持设备配合完成测控通信和发射场的大系统接口测试。主要包括航天员系统、空间应用系统、载人飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统和货船系统。
(7)通过系统功能模拟各飞行模块的独立动态测试，压缩重复性模块测试时间占用，完成对飞行程序模块的覆盖性检查。根据飞行任务安排、飞行方案设计和飞行模块设计，执行任务模飞测试，覆盖典型的飞行任务。
(8)联合测试模式：空间站三舱、载人飞船、货运飞船以软连接方式在地面实现接口互联，开展五舱联合测试。联合测试模式下各航天器采用配备独立的地面测试系统，以天和核心舱地面测试系统作为控制核心协同其它地面测试系统完成组合航天器的联合工作。
从神舟一号到神舟七号，传统综合测试模式是总体负责整船(器)技术状态控制，综合测试负责测试组织实施和地面设备研制管理，分系统负责相关测试岗位的数据判读，形成了以总体为中心，三者相互依存的组织模式。
随着载人二期任务全面开展，传统的测试模式带来总体和分系统测试人员占用较多，测试实施管理链条较长不能快速处理故障等问题。综合测试设计人员与项目办一起对测试模式进行适应性调整，由综合测试全面负责测试状态控制、测试设计、测试实施与测试评估。为实现测试设计工作前移，测试设计与测试实施分离，测试前后方协同，机器判读逐步替代人工判读，提高测试效率与质量，缩减测试人员，各载人型号全面实行自动化测试与远程测试模式。
3.1 自动化测试模式
以空间站天和核心舱测试系统为例，各载人型号全面实施自动化测试。自动化测试贯穿综合测试设计、准备、实施、评估全流程(图2)。依托载人自动化测试软件、自动判读软件，实现测试软件集中管理、测试精细化设计、测试程序自动转化、测试数据自动判读、测试结果自动评估功能，实现测试准备、执行、评估全周期一体化和自动化；
测试过程实现自动化主导全流程，提高测试效率；
机器判读包络全部类型数据，真正实现测试现场“去专家化”，保证高可靠性的前提下实现高效率，以及测试人员的缩减[5-7]。
图2 载人航天器自动化测试模式Fig.2 Manned spacecraft automatic test mode
3.2 远程测试模式
远程测试支持系统用于满足异地总装测试需求，实现测试指挥和测试判读人员在北京，如图3所示，被测航天器及测试操作人员在天津或者发射场的异地整器级和大系统级综合测试[8-9]。
图3 载人航天器远程测试模式Fig.3 Manned spacecraft remote test mode
远程测试系统，包括前方和后方两部分，前方为总装及前端管理与操作测试现场，后方为指挥和判读中心，两者通过光纤链路连为一体，均具备完整的测试能力，各自独立又互为犄角。前方主要负责管理前置供电、通信链路建立和模拟器维护，开展测试状态设置工作，辅助进行故障定位分析和应急处置。主要测试队伍置于后方，所有人员(前方、后方)按照后方指挥统一安排，开展测试计划、控制测试状态设置、测试的实施和控制、数据监视判读、测试数据查询、测试总结、故障定位分析。
4.1 神舟一号到神舟七号阶段测试经验与成果
从发射神舟一号无人飞船至发射神舟七号飞船并获得成功，综合测试经历了4艘无人飞船和3艘有人飞船的研制测试、发射全过程，圆满地完成了各艘飞船的综合测试任务。该阶段综合测试技术设计和实施验证了神舟飞船综合测试方案设计的正确性和测试的有效性、准确性，通过测试，成功地实现了对神舟飞船的全面检查和综合验证。该阶段神舟飞船综合测试水平和能力，代表了国内当时的综合测试的水平，也为后续不断地探索和研究综合测试技术，达到提高测试效率，缩短测试周期，减少人员投入的目标提供了指导意见。
(1)分布式系统，集中管理控制。整船地面综合测试系统是一个分级、分布式的体系结构，以总控设备为数据管理和控制中心，通过局域网与各分系统专用测试设备进行信息交换。测试过程集中管理、统一指挥调度，船上所有上行控制命令和供电控制均由总控设备统一发出。
(2)远距离测试，减少设备移动。北京地区测试、发射场测试采用光缆传输数据和无线转发技术，适应多工位测试，实现远距离测试。主要测试设备固定不动，少数前端设备随飞船移动。
(3)自动化应用，提高测试质量。飞船测试中采用自动化测试序列，减少测试操作，提高测试质量、效率；
在分系统测试人员数据监视的同时，对测试数据进行自动监视判读。
(4)模拟真实环境，增加管理难度。飞船测试有飞船工程师或航天员直接参与综合测试过程，形成自动控制与航天员手动控制的联合测试模式，增加了测试指挥组织管理的水平和难度。配置GPS动态模拟源、火箭故检系统模拟源、船上仪表摄像设备，满足了仪表与照明分系统测试和航天员进舱联合测试的各种测试要求，取得好的效果。
4.2 交会对接任务阶段测试经验与成果
神舟八号无人对接、神舟九号有人对接，神舟十号、神舟十一号以及天宫一号、天宫二号、天舟一号交会对接任务测试期间，综合测试技术获得较大发展。
(1)OCOE-SCOE结构的分布式测试系统更加完善：在完成型号测试任务的基础上，形成了一套适用于载人航天器全生命周期测试的新一代的航天器综合测试系统。通过控制台发送各类指令和注入文件，通过服务器和数据库存储并处理所有测试相关数据信息，提供数据查询显示及分析功能，实现测试现场指挥调度，完成单航天器及组合体大系统电性能测试。
(2)开展了数字化测试模式应用：基于自动判读、自动化测试等数字化平台，实施数字化模式测试，开展综合测试专业化设计与实施，完成第三方的测试评估。基于数字化测试实施岗位重组，实现测试实施与测试设计分离转型。测试过程管理贯穿数字化测试全过程。数字化测试模式应用于神舟十一号、天宫二号等型号，测试实施周期缩减30%，人员由每型号9岗18人缩减到9岗11人，精减39%。
(3)实现了测试数据的监视判读：实现了测试参数和指令的自动监视判读，建立了航天器测试基础信息库，管理整器测试过程中用到的遥测数据、SCOE数据、遥控指令以及设置命令信息；
应用了航天器自动判读软件及判读知识库，可实时对测试过程中的参数进行判读，并储存判读知识；
实现了对遥控指令的发送进行管理和控制，并通过前端设备发送遥控指令，对航天器的状态进行设置。经过此阶段7个型号判读验证，判读效率较人工判读提高54%。
(4)部分设备采用了通用化的设计思路：供配电设备根据航天器的常规供、充电需求，设计了通用的供电通道，可根据航天器的供、充电通道数量组合使用；
射频链路处理设备采用了通用架构设计，按照功能内聚为射频前端、变频器、中频处理设备和数据处理前端四个部分，可满足航天器所有的射频链路测试需求。形成了包括供配电、测控、数管、控制推进、仪表、空间技术试验等6个测试专业的载人航天器地面电气支持设备(EGSE)产品型谱。
(5)开展单航天器远程监测模式的远程测试应用：成功开展了神舟九号、神舟十号、神舟十一号、天宫一号、天宫二号酒泉基地-北京的远程测试任务：建立了远程测试组织模式，前方测试队伍依据发射场工作计划实施测试工作，后方组织测试队伍依据综合测试常规管理规定实施判读工作；
建立了远程数据测试系统，支持后方22个关键单机岗位开展发射场远程监视判读。
(6)国内首次实现了两航天器间同步一体化联合电测中的系统级实时动态联动，覆盖了两航天器的静态接口匹配性和动态时序的协调性的各项测试，在交会对接任务的电测工作中达到了预期验证效果，为多航天器联合飞行的电测任务方案奠定了基础。
(7)国内首次成功利用两航天器动力学模型对测试系统及交会对接各模拟器(姿轨控模拟器、空空通信模拟器、相对定位仿真模拟源等)实现了动态的实时同步驱动控制，有效完成两航天器交会对接的地面联合电测，达到了预期的应用效果，为未来多航天器间协同交互的电测设计和实施提供了宝贵经验。
4.3 空间站任务阶段测试经验与成果
载人航天综合测试技术在空间站阶段自动化测试、自动判读、远程测试能力获得巨大进步。基于载人航天器自动化测试、自动判读平台，实施了载人航天器自动化测试模式，基于自动化测试实施岗位重组，实现测试实施与测试设计分离转型，从十年前单个型号综合测试人员18人精简至5～7人。实施自动化测试和远程测试经验荣获2018年“全国质量标杆”殊荣。
(1)适用于载人型号全生命周期测试的新一代航天器综合测试系统自动化水平更高、系统更柔性更完善，涵盖了供配电、测控与通信、数管等多个领域的专业测试设备；
建立了地面设备型谱，实现了测试设备通用化、国产化、型谱化；
经过对测试设备技术的持续改进和创新，形成了以“射频-数据”一体化处理平台为代表的新一代一体化测试产品，推动了测试模式的转型、测试设备技术的跨越。
(2)自动化测试工具更显效能，实现了载人型号测试准备、测试实施、测试评估全流程自动化，实现测试过程中测试项目设计、指令操作、状态监控、过程记录、数据判读、结果分析、报告生成等人工操作“一键式”自动化，提高测试自动化水平，提升型号测试效率，降低人力成本，有效应对多型号测试任务，测试效率综合提升约30%，实现型号正样测试周期由载人二期11个月缩短至6个月。满足了载人飞船、货运飞船面向未来批量化任务对高效率、高可靠性的需求。
(3)运用有限状态机模型构建了载人航天器自动判读系统，建立了一整套适用于载人航天器测试的标准化判读语法体系。针对载人航天对测试过程数据判读的高标准要求，设计了支持复杂逻辑的判据设计模型，判据经过了测试前的精细化验证，在型号测试过程中迭代升级，形成了完整的载人型号的自动判读知识库。单型号自动判读判据约6000～30 000条，自动判读覆盖率达90%。解决了载人航天器数据量大、类型多、数据复杂造成的判读难题，有效减少人员主观判读风险，能快速定位参数单次跳变等人员判读不易发现的问题，提升测试效率和准确性，减少测试人员消耗。
(4)针对载人型号所特有的音频数据，采用音频可视化技术和互相关解析技术首次解决了多路音频连续性自动判读的难题，改变了音频测试采用“耳听”的传统模式，将音频判读有效覆盖率由8.3%提升至100%。针对有人参与的仪表测试，通过人工智能技术，构建了用于“人-器-地”的交互信息智能处理和判读的闭环测试系统，将识别结果转换为机器数据流与测试系统进行交互，实现仪表数据判读的自动化；
针对视频连续性判读和船地间延时精确判读的难题，采用图像识别技术，引入视频序列度量描述机制，建立视频闭环测试系统，替代了“目视”的传统方法，精度可达100 ms，有效完成了连续性和时延精确判读；
全面实现遥测参数、音视频、仪表显示页面由人工判读到机器自动判读质的飞跃。
(5)以北京为中心、四地五方为一体的远程判读模式，在载人飞船、货运飞船、空间站等任务中进行了全面实施应用。在空间站天津测试过程中首次实现了以北京为中心的远程指控测试模式，空间站天津现场37人减至12人。神舟十四号发射场巡检任务首次全面使用远程测试模式开展，测控、数管、总体电路、仪表、热控、应急救生、结构机构、乘员、环控等9个分系统的型号人员均在北京参与测试，测试数据、舱内图像、总装现场图像，北京同步更新显示并归档，实现了舱内飞船工程师与北京仪表岗位无缝交流确认的测试模式，发射场测试人员进一步减少至12人(神舟十三号远程测试模式20人、神舟十二号测试30人)。从空间站核心舱发射场测试任务开始，飞控试验队员在北京远程参与发射场待发段测试，发射场试验人员在发射场远程参与飞控上升段及入轨初期关键动作远程飞控支持，双方异地协同，共同保障发射及飞控任务圆满完成。
(6)尝试将基于模型的系统工程(MBSE)方法论引入测试用例设计，开展了飞行程序到模飞用例生成一体化研究与设计，打通飞行程序与模飞测试的接口，以空间站模飞测试为试点，按照飞行阶段分别生成测试用例，对段时间、指令链、数管注入文件、特殊指令、指令判据通过模型进行统一处理，生成内容标准的测试用例，保证飞行程序到测试用例设计的一致性、正确性和设计效率。
(7)按照“像飞行一样测试”的理念和原则，在模飞过程中增加了时序的机器自动判读。开展了机器自动时序判读，以飞行时序为判读对象，判读激励是否按照既定的时序关系正常发出，状态是否按照既定的时序安排转换，实现对固化或注入程序的执行情况进行判读，从多个维度完成模飞过程自动数据判读，解决了载人航天器模飞模式多、模飞测试参与分系统多、判读工作复杂度高、模飞测试长的问题，实现了模飞阶段机器为判读一岗的自动化测试模式，大幅度提升了自动化测试的测试覆盖率及测试质量。
(8)完成了空间站天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱、载人飞船、货运飞船在内的世界地面规模最大的五舱联试工作。设计了一体化的航天器上行、下行、飞行器间信息交互的测试系统，统一了数据时统，统一控制了各飞行器的电源、对接总线、相对定位、推进补加、对接模拟器，建立了实时同步驱动的飞行器激励及反馈测试系统，实现了飞行器间动态的测试闭环，支撑了交会对接、组合体运行等关键飞行任务在地面的有效验证。
载人航天工程实施30周年，载人航天器自动化测试技术、自动判读技术等综合测试技术与型号成功共发展，综合测试技术的自动化、信息化、网络化以及初步的智能化水平在载人航天30年中大幅提高，圆满完成了载人一期、二期、三期任务过程中面临的并行测试、异地协同、多器联合测试、应急救援快速发射等难题。
后续载人重大型号任务多型号并行测试成为常态，测试人员多、周期长、强度大，后续载人登月等任务具有更高复杂性、更高可靠性安全性的要求，将给载人综合测试技术带来新的挑战。后续载人航天器综合测试技术在现有自动化测试、远程测试基础上，逐步向智能化测试技术发展：开展基于人工智能的航天器天地一体化智慧协同测试技术研究，开展基于数字孪生的航天器智能自主测试研究，开展测试任务自主规划、基于机器学习的智能健康监测和故障处置、器地故障的智能健康监测和快速处置等技术研究，全面提升载人航天器综合测试效能。
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