李洪玨,董云峰

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100191)

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衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)智能研制技術(shù)研究

李洪玨,董云峰

(北京航空航天大學(xué) 宇航學(xué)院,北京 100191)

為解決衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)研制周期長(zhǎng)、重復(fù)性工作量大的缺點(diǎn)，針對(duì)基于平行系統(tǒng)和數(shù)字衛(wèi)星概念設(shè)計(jì)的衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)，提出一種智能研制技術(shù)。建立包含參數(shù)、接口、原理模型、誤差模型、故障模型和三維模型的數(shù)字部件庫(kù)，利用數(shù)字裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星的規(guī)范化描述，基于邏輯維分形結(jié)構(gòu)將源代碼書(shū)寫(xiě)規(guī)范分為確定性規(guī)則、有限規(guī)則和推理規(guī)則，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法完成源代碼書(shū)寫(xiě)規(guī)則的推理和實(shí)施，實(shí)現(xiàn)包括子系統(tǒng)部件、姿軌控軟件、星務(wù)軟件、耦合場(chǎng)計(jì)算、其他文件和地面測(cè)控系統(tǒng)等的數(shù)字衛(wèi)星、遙測(cè)遙控系統(tǒng)與配套工具的源代碼自動(dòng)書(shū)寫(xiě)、編譯及部署。針對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)研制，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明了智能研制技術(shù)在提高系統(tǒng)研制效率方面的可行性和有效性。

衛(wèi)星； 故障診斷； 平行系統(tǒng)； 智能研制； 數(shù)字裝配； 機(jī)器學(xué)習(xí)； 邏輯維； 分形

0 引言

在軌運(yùn)行的衛(wèi)星越來(lái)越多，造價(jià)也越來(lái)越高昂，一旦發(fā)生故障將造成重大損失。準(zhǔn)確及時(shí)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星故障能為衛(wèi)星爭(zhēng)取更多的搶救機(jī)會(huì)。故障診斷的基本思路是將遙測(cè)參數(shù)與常態(tài)比較。最簡(jiǎn)單的方法是利用某些單個(gè)參數(shù)常態(tài)變化相對(duì)穩(wěn)定的特性進(jìn)行故障診斷[1-6]。對(duì)利用多個(gè)參數(shù)的診斷方法也進(jìn)行了大量研究，在故障分離識(shí)別、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、證據(jù)推理和計(jì)算智能診斷等方面取得了一定進(jìn)展[7-10]。衛(wèi)星本身是一個(gè)各子系統(tǒng)耦合的復(fù)雜對(duì)象，僅靠反映局部物征的幾個(gè)參數(shù)的診斷方法先天存在很大的局限性。加拿大空間局的TAFAZOLI對(duì)1980年至2005年間的156個(gè)在軌失效實(shí)例(129顆衛(wèi)星)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，其中不明原因的故障占17%[11]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的梁斌等對(duì)2006年1月至2009年8月31日的GEO衛(wèi)星進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，在共計(jì)16顆的故障衛(wèi)星中，不明原因故障1顆，能定位到子系統(tǒng)級(jí)故障僅3顆[12]。因此，最理想的方法是建立一顆與真實(shí)衛(wèi)星的組成、結(jié)構(gòu)一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字衛(wèi)星，數(shù)字衛(wèi)星運(yùn)行于虛擬的空間環(huán)境中，其模式、程序、操作與真實(shí)衛(wèi)星保持一致。通過(guò)比對(duì)真實(shí)衛(wèi)星與數(shù)字衛(wèi)星的遙測(cè)殘差發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。北京航空航天大學(xué)的趙文利用此概念建立了一套衛(wèi)星故障地面診斷系統(tǒng)樣機(jī)，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)模擬器與真星間的遙測(cè)殘差進(jìn)行分析，初步驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性[13]。這種平行運(yùn)行的衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)的主要瓶頸是數(shù)字衛(wèi)星開(kāi)發(fā)的工作量巨大，每顆真實(shí)衛(wèi)星都需要專(zhuān)業(yè)團(tuán)隊(duì)花費(fèi)數(shù)月時(shí)間專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字衛(wèi)星。因此迫切需要找尋一種能縮短系統(tǒng)研制周期、降低研制工作量的方法。為此，本文對(duì)一種用于衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)的智能研制技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 設(shè)計(jì)思路

基于平行系統(tǒng)虛擬空間與真實(shí)空間的概念，衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)包括數(shù)字衛(wèi)星、地面分析與診斷系統(tǒng)，以及故障診斷與預(yù)測(cè)算法庫(kù)三部分。系統(tǒng)的組成如圖1所示。

圖1 故障診斷系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Composition and structure of fault diagnosis system

數(shù)字衛(wèi)星提供衛(wèi)星的標(biāo)稱運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和遙測(cè)數(shù)據(jù)。地面分析與診斷系統(tǒng)獲取真實(shí)衛(wèi)星和數(shù)字衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行殘差分析，然后調(diào)用相應(yīng)的故障診斷或故障預(yù)測(cè)算法進(jìn)行故障分析、診斷或預(yù)測(cè)。

衛(wèi)星正常時(shí)可利用真實(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)修正虛擬空間中數(shù)字衛(wèi)星的模型。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方式提取殘差中人能理解的簡(jiǎn)單規(guī)律，對(duì)數(shù)字衛(wèi)星中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。對(duì)過(guò)于復(fù)雜的規(guī)律，則可通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)數(shù)字衛(wèi)星進(jìn)行修正，這些模型的修正有其通用性。

故障診斷與預(yù)測(cè)算法庫(kù)中存放故障診斷和預(yù)測(cè)所用的單信號(hào)分析、多信號(hào)分析、聚類(lèi)分析和其他智能方法，各種算法可不斷擴(kuò)充，多個(gè)衛(wèi)星能共用。

根據(jù)工程方法論的邏輯維，完成任何工作都需經(jīng)過(guò)明確目標(biāo)、制訂方案與實(shí)施執(zhí)行三個(gè)階段。針對(duì)故障診斷系統(tǒng)研制，明確目標(biāo)是明確所研制的數(shù)字衛(wèi)星及其對(duì)應(yīng)的地面遙測(cè)遙控編碼解碼系統(tǒng)；制訂方案是確定開(kāi)發(fā)所用語(yǔ)言、開(kāi)發(fā)程序數(shù)量、每個(gè)程序包含的文件，每個(gè)文件包含的函數(shù)，每個(gè)函數(shù)的書(shū)寫(xiě)；實(shí)施執(zhí)行是完成具體的書(shū)寫(xiě)，然后編譯成可執(zhí)行文件。

目前對(duì)真實(shí)衛(wèi)星的描述文檔大部分采用的是便于人理解的語(yǔ)言文字，而現(xiàn)階段機(jī)器智能還達(dá)不到能準(zhǔn)確理解這些文檔的程度，因此需引入數(shù)字裝配概念。

數(shù)字裝配特指由人閱讀真實(shí)衛(wèi)星描述的相關(guān)文檔，用輔助工具給出計(jì)算機(jī)能理解的衛(wèi)星數(shù)據(jù)描述此過(guò)程。數(shù)字裝配的結(jié)果是計(jì)算機(jī)能理解的衛(wèi)星描述，是在數(shù)字世界中對(duì)衛(wèi)星設(shè)計(jì)結(jié)果的規(guī)范化記錄。常用的規(guī)范化記錄載體包括XML文件和數(shù)據(jù)庫(kù)。

本文的智能研制技術(shù)特指由人來(lái)明確輸入需要模擬的衛(wèi)星信息，基于機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算智能理論方法，由計(jì)算機(jī)自主制定出書(shū)寫(xiě)仿真源代碼與編譯部署的方案，最終自動(dòng)完成方案定義的工作，生產(chǎn)出符合任務(wù)目標(biāo)的數(shù)字衛(wèi)星。

2 數(shù)字裝配

數(shù)字裝配基于數(shù)字部件庫(kù)，包括點(diǎn)數(shù)字裝配、流數(shù)字裝配和包數(shù)字裝配三部分。

數(shù)字部件是數(shù)字裝配的基礎(chǔ)，是真實(shí)衛(wèi)星零部件的數(shù)字化描述，包括基于ProE等商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)的三維模型、質(zhì)量材料等特性的規(guī)范化參數(shù)，以及包括部件的原理模型、誤差模型和失效模型的源程序文件。部件的原理模型具備不同的模擬粒度，部件失效模型覆蓋各類(lèi)部件的常見(jiàn)故障模式。將數(shù)字部件按一定規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一的組織、存儲(chǔ)和管理，即形成數(shù)字衛(wèi)星零部件庫(kù)。

點(diǎn)數(shù)字裝配將衛(wèi)星看成一個(gè)抽象的點(diǎn)，不包括任何具體的部件特性。點(diǎn)數(shù)字裝配主要包括任務(wù)性能指標(biāo)描述、任務(wù)約束描述、飛行軌道描述與姿態(tài)機(jī)動(dòng)要求描述四部分。

流數(shù)字裝配只考慮各部件功能上的相互關(guān)系，包括結(jié)構(gòu)、供電、熱、測(cè)控、推進(jìn)和姿軌控，以及有效載荷等部分。

結(jié)構(gòu)子系統(tǒng)裝配包括主承力結(jié)構(gòu)選取與各部件安裝位置配置。在動(dòng)力學(xué)仿真的框架內(nèi)給出柔性帆板、天線、機(jī)械臂、貯箱液體晃動(dòng)描述參數(shù)。電源子系統(tǒng)裝配將太陽(yáng)能電池、太陽(yáng)帆板、蓄電池、充放電調(diào)節(jié)器、配電箱、星上各設(shè)備供電分支網(wǎng)絡(luò)等部件的參數(shù)轉(zhuǎn)換為規(guī)范化的描述。熱控子系統(tǒng)裝配根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的幾何與材料特性完成外、內(nèi)表面單元和體單元?jiǎng)澐郑_定衛(wèi)星熱場(chǎng)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的熱傳導(dǎo)、熱輻射交換系數(shù)等規(guī)范化數(shù)字描述。測(cè)控子系統(tǒng)裝配完成天線、功率放大器、應(yīng)答機(jī)等上下行測(cè)控鏈路的規(guī)范化描述。推進(jìn)子系統(tǒng)裝配完成閥門(mén)管路聯(lián)通的高壓氣瓶、氧化劑貯箱、燃料貯箱到推力器的物流規(guī)范化描述。姿軌控子系統(tǒng)裝配給出各種飛行模式采用的敏感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器所用的剔野算法、濾波算法、姿態(tài)確定算法和姿態(tài)控制算法，星上模式自主切換條件等規(guī)范化描述。

包數(shù)字裝配將衛(wèi)星內(nèi)部信息傳輸過(guò)程轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)化的描述。每個(gè)部件在入庫(kù)時(shí)需記錄其包含的信息傳輸通道，每個(gè)通道可接收和輸出的信息包，每個(gè)信息包所含參數(shù)。衛(wèi)星包裝配是明確衛(wèi)星的實(shí)際通道，每個(gè)通道上連接的部件，部件間是按一問(wèn)一答、一問(wèn)多答或其他傳輸協(xié)議交換信息。

包數(shù)字裝配的重點(diǎn)是星上數(shù)據(jù)處理中心運(yùn)行的軟件系統(tǒng)，數(shù)管的核心是遙測(cè)遙控信息處理。目前遙測(cè)編碼處理方式主要分為基于高級(jí)在軌協(xié)議(AOS)的分包遙測(cè)和傳統(tǒng)的波道遙測(cè)兩種。AOS分包遙測(cè)包括虛擬信道訪問(wèn)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)單元業(yè)務(wù)、多路復(fù)用業(yè)務(wù)、位流業(yè)務(wù)和包裝業(yè)務(wù)裝配。波道遙測(cè)裝配分為波道層次分解、波道分配工況定義和波道內(nèi)容定義三個(gè)核心部分。遙控指令裝配主要是定義離散、比例、直接、數(shù)管等各種格式的遙控指令，進(jìn)一步定義多個(gè)指令組合在一起的遙控包。

3 源代碼智能書(shū)寫(xiě)技術(shù)

美國(guó)系統(tǒng)工程專(zhuān)家霍爾提出了時(shí)間、邏輯、知識(shí)三維結(jié)構(gòu)。包妙琴在研究工程學(xué)時(shí)指出應(yīng)該用系統(tǒng)維代替知識(shí)維。

源代碼書(shū)寫(xiě)方案制訂從系統(tǒng)維的角度可分解為程序、文件、函數(shù)、語(yǔ)句、表達(dá)式、變量六個(gè)層次。

邏輯維可從層次上最終分解明確目標(biāo)、指標(biāo)設(shè)計(jì)、方案綜合、方案分析、結(jié)果評(píng)價(jià)、系統(tǒng)決策和執(zhí)行計(jì)劃七步，如圖2所示。

邏輯維本身具分形特征，除每步可在系統(tǒng)維分解外，第二至第六步中每歩都可在下一層次的邏輯維中進(jìn)一步展開(kāi)。

源代碼書(shū)寫(xiě)中最主要的方法是用邏輯維的分形特征將代碼書(shū)寫(xiě)過(guò)程分解為多個(gè)層次的任務(wù)，讓機(jī)器從最基本的任務(wù)學(xué)起，然后在已學(xué)會(huì)的任務(wù)上逐步擴(kuò)展，最終完成全部書(shū)寫(xiě)任務(wù)。書(shū)寫(xiě)方案任務(wù)分解決策如圖3所示。

圖2 邏輯維的分形特征Fig.2 Fractal characteristic of logic dimension

圖3 源代碼書(shū)寫(xiě)的任務(wù)分解決策Fig.3 Decomposition of source code writing task

在每個(gè)任務(wù)書(shū)寫(xiě)方案制訂時(shí)，需根據(jù)任務(wù)的復(fù)雜性與可選的技術(shù)手段確定相應(yīng)的書(shū)寫(xiě)規(guī)則。書(shū)寫(xiě)規(guī)則分為確定性規(guī)則、有限規(guī)則和推理規(guī)則三種類(lèi)型。

確定性規(guī)則是指代碼具備明確的書(shū)寫(xiě)規(guī)范且不隨衛(wèi)星而變。確定性規(guī)則可固化在源代碼書(shū)寫(xiě)程序中。

有限規(guī)則是指源代碼隨衛(wèi)星變化，但由于衛(wèi)星技術(shù)傳統(tǒng)的限制，不同衛(wèi)星的選擇很有限，故對(duì)應(yīng)的書(shū)寫(xiě)規(guī)則也有限。這時(shí)可將所有可選的書(shū)寫(xiě)規(guī)則存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，每次書(shū)寫(xiě)時(shí)根據(jù)衛(wèi)星的實(shí)際選擇。

推理規(guī)則是指不僅源代碼隨衛(wèi)星變化，而且這種變化由于不同層次的決策造成了大量分支，不能簡(jiǎn)單地用有限的書(shū)寫(xiě)規(guī)則完成任務(wù)，必須根據(jù)衛(wèi)星和書(shū)寫(xiě)規(guī)范進(jìn)行推理后才能得出書(shū)寫(xiě)規(guī)則。

推理規(guī)則需采用PROLOG等描述性語(yǔ)言編寫(xiě)推理程序，由人對(duì)決策過(guò)程所用的事實(shí)和推理規(guī)則進(jìn)行描述完成知識(shí)存貯。與常用的過(guò)程性語(yǔ)言不同，描述性語(yǔ)言利用回溯機(jī)制遍歷求得可行解，無(wú)特定的運(yùn)行順序。

4 源代碼書(shū)寫(xiě)程序研制

衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)中需用源代碼書(shū)寫(xiě)技術(shù)進(jìn)行研制的程序包括數(shù)字衛(wèi)星、地面測(cè)控系統(tǒng)、二維三維顯示與載荷成像顯示三部分。數(shù)字衛(wèi)星源代碼的書(shū)寫(xiě)可進(jìn)一步細(xì)分為各子系統(tǒng)部件源代碼集成、星載姿軌控與數(shù)管軟件書(shū)寫(xiě)，以及反映衛(wèi)星動(dòng)態(tài)運(yùn)行規(guī)律力電熱磁耦合場(chǎng)計(jì)算源代碼書(shū)寫(xiě)三部分。系統(tǒng)維分解如圖4所示。

圖4 源代碼書(shū)寫(xiě)的系統(tǒng)維分解Fig.4 Decomposition of source code writing procedure from perspective of system dimension

4.1 子系統(tǒng)部件書(shū)寫(xiě)程序研制

每個(gè)數(shù)字部件根據(jù)所在的單機(jī)組個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)源代碼文件，文件名與單機(jī)組名稱相同，在裝配時(shí)保證不重復(fù)。

數(shù)字部件文件主要由參數(shù)接口、模型、輸入和輸出組成。分別對(duì)應(yīng)初始化函數(shù)、模型函數(shù)、輸入函數(shù)和輸出函數(shù)。函數(shù)命名方式遵循確定性規(guī)則，由單機(jī)組名稱、部件類(lèi)型名稱、部件型號(hào)名稱和函數(shù)名稱構(gòu)成，名稱間用下劃線連接。

參數(shù)接口書(shū)寫(xiě)遵循確定性規(guī)則，檢索部件庫(kù)后在初始化函數(shù)中逐條書(shū)寫(xiě)。部件原理模型、誤差模型和故障模型以代碼片段的形式存放在文件中，書(shū)寫(xiě)時(shí)直接讀取部件各模型代碼片段并逐行寫(xiě)入模型函數(shù)。輸入和輸出函數(shù)書(shū)寫(xiě)遵循有限規(guī)則。根據(jù)用戶裝配的包傳輸協(xié)議和收發(fā)條件，遍歷該部件所有傳輸通道、發(fā)送包和接收包，采用switch…case語(yǔ)句書(shū)寫(xiě)每個(gè)通道傳輸?shù)乃行畔捎胕f語(yǔ)句書(shū)寫(xiě)一問(wèn)一答的傳輸協(xié)議，采用while語(yǔ)句書(shū)寫(xiě)一問(wèn)多答的傳輸協(xié)議。

4.2 姿軌控軟件書(shū)寫(xiě)程序研制

星載姿軌控軟件從軟件模塊結(jié)構(gòu)的角度可分為數(shù)學(xué)基礎(chǔ)層、力學(xué)基礎(chǔ)層、算法層和實(shí)體層。

數(shù)學(xué)基礎(chǔ)層和力學(xué)基礎(chǔ)層分別由兩個(gè)固定不變的源程序文件與頭文件組成，在書(shū)寫(xiě)時(shí)直接將文件拷貝至相應(yīng)位置。

算法層書(shū)寫(xiě)主要包括姿態(tài)確定算法和姿態(tài)控制算法文件書(shū)寫(xiě)，總體遵循有限規(guī)則。算法文件的結(jié)構(gòu)遵循確定性規(guī)則，自上至下分別為頭文件聲明、變量定義、函數(shù)聲明、函數(shù)定義四部分。以姿態(tài)確定算法文件為例，頭文件聲明遵循固化在書(shū)寫(xiě)程序中的確定性規(guī)則直接書(shū)寫(xiě)，然后針對(duì)流數(shù)字裝配中的每個(gè)敏感器，檢索數(shù)據(jù)庫(kù)中該敏感器在星載姿軌控軟件中對(duì)應(yīng)的接口變量、姿態(tài)確定算法的函數(shù)聲明語(yǔ)句和函數(shù)主體代碼片段，分別寫(xiě)入姿態(tài)確定算法文件的變量定義、函數(shù)聲明和函數(shù)定義區(qū)域，如此遍歷所有敏感器，最終完成整個(gè)文件書(shū)寫(xiě)。

實(shí)體層主要指星載姿軌控軟件的邏輯處理文件，遵循有限的書(shū)寫(xiě)規(guī)則，主要包括飛行模式書(shū)寫(xiě)和飛行流程書(shū)寫(xiě)。飛行模式采用switch…case語(yǔ)句書(shū)寫(xiě)，每個(gè)case分支對(duì)應(yīng)一個(gè)飛行模式，依照確定性規(guī)則順序列寫(xiě)該模式采用的濾波算法、姿態(tài)確定算法、姿態(tài)控制算法、控制指令分配邏輯的函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句。飛行流程切換采用一個(gè)if…else if…else語(yǔ)句書(shū)寫(xiě)，每個(gè)條件判斷語(yǔ)句對(duì)應(yīng)一個(gè)邏輯切換條件。

4.3 星務(wù)軟件書(shū)寫(xiě)程序研制

星務(wù)軟件源代碼書(shū)寫(xiě)主要包括星上遙測(cè)代碼書(shū)寫(xiě)和星上遙控代碼書(shū)寫(xiě)兩部分。

以基于AOS協(xié)議的遙測(cè)代碼為例，星上遙測(cè)代碼包括工程源包組包函數(shù)、EPDU等組包程序文件和一系列參數(shù)配置頭文件。其中工程源包組包函數(shù)位于星務(wù)軟件程序文件中，根據(jù)包數(shù)字裝配結(jié)果采用switch…case語(yǔ)句逐個(gè)書(shū)寫(xiě)。組包程序文件不隨衛(wèi)星而變，書(shū)寫(xiě)時(shí)直接拷貝到相應(yīng)位置。參數(shù)配置頭文件中以宏定義或結(jié)構(gòu)體的方式定義EPDU等各類(lèi)包的長(zhǎng)度、主導(dǎo)頭、包尾和標(biāo)識(shí)符等參數(shù)。

星上遙控代碼包括星上中央遙控程序文件、解包程序文件，指令分發(fā)程序文件和遙控參數(shù)配置頭文件。

中央遙控程序文件書(shū)寫(xiě)時(shí)，首先檢索數(shù)字部件庫(kù)中中心遙控部件的狀態(tài)量取值范圍并采用宏定義的方式書(shū)寫(xiě)，然后采用確定性規(guī)則逐行書(shū)寫(xiě)接收函數(shù)和解包函數(shù)調(diào)用語(yǔ)句，最后從包數(shù)字裝配結(jié)果中獲取所有遙控指令的內(nèi)部傳輸包，傳輸條件作為if語(yǔ)句的條件判斷表達(dá)式，遍歷所有傳輸包完成發(fā)送函數(shù)的逐行書(shū)寫(xiě)。解包程序文件提供遙控指令包解包函數(shù)實(shí)現(xiàn)，并根據(jù)包標(biāo)示符調(diào)用相應(yīng)處理函數(shù)完成指令后續(xù)處理，不隨衛(wèi)星而變。

指令分發(fā)程序文件中包含分別針對(duì)定時(shí)指令和立即執(zhí)行指令的緩沖區(qū)存取函數(shù)和發(fā)送條件刷新函數(shù)，皆采用switch…case語(yǔ)句書(shū)寫(xiě)。對(duì)于緩沖區(qū)存取函數(shù)，檢索包數(shù)字裝配結(jié)果中緩沖區(qū)個(gè)數(shù)和ID，書(shū)寫(xiě)緩沖區(qū)存取函數(shù)的case個(gè)數(shù)為緩沖區(qū)個(gè)數(shù)，case條件為緩沖區(qū)ID，根據(jù)確定性規(guī)則逐行書(shū)寫(xiě)語(yǔ)句內(nèi)讀寫(xiě)緩沖區(qū)的代碼。

參數(shù)配置頭文件書(shū)寫(xiě)時(shí)，根據(jù)包數(shù)字裝配中的遙控指令裝配結(jié)果，采用宏定義或結(jié)構(gòu)體形式定義定時(shí)指令編號(hào)、比照指令包標(biāo)示符等參數(shù)和遙控指令結(jié)構(gòu)等信息。

4.4 耦合場(chǎng)計(jì)算源代碼書(shū)寫(xiě)程序研制

耦合場(chǎng)源代碼書(shū)寫(xiě)包括引力場(chǎng)、熱場(chǎng)、電場(chǎng)和磁場(chǎng)。

力學(xué)計(jì)算確定衛(wèi)星的軌道、姿態(tài)狀態(tài)，不隨衛(wèi)星而變，力學(xué)方程的各項(xiàng)采用宏定義方式封裝，衛(wèi)星質(zhì)量、慣量、柔性動(dòng)力學(xué)參數(shù)等通過(guò)配置文件讀入。

電場(chǎng)計(jì)算確定衛(wèi)星實(shí)時(shí)的產(chǎn)電量和耗電量，刷新電池的剩余電量和部件的供電狀態(tài)，包括計(jì)算程序文件和頭文件。計(jì)算程序文件中采用結(jié)構(gòu)體數(shù)組定義母線，結(jié)構(gòu)體中包含連接的電池、連接的帆板等信息和負(fù)載功率等參數(shù)，完成主要計(jì)算功能，無(wú)需書(shū)寫(xiě)。頭文件書(shū)寫(xiě)遵循，根據(jù)電源子系統(tǒng)流數(shù)字裝配確定母線個(gè)數(shù)、電池個(gè)數(shù)等參數(shù)，以宏定義形式書(shū)寫(xiě)，供計(jì)算文件中的數(shù)組變量定義。統(tǒng)計(jì)確定每根母線連接的負(fù)載部件個(gè)數(shù)，以變量形式書(shū)寫(xiě)，供計(jì)算文件中的母線負(fù)載計(jì)算等循環(huán)語(yǔ)句使用。

熱場(chǎng)根據(jù)熱平衡方程計(jì)算衛(wèi)星各熱單元的溫度變化，包括計(jì)算程序文件和頭文件。頭文件中，根據(jù)流數(shù)字裝配中的部件安裝信息和熱單元?jiǎng)澐中畔?，?chuàng)建包含部件編號(hào)和所在熱單元編號(hào)的結(jié)構(gòu)體并逐行書(shū)寫(xiě)。計(jì)算程序文件中引用頭文件，然后完成熱場(chǎng)初始化、空間輻射計(jì)算和熱單元溫度更新，具備通用性。熱計(jì)算所需的熱傳導(dǎo)、熱輻射交換系數(shù)等系數(shù)矩陣從配置文件中讀取。

磁場(chǎng)文件按與電熱場(chǎng)文件類(lèi)似的方法書(shū)寫(xiě)。

4.5 其他文件書(shū)寫(xiě)程序研制

工程框架中包含數(shù)字衛(wèi)星源代碼編譯所需的配置信息，其中工程包含的文件列表根據(jù)工程文件名逐個(gè)列寫(xiě)，其他內(nèi)容固定。

其他必要文件包括數(shù)字衛(wèi)星運(yùn)行依賴的地球引力場(chǎng)模型、國(guó)際地磁參考場(chǎng)模型、JPL星歷表、衛(wèi)星信息配置文件和仿真工況配置文件。地球引力場(chǎng)模型、國(guó)際地磁參考場(chǎng)模型和JPL星歷表不隨衛(wèi)星而變，直接拷貝至相應(yīng)位置。衛(wèi)星信息配置文件是對(duì)數(shù)字衛(wèi)星點(diǎn)描述和流描述的歸納與綜合，仿真工況配置文件由用戶通過(guò)仿真工況配置程序生成。

4.6 地面測(cè)控系統(tǒng)書(shū)寫(xiě)程序研制

地面測(cè)控系統(tǒng)主要包括地面遙測(cè)和地面遙控兩部分。

以基于AOS協(xié)議的地面遙測(cè)代碼為例，地面遙測(cè)代碼主要包括EPDU、MPDU、VCDU、工程源包等解包程序文件、各類(lèi)參數(shù)配置頭文件和工程框架文件。其中只有參數(shù)配置頭文件需根據(jù)不同配置進(jìn)行書(shū)寫(xiě)，參數(shù)配置頭文件中以宏定義的形式定義編碼方式、同步位、圖像數(shù)據(jù)尺寸、壓縮方式等參數(shù)。

地面遙控部分包括遙控程序和遙控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。遙控程序?yàn)橥ㄓ玫腃#界面。遙控指令裝配結(jié)果保持在流數(shù)字裝配結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中，在源代碼書(shū)寫(xiě)時(shí)根據(jù)流數(shù)字裝配結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)刷新地面遙控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，供遙控界面讀取完成遙控指令組包和發(fā)送。

完成上述源代碼書(shū)寫(xiě)過(guò)程后，配合可定制的二維顯示界面、三維演示界面和數(shù)據(jù)歸檔程序，即可進(jìn)行故障診斷系統(tǒng)的仿真運(yùn)行。

5 應(yīng)用實(shí)例

以某高軌導(dǎo)航衛(wèi)星為例，進(jìn)行衛(wèi)星故障診斷系統(tǒng)研制。該衛(wèi)星裝配有單縫掃描式數(shù)字太陽(yáng)敏感器、擺動(dòng)掃描紅外地球敏感器、星敏感器、陀螺、動(dòng)量輪、推力器、柔性太陽(yáng)帆板等部件，采用AOS協(xié)議進(jìn)行測(cè)控通信，飛行模式包括速率阻尼、太陽(yáng)捕獲、地球捕獲、地球指向、正常運(yùn)行、東西位置保持、南北位置保持、姿態(tài)機(jī)動(dòng)和遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火，電源子系統(tǒng)包括母線2條、蓄電池2組和充放電調(diào)節(jié)器2個(gè)，熱控子系統(tǒng)包括熱管、多個(gè)熱敏電阻和多個(gè)加熱器，推進(jìn)系統(tǒng)包括燃料貯箱1個(gè)、氧化劑貯箱1個(gè)、氣瓶2個(gè)、常開(kāi)電爆閥、常關(guān)電爆閥、高壓自鎖閥、加排閥、減壓閥和多條管路。遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火模式的仿真運(yùn)行過(guò)程如圖5所示。

衛(wèi)星供電子系統(tǒng)仿真如圖6所示。

衛(wèi)星熱控和推進(jìn)子系統(tǒng)仿真圖7所示。

圖5 某高軌衛(wèi)星仿真運(yùn)行過(guò)程示意(遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)火)Fig.5 Simulation of a high obit satellite (running in orbit maneuver mode)

圖6 衛(wèi)星供電子系統(tǒng)仿真Fig.6 Satellite power subsystem simulation

衛(wèi)星測(cè)控子系統(tǒng)仿真如圖8所示。

針對(duì)衛(wèi)星陀螺和動(dòng)量輪分別設(shè)計(jì)了陀螺常值漂移增大故障、陀螺輸出飽和故障、動(dòng)量輪停轉(zhuǎn)故障和動(dòng)量輪摩擦力矩變大故障，采用閾值診斷算法、混沌分析和支持向量機(jī)等方法分別進(jìn)行故障診斷，均能得出正確的診斷結(jié)果，部分診斷結(jié)果如圖9所示。

圖7 衛(wèi)星熱控和推進(jìn)子系統(tǒng)仿真Fig.7 Satellite thermal control and propulsion subsystems simulation

圖8 衛(wèi)星測(cè)控子系統(tǒng)仿真Fig.8 Satellite TT&C subsystem simulation

圖9 閾值診斷結(jié)果示意Fig.9 Fault diagnosis result by threshold diagnosis method

用智能研制技術(shù)生產(chǎn)的某靈巧衛(wèi)星進(jìn)行失效衛(wèi)星離軌操作的過(guò)程如圖10所示，包括接近、懸停繞飛、機(jī)械臂展開(kāi)和抓捕等飛行歷程。該衛(wèi)星裝配有激光雷達(dá)、光學(xué)相機(jī)、陀螺、推力器等部件，無(wú)地面測(cè)控通信，飛行模式主要包括逼近模式和繞飛模式。

圖10 靈巧衛(wèi)星進(jìn)行失效衛(wèi)星離軌操作過(guò)程Fig.10 On-orbit service by a capture satellite

用智能研制技術(shù)生產(chǎn)的某低軌偵查衛(wèi)星的有效載荷拼接成像如圖11所示。該衛(wèi)星裝配有對(duì)地觀測(cè)相機(jī)有效載荷，采用AOS協(xié)議進(jìn)行測(cè)控通信，包括速率阻尼、太陽(yáng)捕獲、地球捕獲、地球指向、正常運(yùn)行、姿態(tài)機(jī)動(dòng)和姿態(tài)偏置。

圖11 有效載荷拼接成像Fig.11 Assembling of images captured by space camera

6 結(jié)束語(yǔ)

本文給出一種智能研制技術(shù)，將衛(wèi)星通用化部件按類(lèi)型和型號(hào)分類(lèi)建立部件庫(kù)，設(shè)計(jì)了基于部件庫(kù)的數(shù)字裝配方法，將衛(wèi)星、測(cè)控系統(tǒng)和配套工具的各類(lèi)設(shè)計(jì)描述轉(zhuǎn)化為機(jī)器能識(shí)別的規(guī)范化描述，結(jié)合邏輯維和分形分析方法對(duì)故障診斷系統(tǒng)的源代碼進(jìn)行劃分，采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法確定規(guī)范化描述與系統(tǒng)源代碼間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成整個(gè)系統(tǒng)的源代碼書(shū)寫(xiě)。采用智能研制技術(shù)可將故障診斷系統(tǒng)的研制工作量從數(shù)十天縮短至數(shù)天甚至數(shù)小時(shí)，同時(shí)提高故障診斷系統(tǒng)的移植性和通用性。文中給出的研制實(shí)例說(shuō)明了智能研制技術(shù)的有效性。智能研制技術(shù)可進(jìn)一步推廣用于衛(wèi)星輔助方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、衛(wèi)星故障快速推演與反演，以及衛(wèi)星故障應(yīng)對(duì)措施論證、試驗(yàn)與訓(xùn)練。

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Intelligent Development Technology of Satellite Fault Diagnosis System

LI Hong-jue, DONG Yun-feng

(School of Astronautics, Beihang University, Beijing 100191, China)

To deal with the problem of long development cycle and heavily repetitive program workload of traditional satellite fault diagnosis system, an intelligent development technology was proposed to develop satellite fault diagnosis system based on parallel system and digital satellite. A digital device database was established including device parameters, interfaces, principle models, error models, fault models and 3-dimension models. The standard description of the digital satellite was determined by digital assembly. Based on the fractal structure of logic dimension, the source code generation rules of the satellite fault diagnosis system can be divided into three types that are deterministic rules, limited rules and rules worked out by inference. Machine learning is applied for reasoning and establishing source code generation rules, and these rules are used to accomplish source code generation, compilation and disposition of parts of sub system, attitude and orbit control software, satellite operation software, coupling field computation, other documents and ground test and control system. Several satellite fault diagnosis systems are developed according to different satellites, whose performances and effectiveness in improving system development efficiency are proved by simulation results.

satellites; fault diagnosis; parallel system; intelligent development; digital assembly; machine learning; logical dimension; fractal

1006-1630(2017)03-0052-08

2016-09-10；

2016-11-23

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助(613237XX)

李洪玨(1990—)，男，博士生，主要研究方向?yàn)轱w行器動(dòng)力學(xué)與控制、數(shù)字飛行器智能研制。

董云峰(1965—)，男，博士，教授，主要從事航天器總體設(shè)計(jì)技術(shù)、航天器動(dòng)力學(xué)與控制技術(shù)、數(shù)字航天器動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)研究。

TP277

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.03.007