于天成

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衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷的初步研究

于天成*

（91550部隊(duì)92分隊(duì)，遼寧大連，116023）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)實(shí)際上也是一種微波通信，它以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)微波信號，在多個(gè)地面站之間通信，衛(wèi)星通信的主要目的是實(shí)現(xiàn)對地面的“無縫隙”覆蓋，由于衛(wèi)星工作于幾百、幾千、甚至上萬公里的軌道上，因此覆蓋范圍遠(yuǎn)大于一般的移動通信系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)也日新月異，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)在其中也起著越來越重要的作用。通過對遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)的分析，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行初步研究。

遠(yuǎn)程故障診斷；專家診斷；模糊理論

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信技術(shù)也日新月異，但是由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)的分散性特點(diǎn)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)很多由于沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理而影響衛(wèi)星通信效果的現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴(yán)重的更會導(dǎo)致衛(wèi)星失效。對于長期處于運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，為了避免其分系統(tǒng)或者某些部件發(fā)生故障而引起整個(gè)系統(tǒng)癱瘓，必須在故障產(chǎn)生的伊始迅速發(fā)現(xiàn)故障征兆，隔離故障并采取合理的措施進(jìn)行有效的處理，維持衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常，從而保證系統(tǒng)的安全及可靠性。因此衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的研究也是通信通信技術(shù)必須的發(fā)展方向。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷的設(shè)計(jì)要求

衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)可分為兩個(gè)大部分，在軌衛(wèi)星遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)以及地面通信設(shè)備診斷系統(tǒng)。兩部分間既有共性，又有因運(yùn)行環(huán)境不同而產(chǎn)生的特殊性。地面通信設(shè)備診斷系統(tǒng)可根據(jù)故障類型采取相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行維修，而在軌衛(wèi)星遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)原則上不采取維修手段的，出現(xiàn)故障時(shí)可依據(jù)在軌衛(wèi)星設(shè)計(jì)時(shí)的系統(tǒng)冗余進(jìn)行重構(gòu)或者由地面站發(fā)布指令進(jìn)行修復(fù)。設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)需要考慮以下幾個(gè)方面：

1.1 通用性設(shè)計(jì)

安裝于診斷中心和裝備端軟件，需要經(jīng)過物理層的網(wǎng)絡(luò)鏈路連接。選用現(xiàn)在流行的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議保證了整個(gè)客戶/服務(wù)器端軟件能夠支持盡可能多的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過Socket接口一臺計(jì)算機(jī)可以與任何一臺具有Socket接口的計(jì)算機(jī)通訊，保證了系統(tǒng)的通用性，也減少了系統(tǒng)的成本。

1.2 安全性設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件要利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、測試目的。雖然利用Socket技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，但在通訊模塊中對于控制命令卻利用命令解析的方式進(jìn)行，這樣即使命令受到干擾也不會引起系統(tǒng)誤操作。

1.3 擴(kuò)展性設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)軟件在開發(fā)階段主要是針對現(xiàn)有的各個(gè)活動站的硬件設(shè)備設(shè)計(jì)編寫的，當(dāng)添加新的活動站，系統(tǒng)的測站擴(kuò)展功能保證了以后可以隨時(shí)添加和修改活動站信息，可以滿足測控規(guī)模的不斷擴(kuò)大的需求。

1.4 操作性設(shè)計(jì)

考慮到用戶使用的方便性和可操作性，軟件界面采用標(biāo)準(zhǔn)化的Windows風(fēng)格，使用靈活的流程控制機(jī)制和操作提示。而監(jiān)控的樹形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠讓使用者清晰明了的理解設(shè)備、儀器間的相互關(guān)系，便于專家從整體上把握整個(gè)系統(tǒng)的故障分析，提出原理級的測試要求，而靈活的測試點(diǎn)編輯能滿足隨時(shí)添加新的測試點(diǎn)的要求，實(shí)物圖的切換能讓診斷中心的專家很直觀的理解原理圖上測試點(diǎn)的物理位置及其對應(yīng)的實(shí)物模塊，使專家有種身臨測試現(xiàn)場的感覺，便于更好的分析問題。而測試站實(shí)物圖的裝載能讓現(xiàn)場操作人員一目了然的明白測控中心的測試意圖，協(xié)同高效的進(jìn)行測試點(diǎn)對應(yīng)儀器通道的搭建，開展遠(yuǎn)程測試工作。

1.5 實(shí)時(shí)性設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用即時(shí)通信的技術(shù)手段，可以讓中心端和裝備端進(jìn)行方便的溝通，及時(shí)協(xié)調(diào)測試中的問題。并對信息進(jìn)行了分類：指令類、數(shù)據(jù)類、話音類、圖像類。各類信息中指令類優(yōu)先級別最高，圖像類最低。

2 遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)功能層次劃分

按照功能劃分, 衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷功能層次可劃分為表達(dá)層、邏輯層和數(shù)據(jù)層。表達(dá)層主要指人機(jī)界面,其中包含衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)注入、系統(tǒng)故障癥狀描述、診斷結(jié)果與維護(hù)建議顯示、維護(hù)效果反饋與相關(guān)參考信息提供等模塊；邏輯層則是整個(gè)系統(tǒng)的核心,其主要功能為：分配,即系統(tǒng)接收到診斷任務(wù)后，按照不同的任務(wù)要求將其劃分為不同任務(wù)類別進(jìn)行資源調(diào)度；診斷決策，過程控制，對診斷過程優(yōu)化配置，提供專家診斷間相互協(xié)作的運(yùn)行環(huán)境；數(shù)據(jù)層包含分布式數(shù)據(jù)服務(wù)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及專家知識庫系統(tǒng)，主要進(jìn)行知識注入、系統(tǒng)配置管理、運(yùn)行日志生成、提供系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和運(yùn)行過程的解釋等，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)建立一套完備的檔案體系庫。

3 衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

按照衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷的設(shè)計(jì)要求及功能層次劃分，提出如圖1的衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的架構(gòu)。

圖1 衛(wèi)星通信遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)圖

根據(jù)衛(wèi)星系統(tǒng)組成及衛(wèi)星通信地面站系統(tǒng)組成的復(fù)雜性采取了相應(yīng)的有針對性的架構(gòu)處理。監(jiān)測中心在對各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行格式化包裝處理后，將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程故障診斷服務(wù)器進(jìn)行處理，通過實(shí)時(shí)診斷，診斷處理，調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)作為診斷處理的依據(jù)，生成維護(hù)控制建議，然后通過控制中心傳送到衛(wèi)星通信系統(tǒng)，與此同時(shí)，經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)形成與專家診斷系統(tǒng)的互聯(lián)，增加人機(jī)交互，讓衛(wèi)星通信的遠(yuǎn)程故障診斷更具實(shí)時(shí)性，經(jīng)驗(yàn)性，能夠處理診斷服務(wù)器無法處理的故障狀態(tài)。

4 關(guān)鍵技術(shù)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)是一個(gè)架構(gòu)在通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，由處理服務(wù)器及分布在遠(yuǎn)端的專家故障診斷系統(tǒng)等部分綜合實(shí)現(xiàn)，其主要關(guān)鍵技術(shù)如下：

4.1 虛擬儀器遠(yuǎn)程測試技術(shù)

虛擬儀器遠(yuǎn)程測試是指將工作于試驗(yàn)現(xiàn)場的虛擬儀器通過網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展到遠(yuǎn)程應(yīng)用領(lǐng)域。依托網(wǎng)絡(luò)，在DataSocket技術(shù)、RDA技術(shù)、OPC技術(shù)基礎(chǔ)上出現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的多種軟件平臺和工具，如Internet Developes Toolkit（簡稱IDT）、Lookout等。

IDT是NI的面向G語言應(yīng)用環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)工具包。IDT的工作方式為LabVIEW的虛擬儀器網(wǎng)絡(luò)化提供了便捷的通道。它的好處有：不需開發(fā)專門的客戶端軟件；開放性好，無需分發(fā)客戶端軟件，用戶可隨時(shí)加入；服務(wù)器端不需編寫專門的網(wǎng)關(guān)處理程序，可以直接用該工具包提供的VI實(shí)現(xiàn)；原有的LabVIEW應(yīng)用可以輕松地提升到網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；通過FTP、SMTP自動傳輸現(xiàn)場數(shù)據(jù)和信息，便于在遠(yuǎn)程進(jìn)一步分析。

4.2 LabVIEW與MATLAB的混合編程

作為虛擬儀器技術(shù)的領(lǐng)軍代表，使用G語言的LabVIEW確實(shí)能夠勝任大多數(shù)測量任務(wù)。但是，在實(shí)際的信號測量應(yīng)用中，對于一些需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的復(fù)雜信號的采集處理，LabVIEW就顯得有些力不從心，因此我們采用了LabVIEW與流行的數(shù)值分析軟件MATLAB混合編程的應(yīng)用方法。在混合編程中，通常用LabVIEW設(shè)計(jì)用戶圖形界面，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和處理；MATLAB在后臺提供大型算法供LabVIEW調(diào)用。如圖2所示為兩者混合編程的流程示意圖。

圖2 LabVIEW與MATLAB混合編程示意圖

4.3 LabVIEW的DDE功能

動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE-Dynamic Data Exchange）是一種客戶控制信息傳輸?shù)膮f(xié)議。LabVIEW對DDE客戶與服務(wù)器兩者都支持，也就是說，既可以通過編程初始化與其他應(yīng)用程序的DDE對話，也可以創(chuàng)建程序等待其他應(yīng)用程序的DDE對話。啟用LabVIEW后即可調(diào)用DDE函數(shù)。函數(shù)中應(yīng)該為2列數(shù)據(jù)：第一列表示時(shí)間；第一列表示信號幅值。每一行為采樣得到的一個(gè)點(diǎn)。一般沒有對數(shù)據(jù)長度做太多的限制，它自動讀取所有的數(shù)據(jù)，具體實(shí)現(xiàn)過程先將讀出的矩陣轉(zhuǎn)置，再將每一列索引出來。為了與模擬信號數(shù)據(jù)類型相一致，需要先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為LabVIEW支持的波形數(shù)據(jù)。

5 功能分析

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的較多，這里主要對故障檢測率、故障隔離率以及通信帶寬進(jìn)行分析。

5.1 故障檢測率

故障檢測率（fault detection rate，簡稱FDR），一般定義為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法正確檢測到的故障數(shù)與故障總數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

對于電子系統(tǒng)設(shè)備，在進(jìn)行測試性分析、預(yù)計(jì)時(shí)可取故障率(λ)為常數(shù)，(1)式變?yōu)椋?/p>

λi是被測試項(xiàng)目中第i個(gè)部件或故障模式的故障率，λDi是其中可檢測的故障率。

5.2 故障隔離率

故障隔離率（faults isolation rate，簡稱FIR），一般定義為在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，用規(guī)定的方法將檢測到的故障正確隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)與檢測到的故障數(shù)之比，用百分?jǐn)?shù)表示。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

NL：用規(guī)定的方法正確隔離到不大于規(guī)定模糊度的故障數(shù)；

ND：用規(guī)定方法檢測出的實(shí)際故障數(shù)。

對于電子系統(tǒng)設(shè)備，在進(jìn)行測試性分析、預(yù)計(jì)時(shí)可取故障率(λ)為常數(shù)，（3）式變?yōu)椋?/p>

λLi是可隔離到小于或等于L個(gè)可更換單元的第i 個(gè)故障模式或部件的故障率。

5.3 通信帶寬分析

遠(yuǎn)程監(jiān)控功能必須借助于通信網(wǎng)絡(luò)，帶寬是最關(guān)鍵的參數(shù)。通過研究和分析，系統(tǒng)建議通過只傳輸儀器顯示面板上波形的特征信息，或?qū)?shù)據(jù)壓縮處理等方法，來進(jìn)一步壓縮通信帶寬。

6 結(jié)束語

應(yīng)該說衛(wèi)星通信系統(tǒng)的故障多數(shù)都屬于多類型故障錯(cuò)綜的復(fù)合故障，通過遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行診斷處理難度很大，計(jì)算機(jī)模擬人類專家處理故障能力是這個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的關(guān)鍵，起著決定性作用。

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的構(gòu)建應(yīng)該說是不可或缺的，隨著技術(shù)的日新月異，相信遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)的發(fā)展也會越來越成熟。

[1] 徐福祥. 衛(wèi)星工程[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2002.

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[3] 張應(yīng)憲, 劉愛軍, 王永剛, 等. 衛(wèi)星通信物理層安全技術(shù)研究展望[J]. 電訊技術(shù), 2013, 53(03): 363-370.

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Analyse of Remote Fault Diagnosis for Satellite Communication System

YU Tiancheng*

(91550 unit 92 units, Liaoning Dalian, 116023, China)

Satellite communication system is actually a kind of microwave communication. It uses the satellite as a relay station to forward microwave signals and communicate among multiple ground stations. The main purpose of satellite communication is to achieve “seamless” coverage on the ground. Since the satellite works in a few Hundreds, thousands, or even tens of thousands of kilometers of orbit, so the coverage is much larger than the average mobile communication system. With the development of science and technology, satellite communication technology is also changing with each passing day. The application of satellite communication system is becoming more and more widespread. Remote fault diagnosis technology plays an increasingly important role in it. Through the analysis of remote fault diagnosis technology, the remote communication fault diagnosis system construction is studied.

remote fault diagnosis, expert diagnosis, fuzzy theory

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.08.018

B

1672-9129(2017)08-0040-03

于天成. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)遠(yuǎn)程故障診斷的初步研究[J]. 數(shù)碼設(shè)計(jì), 2017, 6(8): 40-41.

YU Tiancheng. Analyse of Remote Fault Diagnosis for Satellite Communication System[J]. Peak Data Science, 2017, 6(8): 40-41.

2017-03-06；

2017-03-27。

于天成（1978-），男，漢，山東萊西，大學(xué)本科，工程師，通信總體技術(shù)研究。E-mail:2209282216@qq.com