高分三號衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王文平 王向暉 徐浩 田賀祥 蔣昱 潘莉

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分三號衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王文平 王向暉 徐浩 田賀祥 蔣昱 潘莉

(北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

在分析遙感衛(wèi)星自主健康管理需求和目標的基礎上,對自主健康管理進行分級,提出高分三號(GF-3)衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)架構,設計可重配置的遙測在軌實時監(jiān)測與量化管理系統(tǒng),實現(xiàn)了標準化遙測監(jiān)視表設計、可量化故障事件包設計、可量化統(tǒng)計事件包設計、故障和統(tǒng)計事件包自主生成條件、曲線比對功能等共性關鍵技術。GF-3衛(wèi)星在軌運行結果表明:衛(wèi)星能夠在非地面干預的情況下自主對整星健康狀態(tài)進行實時監(jiān)測,并在故障發(fā)生時實施自主診斷、隔離和恢復,最大限度地保證衛(wèi)星安全,有效提高衛(wèi)星在軌自主運行的可靠性。

高分三號衛(wèi)星;自主健康管理;故障診斷;實時監(jiān)視;量化管理;遙測監(jiān)視表

1 引言

遙感衛(wèi)星在國土勘察、國民經濟中發(fā)揮著重要作用,日益成為各國重要的戰(zhàn)略資源。提高衛(wèi)星在軌運行的高可靠性、高自主性,已成為當前航天領域的共識[1-4]。隨著遙感衛(wèi)星技術的發(fā)展,遙感衛(wèi)星計算機對星上各分系統(tǒng)的數(shù)據處理和管理能力得到較大提升,這為星上數(shù)據自主管理的智能自主化提供了良好的硬件基礎。傳統(tǒng)的遙感衛(wèi)星故障診斷及衛(wèi)星健康狀態(tài)管理策略以被動為主,主動為輔,實現(xiàn)思路是通過星載計算機匯集各分系統(tǒng)的遙測參數(shù),通過測控通道下行傳輸后,由地面作出故障的分析診斷,再通過上行指令完成相關在軌操作,從而實現(xiàn)一定的在軌管理功能[5-9]。這種遙感衛(wèi)星健康管理機制主要存在以下問題。

(1)測控通道資源浪費。遙感衛(wèi)星長期在軌運行數(shù)據顯示,衛(wèi)星在軌飛行的生命周期中,絕大部分遙測參數(shù)顯示無異常情況發(fā)生。但是,編排好的遙測參數(shù)格式,使下行測控通道被大量占用;衛(wèi)星故障時甚至會延誤相關重要故障參數(shù)的下傳,使地面錯過寶貴的應急處置時機。

(2)延時遙測數(shù)據占用大量存儲空間。遙感衛(wèi)星的地面可視弧段較短(平均過境時間不足飛行時間的15%),延時遙測數(shù)據占用了大量存儲空間,過境時傳輸及星上存儲造成了相應的資源浪費。

(3)實時性較差。地面對大量原始數(shù)據的處理需要花費一定的時間,即使發(fā)現(xiàn)問題也已產生了一定的延時,導致對衛(wèi)星在軌健康管理的實時性較差。

因此,在軌對星上原始遙測數(shù)據進行有效的處理和提煉,是提高遙感衛(wèi)星在軌可靠性及自主性的重要手段[10]。本文對自主健康管理進行分級,針對高分三號(GF-3)衛(wèi)星高可靠、高自主和長壽命的需求,設計了基于在軌自主實時監(jiān)視與量化管理的健康管理系統(tǒng)。GF-3衛(wèi)星的在軌運行結果表明:衛(wèi)星對健康狀況的敏感性和故障處置的及時性均得到顯著提升,同時也提高了遙測在軌監(jiān)視的標準化程度和在軌自主運行的管理效率。

2 自主健康管理級別定義

根據地面人工對星上健康管理的參與程度,遙感衛(wèi)星的自主能力可以分為5個級別,如表1所示。其中:5級定義為最高級,也就是完全的星上自主管理,測量、分析判斷、決策與執(zhí)行等功能全部由星載計算機自主完成,不需要任何地面人工干預。1級定義為最低級,衛(wèi)星健康管理基本上靠地面人工干預,星載計算機僅具有數(shù)據采集、遙測下行和執(zhí)行地面上行指令的功能。

表1 星上自主健康管理級別的劃分Table 1 Classification of satellite autonomous health management

目前,中國遙感衛(wèi)星的自主水平處于2～3級,即實現(xiàn)了在地面人工干預情況下達到一定程度的星上自主健康管理,自主管理的范疇主要是與整星安全密切相關的自主充放電管理(非電源管理)和自主熱控管理(被動管理),而且重要決策的作出和重要指令的發(fā)出也均由地面人工干預。GF-3衛(wèi)星具有12種陸海兼容的多極化復雜成像模式,是中國首顆C頻段多極化高分辨率合成孔徑雷達(SAR)衛(wèi)星,衛(wèi)星長期在軌運行時對自主健康管理的需求非常迫切,因此要針對GF-3衛(wèi)星進行自主健康管理系統(tǒng)的設計。

3 自主健康管理系統(tǒng)設計

GF-3衛(wèi)星上設計并實現(xiàn)了基于在軌自主實時監(jiān)視與量化管理的自主健康管理系統(tǒng),使衛(wèi)星自主水平達到4級以上。自主健康管理系統(tǒng)是由基于中央單元(CTU)的專項健康管理和基于數(shù)據處理單元(DPU)的共性健康管理兩部分共同協(xié)同實現(xiàn),如圖1所示。CTU健康管理用于匯集衛(wèi)星遙測參數(shù)和分系統(tǒng)健康狀態(tài),實現(xiàn)衛(wèi)星整星級自主健康管理策略,對衛(wèi)星健康指數(shù)進行生成和發(fā)布;DPU健康管理用于對衛(wèi)星各分系統(tǒng)的遙測參數(shù)進行統(tǒng)計分析、邊界檢查、期望值檢查、偏差檢查、趨勢分析、監(jiān)視表維護等共性健康管理。在GF-3衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)設計中包括多項共性關鍵技術,為衛(wèi)星自主健康管理從簡單到智能自主的提升起到重要作用。

3．1 CTU健康管理

CTU健康管理的功能主要包括以下3個方面。

(1)匯集衛(wèi)星遙測參數(shù)和分系統(tǒng)健康狀態(tài)。CTU通過遠置單元采集衛(wèi)星硬通道遙測參數(shù),通過1553B總線采集分系統(tǒng)軟通道遙測參數(shù),通過1553B總線收集分系統(tǒng)健康狀態(tài)數(shù)據包,并將以上數(shù)據作為自主健康管理的輸入。

(2)實施系統(tǒng)級自主健康管理策略。CTU關注的是系統(tǒng)級的自主健康管理策略,即需要多個分系統(tǒng)協(xié)同完成的健康管理,具體涉及電源健康管理、測控健康管理、控制健康管理、熱控健康管理、信息健康管理及載荷健康管理等專項健康管理。

(3)生成和發(fā)布衛(wèi)星健康狀態(tài)指數(shù)。健康狀態(tài)指數(shù)是星上健康級別的劃分標準,在不同級別下的星上自主健康管理策略有所不同。在健康級別高時,以優(yōu)化為主;健康級別低時,以安全為主。衛(wèi)星將健康狀態(tài)指數(shù)作為高優(yōu)先級的遙測參數(shù)下傳,遙測源包調度也考慮了健康狀態(tài)指數(shù)的變化情況。表2為根據衛(wèi)星健康狀態(tài)結果得到的衛(wèi)星健康狀態(tài)指數(shù),并通過總線進行實時廣播。

表2 衛(wèi)星健康狀態(tài)指數(shù)Table 2 Health index of satellite

3．2 DPU健康管理

DPU自主健康管理主要為共性技術,涉及到遙測參數(shù)的統(tǒng)計分析、邊界檢查、期望值檢查、偏差檢查、趨勢分析、監(jiān)視表維護等功能,這些共性技術所有相關分系統(tǒng)均可提出使用需求,依據需要監(jiān)視和分析的遙測類型,通過遙測表上注功能實現(xiàn)相關遙測的監(jiān)視。

基于高性能處理DPU,GF-3衛(wèi)星實現(xiàn)了一種可重配置的遙測在軌實時監(jiān)視與量化管理系統(tǒng)(如圖2所示)。地面可以通過數(shù)據上注的形式在軌實時修改和更新需要監(jiān)視的遙測參數(shù),修改采用標準化的遙測監(jiān)視表,能實現(xiàn)在軌遙測監(jiān)視表的可重配置。DPU遙測在軌實時監(jiān)視與量化管理對關注的遙測參數(shù)進行實時的監(jiān)測和統(tǒng)計,對監(jiān)測參數(shù)異常的遙測信息自主生成故障事件包,對滿足統(tǒng)計條件的遙測參數(shù)信息自主生成統(tǒng)計事件包。故障事件包和統(tǒng)計事件包均是可量化的,生成后自主發(fā)送給衛(wèi)星CTU。這樣,CTU能實時掌握、關注遙測參數(shù)的工作狀態(tài),實現(xiàn)在軌衛(wèi)星遙測參數(shù)的量化管理。

3．3 共性關鍵技術

GF-3衛(wèi)星遙測在軌實時監(jiān)視與量化管理,實現(xiàn)了基于國際空間數(shù)據系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)協(xié)議的標準化遙測監(jiān)視表設計、可量化故障事件包設計、可量化統(tǒng)計事件包設計、故障和統(tǒng)計事件包自主生成條件、曲線比對功能等共性關鍵技術。

1)標準化遙測監(jiān)視表設計

遙測監(jiān)視表如表3所示。表頭為數(shù)據總長(預留1 byte),后面跟隨N個源包信息;每個源包信息包含3 byte的源包頭信息,后面跟隨n個參數(shù)信息;每個參數(shù)信息包含6 byte的參數(shù)屬性信息,因此每個監(jiān)視遙測包的屬性信息長度為(3＋6n)byte。

表3 標準化的遙測監(jiān)視表Table 3 Standardization table of telemetry monitoring

2)可量化故障事件包設計

可量化故障事件包如表4所示,當遙測異常檢測模塊監(jiān)測到遙測異常時,通過設計可量化的故障事件報告格式輸出故障事件包。每個源包信息包含3 byte的源包頭信息,后面跟隨n個參數(shù)信息;每個參數(shù)信息包含8 byte的參數(shù)屬性信息,因此每個故障事件包長度為(3＋8n)byte。

表4 可量化故障事件包Table 4 Quantitative fault event packet

3)可量化統(tǒng)計事件包設計

可量化統(tǒng)計事件包如表5所示,當遙測統(tǒng)計分析模塊統(tǒng)計條件成立時,通過設計可量化的統(tǒng)計事件報告格式輸出統(tǒng)計事件包。每個源包信息包含3 byte的源包頭信息,后面跟隨n個參數(shù)信息;每個參數(shù)信息包含4 byte的參數(shù)屬性信息,因此每個統(tǒng)計事件包長度為(3＋4n)byte。

表5 可量化統(tǒng)計事件包Table 5 Quantitative statistic event packet

4)故障及統(tǒng)計事件包自主生成條件

(1)故障事件包自主生成條件:衛(wèi)星實時監(jiān)測的遙測參數(shù)發(fā)生跳變,即“正?！惓！?或者“異?！！?。如果一直處于正常狀態(tài)或異常狀態(tài),則不會產生。

(2)統(tǒng)計事件包自主生成條件:統(tǒng)計事件包自主生成模塊檢測到上注遙測監(jiān)視表的處理方式為“進行數(shù)據長期平均值計算”。

5)曲線比對功能

曲線比對功能,見圖3。

(1)遙測監(jiān)視表處理方式設置為二進制“11”時,表示啟動曲線比對功能。此時,各個源包中的參數(shù)起始字節(jié)序號相同,即表示對同一參數(shù)的曲線上注,用各個源包中的編號表征采樣點的變化,從而可以上注表示該參數(shù)變化趨勢的曲線。

(2)曲線中的第一個點為起始比對點,起始點的時刻為接收到遙測監(jiān)視表統(tǒng)計分析位為二進制“11”。

(3)編號定義每個采樣點上下邊界值的排列順序,“000000000001”為初始排列編號。N個源包對應同一個參數(shù)的曲線比對,編號n代表該參數(shù)的第n個采樣點,上下邊界值確定該采樣點的取值范圍。

(4)監(jiān)視系統(tǒng)根據上注編號的最大值確定曲線繪制的點數(shù),點數(shù)的默認間隔為1 min。

(5)統(tǒng)計時間完成后,統(tǒng)計事件包自主生成模塊返回統(tǒng)計事件包。如果超過上下限閾值,則返回故障事件包。

4 在軌驗證

GF-3衛(wèi)星上實現(xiàn)了遙測在軌自主實時監(jiān)視與量化管理,解決了一次性地面批量上注遙測監(jiān)視信息、一次性在軌實時批量修改與重配置遙測監(jiān)視信息、被監(jiān)視遙測的異常信息和統(tǒng)計信息自主且量化生成等問題,具有較高的靈活性和在軌可操作性,從而顯著提升了遙測在軌監(jiān)視方式的標準化程度和在軌自主運行管理的效率。

GF-3衛(wèi)星已完成在軌自主健康管理工程驗證,結果表明:衛(wèi)星對健康狀況的敏感性和處置故障的及時性得到了顯著提升,分系統(tǒng)終端能實時主動掌握整星健康狀態(tài),依據不同級別健康狀況及時啟動安全管理策略,能夠保障衛(wèi)星自主實施故障的監(jiān)測、隔離和恢復,將故障處理時間從目前的不少于1軌(90 min以上)縮減到10 s以內[11]。

5 結束語

本文對衛(wèi)星自主健康管理的能力進行了分級定義,并對GF-3衛(wèi)星在軌自主實時監(jiān)視與量化管理的健康管理系統(tǒng)的設計和關鍵技術進行了詳細描述,最后給出了工程驗證的結果。GF-3衛(wèi)星自主健康管理的相關技術成果,已推廣應用到后續(xù)多個遙感衛(wèi)星,可以提高衛(wèi)星的安全性、自主性,同時能降低成本。

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Design and Implementation of Autonomous Health Management System for GF-3 Satellite

WANG Wenping WANG Xianghui XU Hao TIAN Hexiang JIANG Yu PAN Li
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

An autonomous health management classification is made based on the analysis of requirement for remote sensing satellite．The architecture of GF-3 satellite autonomous health management is proposed,and satellite telemetry real-time monitoring and quantitative management system on-orbit is designed．The key technologies are described including standardization table of telemetry monitoring,quantitative fault event packet,quantitative statistic event packet,and curve comparison function．The results of GF-3 satellite on-orbit operation show that the satellite telemetry data are monitored in real-time,and the fault detection,isolation and recovery strategy are triggered in case abnormal telemetry characteristic occurs,therefore autonomous health management is useful to assure the safety of satellite,and to improve the reliability of spacecraft autonomy．

GF-3 satellite;autonomous health management;fault diagnosis;real-time monitoring;quantitative management;telemetry monitoring table

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.007

2017-10-25;

2017-11-10

國家重大科技專項工程

王文平,男,工程師,研究方向為航天器數(shù)據系統(tǒng)總體設計。Email:wangwenping304＠163．com。

(編輯:夏光)