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摘 要：星载 SAR 地面装星集成测试主要包括测试系统的硬件设备与测试管理软件,即测试服务器与存储设备,以及测 试管理软件。目前测试系统的硬件设备已经具备,因此,本文主要以星载 SAR 地面装星集成测试系统的技术实现设计方案为主。
关键词：星载 SAR,地面装星集成测试,技术实现
Implementation of Integrated Test Technology for Spaceborne SAR Ground Mounted Satellite
LI Xiaogang
(Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109)
【Abstract】： The integration test of spaceborne SAR ground installation mainly includes the hardware equipment and test management software of the test system, that is, the test server and storage equipment, and the test management software. At present, the hardware equipment of the test system has been available, so this paper mainly focuses on the technical implementation design of the spaceborne SAR ground mounted integrated test system.
【Key words】： spaceborne SAR;ground mounted satellite integrated test;technical realization
0 引言
针对卫星 SAR 分系统地面装星集成测试, 建立高 效灵活的测试系统很有必要,为解决高效化测试的需 求,以硬件计算资源和存储资源为基础,以测试管理软 件为平台,以面向 SAR 分系统集成测试数据处理功能 模块为核心,建立集成测试系统 [1]。
1 概述
1.1 系统简介
地面装星集成测试系统主要包括计算硬件资源、存 储资源和测试管理软件。硬件计算资源主要是具备多核 CPU 的服务器,硬件存储资源主要是 500TB 的存储阵 列 [2]。目前,计算硬件资源、存储资源已经具备;测试 管理软件除了包括对测试管理(流程配置、流程设计以 及流程测试)和数据管理(原始数据与结果数据),还 包括数据处理模型的封装和加载工作。
1.2 系统目标
地面装星集成测试系统建立的主要目标包括：
(1)实现计算资源的高效调度和有效管理;
(2)实现对标准功能模块进行集成封装形成面向不 同任务需求的数据处理流程;
(3)以文件配置的形式实现不同数据处理流程的管 理和调用;
(4)实现原始数据接收和管理,并实现处理流程与 原始数据、过程数据的自动化关联。
其中根据整个测试任务特点和任务需求完成标准化 功能模块的设计,明确各功能模块的作用、输出与输入 参数,在对外接口不变的情况下功能模块具备可扩展和 可替换的能力。
2 系统分析与设计
2.1 系统分析
地面装星集成测试系统除了对测试管理(流程配 置、流程设计以及流程测试)和数据管理(原始数据与 结果数据),还包括数据处理模型的封装和加载工作。 通过标准化的计算模型封装,数据处理过程中,加载数据处理模型,控制测试运行,完成数据的处理和测试管 理。业务功能模块主要包括加载的数据处理模型,目前 主要的数据处理模型有数据接收和合路类功能模块、数 据格式转换及编码解析类功能模块、帧长检测及系统工 作信息提取类功能模块、脉压处理及性能评估类功能模 块、辅助数据解析类功能模块、测试结果智能判决类功 能模块等 6 个功能模块。测试管理软件运行在目前具备 的硬件设备上(服务器) ; 因此,软件的数据存储和数 据计算,在硬件资源分配上进行合理的管理。
软件主要是测试管理软件,测试管理软件以谁处理 为核心,建灵活通用的测试管理平台软件。地面装星集 成测试系统的组成如图 1 所示。
(1) 计算资源管理：管理硬件资源, 即该模块实时 显示硬件资源使用情况,通过配置,合理管理硬件资源 的使用情况。针对数据存储部分,该模块按照测试需求 配置存储空间 [3]。
(2)工具及测试流程设计管理：建立图形化配置界 面,集成数据处理与计算模型,并调用数据接口模型, 完成测试界面的搭建和计算模型的调用,生成统一的测 试任务配置文件。
(3)运行管理及数据调度：根据建立的测试任务配 置文件,建立起测试任务运行环境。该模块调用计算模 型、接口模型,管理测试数据流,实现整个测试的运行。
(4)数据管理： 数据管理主要是管理测试输入数 据,输出数据和测试过程中的数据。数据管理支持数据 的查询、添加、修改、删除、导入导出等,支持的数据 格式包括文本、表格、MAT、XML 等常见的数据格式。
2.2 系统设计
2.2.1 系统架构
测试系统软件按照分层架构设计原则,构筑开放的支持多功能应用软件集成的软件环境,实现各层软件功 能的灵活加载;并能在数据层的基础上支持用户动态构 筑应用软件。系统软件分为基础支撑层、数据管理层、 处理应用层、用户交互层等 4 层组成系统软件总体架构。
(1) 基础支撑层：基础支撑层包括计算设备、存储 设备、交互设备、综合显示设备等硬件设备,以及为系 统软件提供标准格式的数据支撑、网络环境、操作系 统、传输协议等。
(2)数据管理层： 数据管理层对 SAR 数据、测试 数据、算法模型库、用户信息、日志及运行状态信息等 进行统一管理,为处理应用层提供数据支撑。
(3)处理应用层：处理应用层、完成数据管理、数 据解析、数据组包、运行控制、多路数据合路、帧长检 测、合路数据转数据形成器输出格式数据,数据形成器 输出数据转成像接收通道格式数据,辅助数据解析,成 像接收通道数据转复数据,内定标数据处理,脉压后性 能评估,回波数据波形及频谱处理和显示,测试结果智 能判决等功能。
(4) 应用层：应用层采用图形化、可定制的界面显 示技术,为内外部用户提供人机交互界面,完成任务运 行状态的管理,完成系统与地面站的数据交互,并实现 数据交互监控和交互数据实时统计功能。
2.2.2 架构设计
地面装星集成测试系统软件运行环境为 WindowsSever 操作系统。包括两个部分,即测试管理软件和算 法功能模块,如图 2 所示。
测试管理软件采用目前流行的 SpringBoot + Vue 框架, 前后端分离架构。开发语言为 Java、Vue、JavaScript 等。
算法功能模块,采用的开发环境包括 MATLAB、Lab VIEW、C/C++ 语言等语言开发编译形成的 DLL。
3 主要技术实现
3.1 测试流程设计
测试流程设计管理主要功能有支持通过“拖拉拽” 图形化界面实现测试流程设计,实现流程节点间的功 能逻辑及数据流定义; 本系统实现方式采用 Vue 前端, 基于 Vue-Simple-Flowchart 组件开发。
(1) 支持流程配置节点输入、输出参数、事件绑定 等功能;
(2)支持在线自定义流程设计,采用节点选择图形 拖拉拽的方式。
3.2 功能模块设计
功能模块开发中,采用的开发环境包括 MATLAB、 LabVIEW 和 C/C++ 语言。
软件的数据处理和接口等,将其封装成标准模块, 在测试运行控制中,动态加载。加载的计算模型以基于 MATLAB 程序为主,同时包括 C/C++ 等语言编写的模型。
所有的模型均编译成 .DLL 文件,在软件加载。每 一个模型具备独立的 ID 和说明信息,用户在调用的时 候,可以通过 ID 和说明信息,确定该模型的主要功能 和调用方法。然后, 在 SpringBoot 系统框架中定义事 件方法,调用算法功能模块生成的动态链接库;从而达 到,系统通过自定义自动执行算法功能模块。
主要功能模块设计实现如下：
(1)多路数据合路功能模块：数据接收和合路模块 的主要功能是按照通信协议接收数传服务器数据,完成 8 路数据的实时合路。
该模块接收数传发送的原始数据,通过数据协议, 解析数据,并进行数据处理,及 8 路数据合路。完成数 据处理之后,该模块输出文件合路后原始数据文件 [4]。
(2)帧长检测功能模块： 帧长检测及系统工作信息 提取类功能模块主要的功能是按照合路格式对合路数据 进行帧长检测,获取每个脉冲的帧头位置和帧长等信息, 并且要求检测时效性优于 1s/2000 个脉冲数 [5]。
软件建立多线程并行处理数据,多帧数据同时处 理,根据帧数据,提取该帧信息,监测该帧数据是否正 确。根据合路数据和硬件资源情况,软件动态添加线 程,并行处理数据,实现高效率帧长检测。
(3)辅助数据解析功能模块：模块的主要功能是按 照辅助数据格式对回波辅助数据进行解析。
该模块根据帧长检测模块反解的每路数据,按照辅 助数据格式说明协议进行解析。解析的实现方式采用按 字节长度、类型、自定义规则,封装成为通用的解析模 块;输出解析后的辅助数据信息 [6]。
3.3 资源调度及负载均衡设计
为了提高软件的开发效率,大部分算法计划采用 C++ 语言开发实现。在 C++ 开发中,目前已经具备相关 的计算库,支持并行计算。并行库充分利用多核的优势, 通过并行运算提高程序效率, 本文主要分析 C++ 中两 个知名的并行库,一个是 Intel 开发的 TBB,一个是微 软开发的 PPL。
TBB[7] (Intel® Threading Building Blocks)是 Intel 用标准 C++ 写的一个开源的并行计算库。它的目的是 提升数据并行计算的能力,可以在官网上下载最新的库 和文档。TBB 主要功能包括并行算法、任务调度、并行 容器、同步原语、内存分配器。
PPL[8] (Parallel Patterns Library)是微软开发的 并行模式库,它的功能和 TBB 是差不多的,但是 PPL 只能在 Windows 上使用。
4 结语
本文进行全面分析与论述了星载 SAR 地面装星集 成测试系统技术实现,从计算硬件资源的高效调度、自 定义集成测试流程设计以及到测试数据的有效管理,为 建设星载 SAR 地面装星集成测试系统提供了技术方案。 目前已应用到实际项目建设中,相信在未来会得到广泛 的应用。
参考文献
[1] 邓云凯 .星载高分辨率宽幅SAR成像技术[M].北京:科学出 版社,2020.
[2] 王华茂 .航天器综合测试技术[M].北京:北京理工大学出版 社,2018.
[3] 李小平,陈龙.服务与资源调度[M].北京:科学出版社,2022.
[4] 陈浩.卫星数据压缩[M].北京:哈尔滨工业大学出版社,2014.
[5] 杨柳.卫星数据高效传输技术[M].北京:科学出版社,2020.
[6] 朱立东.卫星通信导论[M].北京:工业出版社,2020.
[7] 李晓梅,吴建平 .数值并行算法与软件[M].北京:科学出版 社,2020.
[8] 陈国良 .并行算法的设计与分析[M].北京:高等教育出版社, 2009.
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