在軌衛(wèi)星異常實時處置技術研究

朱海洋　 胡文靜　陳浩 　孫海忠（北京空間信息中繼傳輸技術研究中心）

在軌衛(wèi)星異常實時處置技術研究

朱海洋 胡文靜陳浩 孫海忠（北京空間信息中繼傳輸技術研究中心）

1　引言

傳統(tǒng)的衛(wèi)星控制中心主要采用信號鏈路和軟件進行衛(wèi)星狀態(tài)的實時診斷，但對于故障與異常的處置過程仍采用基于人工干預的方式，其處置的正確性主要通過事先制定的故障處置預案來保證。對于同時對多顆衛(wèi)星實施長期管理的衛(wèi)星控制中心，由于對衛(wèi)星平臺的操作和對用戶服務交織在一起，任務種類繁多、系統(tǒng)構(gòu)架復雜，對衛(wèi)星故障定位的準確性、處置的實時性要求更高，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場處置方式難以保證處置的成功率，或者實現(xiàn)處置效果的最優(yōu)化。因此，必須研究適應衛(wèi)星組網(wǎng)運行模式的系統(tǒng)故障實時智能處置機制和實現(xiàn)方法，實現(xiàn)全任務過程故障識別、處置、效果評估的自動閉環(huán)流程，對有預案的故障實現(xiàn)自動化隔離處置，對無預案故障提供分析、判斷和決策的輔助專家系統(tǒng)支持。通過對故障實時處置過程的基本要素進行分析，提出故障實時處置需要重點關注和解決的幾個問題，為衛(wèi)星控制管理中心進行故障實時處置系統(tǒng)建設提供參考。

故障實時處置流程示意圖

2　衛(wèi)星故障實時處置的基本要素

衛(wèi)星控制中心的故障實時處置系統(tǒng)包含的基本要素有以下5個部分：故障實時檢測、故障準確診斷與定位、故障處置策略的正確生成、故障的及時處置、處置效果評估。

（1）故障實時檢測

它基于衛(wèi)星的遙測、外測數(shù)據(jù)，實時分析衛(wèi)星各分系統(tǒng)運行狀態(tài)，針對衛(wèi)星載荷任務中相應的狀態(tài)變化，甄別、監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，準確感知星上或地面系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。系統(tǒng)故障的檢測應具有高度的敏感度，盡量減少虛警、漏警發(fā)生的概率，從而確保后續(xù)操作流程的正確性。

（2）故障準確診斷與定位

融合故障檢測結(jié)果和各分系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視信息，基于故障分析和建模，通過知識推理完成故障的自動診斷、識別。由于故障發(fā)生時會在多個分系統(tǒng)產(chǎn)生外在表現(xiàn)數(shù)據(jù)，因此，故障診斷、定位必須準確，其置信度要高。

（3）故障處置策略的正確生成

其關鍵在于建立正確、全面的故障知識庫，故障知識庫中既包括故障推理準則，也包括故障處置的決策建議，對于有預案的故障，給出詳細的自動處置流程，對于無預案的故障，提供分析、判斷和決策的輔助專家系統(tǒng)支持。

（4）故障的及時處置

它要求針對有預案的系統(tǒng)故障，能夠?qū)崟r檢測故障處置的條件是否具備，必要時自動完成地面站設備、軟件和中繼衛(wèi)星的控制。在此基礎上，實現(xiàn)故障處置流程的自動化。系統(tǒng)故障處置時，必須處理好與正?？刂屏鞒讨g的關系，對于實時性要求很高的故障處置，在處置過程中必須確保系統(tǒng)控制的優(yōu)先權(quán)。

（5）處置效果的實時、準確評估

它是在故障處置過程中實時監(jiān)視實施效果，并依據(jù)一定的評估準則對處置效果進行評估，評估結(jié)果可作為是否進行下一步處置的依據(jù)。

3　衛(wèi)星故障實時處置關鍵問題分析

故障的診斷與檢測

要實現(xiàn)衛(wèi)星的實時處置，首先應對衛(wèi)星各模塊、分系統(tǒng)的健康狀態(tài)有明確的認識，因此，故障檢測和診斷技術是實現(xiàn)衛(wèi)星實時處置的前提。

目前，國內(nèi)航天器的故障檢測是采用閾值形式進行判讀，然后再根據(jù)閾值進行診斷，當部件或設備失效后直接切換到備機，復雜的故障情況基本上采用地面專家會診方式實現(xiàn)，僅是某些對平臺不具有安全性影響的故障可經(jīng)設計師確認，由運管人員直接操控。因此國內(nèi)在航天器的故障診斷方面仍處于實驗階段，并且如何將已有科研成果應用到實際型號任務中去還值得進一步研究，在理論和實踐方面仍有大量的研究和開發(fā)工作要做，考慮到星載計算機的性能和在軌衛(wèi)星的安全性和可靠性，航天器故障診斷仍以地面遙測數(shù)據(jù)分析診斷為主。當前國內(nèi)基于遙測參數(shù)超限報警的主要方法有遙測參數(shù)門限判斷、相對值判斷和關聯(lián)診斷方法；基于推理報警方法主要有規(guī)則、故障樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模型的推理方法。

在工程實際應用方面，國內(nèi)大部分衛(wèi)星在設計時對一些突發(fā)故障進行了考慮，在軌衛(wèi)星具有一定的自主判斷和應急處理能力，主要是儀器設備的冗余使用，或者進行應急安全模式，也就是進行太陽搜索模式，同時關閉不必要的儀器設備，以保證整星能源供應為主。目前，國內(nèi)在東方紅-3、資源-1、資源-2和“神舟”飛船等項目應用中部分子系統(tǒng)已采用故障隔離、診斷和系統(tǒng)重構(gòu)等智能化技術，收到了良好效果。對于星載計算機自身設計，一般會設計簡單的部件故障檢測能力，能在某些特定情況下自主切換部件和改變系統(tǒng)模式。同時星載計算機也具有一定的自檢能力和容錯能力，能通過心跳檢測和看門狗檢測實現(xiàn)一些突發(fā)事件的處理如單粒子翻轉(zhuǎn)后的重啟等。

地面采集的遙測、外測數(shù)據(jù)有幾個特點：①衛(wèi)星在軌運行后，由于部件的冗余備份關系，故障特征可能并不明顯，有可能被淹沒在大量正常的遙測數(shù)據(jù)當中。②衛(wèi)星在軌運行后，大部分時間處于正常運行態(tài)，故障發(fā)生的情況并不是頻繁出現(xiàn)的，但故障出現(xiàn)后往往會存在一段時間。③衛(wèi)星在軌運行后，地面獲得的遙測數(shù)據(jù)有可能由于人為因素或者儀器失靈等原因造成數(shù)據(jù)缺失。④衛(wèi)星在軌運行后，由于天上的復雜情況，可能會出現(xiàn)某些地面沒有想到的故障情況或者由于地面測試時無法進行的實驗而造成某些故障情況出現(xiàn)，即出現(xiàn)“未知”故障。

因此，在故障現(xiàn)象的檢測與診斷過程中需要考慮的問題主要有：

1）為解決大量遙測數(shù)據(jù)的絕對門限判讀全面、準確的問題，可以增加相對門限判斷，扣除因時間變化，或測控事件發(fā)生前后遙測參數(shù)正常變化引起的誤判斷，建立動態(tài)門限，以減少故障檢測過程中的虛警，保證故障特征識別的準確性；

2）在進行故障診斷軟件的容錯、冗余性設計時，可考慮是否因遙測數(shù)據(jù)源切換導致遙測數(shù)據(jù)的誤判，是否因為遙控指令的發(fā)送導致某些波道參數(shù)的誤判、對于正常的星上遙測自主變化狀態(tài)是否視為異常；

3）應定期對當前在軌衛(wèi)星運行健康狀況進行有效評估，對于故障的實時處置有很大幫助；研究表明，衛(wèi)星在軌初期出現(xiàn)過的異常將在衛(wèi)星全壽命期一直存在；針對以往出現(xiàn)過的衛(wèi)星故障現(xiàn)象進行處置預案的制定，將非常有效。

知識庫的完備性與有效性

知識庫是故障診斷系統(tǒng)第一個重要組成部分，故障診斷系統(tǒng)工作性能優(yōu)劣的重要因素取決于專家的知識和經(jīng)驗。知識庫中的知識應該具有可用性、確定性和完善性。

建立一個好的知識庫，首先是從領域?qū)＜夷抢铽@取知識，稱其為知識獲??；然后將獲取的專家知識編排成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存入計算機中而形成知識庫，知識編排的過程稱為知識表達。一個理想的知識表達，應能精確表達專家的思維與知識，應該能有效地通過計算機進行實現(xiàn)，應該簡明、易于理解和便于改進。

建立衛(wèi)星故障實時處置的知識庫需要考慮的問題主要有：①衛(wèi)星的應急處置預案是否完備，是否覆蓋了在軌可能出現(xiàn)的所有故障；②故障預案與實時處置腳本集的對應關系是否準確；③對故障知識的描述是否可以準確表達衛(wèi)星在軌故障。

在對衛(wèi)星進行在軌故障預想與故障對策分析時，還應充分考慮其他同類型衛(wèi)星在軌曾經(jīng)發(fā)生過的異?，F(xiàn)象的舉一反三，并將這部分內(nèi)容包括到故障預案處置卡中。

處置的準確性與時效性

衛(wèi)星在軌階段可能突發(fā)一些危害性較大的緊急故障，必須立即處理，否則導致整星失效，例如對動量輪掉電、星上計算機故障等異常處置不及時，可能使衛(wèi)星姿態(tài)帶來翻轉(zhuǎn)。這部分采用故障實時處置可以很大程度地減少人工處置工作量，降低對崗位人員的要求，保證載荷操作的正確性。

在設計故障實時處置時，必須處理好與正常控制流程之間的關系：對于實時性要求很高的故障處置，在處置過程中必須確保遙控操作的優(yōu)先權(quán)；對于實時性要求不高的故障處置，可以安排在正常載荷應用任務之后或任務間隙實施。

處置評估與再處置

它是在故障處置過程中實時監(jiān)視實施效果，并依據(jù)一定的評估準則對處置效果進行評估，評估結(jié)果可作為是否進行下一步處置的依據(jù)。需要考慮的問題有：①故障處置評估的依據(jù)主要有星上下傳的遙測數(shù)據(jù)，以及衛(wèi)星的實時軌道數(shù)據(jù)；②影響處置評估的因素與故障檢測的因素有相似之處，同樣需要解決大量遙測數(shù)據(jù)的絕對門限判讀全面、準確的問題，以及測控事件發(fā)生前后遙測參數(shù)正常變化引起的誤判斷、虛警，保證故障處置結(jié)果評估的準確性；③遙控指令腳本運行完畢后，應將運行結(jié)果反饋給系統(tǒng)的故障檢測。

4 一個典型的衛(wèi)星故障實時處置示例

下面以一個典型的衛(wèi)星故障實時處置案例對衛(wèi)星故障實時處置過程進行描述。

（1）故障檢測

讀取數(shù)據(jù)庫中的地敏探頭干擾預報結(jié)果，實時判斷接收的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，檢測是否出現(xiàn)地敏探頭禁止遙測位報警，從而完成故障的實時檢測。

（2）故障診斷與定位

由于該故障在衛(wèi)星長期在軌管理過程中出現(xiàn)過，因此，根據(jù)知識庫中的先驗知識，可以定位該故障為地敏探頭自主切換異常。

（3）故障處置策略生成

根據(jù)事先制訂的故障預案，處置策略為：地面遙控發(fā)令，設置受干擾地敏探頭禁止。

（4）故障處置

故障處置包括如下兩個過程：①根據(jù)地面站集中監(jiān)視軟件的輸出信息，自主判斷當前地面站是否已經(jīng)加載測控上行，如果沒有，通過調(diào)度軟件自動調(diào)用“測控加上行”設備腳本，確保星地測控通道正常；②自主綜合判斷設備腳本運行結(jié)果和中繼衛(wèi)星遙控鎖定情況，確認上行已經(jīng)加載后，自主調(diào)用衛(wèi)星控制腳本，設置受干擾地敏探頭禁止。

（5）處置效果評估

衛(wèi)星控制腳本正常運行完畢后，實時判斷中繼衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，確認受干擾地敏探頭已經(jīng)正常禁止，且系統(tǒng)其他狀態(tài)均正常，則認為異常處置正常結(jié)束。

故障實時處置流程示意圖

5　結(jié)論與建議

故障的實時處置在彌補人工處置時效性的不足時，也對故障的檢測、識別、故障指令上行注入方式設計等提出了很高的要求。因此，在衛(wèi)星控制中心進行故障實時處置系統(tǒng)設計與建設時，需要結(jié)合實際工程背景，采用多參數(shù)聯(lián)合判斷、多觸發(fā)條件識別的方法，同時借鑒同型號衛(wèi)星故障處置預案，建立開放的診斷知識庫與故障處置庫，提高診斷的準確性、處置的有效性與時效性。

Handling In-orbit Satellite anomalies in Real Time