基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)設計

王 健，熊福敏

(沈陽化工大學 信息工程學院,沈陽 110000)

0 引言

航天測控系統(tǒng)屬于電子系統(tǒng)工程問題，對于該系統(tǒng)來說，應先考慮的是航天任務要求，從地面基站出發(fā)，實現信息獲取，以此確定航天器飛行姿態(tài)[1]。如果某一個測控頻段出現故障，就會影響整個航天器運行狀態(tài)。隨著空間技術快速發(fā)展，針對航天測控頻段可靠性研究日益受到人們重視，尤其對于航天測控頻段故障診斷技術研究成為該領域重要研究內容[2]。傳統(tǒng)基于信號處理的方法受到航天器結構復雜影響，無法精準獲取航天測控頻段數據，其動態(tài)數學模型難以建立，并且實時可用檢測信號很少，同樣受到外界環(huán)境干擾，診斷結果不精準。為了解決上述問題，根據航天測控頻段層次結構，提出了基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)設計。

1 系統(tǒng)總體架構設計

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)總體架構，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

由圖1可知，該系統(tǒng)采用集中化設計結構，即由多個agent組成的集中管理組織，負責為各下屬診斷agent提供統(tǒng)一的協(xié)調管理中心，實現對各agent的行為、任務分配和信息資源共享[3]。

系統(tǒng)主要組成部分主要功能如下：

1)傳感器：傳感器主要負責監(jiān)測航天器的環(huán)境信息和狀態(tài)，將監(jiān)測結果存儲于數據庫中，可用于故障預測與診斷[4]。

2)推理模塊：分析數據庫中的信息數據，向上級系統(tǒng)代理發(fā)送故障預測結果和故障狀態(tài)信息；根據知識庫中的經驗知識或模型知識以及傳感器中的信息，由診斷推理機根據上級代理指派的診斷任務進行初步故障診斷[5]。

3)執(zhí)行器：執(zhí)行器主要負責重構系統(tǒng)接收的指令，并將該指令發(fā)送給通信控制器。

4)HMI接口：通過人機交互，將代理工作狀態(tài)的顯示和診斷結果呈現給代理，并對各個模塊進行更新。

5)通信控制器：從高級代理收到的消息被發(fā)送到該代理的相關模塊，并將各模塊產生的結果發(fā)送到上級代理。

2 系統(tǒng)硬件結構

系統(tǒng)硬件結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

由圖2可知，對 A/D信號進行高速采集，通過檢測初始行波頭，避免了高負載，簡化了電路結構，降低了存儲要求。

2.1 波頭信號檢測模塊

波頭信號檢測模塊主要是將穿芯式行波傳感器、分壓式行波傳感器接收到的波頭信號轉換為脈沖信息，并將該信號傳送到信號處理模塊[6]。該檢測模塊是由時間記錄模塊、采樣處理模塊、北斗短信通信模塊、人機交互模塊組成的，其中時間記錄模塊主要負責記錄行波到達時脈沖觸發(fā)的采樣時間，并利用采樣處理模塊處理接收到的故障信息進行故障判斷[7-9]。一旦故障確認后，該模塊立刻將信息反饋給主機，主設備采用雙端法確定故障位置，并及時反饋到人機交互界面[10-12]。

2.2 地面接收器

地面接收器接收衛(wèi)星輸出的微弱信號時，需要經過功率放大、頻率轉換、雜波濾波等一系列處理，才能得到所需的數據。北斗衛(wèi)星發(fā)出信號是以最小功率-157.8 dBW和正常功率-146.9 dBW的方式發(fā)送到地面接收機的，載頻2 491.74 MHz，帶寬8.15 MHz。為確保地面接收機能準確采集衛(wèi)星發(fā)射信號，將接收信號的靈敏度設置在-145 dBW[13-15]。

2.3 計數器

計數器主要統(tǒng)計本振輸出的脈沖數，從而調整頻率范圍，使之保持在可靠范圍內。結合調頻估計下一秒時域，充分考慮線路老化對時鐘脈沖的影響。通過計時器，能夠使衛(wèi)星接收機輸出時間完整度得以區(qū)分，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。時間-頻率統(tǒng)計系統(tǒng)將北斗授時接收機輸出的1 PPS信號轉換為數字信號形式，并由北斗授時接收機接收該信號，達到時間一致性[16]。若北斗授時接收機不能正常工作，則計數器將保持原有狀態(tài)，避免信號接收延遲問題出現。

2.4 北斗短報文模塊

短消息通過衛(wèi)星將其轉發(fā)到基站。經過解密和重新加密后，地面站接收到一個通信請求信號，接收端接收輸出信號，解調解密輸出信息，通信完成。該模塊下的短消息通信有大約0.5 s傳輸延遲，最大通信頻率是1 s。在安裝了北斗短信模塊之后，終端的短信通信更加高效。北斗短消息通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實現收發(fā)信息功能的同時，也可用于航天測控頻段的監(jiān)測。每個監(jiān)測點設置完畢后，北斗短報文技術可直接將修改后的數據通過北斗短報文發(fā)送到中心系統(tǒng)，以便計算后及時處理突發(fā)故障。

北斗短報文模塊結構如圖3所示。

圖3 北斗短報文模塊結構

由圖3可知，北斗短報文模塊服務主要性能指標如下：服務成功率大于等于95%，服務頻度一般1次/30 s，最高1次/1 s，響應時間小于等于1 s，終端發(fā)射功率小于等于3 W，服務容量上行為1 200萬次/小時，下行為600萬次/小時，單次報文最大長度為15 000 bit，定位精度可達95%。

2.5 北斗授時模塊

根據使用者與衛(wèi)星通信之間的時間差，通常至少需要4顆衛(wèi)星來導航和定位。當使用者計算出來與衛(wèi)星通信之間的時間差后，可以通過北斗授時模塊修正自己的本地時鐘，讓它與人造衛(wèi)星的高精度時鐘同步，這個過程叫做定時。

北斗授時模塊如圖4所示。

圖4 北斗授時模塊

由圖4可知，GPS定位系統(tǒng)能夠同時接收掃射范圍內的全部衛(wèi)星信號，將該信號傳送的時鐘服務器主機，通過主機記錄信號接收與處理的時間。經過時鐘服務器主機處理后，可得到兩種時間信號，分別是同步脈沖信號和絕對時間信號，兩種信號同步誤差不會超過1 ns。當天線安裝好后，只需從衛(wèi)星上接收信號，就能保證輸出的準確時間。

3 軟件部分設計

3.1 故障診斷流程設計

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)，故障診斷流程如下所示：

步驟1：使用者可直接選擇設備名稱、型號及故障類型；

步驟2：基于該方法，用戶可以選擇故障范圍最小的節(jié)點，也可以直接提交故障范圍值，從而確定故障發(fā)生的條件；

步驟3：當用戶提交一個節(jié)點和一個故障特征信息時，系統(tǒng)根據用戶提供的診斷信息按照搜索策略和故障識別規(guī)則進行匹配，并將匹配結果輸入到“故障識別沖突集”中。當識別沖突集為空時，返回步驟2，如非空白，轉至步驟4；

步驟4：根據故障規(guī)則匹配策略，判斷故障類型識別是否成功，當故障類型識別失敗時，需要修改提交規(guī)則。當故障類型識別成功時，則直接調用故障類型診斷線程；

步驟5：用戶可以選擇進行邏輯推理診斷和系統(tǒng)定位故障類型，獲得精確定位結果后，按照故障規(guī)則進行邏輯推理診斷故障。如果啟用了測試規(guī)則，則將在錯誤對話框中詢問測試項目，并為該測試項目提供相關參數。如果用戶維護驗證成功，那么診斷維護記錄按要求歸檔后，診斷工作即結束；如果用戶維護驗證失敗，那么可參考以前故障類型的診斷和維護記錄，幫助用戶調整維護計劃。

3.2 基于北斗衛(wèi)星診斷誤差糾正

以秒為基本單位的北斗系統(tǒng)分為單向授時和雙向授時，該系統(tǒng)是由衛(wèi)星終端、用戶終端和地面控制中心組成的，如圖5所示。

圖5 北斗衛(wèi)星的單向授時示意圖

如圖5(a)所示，用戶終端與地面控制中心的精確坐標信息實現了單向計時過程中的實時交互。然而，接收端需要計算用戶終端的信息，并且接收端需要計算并校正傳輸延遲。它的特點是地面控制中心負責處理所有信息，因此用戶終端系統(tǒng)的存儲容量較低，位置要求較低[17-18]。

如圖5(b)所示，單方向計時方式如下：本地1 PPS為開啟脈沖，用戶接收地面中控系統(tǒng)以其相關峰值為閉合脈沖的計時查詢信號：

Δφ=Δt+nt+γ

(1)

式(1)中，Δt表示控制用戶終端受到外界環(huán)境影響時信號接收的時間差；n表示傳輸次數；t表示控制中心發(fā)送信號與用戶終端接收信號所需的時間；γ表述信號傳輸延遲。通過分析報文中的延遲，用戶終端可以獲得準確的接收時間，GPS和北斗系統(tǒng)的時間誤差不超過100 ns，可以滿足大多數單位對精度的要求。

綜上，基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷方法流程如圖6所示。

圖6 航天測控頻段故障診斷流程

根據圖6可知，航天測控頻段故障診斷流程為：設置單向授時的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶能夠接受到來自地面中控系統(tǒng)的故障信號，通過單向授時實時獲得準確的故障信號，并對故障類型進行匹配，輸出配準的故障類型，即為航天測控頻段故障診斷結果。

4 實驗結果與分析

為了檢測基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷結果，與傳統(tǒng)診斷方法進行對比，并分析實驗結果。

4.1 實驗要求及數據

航天測控頻段監(jiān)測系統(tǒng)的數據采集需要專業(yè)、全面的數據檢測。本文系統(tǒng)通過子系統(tǒng)的控制檢測和時空匹配，采集航天器的數據通信信息，輔助模擬飛行激勵系統(tǒng)模擬工作，根據預定的采集參數采集數據并存儲。航天測控頻段數據的獲取步驟為：

1)數據參數收集:在航天器的運行狀態(tài)下，需要判斷輸入數據是否超過了預設的閾值范圍，從而檢查航天器輔助設備的參數值是否隨著運行狀態(tài)的變化而變化。如果發(fā)生變化，則需要確定航天器的運行模式；如果沒有發(fā)生變化，則需要確定設備參數值是否與預期設置的參數值一致。

2)數據指令查找:對數據進行預處理和采集，進行指令搜索。依據接收到的數據指令進行相關指標的搜索，并根據具體情況決定命令搜索的起點。

3)數據通信收集:指令搜索完成后，可以利用搜索結果對航天器運行過程進行動態(tài)監(jiān)測，在探測期間收集由航天器發(fā)送的數據通信信號，并指定飛行時間的飛行狀態(tài)。

4.2 實驗過程

為了驗證基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)設計合理性，進行實驗驗證分析。實驗是以航天測控頻段的雷達故障為例進行研究的，假設雷達故障主要原因主要有兩種，分別是信號線松動、陀螺輸出有波紋，接收故障短報文內容的測控系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 天基測控系統(tǒng)

如圖7所示，通過天基測控系統(tǒng)接收北斗短報文，獲取航天測控頻段故障診斷脈沖信號，分別得到雷達信號線松動的幅值及陀螺輸出波紋的角度量漂移值，與實際值相對比，驗證所提方法的有效性，并以解析模型及信號處理方法作為實驗對比方法，進一步體現所設計方法的故障診斷精度。

4.3 實驗結果與分析

4.3.1 信號線松動

依據上述情況，分別使用解析模型、信號處理方法及北斗衛(wèi)星診斷方法診斷信號線松動脈沖，如圖8所示。

圖8 3種方法信號線松動脈沖信號診斷結果對比分析

4.3.2 陀螺輸出有波紋

使用4種方法的陀螺輸出有波紋診斷結果，如圖9所示。

圖9 3種方法陀螺輸出有波紋診斷結果對比分析

由圖9可知，分別使用傳統(tǒng)的兩種方法角度量漂移與實際值在0～1 000 ms診斷時間內一致，而在1 000～3 000 ms診斷時間內相差較大；而使用基于北斗衛(wèi)星診斷方法，在診斷時間內角度量漂移與實際值一致，誤差為0。由此可見，基于北斗衛(wèi)星診斷方法的陀螺輸出波紋檢測結果與實際值一致。由于本文方法采用北斗衛(wèi)星通信技術，通過北斗授時模塊保證了輸出時間準確性，通過北斗衛(wèi)星診斷技術糾正了診斷誤差。因此其診斷結果較為準確。

5 結束語

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)，結合北斗衛(wèi)星單向時序故障診斷技術，不僅能快速、準確地分析故障、定位故障，大大提高故障排除的效率，而且能幫助科技人員找出設備中的薄弱環(huán)節(jié)。相對于傳統(tǒng)技術，該系統(tǒng)大大減少了不必要干擾因素，提高了接收數據的清晰度，簡化了操作流程，增加了整體技術參與度，能夠滿足用戶需求。