攻克卫星航空电子系统功能测试的业务和技术挑战
概览
对“新太空”成长型公司的加速投资给市场带来巨大压力，他们需要快速展示飞行能力，以证明商业模式的可行性。与此同时，传统太空市场正在应对日益增长的国防和科学任务发射需求。这两种发展变化导致卫星数量呈指数级增长，并加快了这些卫星的上市速度。为应对这一新挑战，构建和集成卫星的工程团队必须改进测试方法。
NI航空电子系统测试解决方案提供了一种可扩展的方法，用于应对这些新挑战。PXI平台的模块化硬件以及NI提供的各种高性能仪器可满足航空电子系统测试的不同需求，涵盖从组件验证到生产测试，乃至整个卫星的组装和集成。NI软件套件的互操作性支持跨多个项目重用IP，同时自动化功能有助于满足严格的进度要求。最后，NI方法的数据聚合和分析有助于优化项目中的测试操作，并加快新一代设计的上市速度。
内容
卫星航空电子系统测试简介
在技术进步以及政府、私营企业和其他组织投资激增的推动下，航天工业正在经历快速转型。世界各国正在大力投资太空相关项目，希望前往月球、火星以及更遥远的宇宙空间，私营企业也在可重用火箭方面做出了重大贡献，并显著改善了太空利用条件。最终，用于地球观测、全球通信、科研和国防等应用的卫星星座数量空前增长，太空角逐愈演愈烈。
对于卫星开发企业而言，卫星技术的发展是开辟商业机会、创新和技术进步的关键驱动力。然而，这种行业转型也代表着公司和工程团队必须克服的业务和技术挑战日益增加。卫星的核心是各种传感器、用于飞行控制的航空电子子系统、电力电子设备、通信系统和独特的任务有效载荷。本文将讨论在整个开发生命周期中测试卫星航空电子系统的关键步骤，从而解决技术和业务挑战，并最终确保任务成功。
图1： 卫星由各种传感器、航空电子子系统、电力电子设备、通信系统和独特的任务有效载荷组成。
卫星航空电子系统测试的挑战
卫星航空电子系统是负责卫星飞行并最终指挥和控制众多其他卫星系统的组件或系统。测试航空电子系统是开发和成功发射卫星的关键步骤。市场竞争日益激烈，政府计划更加严格，这给卫星制造商带来了巨大的成本和时间压力。与政府项目的历史预期相比，现代项目面临的挑战是降低成本，并更快地在整个供应链中交付航空电子组件、卫星总线、有效载荷子系统和完全集成的卫星。对于“新太空”企业而言，产品上市时间压力巨大、资金有限，且市场竞争者与日俱增。这种紧迫的时间压力导致测试组织的负担不断增加；由于出现开发延迟，测试团队需要缩短时间线，以便按照计划日期交付。
图2： 理想的项目时间安排与实际情况的比较；由于开发过程中出现延迟，测试组织面临着额外的时间压力。
在技术方面，确保可靠性和测试精度是一项重大挑战，特别是同时还要实时了解卫星航空电子系统和有效载荷技术的最新进展。鉴于低轨道地球卫星(LEO)市场转型和星座规模扩大，工程和制造组织也面临着在资源有限的情况下将产量扩大一个或多个数量级的挑战。为了应对这些挑战，参与卫星航空电子测试的组织必须在整个产品生命周期中更紧密高效地合作、投资自动化技术并改进组织流程以实现其业务目标。
NI卫星航空电子系统测试方法
NI卫星航空电子测试方法旨在通过使用集成的硬件和软件工具、测试自动化并使客户能够将数据作为其测试策略的关键部分，优化组织效率并提高卫星的质量和可靠性。使用该方法时，必须在整个产品生命周期中使用数据采集、信号调理、控制系统和自动化测试软件。NI方法旨在帮助工程师实现组件生产测试的自动化、加速组装、集成和测试(AIT)，并在早期开发过程中转移测试活动。通过将数据管理和分析纳入卫星组件和子系统的测试，更轻松地在开发周期的早期阶段识别和解决问题，同时更具成本效益。NI提供了一个全面的解决方案，可简化测试流程、保证质量和可靠性，并最终为卫星制造商节省时间和成本。
图3： NI卫星测试方法旨在通过利用集成的硬件和软件工具、测试自动化并使客户能够整合可测试设计(DFT)策略，优化组织效率并提高卫星的质量和可靠性。
使用软件定义的仪器可以在整个验证和生产测试生命周期中重复使用相同的设备和测量IP，降低整体测试设备成本。软件定义的仪器支持单个设备执行多种功能或对整个组织的硬件进行标准化，为测试提供了灵活性。此外，软件定义的仪器还可以简化测试自动化，从而最大限度地减少手动测量并支持产量不断增加。通过对有限数量的测试资产进行标准化和重用，可以将更多的注意力集中在自动化和增强测量能力、扩大测试覆盖范围，并保持灵活性和低成本。
高性能参数测试仪器选择
卫星航空电子系统几乎与卫星的所有其他部分相连接，包括机械系统和执行器；制导、导航和控制(GN&C)；以及电力系统。其中包含控制信号、传感器信号、导航和通信信号以及电源接口。航空电子系统有不同的信号I/O种类，要求测试解决方案具有各式各样的仪器和功能。NI PXI平台提供了行业领先的数据采集、控制和电子仪器供选择，可满足现代卫星航空电子系统的所有技术要求。PXI平台还提供一种可扩展的方法，支持随着通道数的增加而添加更多信号，或者随着系统中集成其他组件而增加新的信号类型。PXI定时和同步可确保卫星航空电子系统的测试能力能够满足更加严苛的性能和扩展技术要求。
满足广泛需求范围的高密度仪器
传统上，开关通常用于实现跨大型测试点集的测量，但这可通过高通道密度的仪器来简化。例如，并非所有的电压测量都需要DMM精度，而高密度数据采集(DAQ)模块可消除测试系统内部对开关的需要。仪器通常具有内部开关或高输入阻抗，因此无需额外配置开关即可断开仪器与DUT的连接。高密度I/O还支持进行更全面的验证测试，从而在项目早期识别问题，缩短项目时间表并降低风险。鉴于卫星航空电子系统涉及的信号密度和信号种类繁多，因此在保持有效测试的同时，最大限度地扩大测试覆盖范围可能颇具挑战性，但PXI提供的密度支持用户在最大程度上降低对测试时间的影响，同时尽可能扩大测试覆盖范围，从而降低项目风险。使用低成本、高密度通道监控非关键通道是否存在非预期瞬态，可以实现更全面的覆盖，而无需对所有引脚进行相同级别的审查和测试。
根据所测试的DUT，通用I/O可能不足以执行一些必需的测量。为了测量这些引脚/通道，需要接通专用设备或使用外部信号调理。理想的情况是能够同时测量所有引脚/通道，这也是通常实施信号调理的原因，但这样做往往会导致可持续性问题和维护工作增加。PXI平台提供内置通用信号调理的模块，可简化测试系统的设计和维护。除了PXI模块外，还可利用配套的开关负载和信号调理(SLSC)机箱来满足特定应用的信号调理需求。
启用高混合测试和规模
NI的卫星航空电子系统功能测试解决方案提供了全面的混合信号硬件组合、测量抽象软件、完全可定制的序列生成引擎和自动化框架、基于机架的测试系统基础架构，以及可容纳更多特定应用硬件的空间。该基础架构支持基于PXI的测试系统，以简化高度集成的测试系统的设计、采购、组装和部署，从而大大缩短测试开发时间。
此外，大规模互联支持跨多个产品和产品系列使用测试资产，而无需更改测试资产本身。对接口测试适配器(ITA)进行更改支持在重用测试资产的同时，对昂贵的测试线束进行最少的更改或不进行更改。在PXI中使用模块化I/O可支持系统根据卫星航空电子系统所需的通道数进行扩展。这意味着为一个组件设计的同一系统可以进行扩展，从而满足未来项目的需求，而无需购买新系统。可以在航空电子系统组件设计、验证、生产和AIT的整个项目生命周期中维护这些系统，并且可以通过更改软件来重用硬件，以满足不同的测试需求。
整合数字化航空电子系统协议
除了对卫星航空电子系统进行功能测试所需的各种仪器外，测试系统通常还需要不同的数字航空电子系统协议，包括但不限于以太网、Serial RapidIO®和SpaceWire。由于缺少可用于满足特定规范要求的商用现成(COTS)设备，将这些接口集成到测试系统中通常会给项目进度和可维护性带来重大风险。NI提供了一种方法，通过将COTS解决方案与定制设计的优点相结合，帮助满足您的技术需求，而不影响技术要求所需的可定制性。我们的工具结合了用户可编程的FPGA，可充分发挥自定义优势，从而满足您的应用要求。与传统方法不同，NI提供更高且现成即用的开发起点，减少了创建解决方案所需的工程量。
高级自动化和交互式设计工具
NI的PXI平台通过从全自动特性分析到组装和集成验证测试，促进了启动、调试和快速培训。使用InstrumentStudio和NI MeasurementLink等工具，设计人员和技术人员无需编程即可使用熟悉的仪器，对设计进行交互式故障排除。底层软件框架支持将设计工作用于自动化测试序列，方法是导出先前在设计阶段优化的测量参数，以便在日后使用TestStand等工具进行自动化测试时重用。
实现整个生命周期的互操作性
当今企业面临的一个主要挑战是供应商之间在软件框架、编程语言和测试自动化工具的使用方面缺乏标准化。这个问题在卫星的组装、集成和测试(AIT)过程中变得尤为明显，因为这些复杂的测试均使用来自多个组件供应商的ATE执行。为克服这一挑战，NI采用了先进的工具和方法来实现数据共享和流程控制，以满足客户对互操作性和远程能力日新月异的需求。NI的Remote-Ability工具利用开源、高性能远程过程调用(RPC)框架gRPC，为企业的测试资产提供了一个简单的软件接口，从而提高了跨编程语言和环境的兼容性。通过使用gRPC，企业可以在供应商和测试资产之间实施标准的互操作层，从而支持供应商在其现有工作流程中工作，并使用其首选的语言和工具。
借助产品数据洞察信息，更快交付产品
紧迫的时间安排、日益激烈的市场竞争、卫星和有效载荷复杂性不断增加以及资本和运营成本等市场压力，均不利于卫星公司高效运营并获得整体成功。利用以产品为中心的数据策略（其中涉及连接、分析和自动化），可帮助这些企业最大限度地提高产品和流程数据的商业价值。以产品为中心的数据策略结合了来自流程和设备的传统数据源，但也添加了其他数据源，如规范、设计演变、集成，尤其是测试。由于通过产品数据可以跟踪结果，数据仍然是以产品为中心的策略的核心。
随着对更高运营效率的需求不断增加，测试运营部门需要通过提供经改进的数据生成能力，将工作成果转化为更高的业务价值。SystemLink™软件可以连接实验室和生产测试资产，实现了对系统及其结果数据的集中管理。测试数据可用于在整个构建和集成过程中监控卫星组件和系统的性能，这有助于识别需要改进的问题或领域。通过尽早发现这些问题，卫星公司可避免设计变更，以免产生代价高昂的进度延迟。NI SystemLink软件生态系统使公司能够采用先进的数据管理策略，通过软件互联的现代方法来分析设计和测试数据，并重点满足工程师的需求。SystemLink将NI丰富的软件专业知识与新型云和机器学习技术相结合，可帮助工程师快速创建新产品并实现创新。
结论
卫星航空电子产品日益复杂，迫使工程团队交付更复杂的测试系统，同时满足日益压缩的预期时间安排。这种压力来自于制造业市场日渐加剧的竞争，各方均力求以更低廉的成本提高运营效率，因为只有这样，企业才能摆脱被动迎战的尴尬局面，从而独占市场鳌头。为了应对这些压力，优秀的工程团队纷纷使用可复用的COTS组件框架来实现测试方法标准化。这种方法不仅有助于加快开发速度，还能确保在未来按需扩展。
40多年来，NI在测试领域一直遥遥领先。NI的平台测试方法汇集众多优势于一身，结合高性能仪器、测试开发、测试序列和多种管理软件工具，可确保符合各项规格要求，紧跟上市步伐，同时不超预算。NI将支持您实现流程、系统、软件和数据基础架构的标准化，为分析等数字化技术奠定坚实的基础，从而充分利用数据来提高产品性能和运营表现。