朱劍冰 何熊文 汪路元 苗蕾 竇鈉

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

基于遙測遙控包應(yīng)用標準的星載狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

朱劍冰 何熊文 汪路元 苗蕾 竇鈉

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

為解決我國衛(wèi)星星載健康狀態(tài)監(jiān)測中存在用戶需求不統(tǒng)一、軟件代碼復(fù)用率低和監(jiān)視規(guī)則修改不靈活等問題，文章研究了遙測遙控包應(yīng)用標準（PUS）中相關(guān)的星載監(jiān)視業(yè)務(wù)、事件報告業(yè)務(wù)和事件動作業(yè)務(wù)，分析了其間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并基于PUS標準設(shè)計了一套在軌實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用實時的遙測數(shù)據(jù)和星上狀態(tài)監(jiān)視規(guī)則完成衛(wèi)星健康監(jiān)測，具有較強的靈活性和通用性，并已在某原理樣機中得到實現(xiàn)。此系統(tǒng)可為后續(xù)型號星載健康管理功能設(shè)計與實現(xiàn)提供參考。

遙測遙控包應(yīng)用標準；在軌衛(wèi)星；實時監(jiān)測；監(jiān)視規(guī)則

1 引言

遙測數(shù)據(jù)是判斷衛(wèi)星工作是否正常的一項重要手段［1］，傳統(tǒng)的衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)視都是采用“衛(wèi)星下傳遙測＋地面判斷處理＋上注異常處理指令”的方式來完成的［2］。這種傳統(tǒng)處理方式存在較大的時間延遲，尤其在低軌衛(wèi)星上表現(xiàn)更為明顯（因為低軌衛(wèi)星境外時間無法測控），衛(wèi)星異常無法得到及時響應(yīng)，在關(guān)鍵時刻極有可能錯失最佳處理異常的時機，導(dǎo)致衛(wèi)星出現(xiàn)無法挽回的損失。

因此，衛(wèi)星工程中一直摸索如何將地面狀態(tài)檢測與處理過程移植到星上執(zhí)行，從而有效解決上述問題［3］。目前，我國在軌衛(wèi)星中已經(jīng)考慮了一些重要遙測參數(shù)的星上實時監(jiān)測與自動處理功能，但各衛(wèi)星都是針對其衛(wèi)星特有的需求提出各自的星載軟件研制要求。這種方式由于各型號總體需求不統(tǒng)一，導(dǎo)致星載軟件設(shè)計時無法通用化，各型號軟件該功能模塊的代碼復(fù)用率較低，并且遙測參數(shù)監(jiān)視規(guī)則和異常處理方法的修改也不靈活。

歐洲航天局( ESA) 針對此問題，將星載自主監(jiān)視與處理過程進行了標準化，以方便星上軟件實現(xiàn)和地面對監(jiān)視規(guī)則的修改，并將這套星載監(jiān)視過程納入到星地操作的標準化規(guī)范中［3-5］，規(guī)定了遙測遙控包應(yīng)用標準( Packet Utilization Standard，PUS) ，該標準提出了三項標準化業(yè)務(wù)，即星載監(jiān)視業(yè)務(wù)、事件操作業(yè)務(wù)和事件報告業(yè)務(wù)，可以很好地完成星載自主監(jiān)視過程，其中星載監(jiān)視業(yè)務(wù)可以根據(jù)遙測參數(shù)的門限值、期望值、偏差閾值三種監(jiān)視規(guī)則對遙測參數(shù)值進行實時監(jiān)視，監(jiān)測到異常跳變后可以通過事件報告業(yè)務(wù)向地面下發(fā)異常報告，并且利用事件操作業(yè)務(wù)實時觸發(fā)星上處理指令，確保異常的及時處理。這些監(jiān)視規(guī)則、事件報告和事件與指令關(guān)聯(lián)關(guān)系都支持通用化的在軌修改，整套機制具有較強的靈活性和通用性，可以在各類衛(wèi)星上使用。

目前，我國衛(wèi)星在星載狀態(tài)實時監(jiān)視方面還未實現(xiàn)標準化，存在如軟件代碼復(fù)用率不高、監(jiān)視規(guī)則修改不靈活、系統(tǒng)可靠性不強等問題［6］。因此本文在分析PUS 星載監(jiān)視相關(guān)業(yè)務(wù)基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了一套基于PUS 標準的衛(wèi)星實時狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用實時遙測數(shù)據(jù)和星上存儲的監(jiān)視規(guī)則對衛(wèi)星的健康狀態(tài)進行實時判讀，當星上狀態(tài)違反監(jiān)視規(guī)則時會自動向地面進行事件報告，并實時觸發(fā)異常處理過程，為衛(wèi)星安全可靠的運行提供重要的技術(shù)保障。系統(tǒng)支持監(jiān)視規(guī)則和異常處理方法的在軌指令注入修改，具有較強的靈活性和通用性，可以在各類衛(wèi)星上使用。該系統(tǒng)目前已在某預(yù)研課題原理樣機中上取得應(yīng)用，運行情況符合預(yù)期設(shè)計，有效滿足了衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測的需求。

2 PUS 星載監(jiān)視相關(guān)業(yè)務(wù)分析

PUS 是ESA 航天項目中廣泛采用的應(yīng)用層設(shè)計標準，目前，已有羅塞塔號( Rosetta )、“X 射線多反射鏡”( XMM)、“火星快車”( Mars Express) 等衛(wèi)星采用了該標準，ESA 還強制規(guī)定其后續(xù)所有衛(wèi)星都要采用這一標準［4］。

PUS 將星地遙測遙控操作劃分為16 種標準業(yè)務(wù)，每種業(yè)務(wù)負責一類功能，例如內(nèi)存管理業(yè)務(wù)，將所有對星載內(nèi)存的操作定義為一類服務(wù)。針對每項業(yè)務(wù)又定義了具體的子業(yè)務(wù)，如內(nèi)存管理業(yè)務(wù)中包括內(nèi)存修改、內(nèi)存下卸等，并設(shè)置了基本操作和擴展操作兩個實現(xiàn)級別，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。

衛(wèi)星實時狀態(tài)監(jiān)視可以利用PUS 三項標準業(yè)務(wù)完成，分別是: 星載監(jiān)視業(yè)務(wù)、事件報告業(yè)務(wù)和事件動作業(yè)務(wù)［5］。星載監(jiān)視業(yè)務(wù)負責監(jiān)視衛(wèi)星實時狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常時調(diào)用事件報告業(yè)務(wù)產(chǎn)生事件報告，事件動作業(yè)務(wù)監(jiān)聽到事件報告后，產(chǎn)生相應(yīng)的事件操作，完成衛(wèi)星異常自動處理。

2.1 三項業(yè)務(wù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系

星載監(jiān)視業(yè)務(wù)為星上待監(jiān)測的遙測參數(shù)的每個監(jiān)視規(guī)則維護了一份監(jiān)視狀態(tài)信息，包括當前狀態(tài)、前置狀態(tài)以及狀態(tài)跳變的時間點，如果發(fā)現(xiàn)了當前的狀態(tài)跳變屬于異常跳變，則使用事件報告業(yè)務(wù)產(chǎn)生該異常相關(guān)的報告并將其發(fā)出，每個事件報告采用報告標識符( RID) 唯一標識。當事件動作業(yè)務(wù)監(jiān)測到該事件報告后，利用RID 掃描事件與動作的關(guān)聯(lián)關(guān)系表，如果檢測到一個匹配的事件報告并且相關(guān)的操作被允許，則根據(jù)目的應(yīng)用過程標識符( Application Process Identification，APID)［5］將相應(yīng)的遙控指令包發(fā)送給相應(yīng)的星上設(shè)備，完成對設(shè)備的異常處理。三項業(yè)務(wù)的關(guān)系如圖1所示。

圖1 三項業(yè)務(wù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.1 Relation among three services

2.2 星載監(jiān)視業(yè)務(wù)分析

該業(yè)務(wù)提供了一種基于規(guī)則知識的遙測狀態(tài)監(jiān)視能力，規(guī)則知識由地面用戶定義并上注衛(wèi)星，星上根據(jù)監(jiān)視規(guī)則監(jiān)視遙測參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常跳變向地面用戶報告異常。監(jiān)視規(guī)則定義包括三類，分別是限值規(guī)則、期望值規(guī)則和偏差值規(guī)則。限值規(guī)則是指監(jiān)視參數(shù)的參數(shù)值要求在某一范圍內(nèi)，否認認為是異常；期望值規(guī)則是指監(jiān)視參數(shù)的參數(shù)值要求是某一固定值，否則認為是異常；偏差值規(guī)則是指監(jiān)視參數(shù)的參數(shù)波動值在某一范圍內(nèi)，否則認為是異常。

2.3 事件報告業(yè)務(wù)分析

事件報告業(yè)務(wù)用以向業(yè)務(wù)使用者報告有關(guān)操作的重要性信息，以便于地面系統(tǒng)或星上執(zhí)行設(shè)備根據(jù)事件的重要程度采取必要的措施。事件報告業(yè)務(wù)提供4種不同重要級別的事件報告，分別是正常的進展報告、輕度異常報告、中度異常報告和重度異常報告。用戶可以根據(jù)當前事件選擇不同級別的事件報告，例如衛(wèi)星非故障狀態(tài)的自主操作通報地面系統(tǒng)采用正常的進展報告，某星載設(shè)備的電流發(fā)生大幅度跳變時采用重度異常報告。

2.4 事件動作業(yè)務(wù)分析

事件動作業(yè)務(wù)可以作為事件報告和星載監(jiān)視等業(yè)務(wù)的功能擴展，為實現(xiàn)星上自主操作提供了一種途徑。相關(guān)的操作可能是一個任意類型的遙控指令，即一個標準的遙控指令包或任何任務(wù)特定的遙控指令。一個遙控指令可以啟動的操作的類型包括：①直接重新配置衛(wèi)星硬件；②啟動一個衛(wèi)星運行程序；③啟動一組預(yù)定義指令序列。

為了實現(xiàn)事件動作業(yè)務(wù)，星上需要維護一張事件與動作關(guān)聯(lián)關(guān)系表，表中每項記錄包括4項屬性，分別是生成事件報告的應(yīng)用進程標識、事件報告標識符（RID）、相關(guān)聯(lián)的操作（遙控指令包）以及該操作的狀態(tài)（允許或禁止）。星上實時監(jiān)測各個進程的事件報告，收到一個事件報告后，事件動作業(yè)務(wù)需要掃描事件與動作的關(guān)聯(lián)關(guān)系表。如果檢測到一個匹配的事件報告并且相關(guān)的操作被允許，則將相應(yīng)的遙控指令包發(fā)送給目的應(yīng)用進程。

3 衛(wèi)星實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

基于PUS星載監(jiān)視相關(guān)業(yè)務(wù)，本文設(shè)計了一套衛(wèi)星實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由指令處理模塊、遙測監(jiān)視模塊和異常處理模塊組成。系統(tǒng)組成如圖2所示。由圖2可知，指令處理模塊負責接收地面用戶的控制指令，根據(jù)指令管理（包括添加、刪除、修改、使能等操作）星上的監(jiān)視規(guī)則列表和異常處理方法列表；遙測監(jiān)視模塊負責監(jiān)測星上實時遙測值，判斷其是否符合監(jiān)視規(guī)則，如果發(fā)現(xiàn)不符合，則向異常處理模塊報告異常。異常處理模塊根據(jù)監(jiān)視模塊發(fā)來的異常編號，對異常進行自動處理。

圖2 衛(wèi)星實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)模塊組成Fig.2 Composition of the satellite state monitoring system

3.1 指令處理模塊

星上指令處理模塊接收地面注入的控制指令，根據(jù)指令內(nèi)容來完成對星上監(jiān)視規(guī)則和異常處理方法的管理，從而為遙測監(jiān)視模塊和異常處理模塊提供數(shù)據(jù)支持，具體流程如圖3所示。由圖3可知，該模塊為星上一個獨立進程，該進程實時監(jiān)控地面注入的遙控指令，當收到新的控制指令時，提取遙控指令的業(yè)務(wù)類型碼，如果業(yè)務(wù)類型碼為12，則啟動監(jiān)視規(guī)則管理過程，如果業(yè)務(wù)類型碼為19，則啟動異常處理方法管理過程。然后各自過程根據(jù)指令中的業(yè)務(wù)子類型碼來完成相應(yīng)列表的維護操作，包括增加、刪除、修改和使能等。

圖3 指令模塊流程圖Fig.3 Flowchart of the TC process module

為了便于添加、修改等用戶操作，星上采用雙向鏈表方式存儲每個參數(shù)的監(jiān)視規(guī)則，其存儲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)視規(guī)則列表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.4 Data structure of check rule list

所有的規(guī)則數(shù)據(jù)中的元素都包含兩個基本信息：前置狀態(tài)和當前狀態(tài)。前置狀態(tài)為上一次對該遙測參數(shù)進行該類規(guī)則檢查時確認的狀態(tài)，當前狀態(tài)為本次確認的狀態(tài)。存儲前置狀態(tài)是為了與當前狀態(tài)進行比較，當發(fā)生狀態(tài)改變，則表明異常發(fā)生或異常恢復(fù)，需及時通知異常處理模塊。除了兩個基本狀態(tài)信息外，各規(guī)則數(shù)組元素都有一些獨有信息。限值規(guī)則數(shù)組中每個元素包含的獨有信息有：下限值、超下限的異常處理方法編號、上限值、超上限的異常處理方法編號。偏差規(guī)則數(shù)組中每個數(shù)組元素包含的信息有：偏差下限值、超下限的異常處理方法編號、偏差上限值、超上限的異常處理方法編號。期望值規(guī)則數(shù)組中每個數(shù)組元素包含的獨有信息有：期望值、非期望值的異常處理方法編號。

同理異常方法列表也是采用雙向鏈表結(jié)構(gòu)進行存儲。鏈表中的節(jié)點信息包括處理方法編號、使能狀態(tài)、處理策略、事件報告、處理指令。

3.2 遙測監(jiān)視模塊

遙測監(jiān)視模塊周期性監(jiān)聽星上實時遙測參數(shù)值，檢查實際遙測值是否符合監(jiān)視列表中監(jiān)視規(guī)則，如果不符合，則向異常處理模塊報告異常，由異常處理模塊進行異常處理。遙測監(jiān)視模塊為每個參數(shù)的每項監(jiān)視規(guī)則維護了一套狀態(tài)轉(zhuǎn)換機，一旦出現(xiàn)遙測參數(shù)狀態(tài)跳變等于狀態(tài)機中的異常跳變鏈路時，系統(tǒng)會迅速發(fā)現(xiàn)異常，并立刻向異常處理模塊報告異常。圖5為某參數(shù)限值規(guī)則的狀態(tài)機示意圖。

由圖5可以看出星上遙測參數(shù)的限制規(guī)則監(jiān)測存在4類狀態(tài)，分別是超上限狀態(tài)、超下限狀態(tài)、正常狀態(tài)和未檢查狀態(tài)。這4類狀態(tài)存在12條跳變鏈路，其中6條跳變鏈路被認為是異常跳變，當遙測參數(shù)的前置狀態(tài)和當前狀態(tài)的跳變符合這6條鏈路中的任何一個，系統(tǒng)即認為出現(xiàn)了異常，執(zhí)行異常處理過程。其余6條鏈路跳變則不執(zhí)行異常處理過程。

圖5 某參數(shù)限值規(guī)則狀態(tài)機示意圖Fig.5 State machine of a parameter limit rule

圖6 某參數(shù)限值規(guī)則的檢查過程Fig.6 Procedure of limit value check

參數(shù)限值檢查具體過程如圖6所示，由圖6可知，星上循環(huán)遍歷當前遙測參數(shù)所有的限值檢查規(guī)則，獲取當前規(guī)則，根據(jù)參數(shù)代號從遙測數(shù)據(jù)池中獲取當前參數(shù)值，然后進入超上限監(jiān)視過程：判斷參數(shù)值是否大于限制規(guī)則的上限，如果不大于則將超上限計數(shù)清零后進入超下限的監(jiān)視過程。如果大于限制規(guī)則的上限，則將超上限計數(shù)加1，判斷超上限計數(shù)是否達到指定次數(shù)，如果達到，則將當前狀態(tài)標記為超上限狀態(tài)。根據(jù)圖6中的狀態(tài)機判斷當前是否滿足異常跳變過程，如果是則向外報告異常。如果沒有達到指定次數(shù)或不滿足異常跳變過程，則將超上限計數(shù)清零后進入下一條限制規(guī)則的檢查過程。超下限監(jiān)視過程與此類似，不再累述。

3.3 異常處理模塊

異常處理模塊接收來自監(jiān)視模塊的異常處理方法編號信息，根據(jù)編號信息在異常處理方法列表中進行搜索，根據(jù)搜索的處理方法進行異常處理。支持三種類型的異常處置策略，第一種是僅向地面報告該異常信息，第二種是發(fā)送異常處理指令，第三種是既向地面報告異常同時發(fā)異常處理指令。具體流程如圖7所示。

圖7 異常處理模塊的數(shù)據(jù)流圖Fig.7 Data flowchart of anomaly handling module

4 典型應(yīng)用

基于PUS標準的星載實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已在某預(yù)研課題原理樣機中得到實現(xiàn)，其數(shù)據(jù)流示意如圖8所示。星上測控應(yīng)答機接收地面注入的遙控指令后發(fā)送給數(shù)管分系統(tǒng)，數(shù)管分系統(tǒng)利用這些指令維護星上監(jiān)視規(guī)則列表和異常處理方法列表。星上其他分系統(tǒng)（包括控制、電源、導(dǎo)航、載荷、數(shù)傳等）通過1553B總線將分系統(tǒng)實時狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)管分系統(tǒng)的總線通信模塊，總線通信模塊將總線收集的遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的遙測監(jiān)視模塊，該模塊使用3.2節(jié)的監(jiān)測方法完成遙測參數(shù)實時監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常后交由異常處理模塊處理，異常處理模塊使用3.3節(jié)的處置策略完成異常實時的自動處理，產(chǎn)生的遙控處理指令也是通過總線通信模塊經(jīng)由1553B總線發(fā)往給分系統(tǒng)。原理樣機采用BM3803處理器（主頻50MHz），6Mbyte SRAM（Static Random Access Memorizer）和512kbyte PROM（Program Read Only Memorizer），整個星載實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)占用420kbyte SRAM，處理算法占用11kbyte PROM，系統(tǒng)最大支持2000個參數(shù)的并行監(jiān)視，單個參數(shù)最大支持5個監(jiān)視規(guī)則，目前系統(tǒng)運行情況符合預(yù)期設(shè)計，有效滿足了星載實時狀態(tài)監(jiān)視的需求。

相比傳統(tǒng)星載監(jiān)視方法，本文方法的優(yōu)勢見表1。

表1 本文方法與傳統(tǒng)方法比對Table 1 Comparison between traditional on－board monitoring method and this method

傳統(tǒng)方法一般都是通過重新修改軟件代碼，編譯成機器碼并通過內(nèi)存修改將機器碼注入星上來完成監(jiān)視規(guī)則和異常處理方法的配置，這種方法非常不靈活，本文方法直接使用標準化的PUS遙控指令來完成這些配置，相比傳統(tǒng)方法靈活性有了很大增強。100條監(jiān)視規(guī)則傳統(tǒng)型號配置時間一般不低于30min，而采用PUS遙控指令僅需要2min即可完成配置。處理方法的配置傳統(tǒng)型號需要專門編寫邏輯代碼，配置時間更長，一般100條處理方法的配置時間不低于60min，而采用PUS遙控指令僅需要2min即可完成配置。由于系統(tǒng)是基于PUS標準進行設(shè)計實現(xiàn)的，需求非常統(tǒng)一明確，星上采用軟件構(gòu)件技術(shù)［7］實現(xiàn)該功能，各型號使用該功能時只需要數(shù)管分系統(tǒng)對構(gòu)件外圍的配置參數(shù)進行配置后，即可直接使用，由表1可以看出，本文方法的代碼復(fù)用率高達90%以上。而傳統(tǒng)方法代碼除了部分底層處理函數(shù)可以共用外，該模塊各型號軟件都不相同，代碼復(fù)用率不足20%。由于代碼復(fù)用率較高，軟件健壯性很強，該功能出現(xiàn)異常的概率相比傳統(tǒng)方法將會有所降低。

圖8 某綜合電子預(yù)研樣機中星載實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖Fig.8 On－board monitoring system data flow on prototype avionics computer

5 結(jié)束語

高度自主飛行是未來衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展的一個重要方向，本文通過研究PUS星載監(jiān)視相關(guān)的標準業(yè)務(wù)，設(shè)計并實現(xiàn)了一套通用化的星載狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)，有效地滿足了各衛(wèi)星型號該功能的軟件需求。后續(xù)還將進一步研究如何進行監(jiān)視規(guī)則之間的自主關(guān)聯(lián)分析，提升監(jiān)視的準確度和可靠度，為未來新型衛(wèi)星的復(fù)雜應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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（編輯：李多）

Research and Systematic Design on Satellite State Monitoring System Based on Packet Utilization Standard

ZHU Jianbing HE Xiongwen WANG Luyuan MIAO Lei DOU Na
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

To solve the problems in traditional way of spacecraft health state monitoring，such as users’diverse requirement，low software reuse rate and inflexible modification of monitoring rule，this paper researches the services correlated to onboard health monitoring in packet utilization standard（PUS），including on－board monitoring service，event reporting service and event－action service.Based on the researches，a satellite state monitoring system is designed.The system utilizes real－time telemetry data and the satellite state monitoring rules to judge the health state of the on－orbit spacecraft.The system has strong flexibility and universality；it has been applied in a prototype avionics computer and can give reference for future satellite to design and implement the function of health management.

PUS；on－orbit spacecraft；real－time monitoring；monitoringrule

V57

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.014

2016－05－04；

2016－07－07

國家重大航天工程

朱劍冰，男，工程師，從事敏捷衛(wèi)星自主任務(wù)管理技術(shù)研究工作。Email：xgdzjb@163.com。