王文平 王向暉 徐浩 田賀祥 蔣昱 潘莉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分三號(hào)衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王文平 王向暉 徐浩 田賀祥 蔣昱 潘莉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

在分析遙感衛(wèi)星自主健康管理需求和目標(biāo)的基礎(chǔ)上,對(duì)自主健康管理進(jìn)行分級(jí),提出高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)架構(gòu),設(shè)計(jì)可重配置的遙測(cè)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與量化管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化遙測(cè)監(jiān)視表設(shè)計(jì)、可量化故障事件包設(shè)計(jì)、可量化統(tǒng)計(jì)事件包設(shè)計(jì)、故障和統(tǒng)計(jì)事件包自主生成條件、曲線比對(duì)功能等共性關(guān)鍵技術(shù)。GF-3衛(wèi)星在軌運(yùn)行結(jié)果表明:衛(wèi)星能夠在非地面干預(yù)的情況下自主對(duì)整星健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并在故障發(fā)生時(shí)實(shí)施自主診斷、隔離和恢復(fù),最大限度地保證衛(wèi)星安全,有效提高衛(wèi)星在軌自主運(yùn)行的可靠性。

高分三號(hào)衛(wèi)星;自主健康管理;故障診斷;實(shí)時(shí)監(jiān)視;量化管理;遙測(cè)監(jiān)視表

1 引言

遙感衛(wèi)星在國(guó)土勘察、國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著重要作用,日益成為各國(guó)重要的戰(zhàn)略資源。提高衛(wèi)星在軌運(yùn)行的高可靠性、高自主性,已成為當(dāng)前航天領(lǐng)域的共識(shí)[1-4]。隨著遙感衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展,遙感衛(wèi)星計(jì)算機(jī)對(duì)星上各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和管理能力得到較大提升,這為星上數(shù)據(jù)自主管理的智能自主化提供了良好的硬件基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星故障診斷及衛(wèi)星健康狀態(tài)管理策略以被動(dòng)為主,主動(dòng)為輔,實(shí)現(xiàn)思路是通過(guò)星載計(jì)算機(jī)匯集各分系統(tǒng)的遙測(cè)參數(shù),通過(guò)測(cè)控通道下行傳輸后,由地面作出故障的分析診斷,再通過(guò)上行指令完成相關(guān)在軌操作,從而實(shí)現(xiàn)一定的在軌管理功能[5-9]。這種遙感衛(wèi)星健康管理機(jī)制主要存在以下問(wèn)題。

(1)測(cè)控通道資源浪費(fèi)。遙感衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示,衛(wèi)星在軌飛行的生命周期中,絕大部分遙測(cè)參數(shù)顯示無(wú)異常情況發(fā)生。但是,編排好的遙測(cè)參數(shù)格式,使下行測(cè)控通道被大量占用;衛(wèi)星故障時(shí)甚至?xí)诱`相關(guān)重要故障參數(shù)的下傳,使地面錯(cuò)過(guò)寶貴的應(yīng)急處置時(shí)機(jī)。

(2)延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)占用大量存儲(chǔ)空間。遙感衛(wèi)星的地面可視弧段較短(平均過(guò)境時(shí)間不足飛行時(shí)間的15%),延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)占用了大量存儲(chǔ)空間,過(guò)境時(shí)傳輸及星上存儲(chǔ)造成了相應(yīng)的資源浪費(fèi)。

(3)實(shí)時(shí)性較差。地面對(duì)大量原始數(shù)據(jù)的處理需要花費(fèi)一定的時(shí)間,即使發(fā)現(xiàn)問(wèn)題也已產(chǎn)生了一定的延時(shí),導(dǎo)致對(duì)衛(wèi)星在軌健康管理的實(shí)時(shí)性較差。

因此,在軌對(duì)星上原始遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的處理和提煉,是提高遙感衛(wèi)星在軌可靠性及自主性的重要手段[10]。本文對(duì)自主健康管理進(jìn)行分級(jí),針對(duì)高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星高可靠、高自主和長(zhǎng)壽命的需求,設(shè)計(jì)了基于在軌自主實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理的健康管理系統(tǒng)。GF-3衛(wèi)星的在軌運(yùn)行結(jié)果表明:衛(wèi)星對(duì)健康狀況的敏感性和故障處置的及時(shí)性均得到顯著提升,同時(shí)也提高了遙測(cè)在軌監(jiān)視的標(biāo)準(zhǔn)化程度和在軌自主運(yùn)行的管理效率。

2 自主健康管理級(jí)別定義

根據(jù)地面人工對(duì)星上健康管理的參與程度,遙感衛(wèi)星的自主能力可以分為5個(gè)級(jí)別,如表1所示。其中:5級(jí)定義為最高級(jí),也就是完全的星上自主管理,測(cè)量、分析判斷、決策與執(zhí)行等功能全部由星載計(jì)算機(jī)自主完成,不需要任何地面人工干預(yù)。1級(jí)定義為最低級(jí),衛(wèi)星健康管理基本上靠地面人工干預(yù),星載計(jì)算機(jī)僅具有數(shù)據(jù)采集、遙測(cè)下行和執(zhí)行地面上行指令的功能。

表1 星上自主健康管理級(jí)別的劃分Table 1 Classification of satellite autonomous health management

目前,中國(guó)遙感衛(wèi)星的自主水平處于2～3級(jí),即實(shí)現(xiàn)了在地面人工干預(yù)情況下達(dá)到一定程度的星上自主健康管理,自主管理的范疇主要是與整星安全密切相關(guān)的自主充放電管理(非電源管理)和自主熱控管理(被動(dòng)管理),而且重要決策的作出和重要指令的發(fā)出也均由地面人工干預(yù)。GF-3衛(wèi)星具有12種陸海兼容的多極化復(fù)雜成像模式,是中國(guó)首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星,衛(wèi)星長(zhǎng)期在軌運(yùn)行時(shí)對(duì)自主健康管理的需求非常迫切,因此要針對(duì)GF-3衛(wèi)星進(jìn)行自主健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 自主健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

GF-3衛(wèi)星上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于在軌自主實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理的自主健康管理系統(tǒng),使衛(wèi)星自主水平達(dá)到4級(jí)以上。自主健康管理系統(tǒng)是由基于中央單元(CTU)的專項(xiàng)健康管理和基于數(shù)據(jù)處理單元(DPU)的共性健康管理兩部分共同協(xié)同實(shí)現(xiàn),如圖1所示。CTU健康管理用于匯集衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)和分系統(tǒng)健康狀態(tài),實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星整星級(jí)自主健康管理策略,對(duì)衛(wèi)星健康指數(shù)進(jìn)行生成和發(fā)布;DPU健康管理用于對(duì)衛(wèi)星各分系統(tǒng)的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、邊界檢查、期望值檢查、偏差檢查、趨勢(shì)分析、監(jiān)視表維護(hù)等共性健康管理。在GF-3衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中包括多項(xiàng)共性關(guān)鍵技術(shù),為衛(wèi)星自主健康管理從簡(jiǎn)單到智能自主的提升起到重要作用。

3．1 CTU健康管理

CTU健康管理的功能主要包括以下3個(gè)方面。

(1)匯集衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)和分系統(tǒng)健康狀態(tài)。CTU通過(guò)遠(yuǎn)置單元采集衛(wèi)星硬通道遙測(cè)參數(shù),通過(guò)1553B總線采集分系統(tǒng)軟通道遙測(cè)參數(shù),通過(guò)1553B總線收集分系統(tǒng)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)包,并將以上數(shù)據(jù)作為自主健康管理的輸入。

(2)實(shí)施系統(tǒng)級(jí)自主健康管理策略。CTU關(guān)注的是系統(tǒng)級(jí)的自主健康管理策略,即需要多個(gè)分系統(tǒng)協(xié)同完成的健康管理,具體涉及電源健康管理、測(cè)控健康管理、控制健康管理、熱控健康管理、信息健康管理及載荷健康管理等專項(xiàng)健康管理。

(3)生成和發(fā)布衛(wèi)星健康狀態(tài)指數(shù)。健康狀態(tài)指數(shù)是星上健康級(jí)別的劃分標(biāo)準(zhǔn),在不同級(jí)別下的星上自主健康管理策略有所不同。在健康級(jí)別高時(shí),以優(yōu)化為主;健康級(jí)別低時(shí),以安全為主。衛(wèi)星將健康狀態(tài)指數(shù)作為高優(yōu)先級(jí)的遙測(cè)參數(shù)下傳,遙測(cè)源包調(diào)度也考慮了健康狀態(tài)指數(shù)的變化情況。表2為根據(jù)衛(wèi)星健康狀態(tài)結(jié)果得到的衛(wèi)星健康狀態(tài)指數(shù),并通過(guò)總線進(jìn)行實(shí)時(shí)廣播。

表2 衛(wèi)星健康狀態(tài)指數(shù)Table 2 Health index of satellite

3．2 DPU健康管理

DPU自主健康管理主要為共性技術(shù),涉及到遙測(cè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析、邊界檢查、期望值檢查、偏差檢查、趨勢(shì)分析、監(jiān)視表維護(hù)等功能,這些共性技術(shù)所有相關(guān)分系統(tǒng)均可提出使用需求,依據(jù)需要監(jiān)視和分析的遙測(cè)類型,通過(guò)遙測(cè)表上注功能實(shí)現(xiàn)相關(guān)遙測(cè)的監(jiān)視。

基于高性能處理DPU,GF-3衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了一種可重配置的遙測(cè)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理系統(tǒng)(如圖2所示)。地面可以通過(guò)數(shù)據(jù)上注的形式在軌實(shí)時(shí)修改和更新需要監(jiān)視的遙測(cè)參數(shù),修改采用標(biāo)準(zhǔn)化的遙測(cè)監(jiān)視表,能實(shí)現(xiàn)在軌遙測(cè)監(jiān)視表的可重配置。DPU遙測(cè)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理對(duì)關(guān)注的遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和統(tǒng)計(jì),對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)異常的遙測(cè)信息自主生成故障事件包,對(duì)滿足統(tǒng)計(jì)條件的遙測(cè)參數(shù)信息自主生成統(tǒng)計(jì)事件包。故障事件包和統(tǒng)計(jì)事件包均是可量化的,生成后自主發(fā)送給衛(wèi)星CTU。這樣,CTU能實(shí)時(shí)掌握、關(guān)注遙測(cè)參數(shù)的工作狀態(tài),實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)的量化管理。

3．3 共性關(guān)鍵技術(shù)

GF-3衛(wèi)星遙測(cè)在軌實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理,實(shí)現(xiàn)了基于國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化遙測(cè)監(jiān)視表設(shè)計(jì)、可量化故障事件包設(shè)計(jì)、可量化統(tǒng)計(jì)事件包設(shè)計(jì)、故障和統(tǒng)計(jì)事件包自主生成條件、曲線比對(duì)功能等共性關(guān)鍵技術(shù)。

1)標(biāo)準(zhǔn)化遙測(cè)監(jiān)視表設(shè)計(jì)

遙測(cè)監(jiān)視表如表3所示。表頭為數(shù)據(jù)總長(zhǎng)(預(yù)留1 byte),后面跟隨N個(gè)源包信息;每個(gè)源包信息包含3 byte的源包頭信息,后面跟隨n個(gè)參數(shù)信息;每個(gè)參數(shù)信息包含6 byte的參數(shù)屬性信息,因此每個(gè)監(jiān)視遙測(cè)包的屬性信息長(zhǎng)度為(3＋6n)byte。

表3 標(biāo)準(zhǔn)化的遙測(cè)監(jiān)視表Table 3 Standardization table of telemetry monitoring

2)可量化故障事件包設(shè)計(jì)

可量化故障事件包如表4所示,當(dāng)遙測(cè)異常檢測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到遙測(cè)異常時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)可量化的故障事件報(bào)告格式輸出故障事件包。每個(gè)源包信息包含3 byte的源包頭信息,后面跟隨n個(gè)參數(shù)信息;每個(gè)參數(shù)信息包含8 byte的參數(shù)屬性信息,因此每個(gè)故障事件包長(zhǎng)度為(3＋8n)byte。

表4 可量化故障事件包Table 4 Quantitative fault event packet

3)可量化統(tǒng)計(jì)事件包設(shè)計(jì)

可量化統(tǒng)計(jì)事件包如表5所示,當(dāng)遙測(cè)統(tǒng)計(jì)分析模塊統(tǒng)計(jì)條件成立時(shí),通過(guò)設(shè)計(jì)可量化的統(tǒng)計(jì)事件報(bào)告格式輸出統(tǒng)計(jì)事件包。每個(gè)源包信息包含3 byte的源包頭信息,后面跟隨n個(gè)參數(shù)信息;每個(gè)參數(shù)信息包含4 byte的參數(shù)屬性信息,因此每個(gè)統(tǒng)計(jì)事件包長(zhǎng)度為(3＋4n)byte。

表5 可量化統(tǒng)計(jì)事件包Table 5 Quantitative statistic event packet

4)故障及統(tǒng)計(jì)事件包自主生成條件

(1)故障事件包自主生成條件:衛(wèi)星實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的遙測(cè)參數(shù)發(fā)生跳變,即“正?！惓！?或者“異?！！?。如果一直處于正常狀態(tài)或異常狀態(tài),則不會(huì)產(chǎn)生。

(2)統(tǒng)計(jì)事件包自主生成條件:統(tǒng)計(jì)事件包自主生成模塊檢測(cè)到上注遙測(cè)監(jiān)視表的處理方式為“進(jìn)行數(shù)據(jù)長(zhǎng)期平均值計(jì)算”。

5)曲線比對(duì)功能

曲線比對(duì)功能,見(jiàn)圖3。

(1)遙測(cè)監(jiān)視表處理方式設(shè)置為二進(jìn)制“11”時(shí),表示啟動(dòng)曲線比對(duì)功能。此時(shí),各個(gè)源包中的參數(shù)起始字節(jié)序號(hào)相同,即表示對(duì)同一參數(shù)的曲線上注,用各個(gè)源包中的編號(hào)表征采樣點(diǎn)的變化,從而可以上注表示該參數(shù)變化趨勢(shì)的曲線。

(2)曲線中的第一個(gè)點(diǎn)為起始比對(duì)點(diǎn),起始點(diǎn)的時(shí)刻為接收到遙測(cè)監(jiān)視表統(tǒng)計(jì)分析位為二進(jìn)制“11”。

(3)編號(hào)定義每個(gè)采樣點(diǎn)上下邊界值的排列順序,“000000000001”為初始排列編號(hào)。N個(gè)源包對(duì)應(yīng)同一個(gè)參數(shù)的曲線比對(duì),編號(hào)n代表該參數(shù)的第n個(gè)采樣點(diǎn),上下邊界值確定該采樣點(diǎn)的取值范圍。

(4)監(jiān)視系統(tǒng)根據(jù)上注編號(hào)的最大值確定曲線繪制的點(diǎn)數(shù),點(diǎn)數(shù)的默認(rèn)間隔為1 min。

(5)統(tǒng)計(jì)時(shí)間完成后,統(tǒng)計(jì)事件包自主生成模塊返回統(tǒng)計(jì)事件包。如果超過(guò)上下限閾值,則返回故障事件包。

4 在軌驗(yàn)證

GF-3衛(wèi)星上實(shí)現(xiàn)了遙測(cè)在軌自主實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理,解決了一次性地面批量上注遙測(cè)監(jiān)視信息、一次性在軌實(shí)時(shí)批量修改與重配置遙測(cè)監(jiān)視信息、被監(jiān)視遙測(cè)的異常信息和統(tǒng)計(jì)信息自主且量化生成等問(wèn)題,具有較高的靈活性和在軌可操作性,從而顯著提升了遙測(cè)在軌監(jiān)視方式的標(biāo)準(zhǔn)化程度和在軌自主運(yùn)行管理的效率。

GF-3衛(wèi)星已完成在軌自主健康管理工程驗(yàn)證,結(jié)果表明:衛(wèi)星對(duì)健康狀況的敏感性和處置故障的及時(shí)性得到了顯著提升,分系統(tǒng)終端能實(shí)時(shí)主動(dòng)掌握整星健康狀態(tài),依據(jù)不同級(jí)別健康狀況及時(shí)啟動(dòng)安全管理策略,能夠保障衛(wèi)星自主實(shí)施故障的監(jiān)測(cè)、隔離和恢復(fù),將故障處理時(shí)間從目前的不少于1軌(90 min以上)縮減到10 s以內(nèi)[11]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)衛(wèi)星自主健康管理的能力進(jìn)行了分級(jí)定義,并對(duì)GF-3衛(wèi)星在軌自主實(shí)時(shí)監(jiān)視與量化管理的健康管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述,最后給出了工程驗(yàn)證的結(jié)果。GF-3衛(wèi)星自主健康管理的相關(guān)技術(shù)成果,已推廣應(yīng)用到后續(xù)多個(gè)遙感衛(wèi)星,可以提高衛(wèi)星的安全性、自主性,同時(shí)能降低成本。

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Design and Implementation of Autonomous Health Management System for GF-3 Satellite

WANG Wenping WANG Xianghui XU Hao TIAN Hexiang JIANG Yu PAN Li
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

An autonomous health management classification is made based on the analysis of requirement for remote sensing satellite．The architecture of GF-3 satellite autonomous health management is proposed,and satellite telemetry real-time monitoring and quantitative management system on-orbit is designed．The key technologies are described including standardization table of telemetry monitoring,quantitative fault event packet,quantitative statistic event packet,and curve comparison function．The results of GF-3 satellite on-orbit operation show that the satellite telemetry data are monitored in real-time,and the fault detection,isolation and recovery strategy are triggered in case abnormal telemetry characteristic occurs,therefore autonomous health management is useful to assure the safety of satellite,and to improve the reliability of spacecraft autonomy．

GF-3 satellite;autonomous health management;fault diagnosis;real-time monitoring;quantitative management;telemetry monitoring table

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.007

2017-10-25;

2017-11-10

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程

王文平,男,工程師,研究方向?yàn)楹教炱鲾?shù)據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。Email:wangwenping304＠163．com。

(編輯:夏光)