遙感衛(wèi)星在軌故障統(tǒng)計(jì)與分析

張 華，沈嶸康，宗益燕，韋錫峰

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量的日益增多，以及衛(wèi)星應(yīng)用的逐步開展，暴露出的在軌問題也有所增加。國內(nèi)外研究人員針對衛(wèi)星在軌故障進(jìn)行了大量的統(tǒng)計(jì)分析研究，根據(jù)故障發(fā)生原因和規(guī)律采取預(yù)防或糾正措施，是降低衛(wèi)星的在軌故障發(fā)生率、提高衛(wèi)星在軌運(yùn)行可靠性、延長衛(wèi)星運(yùn)行壽命的重要手段[1-8]。

遙感衛(wèi)星作為我國科學(xué)觀測與探測的主要衛(wèi)星，多顆衛(wèi)星超壽命正常運(yùn)行，但同時也暴露出一些在軌故障，積累了一定數(shù)量的衛(wèi)星在軌故障數(shù)據(jù)。整理、總結(jié)這些故障數(shù)據(jù)，分析故障的變化趨勢和規(guī)律，對于發(fā)現(xiàn)遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，提高設(shè)計(jì)水平具有重要意義。

本文統(tǒng)計(jì)了我國氣象、資源、海洋、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域的28 顆遙感衛(wèi)星的在軌故障數(shù)據(jù)，研究故障的總體分布規(guī)律和各分系統(tǒng)的故障特點(diǎn)，并提出針對性建議措施，為提高后續(xù)衛(wèi)星的可靠性，降低衛(wèi)星在軌故障發(fā)生概率提供參考。

1 研究范圍和統(tǒng)計(jì)方法

1.1 研究范圍

本文研究的遙感衛(wèi)星在軌故障主要指永久或臨時性故障導(dǎo)致任務(wù)功能受限或失效的情況，但不包括推進(jìn)劑的正常損耗和材料性能退化情況。數(shù)據(jù)來源于28 顆遙感衛(wèi)星從1988年9月到2014年10月發(fā)生的在軌故障。

不同衛(wèi)星的分系統(tǒng)組成各不相同，為便于在軌故障的統(tǒng)計(jì)和歸納，根據(jù)遙感衛(wèi)星的通用分類，將整星分為載荷分系統(tǒng)、控制分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、數(shù)傳分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、數(shù)管分系統(tǒng)和熱控分系統(tǒng)。其中，控制分系統(tǒng)包括常規(guī)意義上的姿態(tài)控制分系統(tǒng)和推進(jìn)分系統(tǒng)。衛(wèi)星結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)故障不屬本文的分析和論述范圍。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

為了使故障統(tǒng)計(jì)更有意義，影響同一遙感衛(wèi)星分系統(tǒng)的同一故障模式算作1 個故障。例如，2002年 3月1日、2002年3月30日和2004年4月5日，“風(fēng)云二號”B 星因月球干擾導(dǎo)致天線消旋失鎖，這幾次事件就按1 次故障事件統(tǒng)計(jì)。而同一故障模式造成不同衛(wèi)星故障的情況，則按故障發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)。例如，2010年2月“遙感八號”衛(wèi)星的遙控終端和GPS 均發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)造成單機(jī)異常，按2次故障事件統(tǒng)計(jì)。這樣的故障統(tǒng)計(jì)方法可在有限的信息條件下，更清晰全面地比對衛(wèi)星故障情況。

2 在軌故障統(tǒng)計(jì)分析

2.1 總體分析

1）故障分系統(tǒng)分布

對衛(wèi)星在軌故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各分系統(tǒng)故障數(shù)量及其在故障總數(shù)中的占比，如表1所示。由 表1數(shù)據(jù)可以看出：控制、載荷、測控和數(shù)傳是故障占比最高的4 個分系統(tǒng)，其故障數(shù)量合計(jì)占故障總數(shù)的90%；若將載荷以外的各分系統(tǒng)均納入平臺類別，則平臺與載荷的故障占比分別為79.5%和20.5%，即平臺故障是遙感衛(wèi)星的主要在軌故障。

表1 遙感衛(wèi)星各分系統(tǒng)在軌故障統(tǒng)計(jì) Table1 The number of failures of remote sensing satellite subsystems

2）故障軌道分布

不同軌道遙感衛(wèi)星的故障占比如圖1所示。由圖可知，低軌遙感衛(wèi)星的故障占比達(dá)86%，遠(yuǎn)高于高軌遙感衛(wèi)星，但這與所統(tǒng)計(jì)遙感衛(wèi)星中軌道類型的占比基本相一致。本文統(tǒng)計(jì)的28 顆遙感衛(wèi)星中有低軌衛(wèi)星22 顆，占總數(shù)的78.6%。因此，可以認(rèn)為軌道參數(shù)不是影響衛(wèi)星在軌故障數(shù)量的主要因素。

圖1 不同軌道遙感衛(wèi)星故障占比 Fig.1 Distribution of remote sensing satellite faults by orbit

3）不同研制時期故障率

不同時期所研制遙感衛(wèi)星的在軌故障率見 圖2，即每顆衛(wèi)星壽命期內(nèi)在軌發(fā)生故障的年平均數(shù)量。由圖2可知，20世紀(jì)90年代及以前發(fā)射的遙感衛(wèi)星在軌故障率為0.29，而到21世紀(jì)初上升到1.12，2010年以后又下降到0.27。這主要是由于早期研制的遙感衛(wèi)星功能較為簡單，所使用器件的集成度不高，活動部件等使用也較少，因此整星的在軌故障率較低；而到了21世紀(jì)初，遙感衛(wèi)星的任務(wù)功能提升，研制的復(fù)雜度增加，星上的大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路以及一些新器件（尤其是國產(chǎn)化器件）和新技術(shù)的使用，造成了遙感衛(wèi)星的在軌故障率上升；之后，經(jīng)過一段時間的改進(jìn)設(shè)計(jì)、規(guī)范管理、完善工藝，到了2010 以后，遙感衛(wèi)星的在軌故障率有了大幅下降。

圖2 不同時期研制的遙感衛(wèi)星的在軌故障率 Fig.2 On-orbit failure rates of remote sensing satellites developed in different periods

4）故障發(fā)生時間分布

遙感衛(wèi)星在軌故障發(fā)生時間分布如圖3所示。其中，入軌初始即發(fā)生的故障有19 個，占故障總數(shù)的12%；44%的故障發(fā)生在入軌后的第1年。故障發(fā)生時間分布基本符合“浴盆曲線”，早期失效占故障的大多數(shù)，這主要是由于遙感衛(wèi)星的地面測試與試驗(yàn)不夠充分，未能有效剔除早期失效。

圖3 在軌故障發(fā)生時間分布 Fig.3 Time distributions of on-orbit failures

5）故障類型分布

分析在軌故障發(fā)生的類型，如圖4所示，環(huán)境、設(shè)計(jì)和器件類故障為在軌故障的主要類型，故障占比分別為38%、30%和17%。

圖4 遙感衛(wèi)星在軌故障類型分布 Fig.4 Number distributions of different type on-orbit remote sensing satellite failures

6）在軌故障類型與運(yùn)行時間的關(guān)系

為進(jìn)一步考察遙感衛(wèi)星在軌故障類型與在軌運(yùn)行時間的關(guān)系，比較不同時間段不同類型故障的比例，結(jié)果如圖5所示。由圖可見，在軌初期、壽命后期以及全時間段內(nèi)的主要故障類型均為設(shè)計(jì)、器件和環(huán)境類故障。在軌初期，環(huán)境類故障占比最高，達(dá)到40%，設(shè)計(jì)和器件類故障占比分別為29%和15%；壽命后期，設(shè)計(jì)類故障成為占比最高的，達(dá)到39%，環(huán)境和器件類故障占比分別為26%和19%。究其原因：隨工作時間增加，產(chǎn)品設(shè)計(jì)和器件的薄弱環(huán)節(jié)逐漸暴露，呈逐漸增多趨勢，尤其是設(shè)計(jì)類故障在壽命后期成為最主要故障；而遙感衛(wèi)星對于環(huán)境的適應(yīng)能力經(jīng)歷早期的缺陷暴露和修復(fù)后逐漸增強(qiáng)，故障占比逐漸下降。

圖5 故障類型與運(yùn)行時間的關(guān)系 Fig.5 The rates of different failure types with different working times

7）故障嚴(yán)酷度分布

將故障按嚴(yán)重性等級分為4 類：致命故障、嚴(yán)重故障、一般故障和輕微故障。由圖6可知，遙感衛(wèi)星在軌故障嚴(yán)酷度呈現(xiàn)“兩頭小、中間大”的分布態(tài)勢，即致命和輕微故障相對較少，嚴(yán)重和一般故障相對多一些。其中，致命故障占2%，而一般故障占83%，即發(fā)生的在軌故障一般對衛(wèi)星完成任務(wù)的固有能力無影響或影響較小，基本可以通過在軌自主診斷、地面操作等方式及時予以解決。

圖6 在軌故障嚴(yán)酷度分布 Fig.6 Distribution of on-orbit fault severity

進(jìn)一步分析表明，遙感衛(wèi)星在軌的嚴(yán)重和致命故障發(fā)生在載荷、控制、數(shù)傳、測控和電源5 個分系統(tǒng)，如圖7所示。其中，控制分系統(tǒng)和載荷分系統(tǒng)的占比分別為46%和38%；而按故障類型統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)重和致命故障中的50%為設(shè)計(jì)類故障，25%為器件類故障。因此，遙感衛(wèi)星研制時應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化對載荷分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)類故障的技術(shù)狀態(tài)控制，以及器件的選用與測試。

圖7 在軌嚴(yán)重和致命故障的分系統(tǒng)分布 Fig.7 Distribution of on-orbit serious and critical failures

按時間段統(tǒng)計(jì)不同后果的故障頻度可了解不同嚴(yán)重性等級故障隨在軌時間變化的大致趨勢。如圖8所示。

圖8 不同嚴(yán)重性等級在軌故障數(shù)量與在軌時間的關(guān)系 Fig.8 The relationship between the on-orbit failure type and the working time

遙感衛(wèi)星的嚴(yán)重故障集中在入軌第1年（占60%），之后故障發(fā)生頻度大幅降低，在軌5年之后未再發(fā)生嚴(yán)重故障和致命故障。在同一時期內(nèi)，一般故障數(shù)量幾乎都高于嚴(yán)重故障數(shù)量，且集中分布于衛(wèi)星在軌工作的頭4年，其中第1年是故障發(fā)生較多的時期。

2.2 載荷分系統(tǒng)故障分析

載荷分系統(tǒng)是衛(wèi)星完成主要任務(wù)功能的分系統(tǒng)，其故障將嚴(yán)重影響衛(wèi)星的在軌任務(wù)完成能力。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，載荷分系統(tǒng)的在軌故障中有28%為嚴(yán)重故障，高于嚴(yán)重故障在遙感衛(wèi)星在軌故障總數(shù)中的占比（14%）。而從圖9所示的載荷分系統(tǒng)在軌故障時間分布可見，載荷分系統(tǒng)的在軌故障發(fā)生率呈現(xiàn)逐年遞減的趨勢，壽命第1年發(fā)生的故障占其故障總數(shù)的47%，至第6年時僅占3%。

圖9 載荷分系統(tǒng)在軌故障發(fā)生時間分布 Fig.9 Time profile of payload subsystem on-orbit failures

遙感衛(wèi)星的載荷分系統(tǒng)與衛(wèi)星平臺相比，新研產(chǎn)品較多，繼承性和成熟度不足，因此載荷分系統(tǒng)在軌故障中因設(shè)計(jì)導(dǎo)致的故障占其分系統(tǒng)故障總數(shù)的44%，如圖10所示，高于整星在軌故障中設(shè)計(jì)類故障的占比（30%）。

圖10 載荷分系統(tǒng)在軌故障類型分布 Fig.10 Distribution of payload subsystem on-orbit failure types

2.3 控制分系統(tǒng)故障分析

控制分系統(tǒng)負(fù)責(zé)衛(wèi)星的姿態(tài)、軌道控制，含有姿態(tài)測量、控制等多個關(guān)鍵部件，如飛輪、陀螺等活動部件，其失效將嚴(yán)重影響衛(wèi)星的在軌運(yùn)行。由圖11可知，控制分系統(tǒng)的在軌故障中有5%為致命故障，高于其他分系統(tǒng)中的致命故障占比。

圖11 控制分系統(tǒng)在軌故障嚴(yán)酷度分布 Fig.11 Distribution of control subsystem on-orbit fault severity

如圖12所示，遙感衛(wèi)星控制分系統(tǒng)中設(shè)計(jì)類故障占其故障總數(shù)的50%。這主要是由于控制分系統(tǒng)的產(chǎn)品種類多，工作模式復(fù)雜，設(shè)計(jì)和控制難度大。因此，在遙感衛(wèi)星的地面研制中應(yīng)該加強(qiáng)對控制分系統(tǒng)設(shè)計(jì)可靠性的審查，尤其是對設(shè)計(jì)類故障的技術(shù)狀態(tài)控制。

圖12 控制分系統(tǒng)在軌故障類型分布 Fig.12 Distribution of control subsystem on-orbit failure types

如圖13所示，控制分系統(tǒng)在軌壽命初期的故障發(fā)生率較高，但故障發(fā)生率并不嚴(yán)格遵循逐年遞減的規(guī)律，如在軌第7年所發(fā)生故障占故障總數(shù)的7%，高于第3年的5%。這主要與控制分系統(tǒng)的在軌控制策略有關(guān)，即為保證遙感衛(wèi)星的在軌可靠性，控制分系統(tǒng)采用多冗余設(shè)計(jì)。例如，根據(jù)在軌壽命，遙感衛(wèi)星上的陀螺常備有3 套以上，在軌使用時當(dāng)陀螺的某一表頭發(fā)生故障時，則啟用另一陀螺，或不同陀螺的表頭組合使用。由于備份產(chǎn)品一般處于在軌儲存狀態(tài)，當(dāng)主份失效時才予以啟用，所以控制分系統(tǒng)的故障發(fā)生率呈現(xiàn)局部的不規(guī)律性。

圖13 控制分系統(tǒng)在軌故障發(fā)生時間分布 Fig.13 Time profile of control subsystem on-orbit failures

2.4 電源分系統(tǒng)故障分析

電源分系統(tǒng)為衛(wèi)星提供能源保證；重要載荷或平臺單機(jī)的電源分系統(tǒng)若發(fā)生致命故障，可能導(dǎo)致整星任務(wù)終結(jié)。因此，在地面研制時電源分系統(tǒng)產(chǎn)品通常采用成熟設(shè)計(jì)，且基本無軟件，以減少其在軌故障發(fā)生率。由表1的統(tǒng)計(jì)可知，1988年—2004年 遙感衛(wèi)星的電源分系統(tǒng)在軌僅發(fā)生8 個故障，占故障總數(shù)的5%。而從圖14可知，電源分系統(tǒng)的在軌故障基本為一般故障（占其故障總數(shù)的75%），無致命故障發(fā)生。

圖14 電源分系統(tǒng)在軌故障嚴(yán)酷度分布 Fig.14 Distribution of power subsystem on-orbit fault severity

由圖15可知，電源分系統(tǒng)的在軌故障中，器件類和工藝類故障的占比較高，分別為37%和38%；在軌未發(fā)生設(shè)計(jì)、操作和軟件類故障，這主要是由于電源分系統(tǒng)產(chǎn)品的任務(wù)功能比較單一。

圖15 電源分系統(tǒng)在軌故障類型分布 Fig.15 Distribution of power subsystem on-orbit failure types

2.5 數(shù)傳和測控分系統(tǒng)故障分析

數(shù)傳分系統(tǒng)在對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制、放大處理后，完成對載荷數(shù)據(jù)的存儲和傳輸。測控分系統(tǒng)實(shí)時采集星上遙測數(shù)據(jù)，并接收地面注數(shù)及指令，完成衛(wèi)星的上、下行測控任務(wù)。由于這兩個分系統(tǒng)產(chǎn)品較為相似，都是由電子學(xué)單機(jī)和天線組成，所以將它們放在一起論述。

數(shù)傳分系統(tǒng)和測控分系統(tǒng)采用的技術(shù)備份和控制手段較為成熟，因此雖然它們在軌發(fā)生故障的占比分別為15%和17%（見表1），但是發(fā)生嚴(yán)重故障的比例較低（分別僅為8%和4%），基本為一般故障，不影響衛(wèi)星的在軌正常任務(wù)。

由于數(shù)傳分系統(tǒng)和測控分系統(tǒng)中多為電子學(xué)單機(jī)，且隨著遙感衛(wèi)星設(shè)計(jì)功能的復(fù)雜化，產(chǎn)品集成度逐步提高，大規(guī)模集成電路的用量急劇增加，如近年發(fā)射的“風(fēng)云三號”衛(wèi)星等所使用的星載計(jì)算機(jī)、存儲器以及FPGA 等器件的總數(shù)量接近或超過100 片，而這類器件都易受空間輻射環(huán)境影響，增加了數(shù)傳和測控分系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)境類在軌故障的概率，如圖16所示。

圖16 數(shù)傳和測控分系統(tǒng)在軌故障類型分布 Fig.16 On-orbit fault type distribution of digital subsystem,and measurement ＆control subsystem

數(shù)傳和測控分系統(tǒng)的在軌故障時間分布如圖17所示。由圖可知，由于這兩個分系統(tǒng)中電子學(xué)單機(jī)數(shù)量較多，其故障時間分布基本符合“浴盆曲線”，即故障多發(fā)生在入軌頭3年的早期失效期。

圖17 數(shù)傳和測控分系統(tǒng)在軌故障時間分布 Fig.17 On-orbit failure time distribution of data transmission subsystem,and measurement ＆control subsystem

2.6 數(shù)管分系統(tǒng)故障分析

數(shù)管分系統(tǒng)在軌故障類型分布如圖18所示，軟件類故障的占比為29%，遠(yuǎn)高于此類故障在整星在軌故障中的占比（4%），這與數(shù)管分系統(tǒng)軟件的復(fù)雜性密切相關(guān)。從數(shù)管分系統(tǒng)的在軌故障時間分布上看，數(shù)管分系統(tǒng)在軌故障均出現(xiàn)于在軌頭2年以內(nèi)，第1年的故障占比為43%，且故障的嚴(yán)酷度均為一般等級。

圖18 數(shù)管分系統(tǒng)在軌故障類型分布 Fig.18 Distribution of data management subsystem on- orbit failure types

2.7 熱控分系統(tǒng)故障分析

熱控分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和手段較為成熟，且產(chǎn)品簡單，因此在本文研究統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)，在軌僅發(fā)生1 起某產(chǎn)品熱敏電阻失效的一般嚴(yán)酷度在軌故障。

3 改進(jìn)措施建議

1）加強(qiáng)遙感衛(wèi)星出廠前的地面試驗(yàn)與測試

由本文的統(tǒng)計(jì)可知，44%的故障發(fā)生在遙感衛(wèi)星入軌的第1年，且60%的嚴(yán)重故障是發(fā)生于入軌第1年，尤其是電子類故障，并且很多故障發(fā)生在遙感衛(wèi)星入軌后不久。衛(wèi)星故障的發(fā)生時間分布曲線基本符合“浴盆曲線”，比對衛(wèi)星可靠性理論分析結(jié)果可以推斷，故障多為產(chǎn)品的早期失效，是由于設(shè)計(jì)與器件的薄弱環(huán)節(jié)暴露得不夠充分造成的。因此，適當(dāng)增加衛(wèi)星出廠前的地面試驗(yàn)和測試，有效剔除早期失效，可降低在軌故障的發(fā)生。

實(shí)際工作中，除了產(chǎn)品級的早期失效和穩(wěn)定考核的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)、溫度循環(huán)試驗(yàn)和高溫老煉試驗(yàn)外，還應(yīng)重視整星的電測試和老煉試驗(yàn)，尤其是試驗(yàn)過程中的產(chǎn)品性能監(jiān)測和數(shù)據(jù)判讀，提高試驗(yàn)和測試的有效性，確保衛(wèi)星的測試覆蓋性，充分暴露衛(wèi)星的設(shè)計(jì)和器件缺陷。

2）加強(qiáng)抗輻射加固設(shè)計(jì)

數(shù)傳分系統(tǒng)和測控分系統(tǒng)等含有電子學(xué)單機(jī)較多的分系統(tǒng)，由于CPU、DSP、FPGA 等大規(guī)模集成電路的使用，對空間輻射環(huán)境較為敏感，由空間環(huán)境造成的故障在分系統(tǒng)故障總數(shù)中的占比超過60%，數(shù)傳分系統(tǒng)甚至達(dá)到71%。

空間防護(hù)技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)積累了許多防護(hù)設(shè)計(jì)方法，但是由空間環(huán)境引發(fā)的在軌故障仍時有發(fā)生，尤其是單粒子效應(yīng)和高軌的充放電效應(yīng)是遙感衛(wèi)星在軌空間環(huán)境故障的主要原因。因此，有必要進(jìn)一步研究故障機(jī)理，開展地面測試和驗(yàn)證，并加強(qiáng)對空間環(huán)境的預(yù)示，建立空間防護(hù)設(shè)計(jì)的指標(biāo)體系，尤其強(qiáng)化對系統(tǒng)級抗輻射加固策略的研究。

3）開展基于在軌故障規(guī)律的分系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)控制

不同的分系統(tǒng)具有不同的在軌故障特性，因此在地面研制過程中應(yīng)根據(jù)在軌故障的規(guī)律，有針對 性地加強(qiáng)對分系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)控制，通過產(chǎn)品的地面可靠性設(shè)計(jì)、分析與試驗(yàn)，盡量消除研制的薄弱環(huán)節(jié)，降低衛(wèi)星的在軌故障率，提高在軌可靠性。

4 結(jié)束語

本文通過統(tǒng)計(jì)分析1988年—2014年我國28顆遙感衛(wèi)星的在軌故障數(shù)據(jù)，對故障進(jìn)行分類研究，得到了在軌故障按分系統(tǒng)、研制時期、發(fā)生時間、嚴(yán)酷度和故障類型分布的數(shù)據(jù)，并對衛(wèi)星各分系統(tǒng)在軌故障的特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，有針對性地提出了衛(wèi)星地面設(shè)計(jì)與研制試驗(yàn)階段的改進(jìn)措施建議。

后續(xù)，將進(jìn)一步細(xì)化、落實(shí)這些建議，使其能夠真正為提高衛(wèi)星的在軌可靠性、降低故障發(fā)生率發(fā)揮作用。

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