衛(wèi)星姿軌控系統(tǒng)故障推演系統(tǒng)設計架構

胡 迪 董云峰

(北京航空航天大學宇航學院,北京 100191)

1 引言

故障是指系統(tǒng)至少有一個特性參數(shù)出現(xiàn)較大的偏差,超出了可接受的范圍。此時系統(tǒng)的性能明顯低于其正常水平,已難以完成其預期的功能[1]。目前故障研究一般是針對即將發(fā)生的故障進行故障預測研究,對已發(fā)生的故障進行診斷、隔離及容錯控制研究。對已發(fā)生的故障,Ding Xiaochun 和Paul M.Frank 提出采用基于觀測器的方法對系統(tǒng)進行故障檢測及診斷[2-4],文獻[5]提出了基于人工免疫算法和支持向量機的故障診斷算法;針對故障預測有基于動態(tài)小波神經網絡的方法[6]等。這些算法均是采用信號處理或模式識別或殘差的方法判定故障?；谥R的算法需要采用計算機對大量的數(shù)據(jù)進行歸類分析,基于模型的方法只能對某些故障進行診斷。

對地面應用系統(tǒng)來說,采用計算機進行數(shù)據(jù)處理分析結合人工智能算法可對設備進行故障診斷;對于在軌運行的衛(wèi)星來說,其星載計算機的計算能力有限,故障診斷算法雖簡單實用,但只能針對某些特定故障進行診斷。衛(wèi)星系統(tǒng)高度復雜,一個故障的發(fā)生可能是由于很多因素綜合產生,因此目前的算法并不能完全勝任星上的故障診斷。Michael E.Cortese[7]提出一種實時失效管理系統(tǒng),就是一種采用分布式通用模塊構成的地面系統(tǒng),它是對遙測數(shù)據(jù)進行分析及監(jiān)控在軌航天器,并提供航天器部件失效管理。但系統(tǒng)從遙測觀測到的數(shù)據(jù)十分有限,并不能完全反映出衛(wèi)星各部件的狀態(tài)數(shù)據(jù),因此如果專家僅根據(jù)少量數(shù)據(jù)來判斷部件故障,則有可能導致判斷失誤,從而造成故障進一步復雜化。

文獻[8]針對某低軌衛(wèi)星進行了長達2個月的搶救,針對遙測數(shù)據(jù)與仿真結果對比分析處理,最終實現(xiàn)對衛(wèi)星的修復與控制。但采用的仿真只是數(shù)學仿真,其故障仿真不可能覆蓋所有可能的故障情況。

綜上所述,如果能充分利用地面強大的計算能力,并能借助專家的經驗知識,同時又能對出現(xiàn)的各種因素進行實際推演,為專家提供決策依據(jù),并通過推演能得到衛(wèi)星操作結果,這樣可及時對衛(wèi)星出現(xiàn)的故障進行搶修與恢復。因此,本文提出了一種可用于解決這類問題的故障推演系統(tǒng)架構。

2 故障推演系統(tǒng)方案設計

2.1 總體設計

故障推演系統(tǒng)根據(jù)功能需要由三部分系統(tǒng)組成,分別是動態(tài)模擬系統(tǒng)、故障動態(tài)注入系統(tǒng)和數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng),三部分組成一個推演系統(tǒng)大閉環(huán),通過建立仿真模型,按飛行工況實現(xiàn)閉環(huán)推演,如圖1所示。

圖1 故障推演系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.1 Fault demonstration system compositions

動態(tài)模擬系統(tǒng)由各種部件模擬器組成,解決衛(wèi)星在軌的動態(tài)仿真,提供與真實衛(wèi)星一致的信號接口及一致的遙測數(shù)據(jù),這樣就能真實反映出真實衛(wèi)星的運行狀態(tài)。部件模擬器可由地面商用器件組成,成本較低。

故障動態(tài)注入系統(tǒng),對各模擬器實施動態(tài)數(shù)據(jù)注入,以實現(xiàn)對不同故障模式的仿真。根據(jù)實際的需求,可將故障注入分為軟故障注入、硬故障注入和真實部件故障注入三種方式。

數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)中,實時將動態(tài)模擬系統(tǒng)輸出的所有動態(tài)數(shù)據(jù),實時錄入數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)歸檔,為數(shù)據(jù)處理提供強大的數(shù)據(jù)支持。采用三維顯示技術動態(tài)地顯示衛(wèi)星在軌運行期間各部件的參數(shù)狀態(tài)。

2.2 動態(tài)模擬系統(tǒng)

動態(tài)模擬系統(tǒng)是一套針對在軌衛(wèi)星的姿軌控地面模擬系統(tǒng)。系統(tǒng)由敏感器模擬器、執(zhí)行機構模擬器、星載計算機模擬器、空間環(huán)境及運動學和運動學計算機(也稱實時計算機)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模擬器、遙測遙控系統(tǒng)模擬器組成。

為了達到各種故障的注入推演,動態(tài)模擬系統(tǒng)至少要達到信號接口一致,即所有的信號線及部件狀態(tài)與在軌衛(wèi)星一致,星載計算機運行與真實衛(wèi)星一致的程序,保真度達到最高。在實際提供故障診斷及策略時,可采用與在軌衛(wèi)星一致的部件進行連接,這樣可以排除由于模型仿真出現(xiàn)的不一致,并且由于采用了與真實部件一致的接口,可以直接采用真實部件配合運動學和動力學轉臺,實現(xiàn)對衛(wèi)星在軌運行進行最真實的仿真,達到數(shù)據(jù)的最好匹配,對故障進行精確推演。

動態(tài)模擬系統(tǒng)各部件模擬器采用嵌入式設計,信號接口與真實部件接口一致,信號傳輸與數(shù)據(jù)協(xié)議也與真實部件一致,只是采用模擬器來實現(xiàn)各種信號的產生。各模擬器的下載接口與調試接口均接入了故障動態(tài)注入系統(tǒng),以便于注入各種故障模式。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理的需求,動態(tài)模擬系統(tǒng)需要輸出與真實衛(wèi)星一致的遙測數(shù)據(jù),從遙測遙控模擬器通過無線接口下傳至數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng);另一部分數(shù)據(jù)從實時計算機輸出,這部分數(shù)據(jù)真實反映了衛(wèi)星經過控制后的各種狀態(tài)數(shù)據(jù);還有一部分數(shù)據(jù)是從星載計算機模擬器、敏感器模擬器和執(zhí)行機構模擬器輸出,這部分數(shù)據(jù)反映了衛(wèi)星姿軌控各部件狀態(tài)最真實的數(shù)據(jù)信息,對于故障診斷非常重要。

動態(tài)模擬系統(tǒng)組成與結構如圖2所示,實際系統(tǒng)如圖3所示。

圖2 動態(tài)模擬系統(tǒng)組成結構示意圖Fig.2 Dynamic simulation system

2.3 故障動態(tài)注入系統(tǒng)

故障動態(tài)注入方式,是指在衛(wèi)星動態(tài)仿真過程中,通過對處理系統(tǒng)生成的各種故障模式進行注入操作。由于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)分析得出的故障模式可能非常多,采用人工注入方式,工作量大,而且不能保證每次注入的故障的正確性,采用故障動態(tài)注入系統(tǒng)可以解決多個故障在某個時刻同時注入的問題。

圖3 實際動態(tài)模擬系統(tǒng)圖Fig.3 True dynamic simulation system

故障注入之前,需要對數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)發(fā)送過來的故障模式進行分類處理,并根據(jù)故障模式確定故障因素編號,便于注入。文獻[9]針對直接對應于物理失效因素的故障,采用物理健康指數(shù)描述(Physical Health Index,PHI),如反作用輪的電機電流可以直接表征反作用輪電機狀態(tài),從而可以用PHI 來描述;針對不是直接與物理因素相關的故障,采用虛擬健康指數(shù)描述(Virtual Health Index,V HI),如反作用輪的轉速并不直接與反作用輪某一組成部分直接關聯(lián),其轉速突變并不能直接描述某一組成部分失效,因而可以用VHI 描述。根據(jù)文獻[9]的描述方法,故障動態(tài)注入系統(tǒng)動態(tài)地將每個故障進行PHI 和VHI 編號并進行注入。

故障動態(tài)注入系統(tǒng)由兩部分組成:一部分由運行在PC 機端的程序,負責對由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送過來的故障進行解碼,對應好故障的設置編號;另一部分是現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)邏輯處理單元,負責管理動態(tài)模擬系統(tǒng)眾多的FPGA接口和調試接口,如圖4所示。

圖4 故障動態(tài)注入系統(tǒng)Fig.4 Dynamic Injection system

故障注入方式可以分為兩種:一種是直接通過修改源程序,產生可執(zhí)行文件從JTAG(Joint Test Action Group)接口下載到相應的模擬器,然后復位這個模擬器即可;另一種是從調試口注入故障編號,通過模擬器程序識別相應的編號將故障設定好。這種方法需要在可能設置故障的地方設置好編號,可通過建立故障樹的方法對某個部件的故障進行編號,通過注入編號的方式實現(xiàn)故障注入。故障動態(tài)注入硬件和軟件如圖5所示。

圖5 故障動態(tài)注入硬件和軟件Fig.5 Hardware and softw are of dynamic injection system

故障注入方式實現(xiàn)三種類型的故障注入,包括軟故障、硬故障和真實部件故障注入。

軟故障注入。即對各部件軟件進行故障注入,實現(xiàn)故障復現(xiàn),此種注入方式采取軟件方式修改,方便易行,可重復修改,成本低。

硬故障注入。由于動態(tài)模擬系統(tǒng)采用與真實部件一致的信號接口,因此在確定好故障類型后,為了更加真實地反映出故障的特性,可對部件模擬器進行硬故障注入。硬故障注入方式是對部件模擬器進行物理上的改變,具有破壞性,模擬程度高,應用于那些軟故障不能模擬的特性,如某些信號斷路后,信號接口阻態(tài)為高阻態(tài),就不能簡單地將其設置為低電平狀態(tài)。

真實部件故障注入。先采用部件模擬器仿真后,確定好故障類型及方式,將真實部件加入到動態(tài)模擬系統(tǒng),在真實部件上施加故障操作進行復現(xiàn)衛(wèi)星當前的故障狀態(tài)。這種方式是對故障有了明確的認識,破壞性最大,成本高,相似程度最高,應用于某些模擬器不能勝任的故障,如動量輪加速過程中產生作用于衛(wèi)星的力矩等。

2.4 數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)是對仿真出現(xiàn)的數(shù)據(jù)進行歸檔處理,由歸檔、顯示和處理系統(tǒng)三部分組成。

數(shù)據(jù)歸檔系統(tǒng)是對由動態(tài)模擬系統(tǒng)輸出的眾多數(shù)據(jù)及真實衛(wèi)星下傳的遙測數(shù)據(jù)進行歸檔,編入數(shù)據(jù)庫,供顯示及處理調用。

數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)分三部分:一部分用于顯示由真實衛(wèi)星下傳的遙測數(shù)據(jù),表明真實衛(wèi)星當前的工作狀態(tài);一部分用于顯示由動態(tài)模擬系統(tǒng)輸出的遙測數(shù)據(jù),表明動態(tài)模擬系統(tǒng)當前的工作狀態(tài);一部分用于顯示由動態(tài)模擬系統(tǒng)輸出的實時計算機和各部件的狀態(tài)數(shù)據(jù),反映當前動態(tài)模擬系統(tǒng)運行各部件狀態(tài)數(shù)據(jù),同時也能反映在軌運行的部件狀態(tài),可及時觀測到注入的各故障狀態(tài)及衛(wèi)星運行的結果。這部分數(shù)據(jù)及遙測遙控系統(tǒng)數(shù)據(jù)完成對衛(wèi)星運行數(shù)據(jù)最完整的記錄,對于故障預測及診斷可以提供最完整的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用專家系統(tǒng)進行推演或計算智能算法對采集到數(shù)據(jù)進行分析,提出可能的故障模式反饋給故障注入系統(tǒng)進行閉環(huán)仿真,通過注入仿真提供仿真結果與真實遙測數(shù)據(jù)的符合度,給出衛(wèi)星操作對策,達到最優(yōu)的解決方案。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過對動態(tài)模擬系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)和真實衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)建立相關性分析,當數(shù)據(jù)發(fā)生異常時分析可能產生的故障模式,將故障模式反饋給故障動態(tài)注入系統(tǒng),產生閉環(huán)推演,達到最優(yōu)的結果,保證能正確反映在軌衛(wèi)星的故障狀態(tài)。

數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)的組成結構如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)Fig.6 Data archive &display handling system

3 閉環(huán)推演過程

閉環(huán)推演即由故障注入系統(tǒng)注入故障模式,動態(tài)模擬系統(tǒng)進行系統(tǒng)仿真,進而由數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)進行分析反饋給故障注入系統(tǒng),達到最優(yōu)結果后提交給工作人員決策。

故障推演系統(tǒng)的推演過程如圖7所示,由數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)接收從動態(tài)模擬系統(tǒng)輸出的遙測數(shù)據(jù)與從真實衛(wèi)星接收的遙測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)歸類處理,建立各種數(shù)據(jù)相關度函數(shù)。

數(shù)據(jù)分析推演,當發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時,及時根據(jù)動態(tài)模擬系統(tǒng)輸出的各種部件狀態(tài)信息進行數(shù)據(jù)分析,提出可能引起的各種故障因素進行故障推演。

軟件故障注入推演。數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)生成各種故障模式提交給故障動態(tài)注入系統(tǒng),由故障動態(tài)注入系統(tǒng)生成各模擬器可實現(xiàn)的軟故障信息傳至動態(tài)模擬系統(tǒng)。根據(jù)故障仿真結果,由數(shù)據(jù)歸檔顯示及處理系統(tǒng)進一步計算仿真結果與實際遙測數(shù)據(jù)的相關度,達到指標后列入可能的故障數(shù)據(jù)集。

圖7 故障推演系統(tǒng)推演過程Fig.7 Process of fault demonstration

硬件故障注入推演。工作人員根據(jù)軟故障推演結果決定是否進行硬故障推演,如果工作人員認為需要進行故障推演,則下達指令生成故障節(jié)點信息,由故障注入系統(tǒng)實施對各部件模擬器進行硬故障注入,再重復軟故障注入的過程,計算仿真結果與實際結果的相關度,并生成可能的故障數(shù)據(jù)集。

真實部件故障注入推演。由工作人員根據(jù)硬故障仿真結果決定是否進行真實部件故障注入仿真,如果需要則接入真實部件進行故障推演,達到最優(yōu)結果后,工作人員根據(jù)推演指令操作及模擬結果,對真實衛(wèi)星進行故障搶救,進而對比操作的結果并決定是否進行新一輪的故障推演。

故障推演系統(tǒng)充分利用了最先進的數(shù)據(jù)處理算法對衛(wèi)星進行系統(tǒng)的健康管理,為決策者提供最完整的數(shù)據(jù)分析及故障控制策略,能及時發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星存在的問題,提高衛(wèi)星的使用效率。

4 將來的工作

目前故障推演系統(tǒng)的總體設計已經完成,各項關鍵技術已經突破,接下來需要完成的是針對姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)建立敏感器和執(zhí)行機構的故障模式,并對故障模式進行特征分析,采用計算智能的方法進行分類,通過機器學習的方式對故障進行分類推演,達到系統(tǒng)故障推演的目的。

5 結束語

故障動態(tài)推演系統(tǒng)充分利用了地面強大的數(shù)據(jù)處理算法以及地面專家的經驗知識,可以實現(xiàn)對衛(wèi)星出現(xiàn)異常動態(tài)的推演,獲得衛(wèi)星在軌運行最完整的數(shù)據(jù)分析并進行處理,可以對衛(wèi)星隱性故障進行深入分析,同時可以針對衛(wèi)星在軌運行期間發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)進行反復仿真驗證,對衛(wèi)星的狀態(tài)進行深入分析論證。本文涉及的故障推演系統(tǒng)只是針對衛(wèi)星姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)而產生,也可以推廣到衛(wèi)星的其他分系統(tǒng)。

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