楊同智 黨建成 劉廷玉 蔡先軍 潘耀

(上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109)

航天器在軌運(yùn)行環(huán)境嚴(yán)酷，潛在異常的擴(kuò)散極易導(dǎo)致功能降級或失效，在軌電源故障占比高、失效影響大[1]。統(tǒng)計(jì)分析國內(nèi)外衛(wèi)星故障情況，電源故障占比約為27%，在電源故障中約14%的故障會導(dǎo)致任務(wù)的失敗，72%的故障對在軌任務(wù)有嚴(yán)重影響，如某合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星太陽電池陣部分失效，SAR載荷工作功耗大[2]，無法實(shí)現(xiàn)當(dāng)圈能量平衡，任務(wù)執(zhí)行頻次與時長減少了1/2以上，因而航天器電源健康狀態(tài)的監(jiān)測判讀對于保障航天器穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。文獻(xiàn)[3-9]中運(yùn)用支持向量機(jī)(SVM)、長短時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(LSTM)和K最近鄰(KNN)等機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練電源故障診斷模型，進(jìn)行航天器電源的智能判讀。機(jī)器學(xué)習(xí)判讀方法需要有大樣本數(shù)據(jù)支撐，且存在解釋性不足的問題，在小子樣航天器故障樣本稀疏場景下的應(yīng)用受限。

基于機(jī)理知識的專家規(guī)則判讀具有機(jī)理清晰、結(jié)論明確的優(yōu)點(diǎn)，是航天器地面測試與在軌監(jiān)測的重要手段，在航天器故障診斷中發(fā)揮著重要作用[10]。當(dāng)前，國內(nèi)電源判讀規(guī)則制定缺乏指導(dǎo)性框架與模板，不利于規(guī)則的有效推開。在高效航天器集成測試與在軌運(yùn)行維護(hù)形式下，需要研究如何快速有效形成基于機(jī)理知識的判讀規(guī)則，并集成到判讀系統(tǒng)中，提升航天器狀態(tài)監(jiān)測的充分性與有效性。為此，本文對太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理與判讀方法論進(jìn)行總結(jié)提煉，構(gòu)建了適用的電源智能判讀規(guī)則框架，采用其他架構(gòu)的航天器電源系統(tǒng)亦可參考。

1 電源智能判讀規(guī)則框架構(gòu)建

電源系統(tǒng)本質(zhì)上是一個能源流閉環(huán)控制系統(tǒng)，為航天器各個系統(tǒng)工作提供能源供給，系統(tǒng)存在冗余性信息，發(fā)電、輸電、變電、儲能各環(huán)節(jié)存在互相關(guān)聯(lián)、動態(tài)演變，因此通過系統(tǒng)化分析電源系統(tǒng)的工作機(jī)理與特性，從工作模式分析、冗余遙測一致性、遙測參數(shù)功能關(guān)聯(lián)、能源趨勢分析4個方面(如圖1所示)出發(fā)，提出了一整套的電源智能判讀規(guī)則框架。

圖1 電源智能判讀規(guī)則框架Fig.1 Intelligent interpretation rule framework for power system

1.1 基于工作模式分析的電源判讀

航天器電源系統(tǒng)是一個動態(tài)反饋系統(tǒng)，受能源輸入與母線負(fù)載波動影響，在不同的條件下具備不同的工作模式[11]。如圖2所示，電源隨工況變化在各個模式之間動態(tài)切換。

圖2 電源工作模式轉(zhuǎn)換Fig.2 Power system mode conversion

根據(jù)太陽電池陣供電與蓄電池充放電狀態(tài)，電源系統(tǒng)分為4個工作模式：太陽電池陣供電且蓄電池組不充不放(簡稱分流)、太陽電池陣供電且蓄電池組充電(簡稱充電)、太陽電池陣供電且蓄電池放電(簡稱聯(lián)合供電)、太陽電池陣不供電且蓄電池組放電(簡稱內(nèi)電)。

為了有效監(jiān)測電源的動態(tài)運(yùn)行情況，提出了一種基于模式分析的電源異常檢測方法。其實(shí)現(xiàn)過程為：實(shí)時接收遙測數(shù)據(jù)，基于每拍遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行電源模式判定(圖3中虛框)，劃分為充電、分流、聯(lián)合供電、內(nèi)電4個工作模式。模式判定過程中進(jìn)行條件復(fù)核，若復(fù)核報錯，則退出檢測并上報異常，繼續(xù)接收下一拍遙測；若復(fù)核通過，則完成模式判定，轉(zhuǎn)入模式分析。比較當(dāng)前模式與上一拍模式，若相鄰2拍模式跳變，則進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性判斷；否則，進(jìn)行模式條件一致性判斷。查找相應(yīng)的判斷條件表，遍歷所有待判條件，判斷電源運(yùn)行狀態(tài)是否正常，完成此拍遙測判讀。重復(fù)以上流程，接收下一拍遙測輸入，進(jìn)行基于模式分析的電源異常檢測[12]。

注：IBDR為放電電流；ISAS為太陽電池陣電流；Ibus為母線負(fù)載電流；IBCR為充電電流；C1為外電狀態(tài)的電源控制器功耗電流；C2為放電狀態(tài)的電源控制器功耗電流；MEA為主誤差放大器；T1為MEA的外電狀態(tài)門限值；T2為MEA的放電狀態(tài)門限值。圖3 基于模式分析的電源判讀過程Fig.3 Power system interpretation process based on mode analysis

模式分析從模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性與模式條件一致性2個方面開展。

1.1.1 模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性判讀

模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性判斷需求如表1所示，4種模式存在12種轉(zhuǎn)換。序號3～10這8種模式轉(zhuǎn)換，會通過模式報錯、母線電壓等直接遙測反映，不需要進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換判斷；序號11～12這2種模式轉(zhuǎn)換時直接進(jìn)行報錯；因此只需要分析判斷序號1、序號2這2種模式轉(zhuǎn)換的合規(guī)性。

表1 模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性判斷需求Table 1 Mode conversion compliance judgment requirements

通過查找相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換判斷條件表進(jìn)行合規(guī)性判斷。充電與分流模式的轉(zhuǎn)換判斷條件表如表2所示。其中：VBAT為蓄電池組電壓；Vd為蓄電池單體電壓；TBAT為蓄電池溫度。轉(zhuǎn)換條件一般為固定或可調(diào)的閾值比較，遵循從寬處理原則，放寬閾值條件(比理論值寬松)，在保障系統(tǒng)安全的同時降低虛警。

表2 模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性判斷條件Table 2 Mode conversion compliance judgment conditions

1.1.2 模式條件一致性判讀

相鄰2拍遙測的電源模式相同，進(jìn)行模式條件一致性判斷，判定模式的狀態(tài)是否匹配當(dāng)前的條件。各模式條件一致性判斷需求如表3所示，理論上4種模式存在12種轉(zhuǎn)換，但由于不存在聯(lián)合供電→充電、內(nèi)電→充電的模式轉(zhuǎn)換，實(shí)際為10種可能的轉(zhuǎn)換。其中：8種模式轉(zhuǎn)換可以通過母線電壓等直接遙測、模式報錯來檢驗(yàn)，僅有充電到分流、分流到充電2種模式需要條件一致性判斷。

表3 模式條件一致性判斷需求Table 3 Mode condition consistency judgment requirements

通過查找相應(yīng)的模式條件一致性判斷表進(jìn)行模式與條件的匹配性判斷。充電與分流模式的條件一致性判斷表如表4所示，一致性判斷條件一般為固定或可調(diào)的閾值比較，遵循從嚴(yán)處理，收緊閾值條件(比理論值嚴(yán)格)，在保障系統(tǒng)安全的同時降低虛警。

綜上，通過實(shí)時判定電源工作模式，比較相鄰2拍遙測的模式變化，進(jìn)行相應(yīng)的模式轉(zhuǎn)換合規(guī)性、模式條件一致性判斷，實(shí)現(xiàn)電源異常的實(shí)時高效檢測。

1.2 基于冗余遙測一致性的電源判讀

航天器電源遙測間存在冗余，冗余信息表示的對象相同或相近，因此冗余信息間應(yīng)保持一致?？梢酝ㄟ^冗余遙測一致性互校來檢測電源系統(tǒng)異常，冗余遙測一致性主要分為以下3類。

(1)同一物理量多源采集一致性。同一物理實(shí)體被多方采集，采集結(jié)果應(yīng)彼此一致，比如地面測試設(shè)備有線采集、綜合電子分系統(tǒng)采集、電源分系統(tǒng)采集的母線電壓、母線電流、蓄電池電壓等應(yīng)當(dāng)一致。

(2)合成物理量與原始物理量一致性。電源部分產(chǎn)品既有總體遙測(如蓄電池組)，也有子部件遙測(如蓄電池單體)，子部件遙測的合成結(jié)果應(yīng)與總體遙測一致，例如：太陽電池陣分陣電流合成量與太陽電池陣總電流遙測一致、蓄電池單體電壓合成量與蓄電池組電壓一致、蓄電池塊電壓合成量與蓄電池組電壓一致等。

(3)同類遙測相近。一些遙測雖然不是來自同一物理實(shí)體，但由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)相同、工作環(huán)境相同、控制方式相同等原因，其遙測表征彼此應(yīng)一致，比如2個太陽電池陣分陣電流相近，電池組A和B電壓相近，各蓄電池單體電壓相近，平臺蓄電池組A的溫度測點(diǎn)1，2，3，4采集值相近，各路放電電流相近，充電終止時間相近等。

1.3 基于遙測參數(shù)功能關(guān)聯(lián)的電源判讀

電源系統(tǒng)按照功能分為分流、充電、放電、均衡、測控管理等功能，各功能的部分遙測參數(shù)存在關(guān)聯(lián)性約束，各功能的控制狀態(tài)參數(shù)及其控制響應(yīng)參數(shù)應(yīng)關(guān)聯(lián)一致。因此，可以從功能關(guān)聯(lián)出發(fā)，設(shè)計(jì)如表5所示的遙測參數(shù)關(guān)聯(lián)分析的判讀規(guī)則，例如：太陽電池陣分流次序、充電鎖定狀態(tài)與充電電流關(guān)聯(lián)、放電電流與母線MEA關(guān)聯(lián)、充電電流大小與充電檔位狀態(tài)關(guān)聯(lián)、主備開關(guān)狀態(tài)與電壓量遙測關(guān)聯(lián)等功能關(guān)聯(lián)規(guī)則[13]。

表5 基于遙測參數(shù)功能關(guān)聯(lián)的電源判讀Table 5 Power system interpretation based on telemetry parameter function association

1.4 基于能源趨勢分析的電源判讀

能源趨勢分析從變化率、能源預(yù)估2個方面出發(fā)進(jìn)行趨勢分析，及時預(yù)警[14]。對于變化率預(yù)警，通過時序遙測數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型對未來數(shù)據(jù)的預(yù)測值與真實(shí)值進(jìn)行對比來發(fā)現(xiàn)故障[15]，也可基于數(shù)據(jù)差分分析方法，通過每分鐘溫升變化、n個遙測采樣的溫度變化進(jìn)行溫度變化率評價，設(shè)置相應(yīng)的變化率門限進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警。能源預(yù)估主要關(guān)注能源平衡預(yù)警，對充電時間、放電時間預(yù)估[16]，設(shè)置放電時間門限，當(dāng)放電時間不足時進(jìn)行能源預(yù)警。如某衛(wèi)星蓄電池組容量為60 Ah，放電深度為25%，準(zhǔn)許放電電量為60×25%=15 A·h。初始值電池容量為空(不預(yù)估)，等待蓄電池充電鎖定狀態(tài)為1，初始化蓄電池組電量為60 A·h。

2 電源智能判讀規(guī)則框架應(yīng)用

依據(jù)電源智能判讀規(guī)則框架，結(jié)合航天器的遙測測點(diǎn)布置，逐條梳理每一條規(guī)則的異常檢測功能與關(guān)聯(lián)遙測，每條規(guī)則定義自身的判讀規(guī)則代號為DY****。根據(jù)梳理的規(guī)則函數(shù)，利用LUA和Python語言編寫腳本函數(shù)[17]。例如：判讀規(guī)則DY0001描述的功能是判斷綜合電子采集的母線電壓遙測與地面設(shè)備有線采集的母線電壓遙測的一致性，關(guān)聯(lián)遙測為TMN0004和FKT001。將形成規(guī)則以LUA和Python腳本形式編寫并集成到測試判讀專家系統(tǒng)中[18]，進(jìn)行規(guī)則判讀，報警信息推送至監(jiān)視終端軟件進(jìn)行報警監(jiān)測，應(yīng)用效果如圖4所示。

航天器綜合測試中，通過判讀規(guī)則發(fā)現(xiàn)分流次序異常，分流次序未按照北1～北7、南1～南7順序分流調(diào)節(jié)，規(guī)則遙測DY201報錯，如圖5所示。故障溯源為：通過滑環(huán)供電的轉(zhuǎn)接電纜存在節(jié)點(diǎn)短接，2個分陣正線短接，被同時調(diào)制，分流次序錯亂。此時，母線電壓正常，傳統(tǒng)遙測監(jiān)測方法無法發(fā)現(xiàn)該問題。

航天器在軌監(jiān)測中(如圖6所示)，針對航天器A路和B路充電電流的異常監(jiān)測，充電電流動態(tài)范圍較大，單純監(jiān)視一路電流無法及時發(fā)現(xiàn)異常，但是可以看出：A路和B路充電電流IA和IB由于來源于同一副太陽電池陣，具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，遙測變動基本一致，基于冗余遙測一致性原理構(gòu)建相應(yīng)的判讀規(guī)則，二者差值應(yīng)該穩(wěn)定在0 A附近。因此，根據(jù)2拍遙測的關(guān)聯(lián)關(guān)系，采用充電電流IA-IB的遙測耦合模型分析，在差值由0 A變大時即可快速發(fā)現(xiàn)異常。

圖6 基于冗余遙測一致性的電源判讀實(shí)例Fig.6 An example of power system interpretation based on redundant telemetry consistency

在航天器地面測試與在軌監(jiān)測工程應(yīng)用中，構(gòu)建的太陽電池陣-蓄電池組電源系統(tǒng)的判讀框架具有較強(qiáng)的通用性與指導(dǎo)性，已在多顆衛(wèi)星上進(jìn)行了廣泛的實(shí)例化應(yīng)用，提升了電源系統(tǒng)異常的實(shí)時檢測能力，并多次發(fā)現(xiàn)深層次電源系統(tǒng)故障現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

判讀規(guī)則是航天器智能診斷的重要依據(jù)，但是由于長期以來缺乏判讀規(guī)則的總體指導(dǎo)，導(dǎo)致整個航天器大量專家診斷知識依賴個人經(jīng)驗(yàn)，各航天器判讀規(guī)則質(zhì)量參差不齊。本文從電源機(jī)理與判讀方法論出發(fā)，形成了航天器電源智能判讀規(guī)則框架，并結(jié)合航天器具體設(shè)計(jì)與遙測測點(diǎn)布置形成相應(yīng)的判讀規(guī)則集，提升了電源智能判讀規(guī)則制定的規(guī)范性與充分性。該框架已應(yīng)用于數(shù)十個航天器的地面測試與在軌監(jiān)測中，增強(qiáng)了航天器電源測試判讀與健康監(jiān)測能力。后續(xù)將進(jìn)一步在航天器判讀規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘方面開展研究。