S頻段統(tǒng)一測(cè)控雷達(dá)健康故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇 江陰 214431)

0 引言

S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)是我國(guó)航天工程和衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)的重要組成部分，主要任務(wù)是對(duì)S頻段航天器進(jìn)行跟蹤測(cè)量、軌道和姿態(tài)控制及遙測(cè)監(jiān)視，集跟蹤、測(cè)量、控制、通信于一體，確保航天器按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的軌道運(yùn)行與返回，以完成規(guī)定的航天任務(wù)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)始向集成化、自動(dòng)化的方向跨越。然而，測(cè)控設(shè)備在功能和性能提高的同時(shí)，由于組成環(huán)節(jié)和影響因素的增加，發(fā)生故障或失效的可能性也隨之增大。個(gè)別部件故障常常會(huì)引起連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致任務(wù)過(guò)程失敗甚至整套設(shè)備癱瘓[1-2]。本文引入故障預(yù)測(cè)和健康管理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種故障診斷系統(tǒng)，主要完成S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)可監(jiān)控設(shè)備的故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)、生命周期管理、任務(wù)結(jié)果預(yù)測(cè)，通過(guò)對(duì)獲得的數(shù)據(jù)處理進(jìn)行故障預(yù)測(cè)與故障診斷，在嚴(yán)重故障發(fā)生之前進(jìn)行故障的預(yù)報(bào)與處理，避免出現(xiàn)嚴(yán)重后果，保證系統(tǒng)可靠、安全運(yùn)行。同時(shí)與系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)共用數(shù)據(jù)庫(kù)，具備全系統(tǒng)設(shè)備健康管理信息進(jìn)行存儲(chǔ)管理功能[3]。

1 健康故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

健康故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)分為故障信息采集、信息服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)等三層，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 健康故障診斷系統(tǒng)架構(gòu)

故障信息采集層是對(duì)歷次系統(tǒng)/設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測(cè)、標(biāo)校、測(cè)試、任務(wù)狀態(tài)以及任務(wù)數(shù)據(jù)分析的積累，不僅可供瀏覽與統(tǒng)計(jì)分析，還可用于后續(xù)健康狀態(tài)預(yù)測(cè)和任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。故障信息采集的對(duì)象是地面站內(nèi)所有設(shè)備，包括天飼饋分系統(tǒng)、發(fā)射及接收分系統(tǒng)、時(shí)頻分系統(tǒng)、基帶分系統(tǒng)、標(biāo)校分系統(tǒng)、自動(dòng)化測(cè)試分系統(tǒng)及記錄分系統(tǒng)等。

信息服務(wù)層是對(duì)故障診斷系統(tǒng)中的所有信息進(jìn)行集中管理。除了對(duì)故障信息采集層信息的存儲(chǔ)，還包括專(zhuān)家知識(shí)、健康狀態(tài)評(píng)估模型、參數(shù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型等。專(zhuān)家知識(shí)主要用于系統(tǒng)故障診斷與定位，是對(duì)傳統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的繼承；健康狀態(tài)評(píng)估模型存儲(chǔ)評(píng)估指標(biāo)與評(píng)估方法；參數(shù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型通過(guò)基于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)算法對(duì)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行趨勢(shì)的預(yù)測(cè)。

應(yīng)用服務(wù)層主要實(shí)現(xiàn)故障診斷定位、健康狀態(tài)評(píng)估、任務(wù)能力評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)等應(yīng)用功能，它通過(guò)采集分系統(tǒng)或設(shè)備健康狀態(tài)信息、其它設(shè)備檢測(cè)信息、系統(tǒng)標(biāo)校數(shù)據(jù)、系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)以及任務(wù)數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)健康管理的原始數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、健康評(píng)估模型、專(zhuān)家知識(shí)與推理，對(duì)系統(tǒng)健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估；應(yīng)用服務(wù)層還能根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的健康狀態(tài)，安排維修保障計(jì)劃。

1.2 系統(tǒng)軟件組成

應(yīng)用軟件包括健康管理軟件、數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件等組成，其中數(shù)據(jù)服務(wù)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件與監(jiān)控分系統(tǒng)軟件共用一套軟件。各軟件關(guān)系以及交互的信息如圖2所示。

圖2 故障診斷相關(guān)軟件組成及交互信息

健康故障診斷系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控軟件定時(shí)查詢(xún)采集各分系統(tǒng)/設(shè)備監(jiān)控單元上報(bào)的設(shè)備工作參數(shù)及狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)時(shí)將信息寫(xiě)入綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)向健康故障診斷系統(tǒng)發(fā)送故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)信息；健康故障診斷軟件接收監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，并實(shí)時(shí)檢查，若監(jiān)測(cè)到有異常情況，則啟動(dòng)故障樹(shù)診斷、鏈路測(cè)試等分析處理流程，在診斷處理過(guò)程中需要借助標(biāo)校、測(cè)試手段進(jìn)行輔助診斷時(shí)，健康管理軟件向系統(tǒng)監(jiān)控軟件提交標(biāo)校、測(cè)試請(qǐng)求；系統(tǒng)監(jiān)控軟件接收故障診斷軟件的自動(dòng)化測(cè)試請(qǐng)求，綜合考慮系統(tǒng)實(shí)際情況，為標(biāo)校測(cè)試分配設(shè)備資源，并確定標(biāo)校測(cè)試時(shí)間，生成標(biāo)校測(cè)試計(jì)劃，控制自動(dòng)化測(cè)試軟件完成測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果提供給故障診斷軟件，作為故障診斷及健康狀態(tài)評(píng)估的事實(shí)依據(jù)。自動(dòng)化測(cè)試軟件是健康管理軟件測(cè)試執(zhí)行者，接收系統(tǒng)監(jiān)控軟件的測(cè)試命令，執(zhí)行測(cè)試后將測(cè)試結(jié)果通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控軟件上報(bào)健康管理軟件。

2 設(shè)備故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本類(lèi)型

設(shè)備故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)基本類(lèi)型大致劃分為兩類(lèi)：枚舉型和數(shù)值型。設(shè)備故障識(shí)別時(shí)，依據(jù)故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)知識(shí)規(guī)則，作如下判斷：

枚舉型故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)是指上報(bào)的狀態(tài)數(shù)據(jù)固定為一個(gè)有限集合中的一個(gè)元素的設(shè)備故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)其上報(bào)狀態(tài)為有限集合中特定元素時(shí)，識(shí)別為故障。例如：設(shè)備電源故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)集合為：{正常、異常}，當(dāng)其上報(bào)的狀態(tài)為“異?！睍r(shí)，可識(shí)別為故障。一般設(shè)置參數(shù)為：故障狀態(tài)數(shù)據(jù)和連續(xù)上報(bào)次數(shù)(默認(rèn)為3)。例如，設(shè)備電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置參數(shù)為：狀態(tài)數(shù)據(jù)：異常；連續(xù)上報(bào)次數(shù)：3。即：設(shè)備電源狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)3次上報(bào)狀態(tài)數(shù)據(jù)為“異?！?，可判斷為故障。連續(xù)多次異常才能定位為故障，主要用于防止虛警。

數(shù)值型故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)是指上報(bào)的狀態(tài)數(shù)據(jù)固定為一個(gè)或數(shù)個(gè)有界區(qū)間，當(dāng)狀態(tài)數(shù)據(jù)不在有界區(qū)間范圍內(nèi)，識(shí)別為故障。例如：天線(xiàn)方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)間為[0，41](單位：A)，當(dāng)該故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)為46A時(shí)，可識(shí)別為故障。一般設(shè)置參數(shù)為：故障狀態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)間范圍(上限、下限)、單位和連續(xù)上報(bào)時(shí)間(默認(rèn)為5)。例如，天線(xiàn)方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置參數(shù)為：上限：0；下限：41；單位：A；連續(xù)上報(bào)時(shí)間：10。即：天線(xiàn)方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流連續(xù)10秒鐘超過(guò)正常區(qū)間[0，41]，可判斷為故障。連續(xù)一段時(shí)間超限才能定位為故障，主要用于防止突發(fā)值和虛警。

2.2 設(shè)備故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局

天伺饋設(shè)備健康管理通過(guò)天伺饋監(jiān)控軟件采集設(shè)備傳感器信息，將設(shè)備狀態(tài)上報(bào)監(jiān)控分系統(tǒng)，最終由健康管理分系統(tǒng)對(duì)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的分析處理提取設(shè)備特征信息，完成對(duì)當(dāng)前天線(xiàn)設(shè)備的故障診斷、健康評(píng)估和預(yù)測(cè)，并形成診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)報(bào)告，顯示診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)結(jié)果。采集傳感器信息有：電機(jī)的電樞電流、電樞電壓、測(cè)速機(jī)反饋、振動(dòng)、溫度等信息[4-5]；天線(xiàn)中心體溫度、濕度、攝像等信息[6]。

多功能數(shù)字基帶分系統(tǒng)的基帶硬件平臺(tái)、角誤差切換單元、時(shí)碼終端、測(cè)試信號(hào)切換單元的健康管理通過(guò)各自設(shè)備的監(jiān)控軟件采集設(shè)備傳感器信息，將設(shè)備狀態(tài)上報(bào)監(jiān)控分系統(tǒng)，最終由健康管理分系統(tǒng)對(duì)設(shè)備采集數(shù)據(jù)的分析處理提取設(shè)備特征信息，完成對(duì)當(dāng)前基帶設(shè)備的故障診斷、健康評(píng)估和預(yù)測(cè)，并形成診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)報(bào)告，顯示診斷、評(píng)估、預(yù)測(cè)結(jié)果。

在高頻信道分系統(tǒng)設(shè)備中，對(duì)插箱內(nèi)有源模塊設(shè)置了多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括直流電源、本振信號(hào)幅度、變頻器供電等，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障檢測(cè)并顯示，無(wú)源模塊及電纜的檢測(cè)需依據(jù)無(wú)源模塊前后相連的有源模塊來(lái)進(jìn)行邏輯判別或通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試來(lái)輔助判別，確保所有模塊監(jiān)測(cè)無(wú)遺漏，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)備問(wèn)題。

3 基于故障樹(shù)的設(shè)備故障診斷流程

3.1 故障診斷工作機(jī)制

基于故障樹(shù)的設(shè)備故障診斷流程分為設(shè)備狀態(tài)信號(hào)采集、設(shè)備故障識(shí)別、設(shè)備故障分析診斷及故障診斷決策四個(gè)階段[7-8]。

1)設(shè)備狀態(tài)信號(hào)采集。系統(tǒng)監(jiān)控軟件采集全系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作參數(shù)及狀態(tài)信息，并定時(shí)上報(bào)到故障診斷軟件作為設(shè)備故障診斷的事實(shí)依據(jù)。

2)設(shè)備故障識(shí)別。故障診斷軟件掃描設(shè)備監(jiān)控信息中的故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)，檢測(cè)并識(shí)別設(shè)備故障。

3)設(shè)備故障分析診斷。發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障后，根據(jù)故障設(shè)備的故障樹(shù)模型，依據(jù)故障檢測(cè)識(shí)別規(guī)則知識(shí)庫(kù)、各種閉環(huán)檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行故障分析、推理判斷，定位故障設(shè)備。

4)故障診斷決策。故障診斷軟件識(shí)別判斷設(shè)備故障，定位到故障設(shè)備或模塊后，通知系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)管理模塊相應(yīng)故障設(shè)備資源離線(xiàn)維護(hù)，不再分配給下次任務(wù)計(jì)劃；同時(shí)在系統(tǒng)配置框圖上和設(shè)備機(jī)柜圖上加亮顯示故障設(shè)備。當(dāng)最終出現(xiàn)系統(tǒng)無(wú)法理解或無(wú)法推理出結(jié)論的故障后，系統(tǒng)提示由操作員進(jìn)行人工檢測(cè)處理，如中間產(chǎn)生新知識(shí)，可更新知識(shí)庫(kù)。設(shè)備故障診斷流程如圖3所示。

圖3 設(shè)備故障診斷流程

3.2 設(shè)備故障分析診斷

故障診斷軟件依據(jù)知識(shí)庫(kù)中故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)的知識(shí)和規(guī)則，從工作參數(shù)及狀態(tài)中提取設(shè)備故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息，檢測(cè)、判斷并識(shí)別故障；并依據(jù)需要，展開(kāi)設(shè)備信號(hào)流閉環(huán)檢測(cè)。故障診斷系統(tǒng)中，故障分析診斷推理主要通過(guò)“故障診斷業(yè)務(wù)流程控制”、“規(guī)則引擎”、“知識(shí)庫(kù)”等三部分負(fù)責(zé)，其中故障診斷業(yè)務(wù)流程控制主要負(fù)責(zé)診斷過(guò)程調(diào)度，依據(jù)規(guī)則引擎反饋的規(guī)則推理結(jié)果反饋實(shí)現(xiàn)故障診斷過(guò)程的調(diào)度；規(guī)則引擎負(fù)責(zé)分析推理，主要通過(guò)ReteOO/Leap算法，實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域知識(shí)(規(guī)則)與系統(tǒng)監(jiān)控臺(tái)上報(bào)的事實(shí)依據(jù)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)、測(cè)試結(jié)果等)匹配和推理，獲得推理結(jié)論；“故障診斷業(yè)務(wù)流程控制”、“規(guī)則引擎”協(xié)同工作，共同分析診斷，輸出診斷結(jié)果報(bào)告，如圖4所示。

圖4 規(guī)則引擎在故障診斷系統(tǒng)中的地位

3.3 故障樹(shù)管理及診斷分析

設(shè)備故障樹(shù)，就是以單個(gè)設(shè)備或插箱作為故障診斷分析的目標(biāo)，以設(shè)備故障作為頂事件，通過(guò)逐層分析原因而形成的故障樹(shù)[9-10]。為更好地進(jìn)行設(shè)備故障分析定位，對(duì)設(shè)備故障樹(shù)的底事件進(jìn)行了擴(kuò)展、分類(lèi)，設(shè)備故障樹(shù)分解到底層，最終底事件包括以下類(lèi)型：

1)直接判斷事件：通過(guò)設(shè)備插箱設(shè)置的直接監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行故障原因判斷定位。

2)聯(lián)合判斷事件：通過(guò)前后有源模塊檢測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)顯示，聯(lián)合判定模塊、電纜等是否發(fā)生故障，確定故障原因，定位故障單元。

3)交叉檢測(cè)事件：利用切換開(kāi)關(guān)，對(duì)鏈路設(shè)備前后級(jí)設(shè)備進(jìn)行相互切換，依據(jù)切換后不同表現(xiàn)，進(jìn)行故障分析、判斷、定位，最后確定故障原因。

4)診斷測(cè)試事件：通過(guò)利用自動(dòng)化測(cè)試分系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備，將設(shè)備設(shè)置在射頻閉環(huán)或中頻閉環(huán)下，根據(jù)信號(hào)流或數(shù)據(jù)流，分級(jí)檢測(cè)信號(hào)特性，進(jìn)行故障分析、判斷、定位，最后確定故障原因。

4 健康故障診斷狀態(tài)評(píng)估

僅憑故障監(jiān)測(cè)點(diǎn)是不能完全反映出設(shè)備健康狀態(tài)，有時(shí)需要根據(jù)診斷測(cè)試事件進(jìn)行故障分析定位。如對(duì)于S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)的低噪聲場(chǎng)效應(yīng)放大器(LNA)，雖然它的工作電流狀態(tài)(根據(jù)LNA各級(jí)放大器總的工作電流與參考值進(jìn)行比較后得出)是正常的，但如果LNA的輸入輸出匹配電路、串聯(lián)的隔直電容出現(xiàn)了故障，都會(huì)導(dǎo)致LNA不能正常工作。噪聲溫度、增益等性能指標(biāo)可以比較客觀地反映LNA健康與否。但受限于LNA接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和安裝的環(huán)境條件等客觀因素，噪聲溫度、增益等信息難以實(shí)時(shí)上報(bào)給健康管理分系統(tǒng)，需要借助自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備在非任務(wù)條件下進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。以下是LNA+D/C增益的推導(dǎo)過(guò)程：

根據(jù)圖5所示的測(cè)試框圖進(jìn)行LNA、D/C增益的測(cè)量。下行鏈路通過(guò)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備、測(cè)試上變頻器閉環(huán)。在自動(dòng)化測(cè)試軟件的控制下，控制信號(hào)源發(fā)送單載波信號(hào)，用頻譜儀監(jiān)測(cè)下行輸出信號(hào)的頻譜；根據(jù)信號(hào)的頻譜特征，可判斷下行鏈路的狀態(tài)(其中X1～X10為各點(diǎn)信號(hào)幅度)。

圖5 LNA+D/C增益測(cè)試框圖

(1)

式(1)中，G為L(zhǎng)NA+D/C的總增益(dB)；P1為信號(hào)源輸出電平(dBm)；P2為頻譜儀測(cè)量電平(dBm)；LA為信號(hào)源輸出至LNA輸入端傳輸損耗(dB)；LB為D/C輸出端至頻譜儀傳輸損耗(dB)。

LNA與D/C安裝在天線(xiàn)中心體的高頻箱內(nèi)，它們之間沒(méi)有監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)測(cè)得的總增益正常時(shí)，可認(rèn)為L(zhǎng)NA與D/C均正常。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，無(wú)法直接斷定具體是哪個(gè)模塊發(fā)生了故障，一般可采用交叉定位的手段進(jìn)行分離，如圖6所示。當(dāng)檢測(cè)到LNA1+D/C1鏈路增益不正常、而LNA2+D/C2鏈路增益正常時(shí)，改變鏈路連接關(guān)系，分別測(cè)量LNA1+D/C2鏈路增益、LNA2+D/C1鏈路增益，通過(guò)篩選，可分離出具體的故障模塊。

圖6 交叉定位法示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從S頻段統(tǒng)一測(cè)控系統(tǒng)的特點(diǎn)出發(fā)，融合計(jì)算技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)和軟件工程技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種由船載測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)成的健康故障診斷系統(tǒng)集成框架，并分析了其系統(tǒng)組成和關(guān)鍵測(cè)試技術(shù)影響。所設(shè)計(jì)的健康故障診斷系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)故障診斷和預(yù)測(cè)精度、擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)監(jiān)控和管理的對(duì)象，能在增長(zhǎng)性能和降低成本的需求背景下，提高測(cè)控任務(wù)執(zhí)行的成功率以及自動(dòng)化率。雖然目前尚處于初步發(fā)展階段，但代表了未來(lái)航天測(cè)控故障診斷的發(fā)展方向，必將為航天測(cè)控站的無(wú)人化、自動(dòng)化打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。