孫小松，陶景橋，李 明

(北京控制工程研究所，北京 100190)

同步軌道衛(wèi)星是目前發(fā)展最為迅速、應(yīng)用最為廣泛并且與國民日常生活聯(lián)系最為緊密的系列衛(wèi)星之一，廣泛應(yīng)用于通信廣播、導(dǎo)航定位、氣象預(yù)報等領(lǐng)域.長時間不間斷業(yè)務(wù)運(yùn)行是對同步軌道衛(wèi)星提出的最重要的要求，如何實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星業(yè)務(wù)運(yùn)行的“高可靠、長壽命”，是同步軌道衛(wèi)星亟待解決的關(guān)鍵問題.

由于部件研制水平、生產(chǎn)能力等諸多因素的限制，鮮有衛(wèi)星無任何異常、連續(xù)無故障運(yùn)行至設(shè)計壽命的同步軌道衛(wèi)星，更多的見諸報端的是衛(wèi)星中斷服務(wù)、出現(xiàn)重大故障乃至衛(wèi)星失效的重大新聞.完全讓一個像大型同步軌道衛(wèi)星這樣復(fù)雜的系統(tǒng)無任何故障運(yùn)行15年甚至更長壽命是不可能的，特別是受限于中國工業(yè)基礎(chǔ)的相對薄弱、加工水平的相對落后，國內(nèi)衛(wèi)星或多或少的故障及異常更是不可避免.如何在故障發(fā)生的情況下，確保衛(wèi)星仍能高可靠、長壽命運(yùn)行，是故障安全設(shè)計的首要目的.美國航天專家D.M.哈蘭曾經(jīng)說過:“衡量航天器好壞的標(biāo)準(zhǔn)，不應(yīng)該光看它是否發(fā)生了故障，而是它對無法避免的故障有多大的承受能力.”而這里的故障承受能力，則完全依賴于該航天器的故障安全設(shè)計水平.

國外的同步軌道衛(wèi)星有相對較長時間的商業(yè)運(yùn)作經(jīng)歷，在大量故障經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，形成了考慮較為全面的故障安全設(shè)計，本文首先對國外較為典型的同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計進(jìn)行了廣泛的調(diào)研，選擇的3個衛(wèi)星平臺中ETS-VIII是日本最為先進(jìn)的同步軌道衛(wèi)星，并且在故障安全設(shè)計方面代表了日本的最高水平;EUROSTAR 3000和SPACEBUS 4000平臺具有國際通信衛(wèi)星市場占有量大、技術(shù)水平先進(jìn)的特點(diǎn)，其故障安全設(shè)計具有較好的代表性.然后在調(diào)研基礎(chǔ)上，對中國同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計進(jìn)行了簡要描述，并針對后續(xù)的發(fā)展提出了有益的建議，以期為中國后續(xù)同步軌道衛(wèi)星的故障安全設(shè)計提供較好的借鑒，提升中國同步軌道衛(wèi)星的故障安全設(shè)計水平.

1 日本ETS-VIII控制分系統(tǒng)故障安全設(shè)計

ETS-VIII是日本新一代高軌道電子偵察及移動通信衛(wèi)星，代表了日本同步軌道衛(wèi)星的先進(jìn)水平.

ETS-VIII衛(wèi)星［1-2］首次應(yīng)用了64位空間飛行器專用處理器，該處理器的主要特點(diǎn)有:MIPSIII結(jié)構(gòu)，使用C語言編譯器，時鐘頻率為25MHz，32位指令，64位數(shù)據(jù)，32位地址，64位浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，8KB緩存，100rad抗輻照能力，單粒子鎖定防護(hù)指標(biāo)為36Mev/cm，容量達(dá)1M的門陣列，100M滿足空間數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)CCSDS的門陣列.使用該處理器，可以大大提高星載計算機(jī)的處理能力.整星采用統(tǒng)一的星載計算機(jī)來完成各控制、推進(jìn)、電源等分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及處理.

整個衛(wèi)星控制系統(tǒng)由兩套星載計算機(jī)、一套陀螺組件、兩個地球敏感器、兩套精太陽敏感器、4個反作用飛輪、12個22N推力器、1個490N變軌發(fā)動機(jī)和4個22mN的離子發(fā)動機(jī)組成，其中整個控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 日本ETS-VIII控制系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of ETS-VIII control system of Japan

圖1中有邊框?yàn)閷?shí)線的部件說明該部件有備份，邊框?yàn)樘摼€的部件說明該部件是單點(diǎn)部件.

ETS-VIII具有較為完善的故障安全設(shè)計及故障處理能力.星載計算機(jī)每個計算周期自動判斷各種敏感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的健康狀況，然后根據(jù)健康狀況隔離已經(jīng)失效的部件，并自動切換到備份部件.

整個ETS-VIII的故障安全設(shè)計可以分為3種情況，第一種情況是星載計算機(jī)正常工作，僅僅是部件故障，此時星載計算機(jī)軟件能夠自動探測到故障部件，然后自動隔離故障部件并切換到備份部件，無需重新進(jìn)行姿態(tài)捕獲和機(jī)動;第二種情況是星載計算機(jī)故障，此時切換到備份星載計算機(jī)，然后重新進(jìn)行姿態(tài)捕獲;第三種情況是星載計算機(jī)和部件都不進(jìn)行自動切換，等待地面指令來進(jìn)行處理.需要說明的是，在星載計算機(jī)進(jìn)行切換過程中，各個部件的健康情況應(yīng)存放在安全的內(nèi)存中，不受切換的影響.

星載計算機(jī)能夠探測到故障情況的部件有:陀螺(異常的姿態(tài)角速度，姿態(tài)角)、地球敏感器、精太陽敏感器、飛輪、發(fā)動機(jī)、遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī)(姿態(tài)偏差)等.

2 EUROSTAR 3OOO故障安全措施

Astrium公司從1994年開始研制EuroStar 3000平臺，2004年發(fā)射了基于EuroStar 3000平臺的第一顆衛(wèi)星Eutelsat W3A，截止2009年7月，已經(jīng)有16顆EuroStar 3000平臺衛(wèi)星發(fā)射入軌.

Eurostar 3000平臺［3-4］敏感器有捕獲太陽敏感器(安裝于太陽翼上)、精太陽敏感器、地球敏感器和陀螺.太陽捕獲和存活模式采用捕獲太陽敏感器，提供半球視場，實(shí)現(xiàn)對日定向.采用精太陽敏感器(安裝在星體上)、地球敏感器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移軌道的姿態(tài)控制，并進(jìn)行陀螺標(biāo)定.衛(wèi)星定點(diǎn)以后，由精太陽敏感器、地球敏感器和陀螺實(shí)現(xiàn)姿態(tài)確定，并具有無陀螺的姿態(tài)確定功能.

執(zhí)行機(jī)構(gòu)有斜裝飛輪、太陽帆板驅(qū)動機(jī)構(gòu)、電推進(jìn)系統(tǒng)、化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)等.采用4輪斜裝，2個固定偏置飛輪，2個反作用飛輪，化學(xué)推進(jìn)系統(tǒng)采用14個10N推力器，一個液體遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動機(jī).電推進(jìn)系統(tǒng)用于南北位置保持和偏心率調(diào)整，推力方向由兩軸推力調(diào)整機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn).

整星控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示.

圖2 EUROSTAR 3000控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of EUROSTAR 300 control system

EuroStar 3000具有較為完善的故障安全設(shè)計，整個星載計算機(jī)是完成故障安全設(shè)計的核心.星載計算機(jī)采用主備+故障監(jiān)控模塊，故障監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控核心星載計算機(jī)和衛(wèi)星運(yùn)行參數(shù)，檢測到故障后負(fù)責(zé)計算機(jī)重構(gòu).主備計算機(jī)之間，計算機(jī)與故障監(jiān)控模塊之間通過專用串行總線實(shí)現(xiàn)信息交互，保證故障處理的平穩(wěn)過渡.

當(dāng)部件發(fā)生異常時，由部件重配置模塊來切換相關(guān)的部件，如仍然存在異常，則由同一個處理器切換不同的分支.如果姿態(tài)控制仍然不收斂，則切換另外的處理器.如果當(dāng)前的措施失效，則執(zhí)行RAM軟件中的太陽捕獲模式.必須要說明的是，在PROM中嵌入有最終的安全模式，利用最少的星上設(shè)備來使衛(wèi)星指向太陽.

整個故障切換流程圖如圖3所示.

圖3 EUROSTAR 3000故障安全切換流程Fig.3 Switchover flow chart of fault and safety design of EUROSTAR 3000

3 SPACEBUS 4OOO故障安全設(shè)計

SpaceBus 4000平臺是近幾年開發(fā)的同步軌道衛(wèi)星，代表著國外同步軌道衛(wèi)星的先進(jìn)水平，其首發(fā)星是2005年2月3日發(fā)射的AMC12，亞太-6號衛(wèi)星是該平臺的第二顆衛(wèi)星(發(fā)射時間2005年4月12日).

整星結(jié)構(gòu)框圖［5］如圖4所示.

圖4 SpaceBus 4000整星結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure diagram of satellite SpaceBus 4000

SpaceBus 4000平臺最顯著的特點(diǎn)是采用統(tǒng)一星載計算機(jī)完成姿軌控、能源、有效載荷、熱控、遙控、遙測、展開機(jī)構(gòu)、太陽帆板驅(qū)動機(jī)構(gòu)等的管理.采用雙機(jī)冷備+監(jiān)控重構(gòu)模塊的組成結(jié)構(gòu)，整星電子設(shè)備高度集成，各系統(tǒng)信息交互性得到極大的提高，為整星的故障安全設(shè)計提供了極大的便利.

SpaceBus 4000平臺的故障安全設(shè)計系統(tǒng)分為三個層次，第一個層次是根據(jù)故障影響確定故障等級，第二個層次是在故障等級確定的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同的飛行階段確定不同的故障處理模式，第三個層次是故障處理的記憶及遙測處理.下面對這三個層次分別進(jìn)行詳細(xì)描述:

3.1 故障等級確定

SpaceBus 4000平臺的故障等級一共分為四級，分別為部件級故障、關(guān)鍵性能級故障、計算機(jī)故障和系統(tǒng)級故障.其中4個等級中由應(yīng)用軟件判斷的故障等級為部件級故障及關(guān)鍵性能級故障.由硬件進(jìn)行判斷的故障等級為計算機(jī)故障和系統(tǒng)級故障.下面對該4級故障進(jìn)行詳述:

故障等級1:部件級故障

故障檢測主要由應(yīng)用軟件來完成，其中主要采取如下4種類型的監(jiān)控機(jī)制對各部件進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控:

設(shè)備內(nèi)部檢驗(yàn)(EIC);

數(shù)據(jù)傳輸檢驗(yàn)(DTC);

數(shù)據(jù)連續(xù)性檢驗(yàn)(DCC);

指令連續(xù)性檢驗(yàn)(CCC).

其中各部件需進(jìn)行的監(jiān)控如表1所示.

表1 部件監(jiān)控Tab.1 Monitor items of equipment

在進(jìn)行上述監(jiān)控的前提下，進(jìn)行部件的健康狀態(tài)判斷，并把健康狀態(tài)進(jìn)行存儲.

故障判斷后由星載計算機(jī)的重配置模塊根據(jù)部件的健康狀況進(jìn)行自主切換.

故障等級2:關(guān)鍵性能級

關(guān)鍵性能級的故障檢測主要包括有:

1)蓄電池放電深度;

2)衛(wèi)星姿態(tài)指向及角速度特性、星載計算機(jī)所發(fā)的推力器執(zhí)行情況;

3)溫度監(jiān)控及溫度控制情況.

故障處理主要根據(jù)衛(wèi)星飛行階段來確定.

故障等級3:計算機(jī)故障(包括星載計算機(jī)硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件)

處理器故障檢測主要由硬件來完成，利用2個看門狗來檢測硬件/軟件故障，當(dāng)硬件失效或?qū)?yīng)用軟件無響應(yīng)時產(chǎn)生處理器報警.

當(dāng)發(fā)生該級故障后，由中心重配置單元來產(chǎn)生關(guān)鍵事件序列，這些關(guān)鍵事件包括:

關(guān)閉關(guān)鍵設(shè)備(推進(jìn)系統(tǒng));

應(yīng)用計算機(jī)重配置處理;

更新中心重配置單元狀態(tài)表.

當(dāng)處理器重新啟動時，應(yīng)用軟件根據(jù)中心配置單元狀態(tài)和應(yīng)用軟件在安全存儲區(qū)存儲的信息來重新初始化.同時進(jìn)行計算機(jī)重新配置和應(yīng)用軟件重新初始化.

故障等級4:系統(tǒng)級

系統(tǒng)級故障主要包括太陽出現(xiàn)信號故障、地球出現(xiàn)信號故障、推力器常開及星敏感器輸出異常.這些故障由不同部件中的硬件電路來實(shí)現(xiàn).

故障處理的流程為先由互相獨(dú)立的部件產(chǎn)生不同的報警，然后由星載計算機(jī)的中心重配置單元來接收此故障報警信號，由中心重配置單元根據(jù)故障報警及各部件的健康狀況進(jìn)行系統(tǒng)的重新配置及故障恢復(fù)處理.

3.2 故障處理模式及故障安全策略的制定

在故障等級確定的基礎(chǔ)上，為使衛(wèi)星在不同的飛行階段擁有最優(yōu)的故障安全處理措施，SpaceBus 4000平臺制定了故障安全模式，并根據(jù)故障安全模式制定了相應(yīng)的故障安全策略.

故障安全模式由星上應(yīng)用軟件來進(jìn)行管理，具體模式定義如表2所示.

表2 具體模式定義表Tab.2 Table of definition of specific mode

故障安全模式需要和衛(wèi)星飛行階段相結(jié)合進(jìn)行使用.衛(wèi)星飛行階段必須由地面遙控指令來設(shè)定，具體的飛行階段有:發(fā)射階段、捕獲階段、遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火階段、正常模式地影階段、正常無地影階段.

衛(wèi)星故障安全模式與衛(wèi)星飛行階段的適用關(guān)系如表3所示.

表3 衛(wèi)星故障安全模式與衛(wèi)星飛行階段的適用關(guān)系Tab.3 Applicable relation between failure and safety mode and flight phase of satellite

為更好地進(jìn)行故障安全處理，SpaceBus 4000平臺又根據(jù)不同的故障狀況，制訂了功能各異的故障處理事件序列.星載計算機(jī)在進(jìn)行故障處理時，根據(jù)不同的故障等級、故障模式、及故障安全策略調(diào)用相應(yīng)的故障處理事件序列，以達(dá)到故障處理的最優(yōu)化.

衛(wèi)星故障安全策略的制定原則是首先根據(jù)故障情況，確定所發(fā)生故障的故障等級，然后根據(jù)不同的飛行階段，確定該飛行階段所適用的故障安全模式，在上述信息確定的基礎(chǔ)上，一方面由中心重配置單元按照固定的故障處理邏輯進(jìn)行故障處理及系統(tǒng)重新配置，同時由應(yīng)用軟件調(diào)用相應(yīng)的故障處理事件序列來進(jìn)一步完成故障處理.

3.3 故障處理的記憶及遙測處理

為了便于地面的故障調(diào)查及故障處理，Space-Bus 4000平臺在星載計算機(jī)中采用故障歷史緩存機(jī)制來記憶故障信息及故障處理措施.具體做法是在星載計算機(jī)中專門開辟出故障歷史緩存，用以存儲更加詳細(xì)的故障信息及已完成的故障處理措施.

應(yīng)用軟件在故障歷史緩存中存儲故障歷史報告，該報告包括所發(fā)生故障詳細(xì)信息，以及所執(zhí)行的故障處理措施.故障緩存的空間足夠大，可以存儲多達(dá)上百個故障信息.一旦該緩存已滿，最后緩存位置存儲最新的故障信息.

故障歷史緩存的信息周期性的下載到地面.下載機(jī)制為打包下載，每包包括一個故障歷史報告.

通過上述措施，一方面可以充分利用星上完備的故障處理措施進(jìn)行自主故障處理，同時可以對日后的故障調(diào)查及故障處理帶來極大方便.

4 中國同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計

中國同步軌道衛(wèi)星自1996年東方紅三號衛(wèi)星發(fā)射以來，已經(jīng)在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一系列后續(xù)衛(wèi)星平臺，廣泛應(yīng)用于通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，并先后經(jīng)歷了從國內(nèi)長期運(yùn)營到國外整星出口的飛躍式發(fā)展.中國同步軌道衛(wèi)星的故障安全設(shè)計也是在大量飛行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)，不斷探索，形成了具有自身特色的故障安全設(shè)計.

故障安全設(shè)計的原則是:

1)在任何情況下，都要保證衛(wèi)星的安全;

2)在可能的情況下，盡量不中斷或少中斷衛(wèi)星服務(wù).

故障安全處理的目的是在地面無法干預(yù)時，星上能自主檢測出系統(tǒng)的嚴(yán)重故障，并將控制系統(tǒng)的有關(guān)部件全部切換到健康的備份.

整個控制系統(tǒng)故障可分為三級:部件級故障、計算機(jī)故障和系統(tǒng)級故障.

(1)部件級故障

主要有太陽敏感器太陽出現(xiàn)信號故障、地球敏感器地球出現(xiàn)信號故障、陀螺角速度異常故障、星敏感器姿態(tài)輸出異常、動量輪摩擦力矩過大異常等.部件級的故障主要由應(yīng)用軟件來進(jìn)行判斷，部分部件輔以硬件電路進(jìn)行判斷.

(2)計算機(jī)故障

計算機(jī)由互為冷備的雙份計算機(jī)及應(yīng)急計算機(jī)組成.同時設(shè)置了功能完備的容錯線路，用以對計算機(jī)進(jìn)行故障判斷，并完成計算機(jī)的主備切換及故障處理.

(3)系統(tǒng)級故障

系統(tǒng)級故障主要包括姿態(tài)長時間超差故障、推力器噴氣頻繁故障和關(guān)鍵部件性能異常所導(dǎo)致的系統(tǒng)重構(gòu)的處理.應(yīng)用軟件專門設(shè)置相應(yīng)的恢復(fù)模式進(jìn)行相應(yīng)的處理，以盡量維持對地指向.若恢復(fù)模式無法維持衛(wèi)星正常工作，則轉(zhuǎn)入對日指向的安全模式，以保證衛(wèi)星的安全.

衛(wèi)星在轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)行期間，如果發(fā)生故障使衛(wèi)星姿態(tài)失控，控制系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入故障安全模式，將衛(wèi)星轉(zhuǎn)成－Z軸指向太陽的安全方式(巡航姿態(tài))，維持星上能源及遙測、遙控聯(lián)系.地面進(jìn)行故障分析后，對控制系統(tǒng)進(jìn)行重組，重新捕獲地球，建立正常工作姿態(tài).

衛(wèi)星在同步軌道運(yùn)行期間，若星上出現(xiàn)故障報警，則自動切換至故障恢復(fù)模式，盡量維持對地球的指向，盡量減少衛(wèi)星服務(wù)的中斷.待地面進(jìn)行故障分析確定詳細(xì)的故障處理措施后，由遙控指令恢復(fù)至正常工作模式.

5 同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計的發(fā)展趨勢

綜合國內(nèi)外同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計的發(fā)展情況，同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計有以下3個方面的發(fā)展趨勢:

(1)開發(fā)高性能的空間星載計算機(jī)處理器

星載計算機(jī)處理器是星載計算機(jī)的核心器件，是提升衛(wèi)星故障安全設(shè)計的重要手段.國外新一代的同步軌道衛(wèi)星在開發(fā)高性能、高可靠性的星載計算機(jī)處理器上都有了長足的進(jìn)步，為同步軌道衛(wèi)星的高可靠、長壽命服務(wù)奠定了良好的基礎(chǔ).

(2)廣泛應(yīng)用綜合電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)整星信息綜合處理

國外同步軌道衛(wèi)星廣泛應(yīng)用了綜合電子技術(shù)，即由統(tǒng)一的星載計算機(jī)來完成整星各個分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸及管理，同時星上各個分系統(tǒng)高度集成，各分系統(tǒng)之間可以方便的完成數(shù)據(jù)交換及信息綜合.綜合電子技術(shù)在降低衛(wèi)星體系的復(fù)雜性，節(jié)約衛(wèi)星成本的同時，極大地提高了整星各分系統(tǒng)間信息的綜合利用，對于更有效地完成整星故障判斷、進(jìn)而進(jìn)行有效的故障處理具有非常重要的意義.

(3)由星載計算機(jī)完成衛(wèi)星故障自主處理，并建立有效的故障信息遙測機(jī)制，極大地方便了衛(wèi)星測控管理.

故障自主處理是降低測控管理工作復(fù)雜程度、提高整星在軌服務(wù)可靠性的重要手段.國外新型同步軌道衛(wèi)星都非常重視故障自主處理技術(shù)的發(fā)展并在實(shí)際型號中付諸應(yīng)用，同時積極開發(fā)先進(jìn)的故障信息遙測機(jī)制，將故障自主處理措施進(jìn)行遙測下傳，以方便地面測控人員的故障調(diào)查及后續(xù)處理.

6 結(jié)論

根據(jù)國外衛(wèi)星故障安全設(shè)計的調(diào)研，綜合電子技術(shù)和故障自主處理及故障信息遙測值得國內(nèi)同步軌道衛(wèi)星進(jìn)行借鑒.國內(nèi)同步軌道衛(wèi)星故障安全設(shè)計應(yīng)在綜合電子技術(shù)、故障自主處理及故障信息遙測兩個方面采取積極措施，并對該技術(shù)加以推廣，以提高中國同步軌道衛(wèi)星的可靠性，實(shí)現(xiàn)“快、好、省”設(shè)計目標(biāo).

(1)綜合電子技術(shù)

目前中國同步軌道衛(wèi)星尚未采用綜合電子技術(shù)，各分系統(tǒng)之間的信息融合不夠，無法做到整星信息的綜合利用.在故障安全設(shè)計中，各分系統(tǒng)各自為政，無法做到故障處理的全局優(yōu)化.

建議在后續(xù)的衛(wèi)星平臺設(shè)計中，大力推廣綜合電子技術(shù)，以做到整星信息的綜合處理及綜合利用，提升整星的故障安全設(shè)計水平，提高衛(wèi)星的可靠性.

(2)自主故障處理及故障信息遙測

目前中國同步軌道衛(wèi)星在自主故障處理及故障信息遙測方面也與國外衛(wèi)星存在較大差距，故障分析及處理較多的依賴于地面測控及衛(wèi)星設(shè)計人員，造成人力物力的較大浪費(fèi)，且故障處理周期較長，不利于衛(wèi)星的業(yè)務(wù)運(yùn)行.

建議在今后的故障安全設(shè)計中，衛(wèi)星設(shè)計人員積極關(guān)注衛(wèi)星故障的自主處理及故障信息遙測機(jī)制，提高衛(wèi)星故障處理的自主性及故障信息遙測的便利性.

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