王 妍，蔡 彪，程迎坤

(北京控制工程研究所，北京100094)

大型航天器控制系統(tǒng)健康管理*

王 妍，蔡 彪，程迎坤

(北京控制工程研究所，北京100094)

健康管理技術(shù)在提高航天器安全性、可靠性等方面發(fā)揮了重要作用.由于長期在軌飛行及其可靠性、安全性要求高等方面的特殊性，大型長壽命航天器對健康管理技術(shù)提出了更為迫切的應(yīng)用需求.對國內(nèi)外航天器健康管理技術(shù)進(jìn)行全面系統(tǒng)的調(diào)研分析，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合大型航天器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出一種由器載和地面兩個健康管理子系統(tǒng)構(gòu)成的健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，同時，對該系統(tǒng)進(jìn)行軟件架構(gòu)和方案設(shè)計(jì)，提出兩層次器載健康管理軟件，并設(shè)計(jì)模塊化的軟件架構(gòu).

大型航天器;控制系統(tǒng);器載健康管理;地面健康管理

0 引言

隨著航天器飛行任務(wù)越來越復(fù)雜、在軌壽命越來越長，大型航天器還要長期支持完成各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)，其可靠性安全性要求越來越高，要求航天器必須能夠自主或在地面支持下具備對故障識別、隔離及重構(gòu)的能力.航天器健康管理技術(shù)就是為了提高故障識別、隔離及重構(gòu)能力，從而確保航天器安全穩(wěn)定運(yùn)行而發(fā)展起來的.健康管理是利用各種測量手段獲取系統(tǒng)、分系統(tǒng)及部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)和信息，通過數(shù)據(jù)處理分析對其工作狀態(tài)和性能進(jìn)行判斷，預(yù)測系統(tǒng)工作狀況和趨勢，在故障發(fā)生時，根據(jù)故障處理策略進(jìn)行隔離、重構(gòu)并最大限度使系統(tǒng)恢復(fù)，從而避免航天器的失效.健康管理可以在不依賴地面支持的情況下，由航天器自主在軌完成，也可以由地面健康管理系統(tǒng)完成，也可由器地聯(lián)合完成.

目前，國外已有多個型號進(jìn)行搭載試驗(yàn)，逐漸開展驗(yàn)證和完善系統(tǒng)功能.從表1中可以看出，國外航天器的健康管理系統(tǒng)從單一的故障診斷工具應(yīng)用向集成硬件、軟件、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障預(yù)測、故障診斷和故障修復(fù)為一體的航天器集成健康管理系 統(tǒng) (integrated vehicle health management，IVHM)發(fā)展.

表1 航天器健康管理技術(shù)對比分析Tab.1 Comparative analysis of health management for spacecraft

航天飛機(jī)的試驗(yàn)主要是為了能減少返回地面后維修的操作，是以通過檢測飛行數(shù)據(jù)，預(yù)測系統(tǒng)性能和部件壽命來實(shí)現(xiàn).在深空一號里，還沒有健康管理系統(tǒng)的概念，只是應(yīng)用了Livingstone作為診斷工具，在探測器的遠(yuǎn)程代理試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)模式識別和系統(tǒng)重構(gòu)的功能，既可以保證延長航天器壽命的需求，也對Livingstone軟件進(jìn)行驗(yàn)證［1］.由于對地觀測一號衛(wèi)星科學(xué)數(shù)據(jù)采集與Livingstone2的模型有密切關(guān)系，對地觀測一號衛(wèi)星首次應(yīng)用了升級后的 Livingstone2軟件進(jìn)行故障診斷功能［2］.自X-33起，航天器逐漸走向了飛行器健康管理(vehicle health management，VHM)系統(tǒng)概念［3］，X-33以驗(yàn)證硬件為主要目標(biāo)，包含傳感器、健康管理終端、光纖傳感系統(tǒng)等，X-33的健康管理計(jì)算機(jī)VME沒有添加診斷軟件，而主要以處理傳感器信息、記錄監(jiān)視數(shù)據(jù)為目的.以X-33的這種硬件組成及功能結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的VHM系統(tǒng)在隨后的X-34、X-37等項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證和發(fā)展，IVHM技術(shù)從概念到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、硬件組成等方面也有了完善和提高.如X-34在搭載的PITEX試驗(yàn)中［4］對硬件升級，解決X-33中傳感器噪聲大等缺陷問題，同時X-34采用確定故障注入的方式對Livingstone診斷功能進(jìn)行驗(yàn)證，并試驗(yàn)了Livingstone軟件升級后計(jì)算機(jī)占用問題.X-37試驗(yàn)了IVHM，IVHM軟件與飛行控制程序同時運(yùn)行在一臺控制計(jì)算機(jī)上，這與其他X-型號單獨(dú)運(yùn)行一臺健康管理計(jì)算機(jī)有很大區(qū)別［5］.

國內(nèi)也積極開展了航天器健康管理技術(shù)的研究.北京控制工程研究所研制了衛(wèi)星控制系統(tǒng)實(shí)時故障診斷專家系統(tǒng)原型SCRDES;哈爾濱工業(yè)大學(xué)飛行器動力學(xué)與控制研究所應(yīng)用Livingstone診斷工具，對基于模型的航天器故障檢測與診斷技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的研究［6］;國防科技大學(xué)在對衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)時故障診斷能力需求進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，深入研究TEAMS.RT實(shí)時故障診斷算法［7］.

本文在對國內(nèi)外衛(wèi)星和航天器健康管理技術(shù)進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合未來大型航天器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行控制系統(tǒng)健康管理技術(shù)研究.

1 大型航天器健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究

為保證航天器長期運(yùn)行的可靠性和安全性，要求控制系統(tǒng)不僅具備地面輔助決策支持功能實(shí)現(xiàn)地面健康管理，而且還應(yīng)具備自主飛行過程中關(guān)鍵緊急情況下的自主健康管理能力.即大型航天器控制系統(tǒng)健康管理由地面健康管理系統(tǒng)和器載自主健康管理系統(tǒng)兩部分組成，二者相輔相成，互為補(bǔ)充.

大型航天器控制系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)主要功能如下:

1)完成分系統(tǒng)各單機(jī)級別故障及健康狀態(tài)采集、監(jiān)測;

2)完成分系統(tǒng)級別故障及健康狀態(tài)采集、監(jiān)測;

3)完成單機(jī)、分系統(tǒng)級別故障及健康狀態(tài)評估;

4)完成單機(jī)、分系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)和狀態(tài)遙測下行;

5)完成在軌自主故障隔離、系統(tǒng)重構(gòu)或降級;

6)地面健康管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線和離線復(fù)雜推理、預(yù)測及地面對于航天器的人為干預(yù)和決策.

本文基于一種可行的大型航天器控制系統(tǒng)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1)，給出控制系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu).

圖1 大型航天器控制系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭DFig.1 Control system topology diagram

1.1 健康管理系統(tǒng)組成

大型航天器控制系統(tǒng)健康管理由器載自主健康管理子系統(tǒng)和地面健康管理子系統(tǒng)兩部分組成，如圖2～3所示.

圖2 器載健康管理系統(tǒng)組成示意圖Fig.2 Structure of onboard health management system

圖3 地面健康管理系統(tǒng)組成示意圖Fig.3 Structure of grand-based health management system

1.1.1 器載自主健康管理子系統(tǒng)

器載自主健康子系統(tǒng)由健康信息獲取及數(shù)據(jù)處理、故障診斷預(yù)測及失效預(yù)測、健康狀態(tài)評估、健康管理對策等子模塊組成.

1)健康信息獲取及數(shù)據(jù)處理

通過各種測量手段獲得來自各部件及控制模塊運(yùn)算的分系統(tǒng)過程數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，傳輸給下一階段用于分析和評價.

2)故障診斷預(yù)測及失效預(yù)測

獲得健康信息后，通過一定的故障與失效預(yù)報和診斷算法，完成控制系統(tǒng)的故障預(yù)測和診斷.預(yù)報和診斷結(jié)果可以傳回地面健康管理子系統(tǒng)，同時也傳輸至健康評估模塊.非緊急情況下，可由地面支持確定后續(xù)處理，在允許自主處理的情況下，可由控制器自主完成相應(yīng)處理.

3)健康狀態(tài)評估

通過健康信息分析診斷出故障或預(yù)測出某部件即將失效后，要對控制系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行及時評估，分析該故障導(dǎo)致的后續(xù)影響或者即將失效的部件帶來的后果.在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)多種可能的故障處理與失效對策.

4)健康管理對策

健康管理對策是自主健康管理的最終執(zhí)行步驟，通過健康評估，確定最合理的維護(hù)策略，即采取哪些操作與何時執(zhí)行.一般來講，控制系統(tǒng)的健康管理對策可分為三類:一類是對于故障部件簡單進(jìn)行隔離，系統(tǒng)不再引入故障部件信息;第二類是依據(jù)系統(tǒng)冗余資源配置，實(shí)現(xiàn)部件及系統(tǒng)的降級或重構(gòu);第三類是則借助于航天員實(shí)現(xiàn)對于故障部件或預(yù)期壽命到期部件的在軌更換.上述三類健康管理對策在實(shí)施過程中一定程度上需要借助航天員或航天器控制系統(tǒng)之外的其他系統(tǒng)配合完成.

通過上述流程，大型航天器控制系統(tǒng)器載自主健康管理子系統(tǒng)能夠從獲取信息入手，通過處理、分析與評估，獲得當(dāng)前控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)，并制定且執(zhí)行相應(yīng)的管理和維護(hù)策略，使得控制系統(tǒng)保持正常的工作狀態(tài)，或由故障狀態(tài)恢復(fù)正常工作狀態(tài)，亦或保持工作在一定的降級工作模式.

1.1.2 地面健康管理子系統(tǒng)

地面健康管理子系統(tǒng)基于以太網(wǎng)建立，主要由健康管理控制站、預(yù)測診斷推理機(jī)、健康評估管理機(jī)、狀態(tài)監(jiān)測與自動判讀系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)庫中心組成.

1)健康管理控制站完成對下行遙測(含器載健康管理子系統(tǒng)遙測)信息的收集并存入數(shù)據(jù)庫中心;控制站具備與航天器地面飛行控制和管理系統(tǒng)的良好人機(jī)接口，可以輔助地面指揮控制人員有效參與并實(shí)現(xiàn)人在回路的管理和控制，從而提高飛行可靠性和任務(wù)完成率.

2)預(yù)測診斷推理機(jī)可以集成在健康管理控制站中，也可獨(dú)立運(yùn)行，結(jié)合實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，采用多種故障診斷方法實(shí)現(xiàn)離線或在線故障預(yù)測和診斷.

3)健康評估管理機(jī)功能與器載健康評估和健康管理對策的功能基本一致，可集成于控制站或獨(dú)立運(yùn)行，根據(jù)預(yù)測和診斷結(jié)果，結(jié)合地面人為干預(yù)，可形成對于部件或控制系統(tǒng)的隔離、重構(gòu)和更換對策.

4)地面數(shù)據(jù)庫中心可存儲所有健康管理數(shù)據(jù)及推理預(yù)測和評估管理結(jié)果，以便進(jìn)行事后診斷，完成歷史數(shù)據(jù)積累.

1.2 健康管理系統(tǒng)物理實(shí)現(xiàn)

大型航天器控制系統(tǒng)器載自主健康管理子系統(tǒng)在功能上為一獨(dú)立系統(tǒng)，在物理實(shí)現(xiàn)上，為盡量避免因增加獨(dú)立設(shè)備對飛行器復(fù)雜性及額外重量功耗代價，器載自主健康管理子系統(tǒng)擬與控制系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，即飛行控制任務(wù)軟件與健康管理子系統(tǒng)軟件共同駐留于控制計(jì)算機(jī)中，同時運(yùn)行，互不影響;單元或設(shè)備級故障診斷采用部件BIT板卡或在部件中內(nèi)嵌BIT電路的方式實(shí)現(xiàn).可利用控制系統(tǒng)內(nèi)部多冗余度任務(wù)總線實(shí)現(xiàn)健康管理信息傳輸.

控制系統(tǒng)地面健康管理子系統(tǒng)可與航天器飛行控制和管理系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，也可獨(dú)立于飛行控制和管理系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì).由于地面系統(tǒng)相對于器載控制器沒有較強(qiáng)的軟硬件資源約束，地面健康管理子系統(tǒng)的故障診斷和預(yù)測方法可以集成多種方法，比如基于模型的方法、基于專家系統(tǒng)的方法、基于綜合人工智能的推理方法等，并且在具體實(shí)施過程中，可以根據(jù)系統(tǒng)需要拓展出多個預(yù)測診斷推理機(jī)、健康評估管理機(jī)以及監(jiān)測和自動判讀中斷設(shè)備.地面各設(shè)備間擬通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信.地面健康管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中心獨(dú)立運(yùn)行于數(shù)據(jù)庫計(jì)算機(jī)中，可以分類存儲和管理實(shí)時或歷史的器載遙測和健康信息，各終端可以訪問和維護(hù)數(shù)據(jù)庫，以實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中心的不斷優(yōu)化和改進(jìn).

2 器載自主健康管理軟件開發(fā)方案研究

2.1 軟件功能模塊

對于地面健康管理子系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)庫和自動判讀系統(tǒng)均可以采用商用成熟的軟件，其核心則是故障預(yù)測診斷以及健康評估管理，而且隨著目前基于模型和基于信號處理的診斷方法以及基于綜合人工智能的專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等故障診斷技術(shù)的不斷發(fā)展，在地面健康管理系統(tǒng)中應(yīng)用此類技術(shù)已經(jīng)較為普遍和成熟.所以不再對地面健康管理子系統(tǒng)的軟件開發(fā)進(jìn)行詳述，只針對器載自主健康管理子系統(tǒng)的軟件開發(fā)方案進(jìn)行分析.

對大型航天器控制系統(tǒng)來說，其器載自主健康管理可以分為單機(jī)和分系統(tǒng)兩個層次.設(shè)計(jì)上采取集中—分布式結(jié)構(gòu)，即在較低層次的單機(jī)層面，各單機(jī)利用機(jī)內(nèi)自測試(BIT)機(jī)制實(shí)現(xiàn)自身健康狀態(tài)獲取和管理，通過一定的BIT方法實(shí)現(xiàn)故障檢測和診斷.各單機(jī)將BIT結(jié)果傳輸至較高層次的分系統(tǒng)控制器，在分系統(tǒng)層面實(shí)現(xiàn)集中式故障診斷、預(yù)測和決策.一般來講，單機(jī)級BIT可以通過一定的軟硬件檢測手段不僅實(shí)現(xiàn)自身硬件如CPU、RAM、ROM、電源狀態(tài)等檢測，在飛行過程也可通過一定的軟件算法實(shí)現(xiàn)對自身產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時檢測和預(yù)診斷.在分系統(tǒng)層面，集中式故障診斷、預(yù)測和健康評估及管理通常依靠分系統(tǒng)自主健康管理軟件實(shí)現(xiàn).

自主健康管理系統(tǒng)軟件是其核心，它除了負(fù)責(zé)完成如本文圖2中所包含的數(shù)據(jù)處理分析、故障和失效預(yù)測及診斷、健康狀態(tài)評估、健康管理及決策等基本功能外，還應(yīng)具備與航天器控制系統(tǒng)控制軟件匹配運(yùn)行的功能.為了盡可能的提高軟件的兼容性，可在一個基本框架的基礎(chǔ)上利用模塊化思想將自主健康管理系統(tǒng)軟件的各個功能、算法以及模型進(jìn)行封裝，并提供統(tǒng)一的對外接口，其開放式模塊化的優(yōu)點(diǎn)可以較好地與控制系統(tǒng)控制軟件融合.

2.2 軟件任務(wù)調(diào)度

以本文提到的大型航天器控制系統(tǒng)為例，該控制系統(tǒng)軟件基于實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括實(shí)時操作系統(tǒng)內(nèi)核、板級支持包和系統(tǒng)服務(wù).自主健康管理軟件則屬于系統(tǒng)服務(wù)之一，基于其模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，在工程實(shí)現(xiàn)上可將自主健康管理軟件作為單獨(dú)一個任務(wù)或按照功能分類將其劃分為多個任務(wù)，也可將其不同的子模塊分別嵌入控制系統(tǒng)的其他任務(wù)之中.若采取劃分為多個任務(wù)或嵌入在不同的任務(wù)之中的方法，那么對每一個子模塊應(yīng)進(jìn)行合理封裝，并提供合理的對外接口，以便與其他任務(wù)進(jìn)行匹配和相互調(diào)用.

軟件的任務(wù)調(diào)度策略采用固定優(yōu)先級的調(diào)度策略.優(yōu)先級高的任務(wù)被實(shí)時處理，各任務(wù)的啟動由設(shè)定的時間依次觸發(fā)，如果在各個任務(wù)在分配好的時間片內(nèi)未執(zhí)行完，則被強(qiáng)行終止，并記錄超時一次.在分配好的時間片內(nèi)任務(wù)提前完成，而下一任務(wù)的起始時刻還未到來，則啟動空閑任務(wù)，當(dāng)下一任務(wù)起始時刻到來后，則啟動下一任務(wù).

針對大型航天器控制系統(tǒng)，一種可行的任務(wù)劃分示意圖如圖4所示.控制系統(tǒng)控制周期為480 ms，軟件共劃分8個任務(wù)，任務(wù)1優(yōu)先級最高，任務(wù)8優(yōu)先級最低.自主健康管理軟件中的數(shù)據(jù)處理與分析模塊占用任務(wù)3，而故障預(yù)測診斷、健康評估、健康管理決策等模塊則分別嵌入在任務(wù)4和任務(wù)5中，并有機(jī)地與控制軟件中的控制任務(wù)和系統(tǒng)管理任務(wù)等結(jié)合起來.

圖4 一種可行的大型航天器控制系統(tǒng)軟件任務(wù)劃分Fig.4 A feasible control system software task partition

2.3 軟件開發(fā)方式

軟件系統(tǒng)為開放式的體系結(jié)構(gòu)，在開發(fā)模式上，自主健康管理系統(tǒng)軟件開發(fā)模式采用軟件工程思想，首先對健康管理的功能需求提出一個詳盡的用戶需求，然后根據(jù)軟件工程方法，將各個功能子模塊的需求分析轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的小模塊，最后采用組件化的而技術(shù)對各個小模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn).該方案的優(yōu)點(diǎn)是采用這種方案開發(fā)出來的軟件系統(tǒng)，它的可靠性、可維護(hù)性以及可測試性都非常的好，這對于進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)自身的高可靠性是非常必要的.另外，針對控制系統(tǒng)不同的故障模式可以不嚴(yán)格區(qū)分其故障預(yù)測和診斷方法，各個診斷方法以組件的形式提供.例如基于模型的故障方法只設(shè)計(jì)一個組件，可供在不同的需求中進(jìn)行調(diào)用，這樣系統(tǒng)的規(guī)模將大大減小，提高了系統(tǒng)效率.同時，這種健康管理系統(tǒng)的可重復(fù)性非常好，對于再開發(fā)類似航天器的健康管理系統(tǒng)將極大的減少成本.

3 結(jié)論

本文對國內(nèi)外航天器的健康管理技術(shù)進(jìn)行調(diào)研分析，結(jié)合大型航天器控制系統(tǒng)的需求，提出一種可適用的健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，由器載健康管理和地面健康管理兩個子系統(tǒng)構(gòu)成，并對其軟件開發(fā)方案進(jìn)行研究，提出了器載健康管理軟件分為單機(jī)和分系統(tǒng)兩個層次，按照功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，對我國未來大型航天器控制系統(tǒng)健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考和借鑒意義.pulsion IVHM technology experiment［D］.NASA/CR-2006-214238，2006.

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Health Management for Large Spacecraft Control System

WANG Yan，CAI Biao，CHENG Yingkun
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094)

Health management technology has been widely accepted and adopted due to its outstanding performances in vehicles safety and reliability.Based on the extraordinary requirements in safety and reliability，the requirements of independent health management for large long life manned spacecraft are becoming more and more stringent.The domestic and foreign health management technologies are comprehensive researched.Based on the previous research，an applicable health management system is designed combined with the large spacecraft control system，which is composed of onboard subsystem and grandbased subsystem.Its software development scheme is investigated.Onboard health management software is divided into two levels including unit and subsystem，and carried out in accordance with the function of modular design.

large spacecraft;control system;onboard health management;grand-based health management

V423.7

:A 文章編號:1674-1579(2016)05-0042-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.05.008

王 妍(1986—)，女，工程師/碩士，研究方向?yàn)檩d人航天器導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證;蔡 彪(1980—)，男，高級工程師，研究方向?yàn)楹教炱髦茖?dǎo)、導(dǎo)航與控制以及航天器自主健康管理;程迎坤(1981—)，女，高級工程師，研究方向?yàn)楹教炱髦茖?dǎo)、導(dǎo)航與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.

*國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61503024).

2016-07-20