衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)的星地協(xié)同健康診斷框架設計*

王明亮 常 亮 唐曉剛 朱振才 徐元旭

1. 中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203 2. 同濟大學，上海 200092 3. 航天工程大學，北京 101416

0 引 言

一般來說，對復雜的衛(wèi)星系統(tǒng)進行有效的健康狀態(tài)監(jiān)測和管理是極其復雜的問題。衛(wèi)星處在惡劣的太空環(huán)境中，難以完全保證各個元器件長時間穩(wěn)定可靠地工作。有些航天器遙測參數(shù)多達幾千個， 每一個參數(shù)的異常都有可能影響航天器的正常運行，甚至引發(fā)航天器故障傳播，故障若不能及時排除就可能造成無可估量的損失[1]。一般來說，為了監(jiān)視各種星載電子設備、子系統(tǒng)運行狀態(tài)，需要將運行參數(shù)通過下行鏈路傳輸?shù)降孛嬲?，由地面工作人員人工判讀確定衛(wèi)星是否運行正常，在異常情況下及時制訂詳細的飛行指令序列通過上行鏈路傳輸?shù)叫巧?，控制衛(wèi)星按指令序列對系統(tǒng)異常進行處理。這種方式屬于“過境地面完整監(jiān)視+在軌有限自主安全模式管理”的人工形式進行衛(wèi)星健康管理[2]。

智能化程度更高的是自主健康管理，主要負責衛(wèi)星健康狀態(tài)的自主監(jiān)視、診斷、處置和恢復, 是衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行的關鍵[3]。自主健康管理首要任務是要對當前健康狀態(tài)進行評估和判斷。目前，國外對航天器的健康評價已經(jīng)從最初的參數(shù)狀態(tài)監(jiān)視和基于簡單知識的健康評價發(fā)展到智能判別[4]。但是文獻[3-4]分別從星上自主判斷和地面健康監(jiān)視評價方面單獨進行分析研究，均未將兩者的數(shù)據(jù)進行綜合協(xié)同智能診斷。本文針對衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的姿態(tài)測量輸入和控制輸出的特點，設計姿控系統(tǒng)的星地協(xié)同健康管理體系架構(gòu)，從而更準確、快速地輸出健康診斷結(jié)果和故障點位置，為星上健康狀態(tài)診斷提供設計經(jīng)驗和技術積累。

1 星地協(xié)同健康診斷算法

1.1 總體診斷設計

一般來說，航天器集成式系統(tǒng)健康管理是指航天器能夠?qū)ψ陨頎顟B(tài)進行監(jiān)控和感應，對出現(xiàn)的故障進行自主檢測、隔離和恢復[5]。目前國內(nèi)外航天器制造單位對航天器的自主健康管理都非常重視，從整星級、系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、單機級各個層面提出自主管理措施[6]，并且國外在健康管理相關標準的研究也在逐步增多[7]。但是，這些措施多屬于分離系統(tǒng)，未深度綜合分析星上和地面診斷結(jié)果，導致星上和地面采集的故障數(shù)據(jù)未能很好地融合處理分析，本文提出的星地協(xié)同健康診斷系統(tǒng)，通過星上處理系統(tǒng)和地面診斷系統(tǒng)協(xié)同工作，星上通過簡單的診斷算法完成健康信息的初步診斷，地面對于星上遙測下傳的初步診斷信息，結(jié)合故障庫專家系統(tǒng)進一步進行復雜的多源故障信息數(shù)據(jù)融合推理，完成對在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)的協(xié)同綜合診斷，更為高效地輸出精準的診斷結(jié)果。健康管理系統(tǒng)的主要輸出為衛(wèi)星系統(tǒng)的健康狀態(tài)及相應決策。系統(tǒng)主要輸入包括：系統(tǒng)描述、子系統(tǒng)健康模式和系統(tǒng)健康模式。具體如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星系統(tǒng)健康管理結(jié)構(gòu)圖

a)系統(tǒng)描述輸入

主要是針對衛(wèi)星各個子系統(tǒng)的控制及業(yè)務模式的描述，確定各個子系統(tǒng)的類型。此處的類型劃分主要作用是給接下來的故障檢測、故障診斷及健康管理算法提供輸入，因此，類型的劃分也主要根據(jù)當前健康診斷算法的分類進行。

b)子系統(tǒng)故障模式及健康模式輸入

主要針對子系統(tǒng)的故障及健康狀態(tài)的定義。每個系統(tǒng)的故障定義及健康狀態(tài)定義都不盡相同，要進行準確的健康診斷和管理，必須對相應子系統(tǒng)的各個狀態(tài)做描述，其詳盡程度直接影響診斷及健康管理的效果。

c)系統(tǒng)的健康模式輸入

與子系統(tǒng)故障模式及健康模式輸入類似，主要對整個系統(tǒng)的各種健康狀態(tài)進行詳盡的定義。系統(tǒng)的輸出主要是衛(wèi)星系統(tǒng)的健康狀態(tài)及相應的處理決策。根據(jù)故障診斷及健康管理得到的結(jié)果，對系統(tǒng)的狀態(tài)進行評估，如果系統(tǒng)存在問題則根據(jù)推理知識庫進行相應的決策。健康管理主要是根據(jù)故障檢測及診斷輸出的結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)的知識數(shù)據(jù)庫，對子系統(tǒng)以及系統(tǒng)的健康狀況進行評估，給出系統(tǒng)健康狀態(tài)的結(jié)論，同時根據(jù)結(jié)論給出決策指令。

根據(jù)輸出的狀態(tài)信息，通過地面綜合研判后發(fā)送處理措施，決策指令主要包括故障隔離、降級使用、余度管理、實時綜合資源管理和優(yōu)化以及重組/重構(gòu)等。基于系統(tǒng)的故障檢測與診斷，包含健康評估、健康預測、決策處理等。經(jīng)過決策層給出的信息，經(jīng)過人機交互使維護人員可以快捷地獲取所需要的評估、預測和維護建議，給出衛(wèi)星的健康參數(shù)、異常情況報警。

1.2 姿控分系統(tǒng)輸入和輸出分析

姿控分系統(tǒng)包括控制執(zhí)行機構(gòu)和姿態(tài)測量組件，其輸入輸出控制圖如圖2所示?？刂茍?zhí)行機構(gòu)包括飛輪、推進、磁力矩器等，其中飛輪是最主要的執(zhí)行結(jié)構(gòu)；姿態(tài)測量組件包括陀螺、星敏感器、太陽敏感器等，其中陀螺、星敏等敏感器是最常見的姿態(tài)測量組件。

圖2 姿控輸入輸出圖

按系統(tǒng)故障部件的功能劃分，主要分為兩類故障，即執(zhí)行機構(gòu)故障和測量組件故障。其中，衛(wèi)星姿態(tài)控制執(zhí)行器件主要為飛輪，其常見故障有轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)不更新、飛輪異常飽和、不啟動、旋轉(zhuǎn)不均勻等。姿態(tài)測量組件故障又分為兩類故障，第一類是帶有慣性的姿態(tài)測量系統(tǒng)，主要指陀螺，故障模式如表1所示。

表1 陀螺常見故障模式

另一類測量元件為非慣性元件，包括星敏感器、太陽敏感器等，其故障行為一般有卡死，恒增益變化，輸出飽和、噪聲增大，常值漂移，斜坡變化，恒偏差，隨機噪聲過大，脈沖突變等。其中，卡死屬于嚴重的硬件故障，需隔離故障陀螺并切換到備份陀螺，陀螺輸出飽和將導致陀螺測量信息不可用。由于該類測量元件故障多為擾動引起，并且故障模式存在比較明確的數(shù)學表示，具體如下。

令yr為測量元件的實際輸出，yi為測量元件的期望輸出，tf為故障發(fā)生時間，tf≤t≤tf+Δtf為故障持續(xù)時間。

a)卡死：yr(t)=α(α為常數(shù))；

b)恒增益變化：yr(t)=kyi(t)，其中k為比例系數(shù)，且k≠1；

c)恒偏差：yr(t)=yi(t)+Δ，其中Δ為常數(shù)；

d)斜坡變化：yr(t)=yi(t)+μΔtf，其中μ為比例系數(shù)；

e)隨機噪聲過大：yr(t)=yi(t)+η，其中η為均值等于0，方差等于常數(shù)的隨機噪聲；

f)脈沖突變：yr(t)=yi(t)+δ，其中δ為常值，Δtf→0。

根據(jù)上述數(shù)學描述，按照文獻[8]中提出的層次化載人航天器在軌自主健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，對健康狀態(tài)傳感器和健康狀態(tài)的監(jiān)測，將測量數(shù)值通過主元分析進行特征提取以分析系統(tǒng)異常變化。

1.3 姿控系統(tǒng)健康診斷策略

針對姿態(tài)控制系統(tǒng)自身特點，采取如下的診斷設計步驟：

1)根據(jù)系統(tǒng)正常運行狀態(tài)，確定觀測器輸出殘差的正常閾值。根據(jù)所定義的閾值，可以初判系統(tǒng)組件的健康狀態(tài)。

2)健康診斷系統(tǒng)需要配合底層的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)和上層的決策推理數(shù)據(jù)庫，判斷系統(tǒng)當前的健康模式。這一步驟的實現(xiàn)需要對系統(tǒng)的故障情況進行測試并確定不同健康模式所引起的系統(tǒng)信息(包括溫度、電壓等)變化。

3)針對不同的閾值設定推理規(guī)則，界定系統(tǒng)的健康模式和決策措施，完成如圖3所示姿態(tài)控制的健康管理系統(tǒng)。

圖3 姿態(tài)系統(tǒng)健康管理框架

2 工程設計方案

在健康管理工程實現(xiàn)上，哈爾濱工業(yè)大學率先進行了飛行器健康管理體系架構(gòu)研究[9]，但偏重于星上自主體系架構(gòu)。本文提到的星地協(xié)同健康管理框架設計中，分星上健康處理子系統(tǒng)和地面健康處理子系統(tǒng)2部分。其中星上健康處理模塊實現(xiàn)健康狀態(tài)的實時采集捕獲、狀態(tài)監(jiān)測；地面處理系統(tǒng)實現(xiàn)健康狀態(tài)的狀態(tài)評估預測、決策支持和狀態(tài)表示等。

在星上處理模塊設計中，采用TI公司TMS320F2812處理器，編程實現(xiàn)主元分析法對采樣信號進行底層的濾波分析，通過采樣信號過濾，使系統(tǒng)能夠針對幾類典型的單機故障信號進行狀態(tài)監(jiān)控和分析。

地面處理系統(tǒng)的設計是以高性能計算機為運行平臺，采用Labview和數(shù)據(jù)庫調(diào)用的混合編程模式，建立能夠推理系統(tǒng)健康模式和星上傳感器信號下傳后的推理數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)在監(jiān)測傳感器信號的同時，也可以推理系統(tǒng)當前的健康或故障情況，采用Labview程序完成對數(shù)據(jù)庫的調(diào)用和前面板顯示，實現(xiàn)地面處理系統(tǒng)的人機交互。

在數(shù)據(jù)庫的編寫方面，保留開放擴展接口，可以在后續(xù)的衛(wèi)星型號運行中加入新的模式。由于在設計階段所能考慮到的故障模式有限，某些異常模式可能需要在軌運行才能暴露，所以允許在數(shù)據(jù)庫中后續(xù)擴展新模式，豐富健康管理的模式監(jiān)測機制。

2.1 星上健康監(jiān)測原理設計

星上健康監(jiān)測模塊的主控制芯片選用TI公司TMS320F2812，并利用TI公司提供的IQmath庫文件，將浮點算法轉(zhuǎn)換成定點算法，提高運算的精度及速度。TMS320F2812最大運行速率可達150MHz，具有56個通用I/O引腳。通過采樣芯片AD7490采集飛輪速度、飛輪電壓、飛輪電流、飛輪振動、陀螺電壓、陀螺溫度、陀螺輸出和陀螺速度等模擬數(shù)據(jù)，共有28路采樣數(shù)據(jù)。該AD采樣器件內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器,可處理1MHz以上的輸入頻率。轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過片選信號CS和串行時鐘進行控制,輸入信號在CS的下降沿進行采樣,而轉(zhuǎn)換同時在此處啟動。單片AD7490可以對16路數(shù)據(jù)進行采樣，因此采用2片AD7490，兩片芯片之間用多路選擇芯片進行選擇，防止信號之間的干擾。通信采用RS422通信協(xié)議，可以通過兩對雙絞線進行全雙工工作，收發(fā)互不影響，最大傳輸速率為10Mb/s。具體設計電路的正面和背面如下圖。

圖4 星上健康監(jiān)測模塊原理電路板

2.2 地面健康處理子系統(tǒng)設計

針對特定衛(wèi)星應用領域進行自主健康管理系統(tǒng)設計，其具體實現(xiàn)方法也不盡相同，尚缺乏統(tǒng)一的自主健康管理軟件架構(gòu)，迫切需要開展相關研究[10]。本文提出的星地協(xié)同健康管理方法中，地面健康處理系統(tǒng)的目標是對衛(wèi)星整體健康狀態(tài)進行精準監(jiān)測和智能評估。具體主要功能包括：通過星地下行鏈路接收星上實時粗診斷結(jié)果，對故障監(jiān)測傳輸?shù)亩ㄐ孕盘枌崿F(xiàn)搜索和推理；將監(jiān)測結(jié)果通過人機界面與用戶進行交互。

系統(tǒng)實現(xiàn)的首要功能是對各個健康節(jié)點排序。當系統(tǒng)的健康狀況下降時可以依照節(jié)點順序?qū)ο到y(tǒng)可能出現(xiàn)的故障點進行搜索，節(jié)點的排序依照各模塊可能出現(xiàn)故障的概率進行，使健康管理系統(tǒng)能夠盡快找到系統(tǒng)出現(xiàn)故障的位置，建立節(jié)點列表的流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點排序流程

建立系統(tǒng)模塊的節(jié)點列表后，地面健康處理系統(tǒng)則可以執(zhí)行監(jiān)顯功能，其監(jiān)控流程如圖6所示。

圖6 地面健康監(jiān)控流程圖

在后臺實現(xiàn)對健康狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)測，將系統(tǒng)信息實時顯示，實現(xiàn)人機交互，姿控健康監(jiān)視系統(tǒng)部分界面如圖7所示。

圖7 健康管理分界面

為實現(xiàn)地面健康管理的監(jiān)控程序?qū)πl(wèi)星狀態(tài)的監(jiān)控和顯示，健康監(jiān)控界面在LabView中采用如圖8編程實現(xiàn)。星上健康監(jiān)測模塊的遙測下行輸出可以使用控件實現(xiàn)直接輸出顯示。

圖8 監(jiān)控程序數(shù)據(jù)流圖

2.3 推理數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

健康系統(tǒng)的首要功能是對系統(tǒng)的健康狀況進行推理評估，在該健康管理系統(tǒng)的設計中，采用數(shù)據(jù)庫來存儲系統(tǒng)不同的健康狀況所對應的各軟硬傳感器的不同狀態(tài)。數(shù)據(jù)庫中建立如下表：傳感器信息、傳感器信號類型、模塊信息。由于故障實例樣本可依據(jù)遙測異常在線監(jiān)測方法、航天器分系統(tǒng)狀態(tài)指數(shù)計算方法直接得出[11]。所以，針對每一個模塊，建立對應的故障模式表(例如飛輪故障表)。傳感器信息表包括三軸的轉(zhuǎn)速傳感器、電壓計和振動傳感器、及其錄入時間等信息。傳感器信號類型由地面健康處理系統(tǒng)對采樣信號進行濾波分析，形成定性信號后傳遞給上位機，信號類型見表2。

表2 傳感器信號類型表

模塊信息表保存系統(tǒng)中需要監(jiān)測健康狀態(tài)的不同模塊。飛輪故障表保存飛輪本身故障和故障所對應的傳感器不同類型信號之間的關系，為節(jié)約數(shù)據(jù)庫表所占用空間，采用數(shù)值類型進行存儲和推理。

3 實驗驗證

針對量子通信科學實驗衛(wèi)星的姿態(tài)控制子系統(tǒng)，搭建相應的數(shù)字仿真平臺并通過軟件故障注入進行了健康管理系統(tǒng)的驗證，故障識別結(jié)果如表3。

表3 故障模式識別測試結(jié)果

通過分析姿控健康管理平臺的a)～e)性能指標的測試結(jié)果，并與傳統(tǒng)的星地分離式診斷結(jié)果進行統(tǒng)計對比，從表4所示可知相關性能指標明顯提高。

表4 主要性能指標測試結(jié)果

a)整星工作模式覆蓋率：對已知故障模式均能夠識別，在遇到未知故障的時候，系統(tǒng)將給出傳感器指標，增加故障覆蓋率；

b)故障恢復率：某些故障的恢復需要系統(tǒng)硬件的支持，在該健康管理系統(tǒng)中，假設系統(tǒng)提供故障恢復所需要的硬件支持；

c)整星故障的漏報率：隨著系統(tǒng)運行歷史數(shù)據(jù)增多以及對推理數(shù)據(jù)庫的完善，漏報率會進一步降低。

d)故障平均恢復時間：健康管理系統(tǒng)下達恢復指令的時間符合考核指標，完全的故障恢復還需要考慮到所需硬件的恢復時間；

e)占用整星計算時間：故障的采樣和計算的周期可以進行調(diào)節(jié)和動態(tài)的設定，當需要系統(tǒng)占用少量資源的時候，可以降低故障診斷環(huán)節(jié)的采樣頻率，減少對系統(tǒng)資源的占用。

4 結(jié)論

針對衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)在軌健康管理特點，提出一種星地協(xié)同健康診斷的設計框架，星上實時采集傳感信號進行粗診斷，地面利用粗診結(jié)果結(jié)合數(shù)據(jù)推理診斷形成星地協(xié)同診斷。在量子通信科學實驗衛(wèi)星中運用此協(xié)同診斷設計，通過數(shù)字化衛(wèi)星平臺進行故障注入試驗，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的地面或者星上獨立進行故障診斷，通過星地協(xié)同進行健康診斷并及時給出故障點，在保障實時性的前提下，故障平均恢復時間和漏報率等有明顯改進，進一步提高了衛(wèi)星在軌故障診斷能力。