一種遙控異常情況下的衛(wèi)星安全管理方法

呂曉鋒，梁貴平，田薩薩，王 舉，姚 遠(yuǎn)，王夢穎

一種遙控異常情況下的衛(wèi)星安全管理方法

呂曉鋒，梁貴平，田薩薩，王 舉，姚 遠(yuǎn)，王夢穎

（航天器在軌故障診斷與維修重點實驗室 西安 710043）

針對衛(wèi)星在軌管理過程中出現(xiàn)的數(shù)管直接指令和地面直接指令無法正常執(zhí)行的遙控異常，從衛(wèi)星遙控信息的傳輸流程、遙控譯碼的工作原理入手，對導(dǎo)致直接指令執(zhí)行異常的因素進(jìn)行了排查，定位了異常原因為遙控譯碼故障。提出了對于單一頻段遙控通道的衛(wèi)星，通過調(diào)整部件的指令控制策略和將直接指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)指令的方法來實現(xiàn)衛(wèi)星管理；對于多個頻段遙控通道的衛(wèi)星，除以上兩種方式外還可以通過拓展遙控上行通道的方法，增加遙控上行冗余度來降低遙控譯碼通道異常的風(fēng)險。所提出的安全管理方法經(jīng)故障衛(wèi)星在軌管理階段的試驗驗證，在一定程度上有效控制了因一路譯碼故障給衛(wèi)星安全帶來的風(fēng)險，可為衛(wèi)星其它重大故障的及時發(fā)現(xiàn)、定位和有效規(guī)避提供參考。

衛(wèi)星遙控異常；衛(wèi)星安全；譯碼故障

引 言

衛(wèi)星測控系統(tǒng)是衛(wèi)星的生命線。衛(wèi)星遙控系統(tǒng)作為衛(wèi)星測控系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)，它擔(dān)負(fù)著對衛(wèi)星各部件實施控制的重任[1]。地面遙控指令通過遙控鏈路到達(dá)衛(wèi)星單機，遙控鏈路作為地面實施星上設(shè)備狀態(tài)控制的唯一通道，主要完成遙控指令的接收、解調(diào)和譯碼[2]。遙控譯碼器是衛(wèi)星遙控子系統(tǒng)的核心組件，譯碼器既能將地面發(fā)送的直接指令幀進(jìn)行譯碼輸出，也能將數(shù)管發(fā)出的指令幀進(jìn)行譯碼[3]，并還原出遙控指令數(shù)據(jù)，輸出可用于星上各系統(tǒng)單機執(zhí)行的指令。由于遙控指令執(zhí)行的動作多為關(guān)系衛(wèi)星安全的關(guān)鍵動作，因此遙控譯碼器的重要性非同一般[4]。

為了確保衛(wèi)星遙控指令執(zhí)行的絕對安全，一般設(shè)計兩個以上的遙控譯碼通道進(jìn)行互備[5]。因此，在發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星一路遙控譯碼通道出現(xiàn)故障后，采取一定有效的安全管理方法進(jìn)行衛(wèi)星遙控上行的風(fēng)險規(guī)避，可有效防止衛(wèi)星失去地面控制的能力。歷史上曾發(fā)生過因遙控譯碼出現(xiàn)故障后沒有采取有效風(fēng)險規(guī)避措施而使衛(wèi)星失效的重大事件：某衛(wèi)星因遙控通道A譯碼電路異常后沒有采取風(fēng)險規(guī)避措施，不久后遙控通道B譯碼電路出現(xiàn)同樣故障，導(dǎo)致衛(wèi)星平臺管理和地面操控功能喪失。

1 遙控異常現(xiàn)象

1.1 衛(wèi)星數(shù)管直接指令執(zhí)行異常

數(shù)管計算機通過指令對衛(wèi)星分系統(tǒng)部件的加熱器進(jìn)行通斷操作，是實現(xiàn)熱控系統(tǒng)精密溫度控制的重要手段[6]。如：太陽敏感器（簡稱太敏）是衛(wèi)星重要的姿態(tài)測量部件[7]，數(shù)管計算機通過遙控指令對太敏的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控，防止溫度過高或過低而影響其性能。如果溫度超過正常值門限，數(shù)管就會發(fā)出直接指令進(jìn)行太敏部件加熱器加、斷電。

甲衛(wèi)星在軌期間太敏探頭殼溫持續(xù)異常上升，超過50 ℃仍然上升，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出數(shù)管所控制的溫度范圍（大于–15 ℃小于30 ℃），如圖1所示。太敏探頭殼溫超出上限且持續(xù)上升，反映出在溫度超限后太敏加熱器不能斷開。

圖1 太敏探頭殼溫異常變化情況

1.2 衛(wèi)星地面直接指令不執(zhí)行

地面對乙衛(wèi)星進(jìn)行例行的直接指令發(fā)送工作時，星上指令不能執(zhí)行。通過衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)應(yīng)答機接收指令碼正常，應(yīng)答機對上行信號能進(jìn)行解調(diào)，解出的遙控信息正常，但指令譯碼A、B機遙測狀態(tài)不一致。

2 異常原因分析

2.1 遙控信息傳輸流程及譯碼電路

衛(wèi)星遙控功能一般由天線子系統(tǒng)、跟蹤子系統(tǒng)、遙測遙控子系統(tǒng)共同完成。以甲衛(wèi)星為例，遙控信息的傳輸流程如圖2所示。

圖2 遙控信息傳輸流程示意圖

衛(wèi)星天線子系統(tǒng)由測控天線、天線網(wǎng)絡(luò)組成，跟蹤子系統(tǒng)由測控通道雙工器、應(yīng)答機組成，遙測遙控子系統(tǒng)由中心遙控機、配電測控單元、數(shù)管計算機組成。

遙控指令碼按格式分為：直接指令、間接指令、數(shù)據(jù)指令。直接指令和間接指令的譯碼輸出均為脈沖信號，而數(shù)據(jù)指令一般是需要星載計算機軟件處理和解析的功能指令。直接指令是不經(jīng)過星載計算機軟件處理而直接從上行遙控通道接收、識別和譯碼輸出的高優(yōu)先權(quán)指令；數(shù)據(jù)指令是經(jīng)過星載計算機向配電測控單元或載荷單機發(fā)出的指令。遙控指令碼信息通過地面測控網(wǎng)傳給測控站，測控站地面設(shè)備發(fā)出上行遙控載波信號，被星上對地測控天線接收，如圖2所示，經(jīng)過天線網(wǎng)絡(luò)，輸入雙工器，到達(dá)應(yīng)答機，應(yīng)答機對上行信號進(jìn)行解調(diào)，解出遙控信號并送至中心遙控機[8]。直接指令經(jīng)副載波解調(diào)后由中心遙控機完成合法性驗證、指令譯碼，根據(jù)指令地址送至相應(yīng)的測控單元（甲衛(wèi)星有三個測控單元：配電測控單元1、配電測控單元2、配電測控單元3），測控單元輸出指令執(zhí)行脈沖，再傳輸?shù)綄?yīng)的指令用戶設(shè)備進(jìn)行指令執(zhí)行動作。數(shù)據(jù)指令經(jīng)副載波解調(diào)后按數(shù)據(jù)功能送至數(shù)管計算機或姿軌控計算機，數(shù)管計算機完成遙控幀校驗，并識別出遙控數(shù)據(jù)的指令用戶，姿軌控計算機具有直接接收中心遙控機注數(shù)的接收通道，可直接處理遙控幀，實時或延時地通過1553B總線送給相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行執(zhí)行或處理[9]。

直接指令信息由遙控應(yīng)答機A、B解調(diào)，應(yīng)答機A、B通道分別與中心遙控機中的指令譯碼電路A、B連接，示意圖如圖3所示。譯碼電路A、B譯出指令地址，將指令碼送給相應(yīng)的配電測控單元，由配電測控單元輸出指令執(zhí)行脈沖。

圖3 直接指令傳輸流程示意圖

遙控指令譯碼電路由移位寄存電路、信息處理電路及邏輯控制電路組成，示意圖如圖4所示。移位寄存器電路包括4級數(shù)據(jù)移位電路，第1級為最上級數(shù)據(jù)移位電路，第4級為最后級數(shù)據(jù)移位電路，各級數(shù)據(jù)移位電路逐級輸出到下級數(shù)據(jù)移位電路。數(shù)據(jù)段信息在第4級即移至最后一級數(shù)據(jù)移位電路。信息處理電路包括數(shù)據(jù)信息處理電路、衛(wèi)星代號信息處理電路、分類信息處理電路、地址信息處理電路等。邏輯控制電路由邏輯與、邏輯或電路組成。

圖4 遙控指令譯碼電路示意圖

2.2 甲衛(wèi)星數(shù)管直接指令執(zhí)行異常分析

中心遙控機譯碼工作狀態(tài)遙測，反映了A通道、B通道的譯碼電路健康狀態(tài)：假如用“1111”表示“AB譯出”，即A、B通道均正常譯碼；“1100”表示“A譯出”，即A通道譯碼、B通道不譯碼；“0011”表示“B譯出”，即A通道不譯碼、B通道譯碼；“0000”表示“靜止?fàn)顟B(tài)”，即A、B通道均不譯碼或無指令。

通過對太敏加熱器指令信息產(chǎn)生和輸送流程分析，可梳理出異?？赡艿脑蛴腥齻€：一是數(shù)管計算機程控軟件程序出現(xiàn)問題，不能正常發(fā)出控制溫控的程控直接指令；二是數(shù)管程控用于斷開加熱器的指令正常發(fā)出，但中心遙控機不能正確譯出指令信息；三是加熱器部件開關(guān)短路，指令不能使加熱器開關(guān)斷開，加熱器始終處于接通狀態(tài)。

針對第一個原因，通過對星上數(shù)管軟件運行狀況進(jìn)行了遙測下傳分析，判斷出軟件運行健康、狀態(tài)正常，因此，可排除數(shù)管計算機程控軟件異常[6]。

針對第二個原因，對指令譯碼流程進(jìn)行分析和梳理：對于溫控加熱器關(guān)機指令，正常情況下三個測控單元同時接收譯碼矩陣A、B信息，測控單元接收到來自兩路遙控譯碼輸出的信息一致后產(chǎn)生的指令執(zhí)行碼才會執(zhí)行。通過檢索譯碼矩陣B發(fā)生故障前后時段各測控單元收到的A、B譯碼狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)（如圖5所示），發(fā)現(xiàn)譯碼矩陣B故障前測控單元接收到的譯碼矩陣A、B狀態(tài)處于高電平（3.6 V），譯碼矩陣B故障后測控單元接收到的譯碼矩陣A狀態(tài)處于高電平（3.6 V），而譯碼矩陣B狀態(tài)一直處于低電平（0 V），譯碼矩陣B已無法進(jìn)行譯碼。故障后，當(dāng)太敏加熱器溫度升高到門限值（30 ℃）時，數(shù)管程控向中心遙控發(fā)出了“太敏加熱器關(guān)”指令，譯碼矩陣A正常，有譯碼輸出，譯碼矩陣B異常，無譯碼輸出，由于譯碼矩陣A輸出與譯碼矩陣B輸出信息不一致，造成加熱器關(guān)機指令不能執(zhí)行，太敏加熱器仍然為開機狀態(tài)。

圖5 遙控譯碼A/B狀態(tài)參數(shù)圖

針對第三個原因，通過分析太敏加熱器部件電路，假如加熱器開關(guān)出現(xiàn)短路，太敏加熱器就會始終處于接通狀態(tài)，指令不能使加熱器開關(guān)斷開。因此，可排除太敏加熱器部件電路自身故障。

2.3 乙衛(wèi)星地面直接指令執(zhí)行異常分析

地面對乙衛(wèi)星發(fā)送直接指令，星上指令不能執(zhí)行，通過遙測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)發(fā)令過程中遙控單元PSK副載波幅度遙測參數(shù)值均為2.8 V～2.9 V，滿足2～4 V工作條件，遙控單元A通道、B通道副載波解調(diào)電路能同時解調(diào)，即出現(xiàn)異常現(xiàn)象時，S頻段應(yīng)答機送給遙控單元遙控副載波信號的幅度正常。在發(fā)令過程中，A通道、B通道的副載波解調(diào)鎖相狀態(tài)、碼同步鎖相狀態(tài)值均為“1”，表明A通道、B通道譯碼電路前端的副載波解調(diào)電路、同步電路、鎖相電路工作正常。以上分析結(jié)果可排除S頻段通道電路異常。發(fā)送執(zhí)行碼時，遙控單元串行數(shù)字量遙測反映出A、B機執(zhí)行碼解調(diào)狀態(tài)均譯出，即A通道、B通道的執(zhí)行解調(diào)電路均正常。另外，根據(jù)下一幀遙測數(shù)據(jù)，串行數(shù)字量遙測中的指令執(zhí)行驗證狀態(tài)均正常，表明A通道、B通道均有執(zhí)行輸出，即A通道、B通道的執(zhí)行輸出電路均正常。因此，遙控單元譯碼電路后端的執(zhí)行解調(diào)、執(zhí)行輸出電路均工作正常。通過以上分析，譯碼電路前端、后端電路均正常。

乙衛(wèi)星遙控單元遙測參數(shù)的高4位為譯碼矩陣工作狀態(tài)，出現(xiàn)指令無法執(zhí)行故障時該遙測值為“0011”，表明A不能譯出，B譯出（正常應(yīng)為“1111”，A、B譯出）。為定位故障原因，單獨使用遙控單元A通道發(fā)送直接指令，指令不能執(zhí)行，譯碼矩陣工作狀態(tài)遙測值仍為“0011”。根據(jù)遙測數(shù)據(jù)和發(fā)令情況，可定位故障原因為譯碼電路A異常[10]。

3 遙控異常后衛(wèi)星安全管理的方法

衛(wèi)星在遙控設(shè)計時，一般根據(jù)上行頻點的多少配置遙控譯碼通道的數(shù)量[11]。通常對于單頻段（如只有S頻段）衛(wèi)星，一般配置兩個遙控上行通道、兩個遙控譯碼通道互為備份；對于多頻段（如兩個S頻點、一個L頻點）衛(wèi)星，通常會配置三個以上遙控上行通道，來實現(xiàn)不同頻段遙控通道的備份[12]。當(dāng)衛(wèi)星在軌管理期間出現(xiàn)遙控譯碼故障后，通過分析遙控通道設(shè)計方式，根據(jù)出現(xiàn)故障的遙控譯碼通道位置，通過強制切斷故障部位的方式來剝離故障通道，同時通過梳理衛(wèi)星遙控的工作機理，評估故障帶來的風(fēng)險、隱患，制定衛(wèi)星遙控異常后的安全管理方法。

3.1 單頻段衛(wèi)星管理方法

對于單頻段衛(wèi)星，如甲衛(wèi)星只有S頻段上行通道，無法通過其它頻段遙控通道進(jìn)行上行指令發(fā)送，指令譯碼只有A、B兩個通道，直接指令通過A、B譯碼矩陣進(jìn)行指令譯碼、向衛(wèi)星各工作單機發(fā)送。譯碼矩陣B故障后，指令譯碼只剩下A單通道，如果遙控A、B譯碼同時出現(xiàn)故障前沒有采取有效的風(fēng)險規(guī)避措施，將對衛(wèi)星安全帶來極大風(fēng)險。

基于以上原因，在一路譯碼出現(xiàn)故障后，通過以下途徑進(jìn)行了規(guī)避：

1、對涉及譯碼指令控制的衛(wèi)星部件進(jìn)行控制方案調(diào)整。如能源管理、溫控管理等。

①調(diào)整程控能源管理策略：

為了防止遙控A、B機譯碼異常后，在蓄電池出現(xiàn)過放情況時無法通過指令斷開放電開關(guān)，將蓄電池過放保護(hù)由指令控制設(shè)置為電源控制器電路自主控制，當(dāng)某組蓄電池電壓低于電壓報警值時由蓄電池繼電器自主對放電開關(guān)進(jìn)行斷開，防止蓄電池組過放而損壞，保護(hù)了蓄電池安全。

②調(diào)整程控控制管理策略：

將數(shù)管計算機判斷的程控狀態(tài)設(shè)置為禁止，降低數(shù)管計算機管理權(quán)限，防止數(shù)管計算機程控設(shè)置的條件滿足時關(guān)閉載荷及平臺單機。

③調(diào)整程控溫控管理策略：

為防止指令譯碼A、B單機同時故障而無法斷開加熱器造成衛(wèi)星部件損壞，對衛(wèi)星采取了以下措施：對于整星低溫耐受部件適當(dāng)關(guān)閉相關(guān)加熱器；修改程控溫度的閾值，將閾值設(shè)置到部件溫度的最大承受范圍，防止數(shù)管計算機在較窄的溫度閾值范圍內(nèi)對部件加熱器進(jìn)行開機后譯碼出現(xiàn)故障而無法關(guān)加熱器。根據(jù)以上措施，調(diào)整電池、驅(qū)動機構(gòu)、艙體單機、姿態(tài)測量和控制部件、推進(jìn)、載荷單機、氧箱、燃箱等加熱器閾值，以保證中心遙控A、B機譯碼故障后部件正常工作。如圖6所示，將數(shù)管計算機對陀螺組件加熱器的閾值進(jìn)行了放寬設(shè)置（第一天10時），從圖中可明顯觀察到設(shè)置前陀螺組件溫度由數(shù)管計算機通過發(fā)送陀螺組件加熱器通、斷指令，采取主動溫控方式使陀螺組件溫度保持在4 ℃～12 ℃之間，放寬閾值設(shè)置后數(shù)管計算機對陀螺組件停止發(fā)送加熱器通、斷指令，主動溫控被屏蔽，陀螺組件溫度采用被動溫控方式，保持在–2 ℃～21 ℃之間?？煞乐箶?shù)管程控發(fā)送開加熱器指令后陀螺溫度持續(xù)上升。此時若譯碼出現(xiàn)故障（數(shù)管程控發(fā)送的加熱器斷開指令無法執(zhí)行），導(dǎo)致陀螺部件溫度過高而被損壞。

圖6 陀螺溫度在策略實施前后的變化情況

2、將直接指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)指令。由于數(shù)據(jù)指令無需經(jīng)過遙控譯碼電路就可執(zhí)行，為了不影響程控直接指令和地面直接指令的執(zhí)行，地面將直接指令加工成數(shù)據(jù)指令格式，通過數(shù)據(jù)指令的方式實現(xiàn)對部件的開關(guān)控制。例如：將衛(wèi)星軌道控制時推力器開、關(guān)機直接指令轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)注入指令。

3.2 多頻段衛(wèi)星管理方法

對于設(shè)計有多頻段的衛(wèi)星，在考慮采用以上方法之外，還可通過拓展其它上行通道的方式增加上行冗余度，降低上行風(fēng)險。

遙控譯碼通道具備測控通道和業(yè)務(wù)運控通道等多頻段、多通道的衛(wèi)星，在出現(xiàn)一路測控通道的遙控譯碼故障后，為防止其它測控通道遙控譯碼出現(xiàn)故障，在軌實踐中通過修改數(shù)管計算機軟件，利用運控系統(tǒng)的注入通道完成部分工程遙控指令的上行功能。

如乙衛(wèi)星，遙控通道設(shè)計為：測控系統(tǒng)上行通道有S頻段A、B點頻兩個通道，用于地面測控系統(tǒng)注入的整星工程遙控指令；運控系統(tǒng)有一路L頻點上行通道，用于接收地面運控系統(tǒng)注入的載荷上注信息，但L頻點上行遙控通道不具備解析工程遙控指令的能力。在乙衛(wèi)星出現(xiàn)譯碼故障后，將運控L頻段通道進(jìn)行了改造，使其具備了上注工程遙控指令的能力。為此，通過S頻段遙控通道向衛(wèi)星注入數(shù)管計算機軟件數(shù)據(jù)，修改星上數(shù)管計算機軟件，增加數(shù)管軟件新的通訊協(xié)議，由數(shù)管計算機解析工程直接指令、間接指令，使衛(wèi)星具備由運控通道上注工程遙控指令的基本條件。改造后的L通道工程指令信息流程如圖7所示。如果出現(xiàn)S頻段測控上行雙通道遙控譯碼故障，由地面將遙控指令進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將遙控指令格式轉(zhuǎn)換為運控L遙控上行通道可解析的指令信息格式，由運控系統(tǒng)將該遙控指令信息上注至衛(wèi)星。

圖7 利用運控通道發(fā)送測控遙控指令信息流程示意圖

該方法通過對乙衛(wèi)星在軌管理期間的實踐檢驗表明，利用運控通道來拓展遙控指令上行通道，上注工程遙控指令是可行的。

4 結(jié)束語

遙控譯碼電路是衛(wèi)星非常重要的測控部件，其健康狀況直接影響著衛(wèi)星壽命。通過分析譯碼故障現(xiàn)象，排查故障產(chǎn)生原因，定位故障部件，按遙控通道的備份機制，制定了衛(wèi)星在軌安全管理方法。該方法的研究可應(yīng)用到后續(xù)衛(wèi)星管理過程中，可為類似故障提供解決思路。該方法在故障衛(wèi)星在軌管理期間進(jìn)行了實際驗證，在一定程度上有效規(guī)避了遙控譯碼故障帶來的衛(wèi)星安全風(fēng)險。另外，如果衛(wèi)星遙控譯碼通道故障不斷增加，需要不斷調(diào)整規(guī)避策略。但該方法只能對遙控譯碼故障帶來的風(fēng)險進(jìn)行一定程度的規(guī)避，當(dāng)所有遙控通道出現(xiàn)不可修復(fù)的故障，平臺管理的重要指令將無法正常譯出，就會導(dǎo)致衛(wèi)星失去地面操控能力。

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A method of satellite safety management under telecommand abnormality

LYU Xiaofeng, LIANG Guiping, TIAN Sasa, WANG Ju, YAO Yuan, WANG Mengying

（Key Laboratory of Spacecraft on-Orbit Fault Diagnosis and Maintenance, Xi’an 710043, China）

In order to solve the telecommand abnormality due to abnormal execution of direct data management instructions and direct ground instructions in satellite in-orbit management, factors leading to abnormal execution were examined by analyzing the transmission process of satellite telecommand information and working principles of telecommand decoding. At last, the decoding fault was identified as the cause of the abnormality. The thesis consequently proposed a strategy of satellite safety management. Namely safety management was realized by adjusting components’ command control strategies and converting direct commands into data commands for satellites with a single band channel, and the risk of telecommand decoding channel abnormality was reduced by expanding the telecommand uplink channel and increasing the uplink redundancy besides the two methods mentioned above for satellites with multi-frequency telecommand channels. The safety management method has been verified by in-orbit management of failed satellites, which effectively controls the satellite safety risk caused by one channel-decoding fault to a certain extent, and provides reference for the work of timely detection, location and effective avoidance of other major satellite faults.

Satellite telecommand abnormality; Satellite safety;Decoding fault

V556.1

A

CN11-1780(2022)01-0091-07

10.12347/j.ycyk.20210527002

呂曉鋒, 梁貴平, 田薩薩, 等.一種遙控異常情況下的衛(wèi)星安全管理方法[J]. 遙測遙控, 2022, 43(1): 91–97.

DOI：10.12347/j.ycyk.20210527002

: LYU Xiaofeng, LIANG Guiping, TIAN Sasa, et al. A method of satellite safety management under telecommand abnormality[J]. Journal of Telemetry, Tracking and Command, 2022, 43(1): 91–97.

呂曉鋒 1973年生，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天器管理。

梁貴平 1982年生，碩士，工程師，主要研究方向為航天器管理。

田薩薩 1982年生，本科，工程師，主要研究方向為航天器管理。

王 舉 1982年生，碩士，工程師，主要研究方向為航天器管理。

姚 遠(yuǎn) 1974年生，本科，工程師，主要研究方向為航天器測控。

王夢穎 1988年生，本科，助理工程師，主要研究方向為航天器管理。

2021-05-27

2021-08-22

Website: ycyk.brit.com.cn Email: ycyk704@163.com

(本文編輯：潘三英)