蔡曉瑋，智 佳，陳志敏，陳 托，楊甲森+

(1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100049)

0 引 言

基于數(shù)字孿生[1]思想對(duì)有效載荷進(jìn)行建模，以仿真設(shè)備替代物理實(shí)體，在單臺(tái)、多臺(tái)，甚至全部載荷缺失的情況下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)的虛擬集成、虛擬測(cè)試，是驗(yàn)證有效載荷分系統(tǒng)總體和接口設(shè)計(jì)、提升航天器系統(tǒng)可靠性的有效方法。遙測(cè)與注入指令是判讀和控制有效載荷工作狀態(tài)的基本依據(jù)，也是載荷工作原理、自主控制、在軌健康管理設(shè)計(jì)的載體。遙測(cè)與注入指令數(shù)據(jù)的仿真是有效載荷仿真的重要內(nèi)容。

傳統(tǒng)載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)的仿真，大多采用基于載荷物理原理和行為特性的方法。文獻(xiàn)[2]通過(guò)模擬電流、電壓、電阻、溫度的遙測(cè)參數(shù)，構(gòu)建多模塊航天器電源系統(tǒng)的仿真模型。文獻(xiàn)[3]基于原理模型、通信接口模型、誤差模型和故障模型構(gòu)建數(shù)字衛(wèi)星，通過(guò)仿真遙測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬衛(wèi)星的工作原理和狀態(tài)。文獻(xiàn)[4,5]采用窗口樹(shù)模型和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)仿真遙控遙測(cè)指令數(shù)據(jù)的系統(tǒng)級(jí)行為，構(gòu)建虛擬測(cè)試平臺(tái)原型系統(tǒng)以驗(yàn)證遙測(cè)參數(shù)接口實(shí)現(xiàn)的正確性。文獻(xiàn)[6]依據(jù)仿真動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)遙測(cè)數(shù)據(jù)，提出建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型的混合仿真航天器驗(yàn)證環(huán)境(spacec-raft verification environment，SVE)系統(tǒng)，與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行交互以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模擬。

上述基于載荷物理原理、行為特性的遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真，建模方法相對(duì)復(fù)雜，且仿真輸出的遙測(cè)數(shù)據(jù)較少反映遙測(cè)參數(shù)與注入指令、自主控制策略、健康管理策略的關(guān)聯(lián)特征[7]。本文從遙測(cè)數(shù)據(jù)閾值、周期、線性、區(qū)間、函數(shù)等多維度關(guān)聯(lián)特征的角度，提出一種基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法。以天問(wèn)一號(hào)載荷控制器、中分辨率相機(jī)為例，基于本文方法構(gòu)建有效載荷半物理仿真系統(tǒng)。任務(wù)實(shí)踐結(jié)果表明，仿真系統(tǒng)輸出的遙測(cè)數(shù)據(jù)，能夠在一定程度上反映有效載荷工作過(guò)程，可以滿足載荷分系統(tǒng)集成測(cè)試的工程需求。

1 問(wèn)題模型描述

1.1 遙測(cè)數(shù)據(jù)的概念

有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)是通過(guò)測(cè)控信道下行，反映載荷設(shè)備工作及運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)[8]。對(duì)于遙測(cè)變量dk， 長(zhǎng)度為z的遙測(cè)時(shí)間序列表示為

dk=[d1k,d2k,…,dzk]T

(1)

有效載荷的遙測(cè)變量存在多種變化規(guī)律，包括隨時(shí)間的線性、周期性等規(guī)律性變化或保持恒定[9]，或在某個(gè)事件發(fā)生后保持變化[10]。同時(shí)，不同遙測(cè)變量之間、遙測(cè)變量與注入指令之間還存在多種關(guān)聯(lián)關(guān)系[11,12]。

1.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識(shí)的概念

遙測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識(shí)是指，載荷設(shè)備的一個(gè)遙測(cè)變量在不同時(shí)段的取值或者兩個(gè)及兩個(gè)以上遙測(cè)變量的取值之間，以及注入指令與遙測(cè)變量取值之間，健康管理策略與遙測(cè)變量的取值之間，設(shè)備故障與遙測(cè)變量的取值之間存在的規(guī)律性[13]。

載荷數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)知識(shí)，反映有效載荷的工作原理、耦合設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律。基于關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真，是一種將載荷設(shè)計(jì)知識(shí)、載荷數(shù)據(jù)特性知識(shí)等融合的復(fù)合性研究方法。深入了解有效載荷數(shù)據(jù)中的這些關(guān)聯(lián)知識(shí)，并能夠?qū)@些關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行知識(shí)抽象和表示，對(duì)于解決衛(wèi)星集成測(cè)試的關(guān)聯(lián)參數(shù)判讀、數(shù)據(jù)處理、多元異常檢測(cè)、故障診斷等都具有非常重要的意義[14-16]。

1.3 基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真問(wèn)題描述

將基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真問(wèn)題描述為三元組I=(P,C,D)， 其中P={p1,p2,…,pl} 為l個(gè)與遙測(cè)變量相關(guān)的參數(shù)，C={c1,c2,…,cm} 為m個(gè)注入指令集合，D={d1,d2,…,dk} 為k個(gè)遙測(cè)變量取值即遙測(cè)數(shù)據(jù)集合。設(shè)W是平面上的一個(gè)點(diǎn)集，由W到實(shí)數(shù)集的映射f稱(chēng)為二元函數(shù)，為y=f(c,p)， 其中y∈D，c∈C，p∈P。 有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模型可表示為

{y|y=f(c,p),(c,p)∈W}

(2)

2 有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真模型的構(gòu)建

2.1 算法流程與框架

基于關(guān)聯(lián)知識(shí)構(gòu)建有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模型，步驟如下：①對(duì)三元組數(shù)據(jù)I=(P,C,D) 中的遙測(cè)變量和注入指令進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行梳理和分類(lèi)；②對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，構(gòu)建有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)的生成模型；③基于生成模型對(duì)有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。方法框架如圖1所示。

圖1 方法框架

遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模方法，包括單遙測(cè)變量、多遙測(cè)變量、注入指令與遙測(cè)變量、健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模。

2.2 單遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

單遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)是指單一遙測(cè)變量在不同仿真步長(zhǎng)下的取值之間的關(guān)聯(lián)，包含枚舉關(guān)聯(lián)、閾值關(guān)聯(lián)、增量枚舉關(guān)聯(lián)、周期關(guān)聯(lián)、趨勢(shì)關(guān)聯(lián)。

(1)枚舉關(guān)聯(lián)：對(duì)于枚舉集合V={v1,…,vn}， 任意仿真步長(zhǎng)t時(shí)刻下遙測(cè)變量的取值y(t)， 皆屬于集合V， 其數(shù)學(xué)模型為

y(t)=α1v1+α2v2+…+αnvn

(3)

具有枚舉關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量一般為載荷狀態(tài)量、開(kāi)關(guān)量，包括設(shè)備工作模式、錯(cuò)誤碼、使能標(biāo)志等。如遙測(cè)變量地形地貌相機(jī)工作模式的設(shè)計(jì)取值屬于枚舉集合V={0x00,0x01,0x02}, 其中0x00代表不工作，0x01代表靜態(tài)拍照工作模式，0x02代表動(dòng)態(tài)攝像模式。

(2)增量枚舉關(guān)聯(lián)：對(duì)于枚舉集合V={v1,…,vn}， 任意相鄰兩個(gè)仿真步長(zhǎng)ti和ti-1時(shí)刻下遙測(cè)變量的取值y(ti) 和y(ti-1)， 皆有y(ti)-y(ti-1)∈V， 其數(shù)學(xué)模型為

y(ti)-y(ti-1)=α1v1+α2v2+…+αnvn

(4)

具有增量枚舉關(guān)聯(lián)特征的遙測(cè)變量一般包括母線電流、傳輸幀計(jì)數(shù)、校時(shí)次數(shù)、總線數(shù)據(jù)廣播次數(shù)等。如各載荷設(shè)備加電前后，遙測(cè)變量母線電流分別增加0.3 A，0.5 A；遙測(cè)變量全球定位系統(tǒng) (global positioning system，GPS)請(qǐng)求計(jì)數(shù)，在間隔4 s的情況下增量值恒為8。增量枚舉關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量仿真時(shí)，需要指定其初值y(t0)。

(3)閾值關(guān)聯(lián)：已知閾值區(qū)間VThr=[vmin,vmax]，任意仿真步長(zhǎng)t時(shí)刻下遙測(cè)變量Y的取值y(t)， 皆屬于區(qū)間VThr， 即為閾值關(guān)聯(lián)，其數(shù)學(xué)模型為

y(t)=vmin+ε(vmax-vmin)

(5)

式中：ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

具有閾值關(guān)聯(lián)特征的遙測(cè)變量一般為載荷的電壓、電流、溫度、壓力等。如遙測(cè)變量母線電流的設(shè)計(jì)取值屬于區(qū)間[0,5],即母線電流的設(shè)計(jì)值最小為0 A，最大為5 A。

(4)周期關(guān)聯(lián)：已知遙測(cè)變量Y，在仿真步長(zhǎng)集合 {t0,…,tl} 下的取值集合為 {y(t0),…,y(tl)}， 若y(ti+l)=y(ti)， 其中i∈[0,l]， 那么該遙測(cè)變量Y具有周期關(guān)聯(lián)的特征。其數(shù)學(xué)模型為

y(ti+l)=y(ti)

(6)

式中：l為遙測(cè)變量的周期。

具有周期關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量一般包括：與衛(wèi)星軌道周期關(guān)聯(lián)的姿態(tài)參數(shù)、軌道參數(shù)、太陽(yáng)陣電源等參數(shù)，以及在多次重復(fù)進(jìn)行相同事件、試驗(yàn)時(shí)的遙測(cè)參數(shù)等。如某衛(wèi)星遙測(cè)變量J2000衛(wèi)星速度Z方向具有5400 s左右的周期特性，這與衛(wèi)星運(yùn)行的軌道周期大致相符。周期關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量仿真時(shí)，需要指定首個(gè)周期內(nèi)的仿真初值。

(5)趨勢(shì)關(guān)聯(lián)：在仿真步長(zhǎng)t時(shí)刻下，遙測(cè)變量Y的取值y(t) 呈現(xiàn)線性遞增、遞減、不變的態(tài)勢(shì)，即趨勢(shì)關(guān)聯(lián)。其數(shù)學(xué)模型為

y(t)=kt+y(t0)

(7)

式中：k>0線性遞增，k<0線性遞減，k=0不變。

通常表征星載設(shè)備定時(shí)操作的遙測(cè)變量具有趨勢(shì)關(guān)聯(lián)的特征。如載荷遙測(cè)變量總線時(shí)間碼廣播計(jì)數(shù)呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)的特征；如載荷開(kāi)機(jī)后，在一定的時(shí)段內(nèi)，其溫度遙測(cè)變量表現(xiàn)為持續(xù)升溫的趨勢(shì)。趨勢(shì)關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量仿真時(shí)，亦需要指定其仿真初值y(t0)。

2.3 多遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

多遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)是指多個(gè)遙測(cè)變量在同一仿真步長(zhǎng)下或不同仿真時(shí)刻的取值之間的關(guān)聯(lián)，包含線性關(guān)聯(lián)、單調(diào)關(guān)聯(lián)、函數(shù)關(guān)聯(lián)、延時(shí)函數(shù)關(guān)聯(lián)。

(1)線性關(guān)聯(lián)：已知n個(gè)遙測(cè)變量Y1,…,Yn在仿真步長(zhǎng)t下的取值y1(t),…,yn(t)， 存在n個(gè)不全為0的數(shù)k1,…,kn， 使得

(8)

線性關(guān)聯(lián)往往反映了載荷設(shè)備的耦合設(shè)計(jì)、方法設(shè)計(jì)。如某載荷遙測(cè)變量數(shù)據(jù)發(fā)送量與載荷管理器遙測(cè)變量數(shù)據(jù)接收量呈現(xiàn)完整正關(guān)聯(lián)的線性關(guān)系，這與兩臺(tái)設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)一致；又如遙測(cè)變量事件表的剩余事件數(shù)與已執(zhí)行事件數(shù)呈現(xiàn)完全負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，這與載荷管理器事件表執(zhí)行機(jī)制設(shè)計(jì)相符。

(2)單調(diào)關(guān)聯(lián)：任意兩個(gè)仿真步長(zhǎng)ti,tj下的兩個(gè)遙測(cè)變量Y1,Y2取值分別為y1(ti),y1(tj),y2(ti),y2(tj)， 恒有

(9)

式中：若取值大于0，則兩個(gè)遙測(cè)變量為單調(diào)正關(guān)聯(lián)；若取值小于0，則兩個(gè)遙測(cè)變量為單調(diào)負(fù)關(guān)聯(lián)。

(3)函數(shù)關(guān)聯(lián)：對(duì)于n個(gè)遙測(cè)變量Y1,…,Yn在仿真步長(zhǎng)t下的取值y1(t),…,yn(t)， 數(shù)學(xué)模型為

yn(t)=f(y1(t),…,yn-1(t))

(10)

空間環(huán)境等物理因素或者載荷內(nèi)在工作機(jī)理是遙測(cè)變量函數(shù)關(guān)聯(lián)的主要原因。例如遙測(cè)變量太陽(yáng)能電池陣性能與太陽(yáng)光照強(qiáng)度、入射角、工作溫度、粒子輻照劑量和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流污染等遙測(cè)變量有關(guān)；在慣性坐標(biāo)系下，遙測(cè)變量當(dāng)前軌道位置的X方向、當(dāng)前軌道衛(wèi)星速度的X方向近似為三角函數(shù)關(guān)系。

(4)延時(shí)函數(shù)關(guān)聯(lián)：一個(gè)遙測(cè)變量對(duì)另一個(gè)遙測(cè)變量的影響并不是瞬時(shí)的，必須在一段時(shí)間之后表現(xiàn)出來(lái)。遙測(cè)變量Y1在仿真步長(zhǎng)ti的取值為y1(ti)， 遙測(cè)變量Y2在仿真步長(zhǎng)tj的取值為y2(tj)， 其數(shù)學(xué)模型為

y2(tj)=f(y1(ti))

(11)

其中，tj>ti。

延時(shí)函數(shù)關(guān)聯(lián)是星載設(shè)備設(shè)計(jì)的一種反映。如處于有效載荷內(nèi)部、安裝于載荷外表面的兩個(gè)溫度貼點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度遙測(cè)變量，其變化規(guī)律會(huì)有一段時(shí)間的延遲，內(nèi)部貼點(diǎn)的溫度遙測(cè)表現(xiàn)一般早于載荷外表面貼點(diǎn)。

2.4 注入指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

注入指令為激勵(lì)時(shí)，注入指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)包括區(qū)間關(guān)聯(lián)、數(shù)值關(guān)聯(lián)、增量數(shù)值關(guān)聯(lián)、增量區(qū)間關(guān)聯(lián)[17]。

(1)區(qū)間關(guān)聯(lián)：有效載荷執(zhí)行注入指令c，遙測(cè)變量變化至某區(qū)間VThr=[vmin,vmax]， 遙測(cè)變量數(shù)學(xué)模型為

y(c)=vmin+ε(vmax-vmin)

(12)

式中：ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

載荷電壓值和電流值遙測(cè)往往滿足區(qū)間關(guān)聯(lián)的性質(zhì)。如當(dāng)注入指令載荷控制器主份加電執(zhí)行后，載荷控制器主份3.3 V電壓遙測(cè)變化至區(qū)間[2.8,3.8]。

(2)數(shù)值關(guān)聯(lián)：載荷執(zhí)行注入指令c后，其遙測(cè)變量Y將變化為定值vcon，數(shù)學(xué)模型為

y(c)=vcon

(13)

數(shù)值關(guān)聯(lián)常見(jiàn)于與指令關(guān)聯(lián)的布爾遙測(cè)變量或者枚舉遙測(cè)變量。如注入指令高分辨率相機(jī)主份開(kāi)執(zhí)行后，載荷開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)遙測(cè)變量的bit1變?yōu)?；注入指令地形地貌相機(jī)設(shè)置為動(dòng)態(tài)攝像模式執(zhí)行后，地形地貌相機(jī)設(shè)備工作模式遙測(cè)變量值變?yōu)?x02等。

(3)增量數(shù)值關(guān)聯(lián)：載荷執(zhí)行注入指令c前后，對(duì)應(yīng)時(shí)刻tF,tB， 其遙測(cè)變量Y數(shù)值之差為定值vcon，數(shù)學(xué)模型為

y(c,tB)-y(c,tF)=vcon

(14)

遙測(cè)變量載荷注入計(jì)數(shù)通常滿足這一關(guān)聯(lián)特征。如注入指令互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)圖像輸出請(qǐng)求執(zhí)行后，遙測(cè)變量數(shù)據(jù)注入包接收計(jì)數(shù)固定遞增1。

雖然，臨澤縣近年來(lái)加大了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力度，但采取的維護(hù)措施存在滯后性。面對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全問(wèn)題，政府有關(guān)部門(mén)要予以高度重視，做好農(nóng)業(yè)綠色化發(fā)展引導(dǎo)工作。維護(hù)好農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到重要作用。然而，生態(tài)環(huán)境保護(hù)不是一蹴而就的，是需要系統(tǒng)化展開(kāi)的，唯有長(zhǎng)期堅(jiān)持才能獲得良好的效果。面對(duì)土壤環(huán)境、水環(huán)境、空氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，要求監(jiān)督管理部門(mén)要加大監(jiān)督力度，技術(shù)部門(mén)要采取有效的技術(shù)措施予以解決。要定期檢測(cè)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)污染及時(shí)解決，避免產(chǎn)生二次污染。

(4)增量區(qū)間關(guān)聯(lián)：載荷執(zhí)行注入指令c前后，對(duì)應(yīng)時(shí)刻tF,tB， 其遙測(cè)變量Y取值之差屬于區(qū)間VThr=[vmin,vmax]， 數(shù)學(xué)模型為

y(c，tB)-y(c，tF)=vmin+ε(vmax-vmin)

(15)

式中：ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

如遙控指令地形地貌相機(jī)開(kāi)機(jī)執(zhí)行后，遙測(cè)變量母線電流的增量屬于區(qū)間[0.28,0.32]。

2.5 健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)包含多維增量閾值關(guān)聯(lián)、多維增量區(qū)間關(guān)聯(lián)、單維閾值關(guān)聯(lián)、連續(xù)閾值關(guān)聯(lián)。

(1)多維增量閾值關(guān)聯(lián)：當(dāng)某一仿真t時(shí)刻采集的兩個(gè)遙測(cè)變量Y1,Y2取值y1(t),y2(t) 的差值超出或小于閾值時(shí)，執(zhí)行指令c。數(shù)學(xué)模型為

y1(t)-y2(t)≥VThr1或y1(t)-y2(t)≤VThr2

(16)

其中，VThr1,VThr2為閾值。

如載荷中分辨率相機(jī)當(dāng)鏡頭溫度與電控盒溫度遙測(cè)量值之差達(dá)到10時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行關(guān)閉相應(yīng)加熱器注入指令，小于等于9時(shí)，自動(dòng)執(zhí)行開(kāi)啟相應(yīng)加熱器注入指令。

(2)多維增量區(qū)間關(guān)聯(lián)：當(dāng)某一仿真t時(shí)刻采集的兩個(gè)遙測(cè)變量Y1,Y2取值y1(t),y2(t) 的差值屬于某一區(qū)間VThr=[vmin,vmax] 時(shí)，執(zhí)行指令c。數(shù)學(xué)模型為

y1(t)-y2(t)=vmin+ε(vmax-vmin)

(17)

其中，ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

(3)單維閾值關(guān)聯(lián)：遙測(cè)變量Y的取值超出或小于閾值時(shí)，執(zhí)行指令c。數(shù)學(xué)模型為

y(t)>VThr1或y(t)

(18)

其中，VThr1,VThr2為閾值。

(4)連續(xù)閾值關(guān)聯(lián)：遙測(cè)變量Y的取值連續(xù)超出閾值n次后，執(zhí)行關(guān)聯(lián)指令c。數(shù)學(xué)模型為

y(ti-n)>vThry(t…)>vThry(ti)>vThr

(19)

其中，vThr為閾值。

如監(jiān)測(cè)遙測(cè)變量載荷整機(jī)工作電流超限3次后，載荷管理器自動(dòng)執(zhí)行載荷設(shè)備斷電指令；監(jiān)測(cè)遙測(cè)變量載荷溫度超限兩次后，載荷管理器自動(dòng)執(zhí)行載荷關(guān)機(jī)指令。

3 仿真校驗(yàn)

仿真校驗(yàn)內(nèi)容為，以天問(wèn)一號(hào)載荷控制器和中分辨率相機(jī)為例，先對(duì)該有效載荷的遙測(cè)數(shù)據(jù)、注入指令以及遙測(cè)數(shù)據(jù)與注入指令之間的關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行提取和分類(lèi)，根據(jù)有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模型的構(gòu)建算法，基于關(guān)聯(lián)知識(shí)構(gòu)建有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真模型。將模型應(yīng)用于天問(wèn)一號(hào)有效載荷半實(shí)物仿真系統(tǒng)，驗(yàn)證了模型的工程應(yīng)用性。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文選用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)的測(cè)試細(xì)則數(shù)據(jù)，對(duì)細(xì)則數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，篩選出注入指令與對(duì)應(yīng)的遙測(cè)變量，為關(guān)聯(lián)知識(shí)的提取與分類(lèi)做準(zhǔn)備。

3.2 基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

(1)載荷控制器。根據(jù)載荷控制器單機(jī)功能的測(cè)試指令與數(shù)據(jù)，對(duì)載荷控制器的注入指令與遙測(cè)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)知識(shí)的提取與分類(lèi)，得到包含的注入指令與遙測(cè)參數(shù)關(guān)聯(lián)知識(shí)見(jiàn)表1。

表1 載荷控制器指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)

由載荷控制器的注入指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)可得，包含關(guān)聯(lián)知識(shí)類(lèi)型有區(qū)間關(guān)聯(lián)、數(shù)值關(guān)聯(lián)、增量數(shù)值關(guān)聯(lián)，對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行數(shù)字化描述，對(duì)生成的遙測(cè)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，包含的數(shù)學(xué)模型有：

1)區(qū)間關(guān)聯(lián)：y(c)=vmin+ε(vmax-vmin)，VThr=[2.8,3.8] 或VThr=[4.5,5.5]。

2)數(shù)值關(guān)聯(lián)：y(c)=vcon， vcon={0,1}。

3)增量數(shù)值關(guān)聯(lián)：y(c,tB)-y(c,tF)=vcon， vcon=1。

注入指令用c0～c6表示，遙測(cè)變量用Y0～Y6表示，見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)若干次實(shí)驗(yàn)，遙測(cè)變量Y0，Y1始終在3.3±0.5 V和5±0.5 V范圍內(nèi)波動(dòng)，符合電壓遙測(cè)的范圍，如圖2所示。隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，遙測(cè)變量Y2，Y3，Y4，Y5，Y6生成的遙測(cè)數(shù)據(jù)均保持不變見(jiàn)表3。比如載荷補(bǔ)償熱控開(kāi)機(jī)，則遙測(cè)變量傳送指令的接收計(jì)數(shù)加1，載荷熱控開(kāi)關(guān)狀態(tài)變?yōu)?；再比如低電壓差分信號(hào)(low voltage differential signaling，LVDS)選擇主份時(shí)，數(shù)據(jù)注入包接收計(jì)數(shù)加1，科學(xué)數(shù)據(jù)接收通道主備狀態(tài)變?yōu)?。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與星載設(shè)計(jì)相符，與設(shè)備控制邏輯工作原理具有一致性。

表2 載荷控制器指令與遙測(cè)變量的表示

圖2 載荷控制器主備份電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)

(2)中分辨率相機(jī)。根據(jù)中分辨率相機(jī)單機(jī)功能的部分測(cè)試指令與數(shù)據(jù)，得到部分健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)見(jiàn)表4。

表3 載荷控制器遙測(cè)變量生成模型數(shù)據(jù)

表4 中分辨率相機(jī)健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)

由關(guān)聯(lián)知識(shí)抽象出的數(shù)學(xué)模型有：

1)多維增量閾值關(guān)聯(lián)：

y1(t)-y2(t)≥VThr1，VThr1=100，c=0；y1(t)-y2(t)≤VThr2，VThr2=90，c=1。

2)單維閾值關(guān)聯(lián)：

y(t)≥VThr1，VThr1=500時(shí)，c=1；y(t)≤VThr2，VThr2=490時(shí)，c=0。

開(kāi)啟加熱器，令遙控指令c=1； 關(guān)閉加熱器，令遙控指令c=0； 無(wú)指令操作，令c=-1。 對(duì)中分辨率相機(jī)進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)的仿真，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)可得，多維增量閾值關(guān)聯(lián)規(guī)則中，鏡頭溫度與電控盒的模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量(analog to digital，AD)值之差大于等于100時(shí)關(guān)閉加熱器，小于等于90時(shí)開(kāi)啟加熱器，AD值之差在90～100之間時(shí)，無(wú)指令操作，如圖3所示；單維閾值關(guān)聯(lián)規(guī)則中，鏡頭溫度的AD值小于等于490時(shí)關(guān)閉加熱器，大于等于500時(shí)開(kāi)啟加熱器，當(dāng)AD值在490～500之間時(shí)，無(wú)指令操作，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，仿真結(jié)果與自主控制設(shè)計(jì)原理相一致。

圖3 中分辨率相機(jī)多維增量閾值關(guān)聯(lián)

圖4 中分辨率相機(jī)單維閾值關(guān)聯(lián)

采用基于關(guān)聯(lián)知識(shí)對(duì)有效載荷進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)建模仿真的方法，對(duì)載荷控制器的建模仿真反映了遙測(cè)變量與遙控指令之間的關(guān)聯(lián)特性。對(duì)中分辨率相機(jī)的建模仿真，除反映遙測(cè)變量與遙控指令的關(guān)聯(lián)特性外，還反映了遙測(cè)變量與自主控制策略、健康管理策略之間的關(guān)聯(lián)特性。

3.3 航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真模型的應(yīng)用

將基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真建模方法應(yīng)用于航天器有效載荷半實(shí)物仿真系統(tǒng)中，如圖5所示。遙測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容仿真部分包括單遙測(cè)和多遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)、遙控指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)、健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模塊。生成的遙測(cè)數(shù)據(jù)注入到格式仿真模塊進(jìn)行遙測(cè)源包數(shù)據(jù)和遙測(cè)幀的封裝，而后進(jìn)行載荷物理接口的仿真。

圖5 航天器有效載荷半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

構(gòu)建航天器有效載荷的半實(shí)物仿真后，可在單臺(tái)、多臺(tái)，甚至全部載荷缺失的情況下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)的虛擬集成、虛擬測(cè)試、故障仿真推演，如圖6所示。航天器有效載荷1是代表有效載荷的物理實(shí)體，航天器有效載荷2代表基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的虛擬數(shù)字載荷。天問(wèn)一號(hào)的實(shí)踐結(jié)果表明，基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法能夠用虛擬載荷替代實(shí)體載荷，虛擬載荷可在一定程度上反映有效載荷的工作過(guò)程以及滿足載荷分系統(tǒng)集成測(cè)試的工程需求。

圖6 航天器有效載荷虛擬測(cè)試

4 結(jié)束語(yǔ)

自主控制與緊耦合設(shè)計(jì)是無(wú)人值守?cái)?shù)字化的有效載荷系統(tǒng)最顯著的特征。為了解決傳統(tǒng)載荷數(shù)據(jù)仿真方法無(wú)法反映不同遙測(cè)變量之間、遙測(cè)變量與注入指令、自主控制策略、健康管理策略之間關(guān)聯(lián)特性的問(wèn)題，提出了基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真的方法。本文主要側(cè)重于遙測(cè)變量和注入指令、自主控制策略、健康管理策略的關(guān)聯(lián)知識(shí)建模。

基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法可作為面向載荷全生命周期的有效載荷數(shù)據(jù)建模工具，驅(qū)動(dòng)有效載荷半物理仿真單機(jī)的研制。意義有：①將有助于縮短研制周期，提升測(cè)試效率和載荷測(cè)試的自動(dòng)化水平，從而提高有效載荷科學(xué)探測(cè)儀器的研制質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)的目標(biāo)；②這也將推動(dòng)我國(guó)載荷測(cè)試領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，孵化帶動(dòng)其它航天型號(hào)任務(wù)載荷測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)步；③可將基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的載荷建模技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，擴(kuò)大虛擬仿真規(guī)模，模擬航天器分系統(tǒng)以及構(gòu)建虛擬環(huán)境，對(duì)虛擬任務(wù)進(jìn)行測(cè)試指揮，進(jìn)一步推動(dòng)航天器有效載荷測(cè)試的智能化發(fā)展。