范延芳,李瑞軍,周曉伶,成宏璟

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引言

隨著我國航天技術(shù)的進(jìn)步，對航天器的“好用、易用”提出更高要求[1-4]，因此越來越多的航天器支持廣泛應(yīng)用各類傳感器采集健康數(shù)據(jù)并通過綜合電子系統(tǒng)對采集數(shù)據(jù)加以分析處理，實(shí)現(xiàn)對航天器在軌飛行健康狀態(tài)的監(jiān)測和自主判斷，一旦健康狀況出現(xiàn)異常，能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的處置方案實(shí)施故障排查、預(yù)警，必要時(shí)還支持自主選擇、執(zhí)行最佳應(yīng)急處置方案，并將上述情況通過遙測通知地面測控站[5-6]。

然而航天器產(chǎn)品的仿真驗(yàn)證能力并未跟上其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的步伐，主要體現(xiàn)在：1)硬件設(shè)備的故障模擬手段不足，導(dǎo)致多數(shù)自主健康管理策略的驗(yàn)證成為不可測試項(xiàng)，從而導(dǎo)致航天器系統(tǒng)級可靠性、安全性驗(yàn)證不完善；2)在真實(shí)硬件設(shè)備測試環(huán)境下，目前分系統(tǒng)和整星階段測試多采用內(nèi)存修改的方式實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)設(shè)置，此方法一方面實(shí)現(xiàn)起來步驟繁多，需要大量內(nèi)存地址與數(shù)據(jù)關(guān)系的先驗(yàn)知識，對測試人員能力和知識儲(chǔ)備要求高，另一方面，由于測試過程需要對目標(biāo)設(shè)備內(nèi)存進(jìn)行反復(fù)操作，不但降低測試實(shí)時(shí)性和測試效率[7]，同時(shí)還增加了目標(biāo)設(shè)備內(nèi)存數(shù)據(jù)被改寫錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出一種基于代理的航天器自主健康故障仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，基于該方案實(shí)現(xiàn)的故障仿真系統(tǒng)能夠有效解決上述問題，實(shí)現(xiàn)根據(jù)通用化故障模型動(dòng)態(tài)生成整套自主健康測試用例，支持自動(dòng)、有序執(zhí)行，實(shí)時(shí)判讀，同時(shí)能針對航天器自主健康管理需求，對其功能實(shí)現(xiàn)的正確性和有效性給予評價(jià)報(bào)告。代理模式方案的另一個(gè)主要優(yōu)勢是，無需被迫修改目標(biāo)機(jī)內(nèi)存，在正樣產(chǎn)品測試中不會(huì)給被測設(shè)備帶來負(fù)面風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，基于該方案實(shí)現(xiàn)的測試系統(tǒng)至少能將測試覆蓋率提升至95%；同時(shí)將測試效率提升60%。

1 基于代理的故障仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 基于代理的故障仿真原理

基于代理的故障仿真是指按照航天器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特定故障模型，以人為的、有意識的手段，采用代理機(jī)制，在確保不改變被測系統(tǒng)健康指標(biāo)數(shù)據(jù)采集時(shí)序和周期的情況下，將實(shí)際采集得到的無故障狀況表征信息替換為故障狀態(tài)表征信息，并通過航天器內(nèi)部數(shù)據(jù)總線、I/O接口等途徑，直接或間接的傳遞給星載中央計(jì)算機(jī)軟件，作為判斷航天器運(yùn)行狀態(tài)是否符合在軌運(yùn)行要求的判斷依據(jù)的過程。

圖1所示的星/地模塊映射結(jié)構(gòu)圖給出了故障仿真系統(tǒng)模塊與航天器自主健康管理系統(tǒng)模塊之間一一對應(yīng)的關(guān)系，從系統(tǒng)組成角度直觀描述了基于代理的故障仿真系統(tǒng)原理。

圖1 故障仿真原理圖

針對被測試系統(tǒng)的自主健康設(shè)計(jì)需求開展需求分解活動(dòng)，采用窮舉的方式獲取所有待分析健康指標(biāo)數(shù)據(jù)，并在此基礎(chǔ)上，基于健康指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集方式(模擬采集還是數(shù)字采集)、處理方法、傳輸協(xié)議(采集參數(shù)的物理量轉(zhuǎn)化公式、校準(zhǔn)方法、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型、保留的數(shù)據(jù)位長及精度等信息)等定義，確定每一類健康指標(biāo)數(shù)據(jù)的故障模擬代理策略。

無論采取上述本文1.3節(jié)中介紹的任何一種故障仿真策略中，均可通過向故障仿真系統(tǒng)發(fā)送故障仿真激勵(lì)指令的方式，命令故障代理模塊實(shí)施代理動(dòng)作。仿真激勵(lì)指令嚴(yán)格按時(shí)序發(fā)出，故障代理模塊在接收到故障仿真激勵(lì)指令后，能夠以微秒級精度完成故障數(shù)據(jù)的替換及轉(zhuǎn)發(fā)；星載計(jì)算機(jī)自主健康管理模塊得到無差別替換健康指標(biāo)數(shù)據(jù)后，根據(jù)星上軟件設(shè)計(jì)邏輯對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并給出針對該組故障數(shù)據(jù)推導(dǎo)出的星上自主動(dòng)作序列，包括一組特定的指令鏈、若干個(gè)星上健康表征遙測參數(shù)的重新配置及故障描述信息的事件報(bào)告下傳。

仿真測試系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)視、獲取并解析各個(gè)星地接口數(shù)據(jù)的方式，收集星上計(jì)算機(jī)軟件自主動(dòng)作的影響域表征數(shù)據(jù)，并通過對該數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)序及解析值含義的判讀，為星上故障模式處置策略的有效性和正確性做出客觀、準(zhǔn)確的定性評價(jià)。

1.2 故障模型建立

目前美國的艦船系統(tǒng)、民用車輛等領(lǐng)域廣泛采用ISO13374和MIMOSA標(biāo)準(zhǔn)制定的體系結(jié)構(gòu)——OSA-CBM(open system architecture for condition based maintenance)體系結(jié)構(gòu)，作為飛行器綜合健康管理的標(biāo)準(zhǔn)[8]。該體系結(jié)構(gòu)將自主健康管理分成7個(gè)功能模塊，數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，狀態(tài)監(jiān)測模塊，健康評估模塊，故障預(yù)測模塊，推理決策模塊和人機(jī)接口模塊。結(jié)合我國航天器研制中對自主健康管理功能的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和故障仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，歸納總結(jié)得出下述適合我國航天器產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式的故障仿真模型。

基于代理的自主健康管理故障仿真模型由兩部分組成。

首先，自上而下的分解航天器系統(tǒng)自主健康自主安全管理需求，并由需求功能點(diǎn)抽象出通用化故障模型。該模型由兩部分組成。一部分通過定量、定性的描述故障發(fā)生的前提條件和判讀原子，以及判讀時(shí)間，判讀策略、各判讀因子之間的邏輯依賴關(guān)系等，定義了故障發(fā)生的充分必要條件。

判讀的對象為星載應(yīng)用軟件采集、處理的航天器自主健康狀態(tài)表征信號量。這些信號量的定義通過抽象、建模得到的自身屬性特征加以描述，包括信號量采集方式分類、處理方法、采集頻率、監(jiān)控時(shí)機(jī)，等。若某種故障模式的定義比較復(fù)雜，需要通過準(zhǔn)確定義故障產(chǎn)生的前提條件，持續(xù)時(shí)間，以及在滿足該前提條件的情況下，其他健康狀態(tài)表征參數(shù)之間的邏輯關(guān)系。在仿真驗(yàn)證的應(yīng)用過程中，此部分模型的應(yīng)用將通過在確定的時(shí)刻，通過特定的故障模擬策略，為確定的故障狀況表征參數(shù)設(shè)置滿足故障觸發(fā)條件的采集值，即在仿真序列中，按設(shè)計(jì)時(shí)序發(fā)送特定故障參數(shù)模擬指令的方式實(shí)現(xiàn)。

其次，還需要針對地面遙測參數(shù)的判讀方式進(jìn)行建模，包括定義參與判讀的健康狀態(tài)信號量代號，參與狀態(tài)判斷的邏輯、流程、組合權(quán)重等。以此模型作為對航天器系統(tǒng)故障處置策略執(zhí)行結(jié)果是否與設(shè)計(jì)預(yù)期一致的自動(dòng)化評估依據(jù)。當(dāng)滿足航天器的健康狀況特征參數(shù)的采集值滿足故障觸發(fā)的充分必要條件時(shí)，根據(jù)星載計(jì)算機(jī)軟件自主健康、自主安全管理需求定義，星上應(yīng)做出相應(yīng)處置措施。此處置措施就是故障模型必須描述的第二部分，即在軌故障發(fā)生后，星載計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)該給出的應(yīng)對措施的模型描述。此部分模型中應(yīng)包含以下要素：星載計(jì)算機(jī)是否需要根據(jù)故障的嚴(yán)重程度立刻、自主做出處置動(dòng)作；如果需要，星載計(jì)算機(jī)軟件給出自主處置動(dòng)作包含的具體步驟；星載計(jì)算機(jī)應(yīng)通知地面星上故障的時(shí)機(jī)、方法及協(xié)議格式。采用基于因果關(guān)系的歸類方法，對模型要素進(jìn)行分類，最終通過邏輯公式將上述所有因素加以描述的過程，就是故障模型的第二部分建模的過程。

表1定義了航天器自主健康故障模型建模中涉及的主要因子。實(shí)際應(yīng)用中可通過各相關(guān)因子的邏輯組合+時(shí)序控制，靈活實(shí)現(xiàn)各類航天器在軌故障模式的模擬。經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，采用此方式形成的故障模型涵蓋當(dāng)前航天器設(shè)計(jì)中至少95%的自主健康管理故障類型描述。

1.3 基于故障模型的故障代理策略

根據(jù)故障模型中健康指標(biāo)參數(shù)采集周期和采集方式的不同，提出了三種故障代理策略。

表1 基于代理的自主健康故障仿真模型

1)硬通道I/O代理模式：此代理模式適用于周期性采集的硬通道健康指標(biāo)參數(shù)。故障仿真驗(yàn)證系統(tǒng)的代理模塊根據(jù)故障模型要求，獲取當(dāng)前故障模式下需要代理的健康指標(biāo)參數(shù)及其相關(guān)屬性信息，例如，航天器建造文檔中定義的硬通道采集周期、傳輸波道、處理方法和正常值范圍、判讀次數(shù)、判讀持續(xù)時(shí)間等，并為每一個(gè)硬通道健康指標(biāo)參數(shù)創(chuàng)建對象，一旦在仿真驗(yàn)證過程中收到代理指令，可根據(jù)指令要求，按周期，在特定傳輸通道上實(shí)現(xiàn)對該參數(shù)采集數(shù)據(jù)的替換。

軟通道參數(shù)代理模式：此代理模式適用于突發(fā)性的軟通道健康指標(biāo)參數(shù)。故障仿真驗(yàn)證系統(tǒng)代理模塊根據(jù)故障模型要求，獲取當(dāng)前故障模式下需要代理的軟通道健康指標(biāo)參數(shù)及其參與故障狀態(tài)的場景信息，包括參數(shù)數(shù)據(jù)類型、處理方法、正常值范圍、和其他參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系、采集周期、判讀次數(shù)、判讀持續(xù)時(shí)間，等，并為各參數(shù)創(chuàng)建對象。一旦仿真驗(yàn)證過程涉及相應(yīng)故障模式，則根據(jù)故障模型描述，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)，以特定方式，將該健康指標(biāo)參數(shù)的值改變?yōu)楣收蠣顟B(tài)。

2)附條件代理模式：此代理模式適用于需要通過握手確認(rèn)實(shí)現(xiàn)的故障設(shè)置方式。被代理數(shù)據(jù)在傳遞給代理模塊前需要通過消息通知，代理模塊將參數(shù)注入相應(yīng)通道后，也需要通過消息通知參數(shù)采集方實(shí)施采集動(dòng)作，為了確保星上軟件的處理時(shí)序正確，需確保上述兩個(gè)操作嚴(yán)格在一個(gè)參數(shù)采集周期內(nèi)完成。

若待仿真健康指標(biāo)參數(shù)對時(shí)序性要求特別高，同時(shí)具備真實(shí)目標(biāo)機(jī)硬件設(shè)備的故障仿真測試場景，推薦采用硬通道I/O代理模式；若待仿真健康指標(biāo)參數(shù)僅對采集數(shù)據(jù)的相對時(shí)序是否與真實(shí)在軌飛行時(shí)的采集時(shí)序一致做嚴(yán)格要求，而對數(shù)據(jù)采集絕對時(shí)刻不做明確要求，同時(shí)又不具備實(shí)物目標(biāo)機(jī)，則推薦使用軟通道參數(shù)代理策略；若待仿真健康指標(biāo)參數(shù)的準(zhǔn)確仿真時(shí)機(jī)依賴與某個(gè)事件的發(fā)生，則推薦使用附條件的代理模式?；诖淼淖灾鹘】倒收戏抡嫦到y(tǒng)支持觸發(fā)事件包括：星地遙控指令、特定的突發(fā)總線消息或特定的突發(fā)遙測源包等。

1.4 基于代理的自主健康故障仿真驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)

基于代理的故障仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)中各模塊間通過局域網(wǎng)互聯(lián)。其中，基于代理的故障仿真模塊負(fù)責(zé)獲取、解析故障模擬激勵(lì)指令；并根據(jù)激勵(lì)指令選取適當(dāng)?shù)墓收夏M策略，將真實(shí)采集的健康指標(biāo)數(shù)據(jù)替換為故障狀態(tài)數(shù)據(jù)按時(shí)序要求轉(zhuǎn)送星上數(shù)據(jù)處理模塊的輸入端口；測試客戶端的測試用例執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)根據(jù)自主健康模型生成和自動(dòng)執(zhí)行測試序列；測試客戶端的故障判讀模塊負(fù)責(zé)根據(jù)故障模型中定義的處置策略，對星載軟件的處置結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，并給出結(jié)論性報(bào)告。

圖2 基于代理的自主管理故障仿真系統(tǒng)架構(gòu)

基于代理的故障仿真系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的流程如下：

1)根據(jù)對被測航天器自主健康需求分解結(jié)果，以及1.2節(jié)中介紹的自主健康故障建模方法得到的自主健康故障模型，故障仿真系統(tǒng)能夠自動(dòng)生成滿足自主健康故障仿真驗(yàn)證覆蓋率要求的測試序列。

2)故障仿真系統(tǒng)能夠根據(jù)測試需要自動(dòng)加載、解析測試序列腳本，并按照測試時(shí)序，逐條發(fā)送故障仿真激勵(lì)指令，為星載軟件采集航天器在軌運(yùn)行故障模式提供依據(jù)。

3)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取、解析、比較航天器所有星內(nèi)、星地信息流數(shù)據(jù)，從中提取用于評估星載軟件針對當(dāng)前故障狀態(tài)所觸發(fā)的所有動(dòng)作表征信息量，包括星上自主發(fā)出的遙控指令碼、指令間隔、航天器運(yùn)行狀態(tài)表征軟遙測、事件報(bào)告數(shù)據(jù)等。

4)仿真驗(yàn)證系統(tǒng)能夠充分融合上一步驟獲取的所有判讀結(jié)果，給出被測軟件針對當(dāng)前故障模式是否滿足設(shè)計(jì)要求的綜合評估結(jié)果。

整個(gè)測試流程可由系統(tǒng)自行閉環(huán)，無需人工干預(yù)。如果一定要針對測試完備性和測試強(qiáng)度做特別評估，可以在測試用例自動(dòng)生成后，測試用例自動(dòng)執(zhí)行前，選取有經(jīng)驗(yàn)的測試人員對測試用例做人工審查。人工自動(dòng)審查獲得的完善措施，可以在后續(xù)仿真驗(yàn)證過程中，通過迭代完善故障模型的方式得以體現(xiàn)和延續(xù)。

鑒于航天器星載計(jì)算機(jī)軟件為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件，其對時(shí)序精度要求極為嚴(yán)格，本仿真系統(tǒng)采用了時(shí)間同步的通信機(jī)制，同時(shí)通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)系統(tǒng)共享和多參數(shù)并行仿真/判讀機(jī)制，達(dá)到了滿足航天器在軌運(yùn)行故障模式逼真模擬，并實(shí)現(xiàn)了對星載軟件自主健康處置結(jié)果自動(dòng)、高效判讀的功能。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

2.1 基于代理的自主健康故障仿真驗(yàn)證方法及流程

采用基于代理的自主健康故障仿真系統(tǒng)對若干真實(shí)在研衛(wèi)星的自主健康管理功能進(jìn)行測試。驗(yàn)證方法及流程如圖3所示，具體步驟如下：

1)搭建基于代理的航天器自主運(yùn)行仿真驗(yàn)證測試環(huán)節(jié)；

2)根據(jù)型號自主健康管理設(shè)計(jì)要求和故障建模策略，配置自主健康信號量采集、傳輸、組織遙測下傳的映射關(guān)系配置文件；

3)基于自主健康建模策略，利用自主健康測試用例自動(dòng)生成模塊產(chǎn)生故障激勵(lì)和自主健康執(zhí)行策略自動(dòng)判讀自動(dòng)化測試序列；

4)自動(dòng)化測試序列自動(dòng)執(zhí)行和判讀；

5)根據(jù)自動(dòng)化測試序列的測試結(jié)果給出航天器自主健康管理測試評估報(bào)告。

圖3 故障仿真驗(yàn)證流程

從航天器自主健康管理功能分類角度，本仿真驗(yàn)證方法能夠覆蓋自主安全和自主健康兩大類故障模型測試，包括了測控、數(shù)管、控制、導(dǎo)航、能源、熱控和有效載荷等7大分系統(tǒng)近200種故障的1 000多個(gè)測試用例，測試準(zhǔn)備用時(shí)5天，測試執(zhí)行用時(shí)3天，測試覆蓋率100%，發(fā)現(xiàn)星載軟件設(shè)計(jì)缺陷10余項(xiàng)，缺陷類型從文實(shí)不符到軟件設(shè)計(jì)缺陷等類型均有涉及，測試回歸用時(shí)1天，測試用例復(fù)用率高達(dá)92%。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果

本仿真驗(yàn)證系統(tǒng)在高分7號衛(wèi)星的分系統(tǒng)測試、整星測試中得以應(yīng)用。實(shí)踐證明，首先，基于本文1.2節(jié)故障模型生成的自主健康仿真驗(yàn)證序列能夠滿足型號100%測試覆蓋率要求；其次，仿真驗(yàn)證系統(tǒng)支持按測試序列時(shí)序要求，實(shí)時(shí)觸發(fā)代理模式故障仿真激勵(lì)，其模擬的故障健康指標(biāo)數(shù)據(jù)在時(shí)序上與真實(shí)硬件系統(tǒng)采集、傳輸?shù)慕】抵笜?biāo)數(shù)據(jù)時(shí)序完全一致，無延遲；最后，仿真驗(yàn)證系統(tǒng)支持基于故障模型定義實(shí)施自動(dòng)判讀，并給出仿真驗(yàn)證評估結(jié)果。 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證評估結(jié)論如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證評估結(jié)論

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于代理模式的故障仿真設(shè)計(jì)方法，并基于該方法實(shí)現(xiàn)了一套仿真驗(yàn)證系統(tǒng)。實(shí)踐驗(yàn)證證明，該方法能夠有效解決航天器研制過程中存在的故障模式測試不完備、測試效率低等問題，為在實(shí)物硬件測試環(huán)境中實(shí)現(xiàn)故障模式處置策略的正確性測試提供了一種全新的測試方法，為整器系統(tǒng)級可靠性、安全性提升做出顯著貢獻(xiàn)。后續(xù)若能夠基于測試記錄數(shù)據(jù)，開展預(yù)測技術(shù)與方法的研究，將能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)星地聯(lián)合預(yù)測衛(wèi)星在軌健康狀態(tài)，有效提升航天器自主管理智能化程度提供創(chuàng)新依據(jù)。