CAST968平臺小衛(wèi)星在軌故障分析和建議

呂高見

(北京控制工程研究所，北京 100190)

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CAST968平臺小衛(wèi)星在軌故障分析和建議

呂高見

(北京控制工程研究所，北京 100190)

統(tǒng)計CAST968平臺從2000年至2014年在軌發(fā)生的142次故障，分析發(fā)現(xiàn)故障性質(zhì)、故障原因、故障產(chǎn)品類別、故障時間和故障分系統(tǒng)等都存在明顯的規(guī)律性.對決定衛(wèi)星成敗的姿態(tài)軌道控制分系統(tǒng)進(jìn)行故障原因、故障單機和故障產(chǎn)品類別三個方面的統(tǒng)計分析，總結(jié)出設(shè)計、環(huán)境和器材是導(dǎo)致姿軌控分系統(tǒng)故障的三大重要因素.簡要分析其他分系統(tǒng)，最后給出故障預(yù)防和設(shè)計建議，包括加強抗輻照設(shè)計、關(guān)鍵單機和電路的冗余設(shè)計等.

CAST968；在軌故障分析；故障預(yù)防；設(shè)計建議.

0 引 言

CAST968平臺是中國空間技術(shù)研究院研究的一種成熟的小衛(wèi)星公用平臺，采用偏置動量模式進(jìn)行姿態(tài)控制，三軸對地穩(wěn)定.控制分系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)包括動量輪、磁力矩器和推進(jìn)子系統(tǒng)，穩(wěn)定運行時衛(wèi)星俯仰軸由動量輪控制，滾動軸和偏航軸由磁力矩器控制；其姿態(tài)測量部件包括紅外地球敏感器、數(shù)字太陽敏感器以及慣性敏感器(陀螺)，正常運行情況下，姿態(tài)測量信息由紅外地球敏感器提供，陀螺主要提供星箭分離后及衛(wèi)星變軌過程中的角速率信息.CAST968平臺具有系統(tǒng)設(shè)計簡單、造價低、抗干擾特性好等優(yōu)點，但其控制精度不高.

基于該平臺研制的第一顆衛(wèi)星于1999年5月發(fā)射并成功運行[1].10多年來該平臺已經(jīng)過30多顆衛(wèi)星的多次空間飛行考驗，平臺性能穩(wěn)定，但在軌也發(fā)生了不少的故障和問題.本文以CAST968平臺小衛(wèi)星從2000年至2014年在軌發(fā)生的142次故障為統(tǒng)計基礎(chǔ)，從故障分系統(tǒng)、故障單機、故障時間、故障等級、故障性質(zhì)等多個方面進(jìn)行了統(tǒng)計分析，查找規(guī)律，梳理產(chǎn)品研制中的薄弱環(huán)節(jié)，并提出了若干工作建議.

1 統(tǒng)計規(guī)則和定義

本文共統(tǒng)計了CAST968平臺的142次在軌故障，故障等級定義見表1和表2[2].

表1 在軌故障等級規(guī)定(按故障對航天器在軌運行影響的程度分類)

表2 在軌故障性質(zhì)規(guī)定(按故障的修復(fù)性分類)

2 故障分析

2.1 總體分析

(1)故障等級及性質(zhì)分布

經(jīng)過對故障數(shù)據(jù)分析，絕大多數(shù)故障為輕度，非主要故障占7.04%，關(guān)鍵性故障占2.82%，沒有發(fā)生災(zāi)難性故障.

接近79.58%的故障為非常駐故障(即可恢復(fù)故障)，只有20.42%為常駐故障.

(2)故障原因分布

圖1是故障性質(zhì)分布圖，空間環(huán)境影響和設(shè)計缺陷是導(dǎo)致在軌故障發(fā)生的兩大原因.

圖1 故障原因分布Fig.1 Distribution of failure reasons

(3)故障產(chǎn)品類別分布

圖2是故障產(chǎn)品類別分布圖，“其他”一項是指由于地面操作錯誤而導(dǎo)致的故障.可見電子類的故障占比較大.

圖2 故障產(chǎn)品類別分布Fig.2 Distribution of failure component types

(4)故障時間分布

圖3是發(fā)射后的故障時間分布圖.有5成多的故障都發(fā)生在發(fā)射后的前2年.

圖3 發(fā)射后的故障時間分布Fig.3 Distribution of failure time after launch

圖4是發(fā)射后故障時間趨勢圖.由圖可見，故障次數(shù)基本上呈逐年減少的趨勢.

圖4 發(fā)射后的故障時間趨勢Fig.4 Trend of failure time after launch

(5)故障分系統(tǒng)分布

大多數(shù)的故障分布在星務(wù)、測控、電源和姿軌控4個分系統(tǒng)，4個分系統(tǒng)故障次數(shù)總和占總次數(shù)的85.9%.按分系統(tǒng)分類對故障性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計見表3.由表3可見，4個分系統(tǒng)中測控分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)的大多數(shù)故障為輕度故障，不存在關(guān)鍵性故障，而星務(wù)分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)都存在2次關(guān)鍵性故障.

綜合上述統(tǒng)計結(jié)果，分析總結(jié)如下：

1)在軌發(fā)生的絕大多數(shù)故障均為輕度并且是可恢復(fù)的.

2)器材和空間環(huán)境是關(guān)鍵性故障的主要發(fā)生原因；而非主要故障的發(fā)生原因主要有器材、環(huán)境和設(shè)計；輕度故障主要由環(huán)境引起.設(shè)計因素在這里不是特別突出的原因在于作為統(tǒng)計樣本的CAST968平臺有許多繼承性的衛(wèi)星，設(shè)計相對成熟，出錯率低.

表3 按分系統(tǒng)分類的故障性質(zhì)統(tǒng)計

3)故障高發(fā)的前三類產(chǎn)品類型分別為電子類(71.13%)、機電類(14.79%)和電氣類(4.93%)，三者累計占有總故障的90.85%.分析認(rèn)為原因有三[3]：第一，衛(wèi)星中含有的電子產(chǎn)品遠(yuǎn)超過機械部件，產(chǎn)品基數(shù)大，因此故障次數(shù)也會相對較多；第二，輻射、太陽風(fēng)暴和電磁場等空間環(huán)境也主要影響電子設(shè)備；第三，有些電子設(shè)備損耗比較大，如電池等.

4)53.52%的故障都發(fā)生在發(fā)射入軌后的前兩年，分析認(rèn)為：電子元器件的故障一般呈現(xiàn)“浴盆曲線”的規(guī)律[4]，即早期因磨合等原因故障率一般較高，中期故障率較低，后期因壽命和損耗原因故障率又逐漸上升.而由上面第3點可知，衛(wèi)星故障的大部分為電子類產(chǎn)品故障，電子類產(chǎn)品的故障又取決于電子元器件的故障，因此電子元器件的“浴盆曲線”規(guī)律會直接投射出衛(wèi)星的故障規(guī)律.故在軌早期衛(wèi)星的故障率較高，隨著時間推移故障次數(shù)逐漸降低.但由圖 4可以看出在曲線末尾并未出現(xiàn)浴盆曲線應(yīng)有的翹尾現(xiàn)象，這是因為在統(tǒng)計CAST968平臺小衛(wèi)星的樣本區(qū)間內(nèi)，元器件還未到損耗期，因此目前已有數(shù)據(jù)并不能看出浴盆曲線的尾部特征.

2.2 姿軌控分系統(tǒng)分析

姿軌控分系統(tǒng)組件較多，包含不少關(guān)鍵產(chǎn)品，其故障直接關(guān)系到整星安全.本節(jié)著重對姿軌控分系統(tǒng)故障進(jìn)行分析，從衛(wèi)星142個故障中篩選出姿軌控分系統(tǒng)故障共有27個，以下為統(tǒng)計情況.

(1)故障原因分布

圖5是姿軌控分系統(tǒng)故障原因分布，由圖可見設(shè)計、環(huán)境和器材是導(dǎo)致姿軌控分系統(tǒng)故障的3個重要因素.與圖1衛(wèi)星的故障原因相比，器材的占比顯著增加.

圖5 姿軌控分系統(tǒng)故障原因分布Fig.5 Distribution of AOCS failure reasons

(2)故障單機分布

圖6是姿軌控分系統(tǒng)的故障單機分布.可見故障主要集中在紅外地球敏感器、控制計算機和推進(jìn)子系統(tǒng).

圖6 姿軌控分系統(tǒng)故障單機分布Fig.6 Distribution of AOCS failure components

(3)故障產(chǎn)品類別分布

圖7是姿軌控分系統(tǒng)的故障產(chǎn)品類別分布.與圖2衛(wèi)星的故障產(chǎn)品類別進(jìn)行比較可以看出，衛(wèi)星的電子類產(chǎn)品故障較多，而姿軌控分系統(tǒng)則是機電類產(chǎn)品故障占大多數(shù).

綜合上述統(tǒng)計結(jié)果，分析總結(jié)如下：

1)設(shè)計、環(huán)境和器材是導(dǎo)致姿軌控分系統(tǒng)故障的重要因素，從故障嚴(yán)重性角度來看，由表3可知導(dǎo)致關(guān)鍵性故障的均為器材.結(jié)合圖6，故障最多的是紅外地球敏感器和控制計算機.紅外地球敏感器故障多數(shù)是由于因工藝缺陷導(dǎo)致噪聲輸出變大，從而導(dǎo)致紅外地球敏感器輸出數(shù)據(jù)跳變，為器件衰退而導(dǎo)致的固有質(zhì)量問題；另外部分紅外地球敏感器故障是由于月亮進(jìn)入視場而導(dǎo)致，為空間環(huán)境影響.控制計算機故障主要由空間環(huán)境干擾引起.

圖7 姿軌控分系統(tǒng)故障產(chǎn)品類別分布Fig.7 Distribution of AOCS failure component types

2)姿軌控分系統(tǒng)的機電類故障占了51.85%，原因在于控制分系統(tǒng)含有較多的機電類產(chǎn)品.這些機電產(chǎn)品中，轉(zhuǎn)動部件故障概率較大，例如前面所說的動量輪、帆板驅(qū)動機構(gòu)、陀螺等等.CAST968平臺因為在軌陀螺不加電，因此陀螺故障較少.而紅外地球敏感器和帆板驅(qū)動機構(gòu)等轉(zhuǎn)動部件，往往是制約衛(wèi)星壽命的重要因素.

2.3 其他分系統(tǒng)分析

電源分系統(tǒng)的故障往往是致命的.從衛(wèi)星142個故障中篩選出電源分系統(tǒng)故障共有24個.電源控制器的故障占了37.5%，并且有將近一半是由于環(huán)境因素引起.太陽電池陣的遙測異常都屬輕度故障，是由工藝原因引起.CAST968平臺在軌沒有發(fā)生因太陽電池陣的失效而影響整星能源供給的重大事故，但是對這類故障的防范仍是衛(wèi)星設(shè)計時的重中之重.蓄電池組隨著在軌時間的增加，容易產(chǎn)生衰退類的故障，受空間環(huán)境影響較為明顯.

星務(wù)分系統(tǒng)的故障共有41個，全部都是電子類故障.其中27個為環(huán)境因素引起.太陽風(fēng)和電子風(fēng)暴導(dǎo)致單粒子效應(yīng)從而引發(fā)計算機切機、遙測異常、通訊故障等.

測控分系統(tǒng)的故障共有30個，全部都是電子類故障.其中有一半是環(huán)境因素引起.

其他例如有效載荷、數(shù)傳、熱控分系統(tǒng)等故障率較低，一般不會對整星安全造成影響.

3 故障預(yù)防和設(shè)計建議

結(jié)合上述統(tǒng)計，給出與故障預(yù)防和設(shè)計相關(guān)的建議：

1)充分開展FMEA分析：對各單機開展FMEA分析工作，深入剖析單機可能發(fā)生的故障及原因，全面分析故障發(fā)生后對系統(tǒng)的影響，并針對故障做好充分的預(yù)案.查找薄弱環(huán)節(jié)并加以更改，盡量避免災(zāi)難性故障和關(guān)鍵性故障單點失效.對可能出現(xiàn)災(zāi)難性故障和關(guān)鍵性故障及單點故障的單機采取相應(yīng)的冗余措施，并根據(jù)相關(guān)準(zhǔn)則制定可靠性關(guān)鍵項目的跟蹤和控制計劃，確保所有產(chǎn)品的風(fēng)險評價指數(shù)都是可以容忍的.

2)加強抗輻照設(shè)計：從故障統(tǒng)計情況看，各分系統(tǒng)受空間環(huán)境的影響較大，因此設(shè)計上應(yīng)加強單機產(chǎn)品和器件的抗輻照能力.硬件方面，盡量選用抗輻照的元器件，除此之外硬件抗輻照加固設(shè)計還包括資源利用率選取、EDAC(錯誤檢測與修正)電路設(shè)置、冗余設(shè)計(包括單機冗余和三模冗余)、硬件計數(shù)器設(shè)置等方法.軟件方面，設(shè)計師應(yīng)嚴(yán)格按功能進(jìn)行模塊化程序結(jié)構(gòu)設(shè)計，使各模塊保持高度的獨立性、單向性，并具有防范非法侵入的自保護(hù)措施，設(shè)置指令重啟、數(shù)據(jù)回讀、三取二表決、反彈墻設(shè)計和軟件看門狗等[5-6].在故障產(chǎn)生后，設(shè)備應(yīng)具備自主糾錯以及自主重啟等功能，以實現(xiàn)解除單粒子翻轉(zhuǎn)、單粒子鎖定等故障.

3)關(guān)鍵單機和電路的冗余設(shè)計：冗余(包括硬件冗余和軟件功能冗余)是提高衛(wèi)星可靠性的主要手段.關(guān)鍵單機如姿軌控分系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)、計算機等都要有充分的冗余.

4)開展關(guān)鍵單機的長壽命高可靠性設(shè)計研究和驗證工作：對于蓄電池、太陽帆板驅(qū)動機構(gòu)等，必須通過提高產(chǎn)品壽命來降低在軌故障率[7].對于這些單機應(yīng)從原材料、工藝等方面加強長壽命設(shè)計，并進(jìn)行長壽命高可靠性驗證專項試驗.

5)加強地面試驗驗證：針對前面分析，大多數(shù)的故障發(fā)生在衛(wèi)星入軌后前兩年，應(yīng)加強地面試驗驗證，充分考慮衛(wèi)星環(huán)境試驗條件，對衛(wèi)星元器件進(jìn)行有效篩選，并增長地面試驗時間，全面仔細(xì)判讀試驗數(shù)據(jù)，使故障盡可能在地面試驗階段暴露.

6)通過故障診斷和靈活性設(shè)計手段，提高在軌故障處理能力[7]：通過航天器故障診斷技術(shù)，對故障快速、準(zhǔn)確的進(jìn)行評估和預(yù)測.加強航天器的自主故障診斷功能設(shè)計.從故障處理角度來看，航天器軟硬件可以進(jìn)行靈活設(shè)計，預(yù)留接口，使地面人員在處理故障時可以重新對硬件進(jìn)行配置，或上注程序修改軟件缺陷.

7)欠配置情況下的系統(tǒng)重構(gòu)能力設(shè)計：通過系統(tǒng)級的欠配置運行能力設(shè)計，在系統(tǒng)出現(xiàn)部分單機永久性故障時，能夠自主/遙控轉(zhuǎn)入欠測量姿態(tài)確定方式或者欠驅(qū)動姿態(tài)控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)有限下降后的在軌穩(wěn)定運行.

8)嚴(yán)格把控地面各操作環(huán)節(jié)：針對地面操作引起的在軌故障，應(yīng)加強地面人員專業(yè)培訓(xùn)，加強上注指令和數(shù)據(jù)塊的復(fù)核復(fù)審工作，嚴(yán)格控制地面軟件版本，對地面設(shè)備定期檢查.同時，星上軟件可對上注數(shù)據(jù)增加剔野措施，確保錯誤數(shù)據(jù)不引入系統(tǒng).

4 結(jié) 論

本文通過統(tǒng)計并分析CAST968平臺從2000年至2014年在軌發(fā)生的故障，分別從整星以及控制分系統(tǒng)角度對故障發(fā)生的原因、故障發(fā)生時間、故障產(chǎn)品類型分布等方面總結(jié)出故障發(fā)生的規(guī)律.最后針對故障統(tǒng)計結(jié)果，分別從設(shè)計、測試、故障處理、系統(tǒng)重構(gòu)等方面對系統(tǒng)的故障的預(yù)防以及故障發(fā)生后處理策略給出了建議.

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On-Orbit Failure Statistical Analysis and Suggestions for Small Satellites of CAST968 Platform

LV Gaojian

(BeijingInstituteofControlEngineering，Beijing100190，China)

Statistics is made based on 142 failures of CAST968-platform small satellites from 2000 to 2014. The analysis results show that there are obvious regularities in failure characters, reasons, component types, time, subsystems, etc. Considering the importance of attitude and orbit control subsystem (AOCS) for the success of satellite mission, the statistics on failure reasons, components and component types of AOCS are analyzed. The design，environment and equipment are the three important factors resulting in AOCS failures. A brief analysis of the other subsystems is presented. Finally, failure prevention and design suggestions are given, including optimizing the designs of anti-irradiation, key components and circuits’ redundancy, etc.

CAST968；on-orbit failure analysis；failure prevention；design suggestion

2015-03-18

V417

A

1674-1579(2015)05-0057-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2015.05.012

呂高見(1982—)，男，工程師，研究方向為航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)總體設(shè)計.