飞行器系统级可测试性设计方法研究

摘要：从系统测试性设计的角度，分析了国内外测试性设计技术的发展状况、存在的问题；讨论了开展系统测试性设计并制定测试性工作规范在飞行器设计中的必要性；总结了系统测试性设计的一般工作流：程；并根据航天产品特点，对测试性设计方法进行探索研究。

关键词：系统级；可测试性设计；飞行器

引言

随着载人航天技术的高速发展，对航天飞行器的地面测试和运行中的在线测试能力提出了新的技术要求。对于地面测试，要求测试能够覆盖更多的故障，并且能快速、准确、及时地诊断系统状态；对于在轨运行状态，由于故障修复极为困难，要求增强产品自主故障诊断、切换和故障隔离能力，以保证系统的任务可靠性。为实现上述技术要求，就必须在航天飞行器设计时同步开展测试性设计工作。应用先进的测试性设计技术，对产品进行总体的测试性分析、设计与验证，已经成为载人航天技术未来发展的必然趋势。因此在产品研制过程中，先期展开测试性设计工作，对于迅速提高我国航天测试性和诊断技术水平，满足系统的任务可靠性和安全性具有重要意义。

本文对国内外测试性设计技术的发展状况、存在问题进行了系统的分析，论述了针对航天飞行器系统开展测试性设计并且对测试性设计工作加以规范的必要性；总结了系统测试性设计的一般工作流程，最后根据国内研究环境和航天产品自身的特点，提出了一种符合实际的测试性设计方法。

国内外测试性研究分析

国外研究状况

测试性的概念最早产生于航空电子领域。测试性术语最早于1975年由FLiour等人在《设备自动测试性设计》一文中提出，随后相继用于诊断电路设计及研究等各个领域。20世纪70年代以后，国外广泛开展了测试性方面的研究。同时，美军意识到测试性在装备维护和保障中的潜力，开始致力于在装备研制和使用中推广测试性技术；通过颁布一系列的标准，使装备研制方和使用方遵循相同的约束和规范，取得了良好的效果。1985年，美国国防部颁发的《电子系统及设备的测试性大纲》(MIL-STD-2165)，标志着测试性已成为一门与可靠性、维修性并列的独立学科。目前，可测试性已在美军机、航天器和导弹等武器系统设计时被广泛应用。其中，在航空工业应用中，据美海军调查称，对F/A-18、F-14、A-16E和S-3A四种海军主要飞机的200多项关键部件进行的测试性技术改进，使它们的使用和维修费用减少了30％，并进一步强调，如果在飞机研制初期就充分开展测试性设计，可降低飞机全寿命费用的10％～20％。

在航天应用中，美国摩托罗拉公司的铱星计划，在其卫星设计过程中，成功地运用了测试性设计。传统的测试手段已不能满足卫星生产过程中对测试的需求。于是，在卫星设计过程中，大量采用了符合IEEE1149.1标准的边界扫描结构，并取得了较好的测试结果，为铱星计划的实现提供了保障。美国休斯空间通讯在对卫星的测试中，提出了对系统划分，进行分层测试的思想，并成功的运用到实践中。

国内发展状况

同国外相比，国内开展测试性研究起步较晚，大概开始于80年代中后期。但在近些年来进步速度很快。主要体现在以下几方面：开展了较为系统的研究，发表了不少有关测试性方面的文章和研究报告；在重要系统和设备研制中提出了明确的测试性要求，开展了测试性设计分析工作，制定了《装备测试性大纲》(GJB一2547—95)、《测试与诊断术语》(GJB3385-98)等国家军用标准，开发了测试性计算机辅助分析软件。

80年代中期，我国对新研制的武器装备提出了测试性设计的要求，到90年代后期，对所有的武器装备都提出了测试性的要求，特别对军用飞机上新研制的电子设备的测试性作了很高的要求。另外，测试性设计技术也开始应用到了现有陆军武器装备的改造过程中，使其故障率大大降低，同时提高了对装备故障的检测率，延长了装备的全寿命周期，降低了装备的全寿命周期费用。

在航天科研方面，某些型号在研制过程中也已经开始着手进行测试性设计技术的研究。并依据国外相关标准制定了QJ-3050《航天产品故障模式、影响及危害性分析指南》、QJ-3051《航天产品测试性设计准则》等相关标准。

从总体上看，国内由于缺乏对测试性设计技术的深入研究，在测试性分析与验证、计算机辅助工具和工程实际经验等方面与先进国家还有较大差距，影响了测试性大纲的贯彻。

航天产品测试性设计规范研究

系统测试性设计存在的问题

由于航天产品的可靠性要求极高，相对于其他行业，测试性技术在工程中推广应用较为缓慢。从总体上讲，目前航天各领域在可测试性技术的应用基础上已具备一定的基础但是仍然较为薄弱。具体表现在：

·在系统顶层设计中，已开始注意对系统测试性的总体考虑，但由于缺乏明确的技术途径，除一些概念性要求外少有具体设计要求和指标；

·部分分系统或单机中设计人员自发地进行了测试性设计，但这些工作不是有系统组织的，并未发挥系统测试性设计的优势；

·进行了一定的测试性工作管理，但未形成系统的测试性工作流程，研制程序上测试性设计与产品功能、性能设计不同步，原理样机往往不考虑测试性设计，试验样机只考查BIT的能力，到总装时再考虑系统测试性为时已晚；

·引进了一些测试性设计相关工具，但还不具备形成有效的测试性设计集成环境的能力，设计中更多地依赖于设计师对测试性设计的重视程度、设计水平和经验；

·对测试体系和测试设备提出了“标准化、规范化、通用化”的要求，但产品的研制过程、生产过程和使用过程各阶段各环节的测试脱节，由不同的设计人员去考虑、设计和实现，难以保证各阶段各级别测试的统一性、兼容性、完整性与一致性。

系统测试性设计工作规范

进行测试性规范研究，要明确开展测试性工作的目标和原则；考虑要完成的测试性工作项目及其完成的时间；并要对工作程序、人员安排、技术支持和信息采集分析等进行规范。尽管我国已经在1995年颁布了GJB2547《装备测试性大纲》，大纲从论证、方案、实施和验证等几方面加强了对测试性技术的指导和监督，对推动测试性技术的研究和应用具有很大的作用。但是该标准主要是参照美军标MIL-STD-2165制定出来的，缺乏将标准转化为具体设计方案的方法和技术。针对具体的航天系统进行设计的可操作性不强。致使上述问题不能被有效地解决。因此需要补充新的测试性文件，规范航天产品测试性工作程序，保证测试性设计与产品功能性能设计同步进行并有机结合，保证系统研制各个阶段开展的测试性工作有据可依。

测试性设计工作流程

我们在对测试性工作规范开展研究，对

实施测试性设计的基本工作流程进行总结的基础上，依据系统设计研制流程，制定航天产品研制各阶段规范。如图1所示。

论证和方案阶段，规定测试性要求，并分配测试性要求。这段时期内，在系统设计评审中同时评审测试性大纲；在系统初样研制阶段，首先要确定诊断方案，制定并贯彻测试性设计准则并进行固有测试性设计。然后确定出FD(故障检测)、FI(故障隔离)设计策略，设计出相关软件和硬件，再对设计进行分析，开展测试性验证，采用产品设计与测试性分析迭代的方法改进测试性设计，以满足要求。在初样评审工作中同时评审测试性工作。在正样研制阶段继续对各测试性指标进行验证，并提出建议。

规范中规定了测试性工作项目内容和完成时机等信息都体现在工作流程中，指导着飞行器系统研制各个阶段的测试性工作。

系统测试性设计方法研究

设计实现方式

测试性设计通常有两种实现方法：

·产品设计同时展开测试性的设计

由设计人员直接完成部件或组件的测试性设计和评估工作，最后由设备、分系统和系统总体逐级根据测试性要求进行评估和审核，完成整个系统的测试性设计工作。这种方式的优点是由于设计人员对被设计对象熟悉，设计反复少，设计周期短，但对设计人员的设计水平和测试性技术熟悉程度要求极高，适合于贯彻测试性设计有一定基础，并具备较好的测试性设计环境的单位和部门。

·产品设计与测试性分析反复迭代进行

产品设计人员完成原理设计后，由专门的测试性工作人员或独立机构进行测试性的建模、分析和评估，检验测试性指标的落实情况并给出改进性意见，改进设计后通过反复迭代过程完成产品设计和测试性设计。这种方式的优点是易于实行，但设计过程中设计人员与测试性工作人员需要反复交互，设计周期较长。

目前，国内缺乏能有效完成测试性设计的计算机辅助工具软件，产品设计人员对测试性设计熟悉程度也不高。因此，运用第二种方法进行系统测试性设计是较为可行的技术途径。

测试性设计实施过程

通过产品设计与测试性分析反复迭代的方式进行测试性设计，产品设计和测试性分析被分解成同步进行、互相交互的两类不同工作，大大降低测试性设计对设计人员和测试性设计工具的要求。系统的设计过程一般是从性能指标和方案确定、初步设计、详细设计到软硬件开发与试验。作为设计特性的一种，测试性设计也有一个与系统设计并行的设计过程，图2描述了一个分系统或单机的测试性设计工作实施流程：

并行设计过程中，测试性分析人员与产品设计人员保持同步，并在不同的研制阶段提供相应测试性建议，确保产品设计的顺利进行。测试性设计不干扰产品设计人员原有设计流程和方法。对应于单机、分系统、系统各级设计，都要进行测试性的设计，并根据上一级的测试性分析结果对下一级的测试性设计进行指导和审核，优化测试资源，剔除冗余测试，检验测试接口的兼容性。在产品设计过程中应尽量采用同样的测试性分析工具，这样上一级的测试性模型可由下一级各单元的测试性模型直接生成，避免不必要的建模工作。

结语

在航天技术快速发展的过程中，对航天产品测试性设计的需求也不断增长。但是同国外先进技术相比较，我国在测试性设计的基础理论和方法研究方面还有一定差距。在航天领域开展测试性设计，照搬外国的方法是不现实的。本文根据我国航天产品测试性设计环境的实际情况，借鉴国外先进的测试性工程管理经验和技术，提出了一种符合我国国情的、实用的测试性工作设计方法。对系统测试性设计研究进行了有益的尝试。

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