基于星務(wù)管理系統(tǒng)的小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)

李 晴，孫國(guó)江，李孝同

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

0 引言

國(guó)外從20世紀(jì)70年代起，故障診斷、故障預(yù)測(cè)、健康管理等系統(tǒng)逐漸投入工程應(yīng)用，A-7E飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)（EMS）就是故障預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）應(yīng)用的早期典型案例[1]。近年來(lái)，美國(guó)NASA為了提高飛行器的安全性、可靠性，提出了飛行器綜合健康管理的飛行安全計(jì)劃，包括故障監(jiān)測(cè)、故障診斷、影響評(píng)估、故障預(yù)測(cè)等功能。然而到目前為止，國(guó)外還沒(méi)有一個(gè)具備完整健康管理功能的綜合健康管理系統(tǒng)投入工程應(yīng)用[2]。

目前，我國(guó)衛(wèi)星自主健康管理方面的研究仍處于初級(jí)階段，管理系統(tǒng)構(gòu)建所涉及的相關(guān)技術(shù)有待攻關(guān)突破。北京航空航天大學(xué)可靠性工程研究所初步地開展了PHM系統(tǒng)的相關(guān)研究[3]；近年來(lái)，根據(jù)航天器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能的層次性，提出了航天器分布式的故障診斷專家系統(tǒng)[4]，但還是以地面診斷為主。現(xiàn)階段，我國(guó)衛(wèi)星在軌健康管理主要依靠地面測(cè)控站，并通過(guò)人工判讀大量遙測(cè)信息以獲取衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行管理。這種健康管理方法只能在有限的測(cè)控弧段內(nèi)采用上注遙控指令的方式對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行狀態(tài)調(diào)整和控制，針對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)量大、參數(shù)類型多、變化復(fù)雜的特點(diǎn)，無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)處理的時(shí)效性要求；另外，上行、下行鏈路也會(huì)極大地限制健康管理工作的時(shí)效性，而且可能出現(xiàn)空間鏈路不安全、人為操作失誤等問(wèn)題。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題以及在軌健康管理的新需求，本文開展了小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)的初步應(yīng)用研究，在星務(wù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將已有的大量人工管理方法和策略通過(guò)代碼化過(guò)程轉(zhuǎn)換為星載專家系統(tǒng)，變成衛(wèi)星自身的知識(shí)庫(kù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的自主診斷和自主控制。

1 小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)建的基本思路

星務(wù)管理系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，構(gòu)建了以星務(wù)管理主機(jī)為控制和調(diào)度中心、以面向控制對(duì)象的各分系統(tǒng)計(jì)算機(jī)為執(zhí)行單元的網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各分系統(tǒng)健康狀態(tài)的管理、對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行綜合信息處理的功能[5]。因此，以星務(wù)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)的小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)分為整星級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)3個(gè)層面來(lái)完成。

小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)基本框架如圖1所示。

圖1 小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)基本構(gòu)架Fig. 1 Framework of autonomous health management system for small satellites

1）整星級(jí)自主健康管理負(fù)責(zé)完成整星電子系統(tǒng)的故障診斷和健康評(píng)估及任務(wù)處理，通過(guò)對(duì)各分系統(tǒng)輸入的初步診斷結(jié)論進(jìn)行全局決策和統(tǒng)一調(diào)度來(lái)完成，重點(diǎn)放在整星級(jí)故障診斷和綜合評(píng)估及恢復(fù)處理功能上。

2）系統(tǒng)級(jí)自主健康管理負(fù)責(zé)對(duì)各分系統(tǒng)的檢測(cè)、診斷與評(píng)估，建成相對(duì)獨(dú)立的分系統(tǒng)級(jí)診斷評(píng)估模塊。

3）部件級(jí)自主健康管理主要針對(duì)部件、設(shè)備、模塊設(shè)置傳感器或狀態(tài)采集點(diǎn)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理，作為高一級(jí)健康管理系統(tǒng)的基本輸入數(shù)據(jù)。

3個(gè)層面的信息交換通過(guò)衛(wèi)星總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，最終由整星級(jí)健康管理層做全局決策。

1.2 整星級(jí)自主健康管理層單元及功能

1.2.1 整星級(jí)自主健康管理層構(gòu)成

小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)由整星級(jí)自主健康管理層、系統(tǒng)級(jí)健康管理層和部件級(jí)管理層組成。本文重點(diǎn)介紹整星級(jí)自主健康管理層，其他兩部分將在今后的研究中進(jìn)行報(bào)道。

小衛(wèi)星整星級(jí)自主健康管理層主要由自主健康管理執(zhí)行模塊、自主健康管理規(guī)則庫(kù)和自主健康管理的任務(wù)執(zhí)行各模塊組成，如圖2所示，圖中虛線部分為其他健康管理層。

圖2 小衛(wèi)星整星級(jí)自主健康管理層構(gòu)成Fig. 2 The structure of the autonomous health management system for small satellites

1.2.2 各模塊功能

1）自主健康管理執(zhí)行模塊

在星務(wù)管理主機(jī)上內(nèi)嵌自主健康管理執(zhí)行模塊，并與其他管理層相連。自主健康管理執(zhí)行模塊作為健康管理的控制中心，一方面負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)現(xiàn)對(duì)各分系統(tǒng)的控制；另一方面控制運(yùn)行自主健康管理執(zhí)行任務(wù)，并從自主健康管理規(guī)則庫(kù)中調(diào)用管理規(guī)則，對(duì)衛(wèi)星健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和綜合判斷，根據(jù)判斷結(jié)果控制自主健康管理的任務(wù)執(zhí)行方式來(lái)完成衛(wèi)星的自主健康管理。

2）自主健康管理規(guī)則庫(kù)

自主健康管理規(guī)則庫(kù)是衛(wèi)星自主健康管理的依據(jù)，負(fù)責(zé)引導(dǎo)執(zhí)行模塊完成對(duì)衛(wèi)星的自主健康管理。它的建立過(guò)程就是將以往人工健康管理手段和管理策略通過(guò)代碼化過(guò)程轉(zhuǎn)化為星載專家系統(tǒng)的過(guò)程。其中的規(guī)則可以被總結(jié)為 “IF THEN”形式的邏輯推理，作為固化到程序中的核心邏輯，在每次管理任務(wù)執(zhí)行時(shí)被調(diào)用。

3）管理任務(wù)執(zhí)行模塊

執(zhí)行自主健康管理任務(wù)主要包括自主安全保護(hù)任務(wù)、相對(duì)程控任務(wù)、狀態(tài)采集與傳輸任務(wù)和在軌重構(gòu)任務(wù)4個(gè)部分。

① 自主安全保護(hù)任務(wù)模塊。以衛(wèi)星重要參數(shù)信息作為輸入條件，根據(jù)調(diào)用的自主健康管理規(guī)則進(jìn)行推理，從自身的故障處理數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出故障處理方法進(jìn)行故障處理。其中重要參數(shù)信息可由狀態(tài)采集與傳輸任務(wù)模塊給出，故障處理方法由相對(duì)程控任務(wù)模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行。

② 相對(duì)程控任務(wù)模塊。主要針對(duì)有效載荷任務(wù)進(jìn)行自主規(guī)劃執(zhí)行的功能模塊，根據(jù)有效載荷任務(wù)啟動(dòng)標(biāo)志自動(dòng)運(yùn)行有效載荷，除完成有效載荷任務(wù)外還可作為其他任務(wù)模塊進(jìn)行故障處理和健康管理的執(zhí)行手段，可通過(guò)星上時(shí)刻或某一事件等自動(dòng)激活執(zhí)行。

③ 狀態(tài)采集與傳輸任務(wù)模塊。它是自主健康管理系統(tǒng)獲得衛(wèi)星健康信息的重要手段，同時(shí)具有可控遙測(cè)傳輸功能，通過(guò)調(diào)用管理規(guī)則并根據(jù)衛(wèi)星健康狀態(tài)自行調(diào)整下傳遙測(cè)信息。

④ 在軌重構(gòu)任務(wù)模塊。通過(guò)調(diào)用管理規(guī)則自主判斷執(zhí)行時(shí)機(jī)，對(duì)于硬件重構(gòu)可自行發(fā)送重構(gòu)指令；對(duì)于軟件重構(gòu)可自行激活附加任務(wù)模塊運(yùn)行，并通過(guò)與星務(wù)管理主機(jī)軟件事先約定的軟件操作接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)星務(wù)管理主機(jī)功能和任務(wù)的添加與完善。

1.3 整星級(jí)自主健康管理層的軟件實(shí)現(xiàn)

1.3.1 整星級(jí)自主健康管理層的軟件構(gòu)架

整星級(jí)自主健康管理層的實(shí)現(xiàn)軟件可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩部分，其中系統(tǒng)軟件采用了實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和中斷服務(wù)程序，而實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)又具有及時(shí)、合理地安排和調(diào)度各種軟硬件資源的功能，可用于對(duì)各任務(wù)模塊的調(diào)度、控制和管理。整星級(jí)自主健康管理層的軟件構(gòu)成如圖3所示。

圖3 整星級(jí)自主健康管理層的軟件構(gòu)成Fig. 3 Software structure of autonomous health management system

1.3.2 軟件測(cè)試

星務(wù)管理主機(jī)在性能上滿足軟件測(cè)試要求，對(duì)機(jī)時(shí)占用率情況如下：

1）最大CAN總線占用率約15%；

2）SRAM內(nèi)存余量約64.2%；

3）1 s內(nèi)軟件各任務(wù)（除內(nèi)存刷新任務(wù)外）全部激活，且滿負(fù)荷時(shí)軟件最大運(yùn)行時(shí)間為586 ms，與1 s的周期相比，機(jī)時(shí)余量為41.4%。

上述數(shù)據(jù)表明：目前星務(wù)管理主機(jī)軟件在性能上有充足的余量，在順利完成現(xiàn)有軟件各種功能的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)整星級(jí)自主健康管理層軟件及功能的擴(kuò)充。

2 任務(wù)實(shí)現(xiàn)流程

針對(duì)自主健康管理任務(wù)執(zhí)行中的4個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，任務(wù)實(shí)現(xiàn)流程如下。

1）自主安全保護(hù)任務(wù)

故障處理數(shù)據(jù)庫(kù)作為健康管理的依據(jù)，包括故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)和故障處理方法庫(kù)兩部分。故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)包含衛(wèi)星各關(guān)鍵系統(tǒng)的故障模式判據(jù)，故障處理方法庫(kù)包括故障模式下需要執(zhí)行的指令模塊，以地址指針將故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)與故障處理方法庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。以蓄電池組充放電故障模式為例，進(jìn)行某項(xiàng)故障診斷的步驟如下：

第一步，從星上網(wǎng)CAN總線獲取蓄電池充電電壓數(shù)據(jù)Vcharge；第二步，從故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)出故障判斷法則，即電池充電電壓上限值Vchargeup，If Vcharge＜VchargeupThen （跳入下一項(xiàng)故障診斷），Else （轉(zhuǎn)入故障處理方法庫(kù)）；第三步，從故障處理方法庫(kù)調(diào)出蓄電池過(guò)充處理指令串，送星務(wù)系統(tǒng)激活事件程控或相對(duì)程控執(zhí)行；第四步，跳入下一項(xiàng)故障診斷。

故障處理過(guò)程如圖4所示。

圖4 故障處理流程Fig. 4 Procedures of fault treatment

自主安全保護(hù)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)可以提高衛(wèi)星的自主診斷和處理能力，故障模式數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)有助于豐富衛(wèi)星的自主健康管理策略。

2）相對(duì)程控任務(wù)

由若干相對(duì)時(shí)間程控指令構(gòu)成，并以分組的形式對(duì)相對(duì)時(shí)間程控指令進(jìn)行設(shè)計(jì)，每一組指令對(duì)應(yīng)于一種衛(wèi)星工作模式，提前寫入健康管理模塊的相對(duì)程控緩存區(qū)。同時(shí)，每一組相對(duì)時(shí)間程控指令可以根據(jù)需要自由分成兩段，每段指令條數(shù)不限。針對(duì)每一組相對(duì)時(shí)間程控指令，通過(guò)一條程控指令（時(shí)間激活、事件激活）在不同的時(shí)間可執(zhí)行多次，而不必重復(fù)地上注程控?cái)?shù)據(jù)。該程控指令規(guī)定了要啟動(dòng)的相對(duì)時(shí)間程控指令組號(hào)和該組指令內(nèi)第一段指令執(zhí)行結(jié)束到第二段指令開始執(zhí)行的時(shí)間間隔Δt。相對(duì)程控任務(wù)中可以編制各種不同功能的相對(duì)時(shí)間程控指令組，通過(guò)星上時(shí)刻、異常事件、有效載荷任務(wù)等自行激活，完成如衛(wèi)星自主校時(shí)、自主故障處理、有效載荷任務(wù)的自動(dòng)執(zhí)行等各種不同功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星運(yùn)行流程的控制。相對(duì)時(shí)間程控指令處理功能的層次如圖5所示。

圖5 相對(duì)時(shí)間程控指令處理功能層次Fig. 5 Levels of relative time program control command processing function

相對(duì)程控任務(wù)使本來(lái)需要多次上注的大量數(shù)據(jù)可以提前存儲(chǔ)，并且可以多次重復(fù)使用，解決了衛(wèi)星在軌操作過(guò)程過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題，減少了人為操作失誤和空間鏈路問(wèn)題帶來(lái)的不安全因素。

3）狀態(tài)采集與傳輸任務(wù)

在分包遙測(cè)[6]的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了可控遙測(cè)傳輸功能[7]，即自動(dòng)判斷生成指示性參數(shù)（部件、分系統(tǒng)、整星的健康狀態(tài)遙測(cè)參數(shù)）、自動(dòng)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的下行傳輸進(jìn)行統(tǒng)一管理控制，可對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容、采集速率、遙測(cè)格式、遙測(cè)碼速率等進(jìn)行靈活調(diào)整。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，任務(wù)按以下等級(jí)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行下行傳輸過(guò)程如下：

第一等級(jí)，實(shí)時(shí)遙測(cè)和延時(shí)遙測(cè)。

自主判斷傳送完實(shí)時(shí)遙測(cè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)后，利用剩余信道傳送延時(shí)遙測(cè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)；對(duì)指示性遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行自主判斷，正常時(shí)僅傳輸指示性參數(shù)，停止相應(yīng)遙測(cè)包的下傳。

第二等級(jí)，有效載荷圖像數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求不高）。

當(dāng)實(shí)時(shí)遙測(cè)和延時(shí)遙測(cè)傳送完成，剩余信道可用來(lái)傳送有效載荷圖像數(shù)據(jù)；同時(shí)在任務(wù)中設(shè)立了有效載荷圖像健康標(biāo)志判讀，當(dāng)認(rèn)為圖像數(shù)據(jù)不符合要求則不進(jìn)行下傳。

第三等級(jí)，分系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和代碼數(shù)據(jù)。

當(dāng)分系統(tǒng)設(shè)備健康標(biāo)志超限時(shí)，任務(wù)自動(dòng)控制開啟相應(yīng)分系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和代碼遙測(cè)包進(jìn)行下傳；同時(shí)將此遙測(cè)包的延時(shí)遙測(cè)壓縮比設(shè)置為1∶1存儲(chǔ)；停止下傳其他遙測(cè)包，關(guān)閉有效載荷圖像數(shù)據(jù)包。

這種可控傳輸功能大大節(jié)省了信道資源，使有限的信道資源得到了合理的利用，同時(shí)在衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)便于快速定位，也簡(jiǎn)化了地面監(jiān)控人員對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的判讀。

4）在軌重構(gòu)任務(wù)

在軌重構(gòu)任務(wù)中包括關(guān)閉危及衛(wèi)星生存的任務(wù)和設(shè)備，還包括多個(gè)不同功能的附加任務(wù)模塊，它們被提前寫入任務(wù)存儲(chǔ)區(qū)，任務(wù)運(yùn)行時(shí)可根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)自主關(guān)閉或激活運(yùn)行相應(yīng)的任務(wù)和設(shè)備，完成對(duì)衛(wèi)星軟件功能的調(diào)整和完善。任務(wù)的自主管理過(guò)程采用了與自主安全保護(hù)任務(wù)同樣的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也支持地面上注的控制方式。

在實(shí)際應(yīng)用中，重點(diǎn)解決了附加任務(wù)模塊與主程序的融合問(wèn)題，使附加任務(wù)模塊既可與主程序共用資源又不影響主程序的運(yùn)行。附加任務(wù)與主程序不是統(tǒng)一編譯連接的，因此附加任務(wù)不能直接訪問(wèn)和修改主程序中的變量、參數(shù)以及子函數(shù)；而附加任務(wù)功能的完成又不可避免地要利用到主程序中的各種資源，因此在主程序和附加任務(wù)中設(shè)計(jì)了接口函數(shù)，利用接口函數(shù)進(jìn)行間接調(diào)用。從理論上講，主程序的所有資源都可以通過(guò)接口函數(shù)被附加任務(wù)所訪問(wèn)和調(diào)用，但接口函數(shù)的數(shù)量不可能無(wú)限多，因此在實(shí)踐中，為比較常用的和重要的數(shù)據(jù)與功能函數(shù)添加了相應(yīng)的接口函數(shù)，豐富了附加任務(wù)的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)自主健康管理系統(tǒng)的深入研究和分析，針對(duì)目前小衛(wèi)星健康管理存在的問(wèn)題以及新的發(fā)展需求，提出了一種分層次、分布式的小衛(wèi)星自主健康管理設(shè)計(jì)思路，以星務(wù)管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建了小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)。為了驗(yàn)證研究成果，設(shè)計(jì)了4個(gè)自主健康管理任務(wù)執(zhí)行模塊，各模塊功能均可在地面模擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，部分任務(wù)模塊已在小衛(wèi)星上進(jìn)行了飛行實(shí)踐，完成了小衛(wèi)星的局部自主健康管理。這不僅證明了本文研究?jī)?nèi)容的正確性和有效性，也證明了小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用對(duì)保證衛(wèi)星的安全運(yùn)行，提高衛(wèi)星的自主診斷、自主運(yùn)行、自主規(guī)劃能力具有重要意義。至于小衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)的全面性及可靠性評(píng)定、自主健康管理規(guī)則模型的建立與完善等，還須在實(shí)踐中作進(jìn)一步驗(yàn)證。

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