王嚴(yán)，孫天宇，羅佺佺，李楊，李曉波

天問一號(hào)高分相機(jī)多狀態(tài)可靠性建模方法

王嚴(yán)，孫天宇，羅佺佺，李楊，李曉波*

（中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所空間三部，長春 130033）

為了分析天問一號(hào)火星高分相機(jī)不同狀態(tài)對性能的影響，最大限度提高使用效率，對高分相機(jī)的多狀態(tài)、狀態(tài)變化過程和仿真方法開展研究。首先，分析相機(jī)的組成和不同功能單元退化產(chǎn)生的影響。然后，分析相機(jī)在軌工作的多狀態(tài)變化規(guī)律，建立轉(zhuǎn)化過程模型。最后，提出基于多狀態(tài)的仿真建模方法。案例仿真分析結(jié)果表明：考慮調(diào)整后實(shí)際有效數(shù)據(jù)獲取概率提高評(píng)估準(zhǔn)確性，通過敏感度分析也可有效提出調(diào)焦單元可靠性要求。多狀態(tài)分析方法可有效評(píng)估火星相機(jī)或其他航天光學(xué)載荷可靠性水平，有效指導(dǎo)可靠性要求的制定和工程設(shè)計(jì)。

多狀態(tài)；退化；可靠性建模；仿真

1 引　言

工程任務(wù)中常用“完好”和“故障”兩種狀態(tài)來衡量產(chǎn)品。對于光學(xué)載荷，上述兩種狀態(tài)只能考量產(chǎn)品能否實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，卻無法表征數(shù)據(jù)的質(zhì)量。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，雖然光學(xué)載荷正常進(jìn)行拍攝，但下行圖像中總會(huì)出現(xiàn)圖像離焦模糊、大量云霧遮擋等情況。光學(xué)載荷產(chǎn)生這些“劣質(zhì)圖像”的原因有很多，如相機(jī)本身的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性、平臺(tái)的測定軌精度和穩(wěn)定性、成像參數(shù)正確性、拍攝場景的未知性等。

上述問題在近地探測任務(wù)中，由于平臺(tái)測定軌道精度高，數(shù)據(jù)下行能力強(qiáng)，資源充沛，目標(biāo)明確以及地面后期處理手段使其并不突出。然而對于火星探測而言，探測未知性強(qiáng)，測軌精度低、拍攝調(diào)價(jià)變化大，使得“劣質(zhì)圖像”增加；又由于地火距離遠(yuǎn)，通訊時(shí)間長，數(shù)傳能力弱，傳回的數(shù)據(jù)可能為無效數(shù)據(jù)，使得本就緊張的帶寬資源被浪費(fèi)。因此，對火星高分相機(jī)開展更為細(xì)致準(zhǔn)確的多狀態(tài)可靠性建模的需求更為迫切。

目前針對載荷可靠性研究還局限于傳統(tǒng)方法，在文獻(xiàn)［1］中使用傳統(tǒng)方法對航天相機(jī)進(jìn)行了建模和故障樹分析，但是沒有考慮相機(jī)多狀態(tài)的變化過程；在文獻(xiàn)［2］中利用故障樹的方式對航空相機(jī)進(jìn)行分析，未考慮相機(jī)自調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)帶來的多狀態(tài)影響，并且計(jì)算復(fù)雜只適用于簡單情況；在文獻(xiàn)［3-6］中使用多狀態(tài)解析的分析方法解決了相關(guān)產(chǎn)品的多狀態(tài)問題；文獻(xiàn)［7］針對空間相機(jī)多狀態(tài)開展研究，但未清晰界定狀態(tài)的邊界。本文在此基礎(chǔ)上，針對火星高分相機(jī)，提出一種基于蒙特卡洛仿真方法開展多狀態(tài)可靠性分析和預(yù)計(jì)方法，為工程使用開辟一條可行途徑。

2 相機(jī)多狀態(tài)建模

2.1　相機(jī)組成

火星高分相機(jī)由六個(gè)功能單元組成，如圖1所示。光機(jī)結(jié)構(gòu)形成光路，為相機(jī)各單元提供支撐；主控單元進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換，執(zhí)行與外部、內(nèi)部的通訊功能；成像單元把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并進(jìn)行處理；存儲(chǔ)單元對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)并擇機(jī)下傳；熱控單元根據(jù)工作環(huán)境的變化控制各組部件溫度水平；調(diào)焦單元通過運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)對焦距進(jìn)行調(diào)整。

圖1　火星高分相機(jī)構(gòu)成示意圖

各組成單元均可能發(fā)生不同程度的降級(jí)，并對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。光機(jī)結(jié)構(gòu)在振動(dòng)、沖擊、高低溫下可能發(fā)生變形，從而可能產(chǎn)生離焦、畸變。主控單元器件的性能退化可能導(dǎo)致供電電壓不穩(wěn)，通訊異常信號(hào)增多；成像單元器件退化可導(dǎo)致圖像壞點(diǎn)增多，對比度下降；熱控單元退化可導(dǎo)致溫度控制差，結(jié)構(gòu)變形，圖像數(shù)據(jù)畸變；存儲(chǔ)單元退化導(dǎo)致存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或丟失；調(diào)焦單元退化則導(dǎo)致調(diào)焦定位不準(zhǔn)。系統(tǒng)的性能是各功能單元性能的有機(jī)結(jié)合，即使部分系統(tǒng)產(chǎn)生一定的退化，也可通過系統(tǒng)的調(diào)整和容錯(cuò)能力使整機(jī)的性能保持不變。

2.2　多狀態(tài)分析

火星高分相機(jī)在軌的多狀態(tài)有兩方面原因，一方面是工作期間受到交變溫度、拍攝條件等因素影響成像；另一方面是則由于組件自身的退化。兩相結(jié)合就可能出現(xiàn)多種故障模式，如通訊失靈、圖形模糊、圖像壞像元增加、圖像畸變變暗等。這些故障狀態(tài)中有些是在軌無法恢復(fù)，直接導(dǎo)致任務(wù)失敗的；有些可以通過功能單元的局部調(diào)整或設(shè)置參數(shù)調(diào)整，使相機(jī)整體性能恢復(fù)到正常拍攝狀態(tài)；有些雖然無法恢復(fù)但并不影響任務(wù)執(zhí)行。如果從系統(tǒng)表現(xiàn)的角度來對這些狀態(tài)進(jìn)行定義的話，可以分為四種狀態(tài)，參見表1。

表1相機(jī)狀態(tài)表

Tab.1　States of camera

（1）狀態(tài)0：完美工作狀態(tài)；

（2）狀態(tài)1：性能下降，調(diào)整后可恢復(fù)至狀態(tài)0；

（3）狀態(tài)2：性能下降，不可恢復(fù)，仍可執(zhí)行任務(wù)；

（4）狀態(tài)3：系統(tǒng)失效無法執(zhí)行任務(wù)。

在傳統(tǒng)的預(yù)計(jì)過程中，僅關(guān)注狀態(tài)0（完美狀態(tài)），使預(yù)計(jì)可靠度指標(biāo)偏低。并且由于對調(diào)整單元可恢復(fù)系統(tǒng)的程度缺乏評(píng)估，無法合理的確定調(diào)整單元的可靠性要求，開展該狀態(tài)的定量評(píng)估可以解決該問題，為調(diào)整功能單元效費(fèi)比的工程評(píng)估提供一條可行途徑。

2.3　狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程

在不具備調(diào)整單元的相機(jī)系統(tǒng)中，狀態(tài)都是從正常到退化，退化到故障，如圖2所示過程為：

（1）狀態(tài)0到狀態(tài)1；

（2）狀態(tài)1到狀態(tài)2；

（3）狀態(tài)2到狀態(tài)3；

（4）狀態(tài)0到狀態(tài)3；

（5）狀態(tài)1到狀態(tài)3；

（6）狀態(tài)2到狀態(tài)3。

當(dāng)產(chǎn)品具有了狀態(tài)識(shí)別和調(diào)整功能后，在特定情況下可以在既定狀態(tài)間進(jìn)行逆變換，即從1狀態(tài)變?yōu)?狀態(tài)。

圖2　狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖

2.4　退化模擬方法

產(chǎn)品在使用過程中必然經(jīng)歷由正常到退化，再到失效的過程，其中退化和失效是人為對產(chǎn)品內(nèi)在變化過程的一個(gè)界定和劃分，一般通過對關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定閾值來進(jìn)行判斷。這就使得故障的閾值與完全失去功能或在物理化學(xué)形態(tài)上發(fā)生變化仍存在一段區(qū)域，在這段區(qū)域內(nèi)，產(chǎn)品雖然可實(shí)現(xiàn)功能，但在性能上會(huì)出現(xiàn)下降，如圖3所示。

圖3　退化區(qū)域的界定

通過圖3所示的兩個(gè)閾值，可以定義出退化區(qū)，但在真實(shí)產(chǎn)品中，失效閾值的定義與調(diào)整單元的調(diào)整能力是直接相關(guān)的。

3 仿真模型

3.1　仿真假設(shè)

為了簡化仿真過程，進(jìn)行如下假設(shè)：

（1）產(chǎn)品各單元的退化和故障的分布均服從指數(shù)分布；

（2）各單元相互獨(dú)立，不會(huì)發(fā)生關(guān)聯(lián)故障；

（3）各單元可同時(shí)發(fā)生故障；

（4）狀態(tài)參數(shù)的隨機(jī)生成數(shù)不大于失效閾值時(shí)，可實(shí)現(xiàn)調(diào)整恢復(fù)功能。

3.2　仿真流程

仿真流程如圖4所示，圖中編號(hào)與說明一致，具體步驟說明如下：

（1）初始化，完成對系統(tǒng)的功能邏輯關(guān)系分析，確定系統(tǒng)的基本單元個(gè)數(shù)，同時(shí)確定底事件和頂事件關(guān)系，確定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)函數(shù)。確定仿真初始參數(shù)，制定仿真引擎。確定仿真策略、確定仿真時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)機(jī)制、確定最大仿真次數(shù)、確定仿真步長、確定仿真時(shí)鐘初始值。

圖4　仿真流程圖

（2）累加仿真時(shí)間；

（4）通過狀態(tài)隨機(jī)數(shù)和當(dāng)前的仿真時(shí)間比對，從而判斷出單元當(dāng)前的狀態(tài)，形成狀態(tài)矩陣；

（5）根據(jù)狀態(tài)矩陣判定系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)；

（6）判定系統(tǒng)是否符合自調(diào)整邏輯；

（7）判定調(diào)整系統(tǒng)是否完好，依據(jù)調(diào)整成功概率生產(chǎn)隨機(jī)數(shù)，判定是否調(diào)整成功；

（8）統(tǒng)計(jì)調(diào)整過后的系統(tǒng)狀態(tài)；

（9）多次仿真取狀態(tài)的均值，累積不同時(shí)間內(nèi)的狀態(tài)；

（10）完成累加時(shí)間，結(jié)束仿真。

4 案例分析

針對火星高分相機(jī)數(shù)據(jù)通過適當(dāng)簡化處理后進(jìn)行案例分析。調(diào)焦單元在光機(jī)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)問題時(shí)可進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)調(diào)整單元能力，判定退化的失效閾值為0.8倍的故障閾值，其余參數(shù)見表2。

表2單元可靠性參數(shù)

Tab.2　Units reliability parameters

根據(jù)上述輸入，調(diào)整系統(tǒng)工作時(shí)間1至9年，從而得到不同工作時(shí)間的各狀態(tài)發(fā)生概率如圖5所示，隨著時(shí)間的增加，系統(tǒng)處于正常狀態(tài)的概率降低，而處于退化和失效狀態(tài)的概率逐漸升高。

圖5　狀態(tài)發(fā)生概率與工作時(shí)間關(guān)系

為了分析系統(tǒng)可靠度對調(diào)焦單元失效率的敏感性，對調(diào)焦單元的故障率從0.1×106h1到0.9×106h1進(jìn)行調(diào)整，步進(jìn)距為0.1×106h1，工作時(shí)間為1年至9年，同時(shí)加入無調(diào)焦單元的情況（即令其失效率為正無窮），得到如圖6所示的分析結(jié)果。從圖中可以看出，隨著調(diào)焦單元失效率的降低，系統(tǒng)的可靠度得到了提升。

圖6　可靠度仿真結(jié)果

其中取調(diào)焦單元失效率為0.5×106h1與無調(diào)焦兩種情況進(jìn)行對比分析，各時(shí)間點(diǎn)上的可靠度之差如圖7所示。調(diào)焦單元的存在將系統(tǒng)可靠度平均提高12%，較大幅度的提高了系統(tǒng)的可靠度。在初始時(shí)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)的概率較高；隨著時(shí)間的增加，退化逐漸發(fā)生，由于調(diào)焦單元的存在，對系統(tǒng)可靠度的提升逐漸增加；到壽命末期，隨著其他單元退化的加劇，調(diào)焦單元對其不產(chǎn)生作用，同時(shí)調(diào)焦單元也開始發(fā)生退化失效，所以對系統(tǒng)可靠度性能提升逐漸開始下降，仿真結(jié)果符合航天相機(jī)客觀變化規(guī)律。

圖7　可靠度差值

5 結(jié)　論

航天相機(jī)在使用過程中會(huì)出現(xiàn)多種狀態(tài)，并且隨著工作時(shí)間的增加，退化狀態(tài)發(fā)生概率逐漸增加，從而對圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，通過調(diào)焦機(jī)構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)對退化過程進(jìn)行調(diào)整。本文構(gòu)建了航天相機(jī)多狀態(tài)分析的仿真方法，可根據(jù)各單元的特點(diǎn)進(jìn)行調(diào)焦單元可靠性參數(shù)確定的分析和優(yōu)化，為工程分析和應(yīng)用提供了一條可行的途徑。

但目前航天相機(jī)退化數(shù)據(jù)收集較少，在今后的使用和維護(hù)過程中注意對數(shù)據(jù)的收集將會(huì)其退化過程的分析和建模起到重要作用。

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Multi-state reliability modeling method for Tianwen-1 high-resolution camera

WANG Yan， SUN Tianyu， LUO Quanquan， LI Yang， LI Xiaobo*

（，，，，130033，），：104163

In order to solve the problems of multi-state impact on camera performance and to maximize efficiency， multi-states and their transition models were investigated. First， the origin of multi-state was identified， and the effect of deterioration of each function unit was analyzed. Then， a model containing multi-state transition was established. Finally， a simulation method is put forward. A brief case study indicated that considering multi-states would improve the accuracy and reliability of prediction， and that sensitivity analysis will help in balancing the system reliability requirement and system reliability. The multi-state reliability simulation method can be a more accurate method for predicting the reliability of space cameras and provides a practicable engineering solution.

mutil-state； degradation； relialibity modeling； simulation

TP394.1；TH691.9

A

10.37188/OPE.20223002.0137

王嚴(yán)（1985），男，吉林長春人，碩士，助理研究員，2012年于北京航空航天大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事產(chǎn)品可靠性研究。E-mail： wangyan@ciomp.ac.cn

李曉波（1987），男，陜西寶雞人，碩士，助理研究員，2014年于西北工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光機(jī)系統(tǒng)集成仿真與優(yōu)化方面的研究。E-mail： lixiaobo104@163.com

1004-924X（2022）02-0137-06

2020-09-25；

2020-11-19.

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61805001）