解決衛星航空電子設備功能測試在業務與技術方面的挑戰
綜覽
企業加速投資「新太空」成長型公司，對市場造成莫大的壓力，市場必須迅速展現飛行能力，證明這種商業模式可行與否。同時，傳統的太空市場也要因應與日俱增的國防與科學任務發射能力需求。以上兩項因素導致衛星數量暴增，更縮短衛星上市時間。為因應這個新的挑戰，負責製造與整合衛星的工程團隊必須改進測試方法。
NI 航空電子設備解決方案提供能夠靈活調度的方式，有助於因應這些新的挑戰。PXI 平台的模組化硬體搭配 NI 高效能儀器能充分因應不同的航空電子設備測試需求，從元件驗證、生產測試到完整衛星的組裝與整合，全都一體適用。NI 軟體套件能發揮互通性，支援在不同的專案中重複使用 IP，而自動化功能則能因應進度方面的嚴苛需求。最後，NI 方法的資料彙總與分析支援專案測試作業發揮最大效能，並且能加快新一代設計的上市速度。
內容
衛星航空電子設備測試簡介
科技進步，加上政府、私人公司及其他組織帶動投資熱潮，太空產業正經歷一波迅速的轉型。世界各國都在大量投資與太空相關的登月、火星等計畫，而私人公司在能重複使用的火箭方面貢獻卓著，更大幅改善了進入太空的條件。歸根究柢，數量空前的衛星星座將帶動現代太空競賽，而這些衛星星座的用途包括地球觀察、全球通訊、科學研究以及國防。
對衛星開發公司來說，衛星技術的發展是創造商機、創新與技術進步的關鍵。但是，這樣的產業轉型也代表著公司和工程團隊在業務和技術方面都必須克服更多挑戰。衛星的核心是各種感測器、飛行控制用航空電子設備子系統、電力電子、通訊系統，以及一項特定的任務酬載。本文將探討整個開發生命週期中最重要的衛星航空電子設備系統測試步驟，力求解決技術與業務方面的挑戰，最終目標則是確保任務順利成功。
圖 1： 衛星由各種感測器、航空電子設備子系統、電力電子、通訊系統，以及一項特定的任務酬載構成。
衛星航空電子設備測試挑戰
衛星航空電子設備是指負責衛星飛行，且最終命令及控制許多其他衛星系統的元件或系統。衛星任務要成功，航空電子設備測試是衛星開發與發射過程中相當重要的步驟。市場競爭者越來越多，政府計畫越來越嚴謹，致使衛星製造商必須承受龐大的成本與時間壓力。相較於以往對政府計畫的預期，現代計畫面臨的挑戰是要降低成本，還要在更短的時間內讓整個供應鏈順利拿到航空電子設備元件、衛星匯流排、酬載子系統，以及完全整合的衛星。對新的太空公司而言，資金有限加上投入市場的競爭對手越來越多，上市時間可謂壓力無所不在。沉重的時間壓力讓測試組織必須承受越來越大的負擔；一旦開發進度落後，測試團隊就必須縮短時程，盡可能按照重要的時間表如期交貨。
圖 2： 理想專案時間表與實際專案時間表比較 - 說明開發階段會發生進度落後的情形，導致測試組織必須承受更多的時間壓力。
在技術方面，確保穩定性與測試準確度是一大挑戰，在必須隨時掌握衛星航空電子設備與酬載技術最新發展的情況下，挑戰尤其艱鉅。有鑑於市場開始轉向低軌道 (LEO) 衛星與更大規模的星座，工程與製造組織也必須在資源有限的情況下將產量提高 1 倍甚至更多倍，自然困難重重。為因應這些挑戰，與衛星航空電子設備測試相關的組織必須在產品生命週期中做得更密切、更有效率，要投資自動化技術，還要改善組織流程，以利達到業務目標。
NI 的衛星航空電子設備測試方法
NI 的衛星航空電子設備測試方法旨在發揮最大的組織效率，並且改善衛星的品質和可靠程度，而做法就是運用軟硬體整合工具、測試自動化，以及支援客戶將資料當成測試策略中不可或缺的一環。而在整個產品生命週期中使用資料擷取、訊號處理、控制系統，以及自動化測試軟體，同樣是這種方法的重要關鍵。NI 方法的目標，就是要協助工程師自動處理元件生產測試、加速組裝、整合與測試 (AIT) 作業，並在開發過程的早期改變測試活動。若將資料管理與分析功能併入衛星元件與子系統測試作業，則更容易在開發週期及早發現並解決問題，也更能提高成本效益。NI 提供的解決方案十分完整，能簡化測試流程、確保品質與穩定性，最終能協助衛星製造商節省時間與成本。
圖 3： NI 的衛星航空電子設備測試方法旨在發揮最大的組織效率，並且改善衛星的品質和可靠程度，而做法就是運用軟硬體整合工具、測試自動化，以及支援客戶整合一套測試設計 (DFT) 策略。
使用軟體定義的儀器可以在驗證與生產測試週期中重複使用相同的設備與量測 IP，進而降低測試設備的整體成本。軟體定義的儀器能透過單一設備執行多項功能，或是將組織內的硬體標準化，讓測試作業靈活有彈性。此外，軟體定義的儀器輕而易舉就能將測試作業自動化，盡量減少手動量測作業，而且支援不斷增加的產量。只要將數量有限的測試資產標準化再使用，就能將更多心力放在量測功能的自動化與強化、擴大測試範圍，還能在保持彈性的同時降低成本。
選擇高效能參數測試儀器
衛星航空電子設備系統與衛星的其他部分幾乎都能互通，包含機械系統與致動器；制導、導航與控制 (GN&C)；以及電力系統。這些介面包括控制訊號、感測器訊號、導航與通訊訊號，以及電源。航空電子設備系統提供多種不同的訊號 I/O，因此，測試解決方案必須採用多樣化的儀器與功能。NI 提供業界頂尖的 PXI 平台，提供各式各樣的資料擷取、控制與電子儀器，能因應現代衛星航空電子設備系統在技術方面的所有需求。PXI 平台也支援一種能靈活調度的方法，可以隨著通道數增加而新增更多訊號，或是隨著系統整合更多元件而擴充新的訊號類型。PXI 時序與同步化功能可以確保衛星航空電子設備測試功能符合效能與規模等最嚴苛的技術需求。
高密度儀器能因應多種需求
過去通常運用切換功能量測大量測試點，不過，高通道密度的儀控設備可以將這個做法化繁為簡。舉例來說，並非所有電壓量測作業一律要求 DMM 準確度，而且高密度資料擷取 (DAQ) 模組根本不需要在測試系統內進行切換。儀器通常有內部切換器或高輸入阻抗，因此不必利用外加切換器中斷儀器與 DUT 的連接。高密度 I/O 亦支援進行更徹底的驗證測試，能在計畫過程中及早發現出問題，進而縮短專案時間並降低風險。由於衛星航空電子設備系統牽涉到的訊號綿密且種類繁多，因此，要在有效進行測試的同時盡量擴大測試範圍未必容易，但 PXI 的高密度特性可讓您在不影響測試時間的前提下盡量擴大測試範圍，連帶能夠降低計畫風險。透過低價位、高密度的通道能夠監控非關鍵通道的意外暫態，能加強覆蓋範圍，不需以相同的檢查程度與測試時間處理針腳。
視受測的 DUT 而定，通用型 I/O 可能無法執行某些必要的量測作業。若要量測這些針腳/通道，必須切換成專業設備或使用外部訊號處理功能。理想的做法是同時量測所有的針腳/通道，通常之所以會採用訊號處理，這也是其中一個原因，但若這麼做，後續往往會導致永續性問題，而且必須保養維護。PXI 平台提供的模組內建常見的訊號處理功能，可以簡化測試系統的設計與維護作業。除了 PXI 模組之外，也可以搭配切換器負載與訊號處理 (SLSC) 機箱，用於因應特定用途的訊號處理需求。
支援高度混合測試與擴充
NI 的衛星航空電子設備功能測試解決方案提供完整的混合訊號硬體產品組合、量測抽象軟體、完全客製化的序列引擎與自動作業架構、機架式測試系統基礎架構，以及可容納額外特定硬體的空間。這個基礎架構可讓 PXI 架構的測試系統簡化整合式測試系統的設計、採購、組裝與部署程序，並且能大幅縮短測試開發時間。
此外，大規模互連功能支援跨多種產品和產品系列使用測試資產，不需變更測試資產本身。只要變更介面測試轉接器 (ITA)，就能重複利用測試資產且盡可能不變更昂貴的測試套件。在 PXI 中使用模組化 I/O，支援根據衛星航空電子設備系統所需的通道數擴充系統。換句話說，為某項元件設計的系統，經過擴充之後一樣能因應未來的計畫需求，不需要採購新系統。從航空電子設備元件設計、驗證、量產到 AIT，在整個計畫週期中都能維護這些系統，也能隨著軟體的變化而重複使用硬體，充分因應不同的測試需求。
整合數位航空電子設備協定
測試衛星航空電子設備的功能除了必須要運用多種儀器之外，測試系統通常也必須採用不同的數位航空電子設備協定，包括但不限於乙太網路、Serial RapidIO® 與 SpaceWire。由於沒有現成商用 (COTS) 設備，無法符合特定規格需求，因此，將這些介面整合於測試系統通常會在進度與維護方面造成相當大的風險。NI 提供的方法能整合 COTS 解決方案與客製化設計的優勢，不需犧牲因應技術需求而必須具備的客製化功能，因此能協助您符合技術方面的需求。我們的工具整合使用者可程式化的 FPGA，可以根據您的應用需求進行最大程度的客製化。NI 提供更高且現成可用的立足點，能減少建立解決方案所需的工程負擔，這一點不同於傳統方法。
進階自動化與互動式設計工具
NI PXI 平台能簡化組裝與整合驗證測試的系統啟動、除錯、快速學習，乃至於全自動化特性測試等流程。透過 InstrumentStudio 與 NI MeasurementLink 等工具，設計師與技術人員能夠針對熟悉的儀器進行互動式除錯作業，不需進行程式設計。其底層軟體架構支援匯出在設計階段經過最佳化處理的量測參數，在後續的自動測試階段只要透過 TestStand 等工具就能重複使用，因此能夠將整個設計運用於一連串的自動化測試。
在整個生命週期中發揮互通性
在軟體架構、程式設計語言與測試自動化工具使用方面，各家供應商並未採用一致的標準，這也是現今組織所面對的一項重大挑戰。在衛星的組裝、整合與測試 (AIT) 期間，這個問題尤其嚴重，因為複雜的測試必須運用多家元件供應商的 ATE 才能執行。為克服這方面的挑戰，NI 採用更先進的工具和方法進行資料共用與流程控制，設法因應客戶對互通性與遠端功能的多變需求。NI 的 Remote-Ability 工具運用開放原始碼的高效能遠端程序呼叫 (RPM) 架構 gRPC，為企業提供簡易的軟體介面，讓不同的測試資產發揮互通性，並且能提升跨程式設計語言與環境的相容性。組織運用 gRPC 可以在供應商與測試資產之間執行一個標準的互通性層，而供應商則可在現有工作流程範圍內運作，並且使用慣用的語言與工具。
運用產品資料深入分析加快產品交貨速度
時程加快、市場競爭日趨激烈、衛星與有效負載複雜度不斷演變、資本與營運成本等市場壓力，全都有可能阻礙衛星公司的執行效率與整體成功。如果採用以產品為中心的資料策略，包括連線、分析與自動化等功能，這些企業就能讓產品與流程資料發揮最大的商業價值。以產品為中心的資料策略整合來自於流程與設備的傳統資料來源，以及其他的資料來源，例如規格、設計發展、整合和測試，其中尤以測試為最。由於產品資料會追蹤結果，因此仍是以產品為中心的策略最重要的核心。
由於要求提高效率的需求不斷提升，測試作業必須提供更好的資料產生功能，使其心力發揮業務價值。SystemLink™ 軟體可連接實驗室與生產測試資產，支援集中管理系統及系統所產生的資料。測試資料可用於監控衛星元件與系統在建置與整合期間的效能，並且能夠找出問題或需要改進之處。如果能及早發現這些問題，衛星製造商就能避免設計變更；因為設計變更可能會耽誤時程，成本不低。NI 的 SystemLink 軟體生態系能協助企業採用先進的資料管理策略，以現代化的軟體連線方式分析設計與測試資料，同時充分因應工程師的需求。SystemLink 結合豐富的 NI 軟體專業知識與新穎的雲端和機器學習技術，能協助工程師迅速打造新產品並不斷創新。
結論
衛星航空電子設備產品日益複雜，工程團隊不但必須交出更複雜的測試系統，同時還要跟上越來越吃緊的進度。而在競爭更激烈的製造市場中，優異作業能力所能節省的成本，可能會成為位居市場領導地位以及力求迎頭趕上之間的差異所在，進而讓前述壓力雪上加霜。為克服這些壓力，同業中最頂尖的工程團隊都在標準化自己的測試方法，盡可能透過可重複使用的 COTS 元件架構進行測試。這種方法有助於加快開發速度，同時充分確保未來的擴充能力。
40 多年以來，NI 都是測試領域的領導者。NI 的平台式測試方法結合高效能儀器與測試開發、序列及管理軟體工具，保證能協助您因應規格、上市進度以及預算方面的需求。NI 會支援您實現流程、系統、軟體與資料基礎架構的標準化，並為分析等數位化技術奠定扎實的基礎，充分發揮資料優勢，從而提升產品與作業效能。