楊海峰 張發(fā)家 劉吉霞 刁奇

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264003）

1 引言

衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)間工作于復(fù)雜的太空環(huán)境中，雖然在研制過(guò)程中采用了先進(jìn)的管理手段和高質(zhì)量的軟硬件技術(shù)，但不可避免地還會(huì)出現(xiàn)在軌故障。在軌故障的發(fā)生，造成衛(wèi)星性能下降，功能喪失，甚至報(bào)廢，影響了衛(wèi)星的壽命與應(yīng)用，給用戶帶來(lái)不可估量的損失。整理、總結(jié)這些故障信息，分析其變化趨勢(shì)，比較不同衛(wèi)星的故障模式及其差異，對(duì)于發(fā)現(xiàn)該類衛(wèi)星的薄弱環(huán)節(jié)，提高衛(wèi)星設(shè)計(jì)水平，驗(yàn)證衛(wèi)星的可靠性增長(zhǎng)等具有重要意義［1］，因此，進(jìn)行故障診斷和對(duì)策技術(shù)研究十分重要［2］。在衛(wèi)星仿真軟件領(lǐng)域，目前已有美國(guó)的飛行器仿真系統(tǒng)SPASIM、歐洲EurnSim 仿真平臺(tái)等商業(yè)軟件，但這些軟件價(jià)格昂貴，而且由于技術(shù)秘密和商業(yè)秘密等原因，還不能應(yīng)用于國(guó)內(nèi)衛(wèi)星仿真與故障驗(yàn)證工作。本文提出了一種適用于衛(wèi)星在軌故障定位、分析和解決方案驗(yàn)證的全數(shù)字仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。

2 衛(wèi)星故障分析

在全數(shù)字仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)衛(wèi)星在軌故障信息進(jìn)行分析，以對(duì)衛(wèi)星在軌故障的可仿真性與仿真方式提供依據(jù)，并作為全數(shù)字仿真的基本輸入信息，為故障解決方案的構(gòu)建提供思路。

2．1 故障危害分析

根據(jù)故障危害的程度，衛(wèi)星故障可以分為災(zāi)難性故障、關(guān)鍵性故障、非主要故障和輕度故障四級(jí)，具體說(shuō)明如下：

（1）災(zāi)難性故障。導(dǎo)致航天器分系統(tǒng)功能喪失或基本喪失，進(jìn)而使衛(wèi)星任務(wù)失敗或出現(xiàn)不可接受的任務(wù)降級(jí)，工作壽命嚴(yán)重減少，造成人員傷亡，財(cái)產(chǎn)重大損失的故障。

（2）關(guān)鍵性故障。導(dǎo)致航天器分系統(tǒng)性能下降或分系統(tǒng)功能喪失，影響或部分影響有效載荷任務(wù)的完成，處理后可以保障部分任務(wù)完成的故障。

（3）非主要故障。分系統(tǒng)設(shè)備（部、組件）主要功能退化或喪失，通過(guò)地面控制或系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備重組，不影響分系統(tǒng)完成功能，或設(shè)備失去備份的故障。

（4）輕度故障。相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備出現(xiàn)異常，但不影響分系統(tǒng)性能，經(jīng)過(guò)地面控制，即可恢復(fù)其功能、性能的故障。

對(duì)衛(wèi)星各種在軌故障危害程度進(jìn)行分類，便于進(jìn)行故障原因分析、仿真程度確認(rèn)和仿真方法制定。災(zāi)難性故障發(fā)生的原因及其復(fù)雜，機(jī)理難以描述，只進(jìn)行現(xiàn)象仿真；關(guān)鍵性故障與非主要性故障，發(fā)生原因比較復(fù)雜，機(jī)理描述難度較大，但對(duì)衛(wèi)星的運(yùn)行影響大，需要進(jìn)行深入仿真；輕度故障，發(fā)生原因簡(jiǎn)單，機(jī)理清楚，進(jìn)行機(jī)理性的真實(shí)仿真。

2．2 故障級(jí)別分析

依據(jù)衛(wèi)星的構(gòu)成［3］，衛(wèi)星在軌故障可分為整星級(jí)故障、分系統(tǒng)級(jí)故障與單機(jī)設(shè)備級(jí)故障三種：

（1）整星級(jí)故障。對(duì)整星造成影響，衛(wèi)星功能部分或全部喪失，一般都是災(zāi)難性故障，如衛(wèi)星在壽命期內(nèi)失去電源［4］等。

（2）分系統(tǒng)級(jí)故障。發(fā)生在衛(wèi)星的某分系統(tǒng)，使分系統(tǒng)的部分功能喪失，如遙測(cè)故障［5］等。

（3）單機(jī)設(shè)備故障。發(fā)生在衛(wèi)星的某單機(jī)設(shè)備，使設(shè)備的全部或部分功能喪失，如熱控分系統(tǒng)中的加熱器故障［6］等。

分析故障發(fā)生部位的信息，確定故障模型與仿真模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可為構(gòu)建通用全數(shù)字衛(wèi)星在軌故障仿真平臺(tái)架構(gòu)，故障仿真輸入信息包設(shè)計(jì)，以及故障的仿真程度與仿真方式提供依據(jù)。

3 故障全數(shù)字仿真設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌故障全數(shù)字仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)和開發(fā)的目的，是為了提供仿真衛(wèi)星在軌故障現(xiàn)象和執(zhí)行故障解決策略。仿真平臺(tái)依據(jù)衛(wèi)星工作機(jī)理和故障模式來(lái)構(gòu)建，生成符合衛(wèi)星在軌故障發(fā)生和排除過(guò)程的遙測(cè)數(shù)據(jù)信息，包括平臺(tái)框架、故障注入信息、故障仿真等模塊的設(shè)計(jì)。

3．1 仿真平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)中，首先依據(jù)衛(wèi)星功能及用戶需求構(gòu)建基本模塊。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合故障模型形成仿真平臺(tái)框架。由于衛(wèi)星的差異和新故障的產(chǎn)生，仿真平臺(tái)框架的設(shè)計(jì)應(yīng)具備可擴(kuò)展性。

本仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用了面向?qū)ο蟆?shù)據(jù)庫(kù)和可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）等軟件技術(shù)，圖1通過(guò)統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）的組件圖描述了總體框架。仿真平臺(tái)的各部分都設(shè)計(jì)為獨(dú)立功能模塊，每一個(gè)功能模塊都用一個(gè)組件來(lái)描述，組件通過(guò)動(dòng)態(tài)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，組件間通過(guò)接口和主應(yīng)用程序模塊進(jìn)行信息交互以避免產(chǎn)生直接依賴關(guān)系，這樣可提高仿真平臺(tái)的通用性、可靠性和可擴(kuò)展性。

圖1 仿真平臺(tái)組件圖Fig．1 Component diagram of simulator platform

經(jīng)過(guò)對(duì)仿真平臺(tái)功能的分析，將其劃分為衛(wèi)星模型（包括遙控、遙測(cè)、跟蹤、熱控、供配電、有效載荷、數(shù)管等子／分系統(tǒng)等組件），功能模塊（包括主應(yīng)用程序、故障設(shè)置、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等組件）、對(duì)外接口等。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)外接口進(jìn)行外部信息交互，功能模塊和衛(wèi)星模型動(dòng)態(tài)庫(kù)進(jìn)行用戶所需信息的仿真。

3．2 故障注入信息設(shè)計(jì)

根據(jù)故障通用屬性信息編制，故障注入信息應(yīng)全面涵蓋衛(wèi)星故障仿真所需的輸入條件。

3．2．1 故障注入信息格式設(shè)計(jì)

由于平臺(tái)的通用性，故障注入信息必須采用通用格式，通過(guò)對(duì)故障的通用屬性信息的分析與總結(jié)，對(duì)故障注入信息數(shù)據(jù)塊做如下的編制約定：

（1）將故障依據(jù)故障屬性進(jìn)行分級(jí)。

（2）對(duì)每一個(gè)故障編號(hào)，并且每個(gè)故障編號(hào)是唯一的。

（3）故障編號(hào)由大寫字母與數(shù)字和點(diǎn)組成，長(zhǎng)度不超過(guò)30byte。

衛(wèi)星信息表示衛(wèi)星的名稱，如“XX 衛(wèi)星”；分系統(tǒng)代號(hào)表示該故障發(fā)生的分系統(tǒng)，如“熱控分系統(tǒng)”；故障類型有四級(jí)，如“關(guān)鍵性故障”等；故障代號(hào)為故障的順序號(hào)，如“001”等。

不同類型故障的屬性和狀態(tài)各不相同，其屬性與狀態(tài)信息記錄在XML［7］文件。

3．2．2 故障注入信息塊設(shè)計(jì)采用XML編輯故障輸入信息，具體格式如下：

3．3 故障信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)故障仿真功能實(shí)現(xiàn)的需要，采用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)記錄仿真平臺(tái)接收到的故障注入信息塊，并設(shè)計(jì)故障分配信息表、故障仿真信息表、故障設(shè)置信息表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表［8-9］，它們稱為故障信息表，為仿真模型提供故障信息的輸入與存取。

（1）故障分配信息表。記錄故障注入的基本信息，用于解析后的故障注入信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)的分系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

（2）故障仿真信息表。記錄故障仿真信息，用于仿真時(shí)設(shè)置仿真的具體狀態(tài)。

（3）故障設(shè)置信息表。記錄故障仿真中對(duì)于模型進(jìn)行修改的規(guī)則。

3．4 衛(wèi)星故障仿真的設(shè)計(jì)

衛(wèi)星故障仿真過(guò)程設(shè)計(jì)如下：按照故障模型接收用戶的故障信息注入，進(jìn)行衛(wèi)星故障現(xiàn)象仿真；接收并執(zhí)行用戶注入的故障解決方案，將故障現(xiàn)象及故障解決過(guò)程以遙測(cè)參數(shù)值的形式顯示于平臺(tái)界面，為用戶提供了故障分析、故障解決方案的制定與驗(yàn)證。具體流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星故障全數(shù)字仿真流程圖Fig．2 Flow chart for simulating faults of satellite

在衛(wèi)星故障仿真過(guò)程中，首先把規(guī)定格式的故障信息注入仿真臺(tái)。仿真平臺(tái)對(duì)該信息進(jìn)行綜合解析，解析后的故障信息發(fā)送到分系統(tǒng)的故障仿真模塊；仿真模塊接收到后，調(diào)用故障仿真模型，仿真所需衛(wèi)星故障狀態(tài)，并通過(guò)遙測(cè)下傳衛(wèi)星故障信息；用戶分析遙測(cè)數(shù)據(jù)，制定故障解決方案并向仿真平臺(tái)輸入，進(jìn)行故障解決方案驗(yàn)證；仿真平臺(tái)接收故障解決方案，仿真故障解決的過(guò)程和結(jié)果，并遙測(cè)下傳故障解決方案，驗(yàn)證其正確性。

4 故障仿真過(guò)程示例

以某通信衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的蓄電池組溫度／電壓控制（T／V）曲線充電自控功能失效故障為例，進(jìn)行故障仿真過(guò)程演示。圖3顯示了衛(wèi)星出影后蓄電池組T／V曲線充電自控功能失效故障注入前、注入后及故障解決方案注入后的相關(guān)衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)值的變化。

圖3 故障仿真與預(yù)案驗(yàn)證過(guò)程Fig．3 Process of fault simulating and resolution validating

設(shè)終止充電電壓為40．14V，注入T／V曲線充電自控功能失效故障，仿真衛(wèi)星出影后狀態(tài)。

在正常仿真狀態(tài)下，衛(wèi)星出影后，蓄電池進(jìn)入充電狀態(tài)，在蓄電池（A＋B）組的電壓V1小于充電終止電壓V0（V0＝40．14V）時(shí)蓄電池處于倍流（充電電流Ⅰ＝3．29A）充電狀態(tài)，充電開關(guān)Z 的A、B、C三路均閉合，如圖3（a）所示；V1隨著蓄電池充電電量P的增加而增加，當(dāng)V1＞V0時(shí)充電開關(guān)Z的B、C兩路斷開，蓄電池進(jìn)入涓流充電狀態(tài)（Ⅰ＝0．29A）繼續(xù)充電直到蓄電池充滿為止。在V1＜V0時(shí)注入T／V曲線充電自控功能失效故障后，進(jìn)入蓄電池故障仿真狀態(tài)，當(dāng)充電到V1＞V0時(shí)，蓄電池組未進(jìn)入涓流充電狀態(tài)（Ⅰ＝3．29A），充電開關(guān)全部閉合，如圖3（b）所示。此時(shí)，以指令的形式給仿真平臺(tái)注入解決方案，蓄電池組終止倍流充電，轉(zhuǎn)入涓流充電的狀態(tài)（Ⅰ＝0．29A），充電開關(guān)B、C 斷開，蓄電池組狀態(tài)恢復(fù)正常充電狀態(tài)，該故障仿真與預(yù)案驗(yàn)證結(jié)束，如圖3（c）所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究表明，衛(wèi)星故障持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，任務(wù)損失的可能性就越大［10］，盡早處理故障，有利于衛(wèi)星任務(wù)的完成。本文設(shè)計(jì)的全數(shù)字在軌故障仿真平臺(tái)，在實(shí)際使用中，可進(jìn)行在軌故障的輔助分析與定位、故障解決預(yù)案的驗(yàn)證，并為衛(wèi)星操作人員提供熟悉衛(wèi)星故障及解決故障操作流程的演練環(huán)境，提高了衛(wèi)星故障解決的效率和安全性。在以后的研究工作中，衛(wèi)星在軌故障仿真平臺(tái)將繼續(xù)增加圖像和三維圖形顯示功能，提高人機(jī)交互能力和制定故障解決預(yù)案的效率，進(jìn)一步提高故障仿真的真實(shí)性與通用性，以驗(yàn)證更完善的故障解決預(yù)案和適用于更多的衛(wèi)星平臺(tái)。

（References）

［1］趙海濤，張?jiān)仆畺|方紅三號(hào)系列衛(wèi)星在軌故障統(tǒng)計(jì)分析［J］．航天器工程，2007，16（1），33-37

Zhang Haitao，Zhang Yuntong．Statistical analysis of DFH-3serial satellites failure［J］．Spacecraft Engineering，2007，16（1）：33-37（in Chinese）

［2］張新邦，索旭華．衛(wèi)星故障診斷技術(shù)［C］／／2001全國(guó)仿真技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議．北京：中國(guó)計(jì)算機(jī)用戶協(xié)會(huì)，2001

Zhang Bangxin，Suo Xunhua．Technique for diagnosing satellite failure［C］／／2001 Academic Conference for Simulation Technique．Beijing：China Computer Users Association，2001：213-215（in Chinese）

［3］譚維熾，胡金剛．航天器系統(tǒng)工程［M］．2版．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社．2009

Tan Weichi，Hu Jingang．Spacecraft systems engineering［M］．2nd ed．Beijing：China Science and Technology Press，2009（in Chinese）

［4］Caceres M．Satellites and launches trend down［J］．Aerospace America，2004，42（1）：18-20

［5］張彥鐸，姜興渭，黃文虎．衛(wèi)星遙測(cè)系統(tǒng)故障仿真與報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2002，22（3）：186-189

Zhang Yanduo，Jiang Xinwei，Huang Wenhu．Design of satellite TM system for fault simulator and alarm［J］．Journal of Vibration，Measurement ＆Diagnosis，2002，22（3）：186-189（in Chinese）

［6］何治，許曉東，趙啓偉．一種衛(wèi)星飛行模擬器的熱控分系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)［J］．航天器工程，2011，20（1）：82-87

He Zhi，Xu Xiaodong，Zhao Qiwei．Design of thermal control subsystem for flying satellite simulator［J］．Spacecraft Engineering，2011，20（1）：82-87（in Chinese）

［7］Darid Hunter．XML 入門經(jīng)典［M］．4 版．吳文國(guó)，譯．北京：清華大學(xué)出版社，2009

Hunter D．Beginning XML［M］．4th ed．Wu Wenguo，translated．Beijing：Tsinghua University Press，2009（in Chinese）

［8］Nicolai M Josuttis．C＋＋標(biāo)準(zhǔn)程序庫(kù)［M］．侯捷，孟巖，譯．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002

Josuttis N M．The C＋＋standard library［M］．Hou Jie，Meng Yan，translated．Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2002（in Chinese）

［9］Jeff Prosise．MFC Windows程序設(shè)計(jì)［M］．2版．北京博彥科技發(fā)展有限公司，譯．北京：清華大學(xué)出版社，2001

Prosise J．MFC Windows program［M］．2nd ed．Beyord Soft Corporation，translated．Beijing：Tsinghua University Press，2009（in Chinese）

［10］Rrook R S，David L A．A survey of serviceable spacecraft failures，AIAA-2001-4540［R］． Washington：AIAA，2001