一種基于層次模型的衛(wèi)星故障動(dòng)態(tài)仿真方法

王佳偉，王曉晨，郭永富，高瑾博

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

隨著在軌衛(wèi)星數(shù)量不斷增加，應(yīng)用復(fù)雜度不斷增高，故障發(fā)生數(shù)量增多，且故障現(xiàn)象更加復(fù)雜，針對衛(wèi)星復(fù)雜故障的仿真面臨巨大挑戰(zhàn)，衛(wèi)星在軌故障會(huì)造成衛(wèi)星性能下降，功能喪失，給用戶帶來了巨大的損失，需要對故障進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地處置。因此，精細(xì)化故障仿真成為衛(wèi)星仿真系統(tǒng)建設(shè)過程中需要解決的關(guān)鍵問題。

目前，國內(nèi)外衛(wèi)星故障仿真方法以靜態(tài)仿真為主。靜態(tài)仿真方法是根據(jù)已明確的仿真故障預(yù)案，設(shè)置衛(wèi)星遙測變化情況，仿真瞬時(shí)故障狀態(tài)，能夠在一定程度上仿真故障的發(fā)展過程，但缺乏對故障發(fā)生時(shí)，衛(wèi)星各部分間關(guān)聯(lián)時(shí)序變化的仿真，不利于對故障的實(shí)時(shí)處置和決策。

本文提出一種基于層次模型的衛(wèi)星故障動(dòng)態(tài)仿真方法，實(shí)現(xiàn)針對多層復(fù)雜故障的連續(xù)仿真，輔助用戶識(shí)別故障過程中脆弱環(huán)節(jié)，結(jié)合處置策略，實(shí)時(shí)仿真故障處置情況。該方法能夠在時(shí)序維度動(dòng)態(tài)仿真故障狀態(tài)及影響范圍，為處置提供操作依據(jù)，為用戶提供決策數(shù)據(jù)支撐。

1 動(dòng)態(tài)故障仿真方法

衛(wèi)星故障仿真是仿真領(lǐng)域研究的重要方向。衛(wèi)星是由多個(gè)部件組成，相互聯(lián)系且具有確定功能的整體。衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，組成系統(tǒng)的各個(gè)部件狀態(tài)發(fā)生改變，仿真時(shí)不僅對部件當(dāng)前故障狀態(tài)進(jìn)行仿真，而且需要根據(jù)各部件之間的“影響關(guān)系”對相關(guān)遙測變化進(jìn)行仿真。

根據(jù)衛(wèi)星在軌發(fā)生故障機(jī)理是否明確，可將故障分為4 類，典型故障如表1 所示。

表1 衛(wèi)星典型故障表

1）在軌已發(fā)生的并且有明確結(jié)論的故障；

2）其他同類型衛(wèi)星發(fā)生的、已有明確結(jié)論的故障；

3）能夠設(shè)計(jì)指令序列恢復(fù)和解決的故障；

4）通過修改輸入（包括星上軟件和外部激勵(lì)信號(hào)等）可仿真的故障。

1.1 兩種仿真方法對比

目前，故障仿真以靜態(tài)仿真方法為主。靜態(tài)仿真方法是根據(jù)已有故障預(yù)案或已明確原因的故障報(bào)告，對故障狀態(tài)進(jìn)行初始設(shè)置，實(shí)現(xiàn)單一、線性的故障狀態(tài)。從系統(tǒng)某故障實(shí)例出發(fā)，找到與這次故障相關(guān)的遙測狀態(tài)表，列出各部件在這次故障中的狀態(tài)，仿真過程中對故障狀態(tài)表進(jìn)行列表式實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)仿真方法有針對性，仿真現(xiàn)象單一，沒有對故障發(fā)生后，衛(wèi)星狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程進(jìn)行仿真。

衛(wèi)星是由各部件組成，相互聯(lián)系且具有確定功能的整體。在仿真應(yīng)用中，用戶更關(guān)注故障發(fā)生后衛(wèi)星狀態(tài)的時(shí)序變化過程和故障影響范圍，為快速、準(zhǔn)確地故障處置提供決策依據(jù)。兩種故障仿真方法比較如圖1 所示。

圖1 故障仿真方法對比圖

1）靜態(tài)故障仿真構(gòu)建的一般為部件級故障模型，仿真時(shí)進(jìn)行反復(fù)單次仿真，未考慮故障演化過程，即沒有實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)、系統(tǒng)級連續(xù)變化的精細(xì)仿真。層次故障動(dòng)態(tài)仿真方法是在故障發(fā)生后，以部件級故障為仿真起點(diǎn)，建立分系統(tǒng)級、系統(tǒng)級故障狀態(tài)的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換關(guān)系，逐級推進(jìn)仿真；

2）本文重點(diǎn)研究衛(wèi)星故障中不同層次的故障狀態(tài)間的關(guān)聯(lián)時(shí)域特性及動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換仿真方法。故障狀態(tài)變化過程中存在一系列事件，這些事件由故障涉及的部件和狀態(tài)組成，可通過衛(wèi)星遙測矩陣進(jìn)行表示，并且這些事件是按照一定關(guān)聯(lián)關(guān)系相互連接的，通過轉(zhuǎn)換矩陣表示事件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。動(dòng)態(tài)故障仿真方法是針對不同層次、不同等級故障狀態(tài)的時(shí)域特征進(jìn)行仿真。

1.2 動(dòng)態(tài)故障仿真流程

在明確所仿真衛(wèi)星故障的現(xiàn)象后，動(dòng)態(tài)故障仿真流程如圖2 所示。

圖2 動(dòng)態(tài)故障仿真流程圖

1）根據(jù)已明確的故障預(yù)案作為輸入，建立部件級故障仿真模型，模型是由部件遙測參數(shù)組成的矩陣；

2）建立部件內(nèi)各遙測關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，判斷部件內(nèi)故障是否影響分系統(tǒng)其他部件。若有影響，則建立動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)矩陣；

3）根據(jù)分系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系，建立分系統(tǒng)故障狀態(tài)矩陣，由部件故障矩陣和關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣共同構(gòu)成；

4）根據(jù)系統(tǒng)構(gòu)成關(guān)系，建立系統(tǒng)故障狀態(tài)矩陣，由分系統(tǒng)故障矩陣和關(guān)聯(lián)關(guān)系矩陣共同構(gòu)成。通過狀態(tài)矩陣的運(yùn)算推進(jìn)仿真，直到仿真任務(wù)結(jié)束。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 層次故障建模

當(dāng)前已有的衛(wèi)星故障仿真模型多為單層部件級故障仿真模型，沒有考慮故障發(fā)生后狀態(tài)時(shí)序變化過程，無法完整、真實(shí)地反映故障信息。衛(wèi)星各分系統(tǒng)部件之間有著電氣、機(jī)械、熱連接，同時(shí)會(huì)進(jìn)行信息交互，故障部件會(huì)對分系統(tǒng)內(nèi)其他設(shè)備的正常工作造成影響。一般情況下，故障首先出現(xiàn)在某單項(xiàng)設(shè)備上，稱為部件級故障，這類故障通常不會(huì)給衛(wèi)星帶來嚴(yán)重后果。但如果這種故障不能及時(shí)切除，將會(huì)擴(kuò)散并迫使分系統(tǒng)發(fā)生多重故障，可能會(huì)引起整星的故障。

衛(wèi)星組成可劃分為部件級、分系統(tǒng)級和系統(tǒng)級。按照故障發(fā)生時(shí)的狀態(tài)及影響范圍，故障演化的時(shí)序過程可劃分為部件級故障、分系統(tǒng)級故障和系統(tǒng)級故障。根據(jù)仿真故障的時(shí)域演化過程，分別建立層次故障模型，同時(shí)對故障時(shí)序發(fā)展路徑進(jìn)行分析，建立不同層級故障演化的時(shí)序轉(zhuǎn)換矩陣，形成動(dòng)態(tài)故障仿真方法。每一層級的故障對應(yīng)一個(gè)故障狀態(tài)模型，如圖3 所示。

圖3 層次故障建模方法示意圖

1）部件級故障狀態(tài)模型建立

*將衛(wèi)星部件遙測狀態(tài)設(shè)置為正常狀態(tài)、故障狀態(tài)兩種，提取可以描述部件的工作狀態(tài)特征值，形成故障仿真的特征向量；

*根據(jù)特征向量建立故障狀態(tài)配置集合，特征向量由部件遙測矩陣組成。

2）分系統(tǒng)級故障狀態(tài)模型建立

*分系統(tǒng)級模型描述的是分系統(tǒng)內(nèi)各部件之間關(guān)聯(lián)關(guān)系特征，通過預(yù)先配置部件關(guān)聯(lián)特征量構(gòu)件仿真轉(zhuǎn)換矩陣，形成轉(zhuǎn)變過程中的仿真推進(jìn)過程；

*部件故障狀態(tài)矩陣與轉(zhuǎn)換矩陣相乘，得到當(dāng)前分系統(tǒng)故障狀態(tài)模型。

3）系統(tǒng)級故障狀態(tài)模型建立

*系統(tǒng)由各分系統(tǒng)組成，系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)矩陣根據(jù)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行預(yù)先配置；

*根據(jù)用戶提出的仿真任務(wù)，可修改系統(tǒng)關(guān)聯(lián)矩陣中的關(guān)聯(lián)值。故障狀態(tài)矩陣與轉(zhuǎn)換矩陣相乘，得到最終衛(wèi)星故障狀態(tài)模型。

4）層次仿真推進(jìn)過程

*當(dāng)部件級故障狀態(tài)模型建立完成后，判定當(dāng)前時(shí)間參量是否滿足進(jìn)入分系統(tǒng)級故障仿真的條件。若滿足則進(jìn)入分系統(tǒng)級故障仿真層，否則直接進(jìn)行單一層級故障仿真；

*判定當(dāng)前時(shí)間參量是否滿足進(jìn)入系統(tǒng)級故障仿真的條件。若滿足則進(jìn)入系統(tǒng)級故障仿真層，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換矩陣反饋至故障狀態(tài)仿真矩陣，形成最終仿真。

2.2 動(dòng)態(tài)仿真推進(jìn)

衛(wèi)星故障仿真過程中，不同層次之間的推進(jìn)仿真，通過微分動(dòng)力學(xué)模型實(shí)現(xiàn)，時(shí)序動(dòng)態(tài)過程與微分動(dòng)力學(xué)方程對應(yīng)。故障狀態(tài)在不同層級之間的推進(jìn)仿真關(guān)系，以遙測節(jié)點(diǎn)與遙測節(jié)點(diǎn)之間的一對一、一對多或者多對多的映射形式表示。因此，在確定了層級間相互關(guān)系后，可以將故障仿真過程視為3 個(gè)層級仿真過程的疊加。

假定部件仿真狀態(tài)A和分系統(tǒng)仿真狀態(tài)B之間存在著故障演化的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。在A到B的故障推進(jìn)仿真中，將A中的遙測點(diǎn)與B中有關(guān)聯(lián)關(guān)系的遙測點(diǎn)連接，所構(gòu)成的狀態(tài)矩陣記為C。將時(shí)序動(dòng)態(tài)故障仿真過程看作仿真狀態(tài)矩陣A、仿真狀態(tài)矩陣B 以及C 的仿真過程疊加。動(dòng)態(tài)故障仿真方法如圖4 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)仿真推進(jìn)方法圖

1）首先對仿真狀態(tài)矩陣A、仿真狀態(tài)矩陣B 進(jìn)行建模。構(gòu)造故障狀態(tài)矩陣A、仿真狀態(tài)矩陣A 的遙測節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化函數(shù)。故障狀態(tài)矩陣是由遙測當(dāng)前狀態(tài)及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)與一個(gè)遙測參數(shù)相對應(yīng)。部件級故障狀態(tài)A表示為［1］：

部件級故障狀態(tài)B表示為［1］：

其中，ms，i（t），s∈{A，B}表示故障狀態(tài)矩陣S 中第i個(gè)遙測節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)函數(shù)，qsij（t）表示影響故障矩陣S中第i個(gè)遙測節(jié)點(diǎn)的第j個(gè)因子。Fs，i（qsij（t））為將故障仿真過程中相互作用的影響因子集合映射至遙測節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的映射函數(shù)。

2）推進(jìn)時(shí)序仿真時(shí)，通過仿真狀態(tài)A和仿真狀態(tài)B之間的遙測節(jié)點(diǎn)相互作用關(guān)系函數(shù)建立仿真模型，利用微分方程解的性質(zhì)來構(gòu)建不同層級之間的仿真推進(jìn)過程。從仿真狀態(tài)A到仿真狀態(tài)B的轉(zhuǎn)化過程表示為［3］：

3）在基于相互關(guān)聯(lián)狀態(tài)矩陣的故障推進(jìn)模型中，不同層級狀態(tài)矩陣中的節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系一般進(jìn)行簡化為一對一關(guān)系。即當(dāng)仿真狀態(tài)A中的遙測節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的時(shí)候，B對應(yīng)的遙測節(jié)點(diǎn)以概率e發(fā)生故障。通過微分方程組的參數(shù)來反映仿真推進(jìn)過程中一對一或者其他的關(guān)系和對應(yīng)于該關(guān)系產(chǎn)生的影響。

4）在單一部件基礎(chǔ)上，定義衛(wèi)星所有部件級故障狀態(tài)矩陣之和為SA，i（t）=Σi FA，i（t），所有分系統(tǒng)級故障狀態(tài)之和為SB，i（t）=Σi FB，i（t）。通過概率交叉項(xiàng)系數(shù)e體現(xiàn)兩個(gè)層級之間互相影響關(guān)系。其中，e11，e22表示仿真層級內(nèi)部推演概率，e12，e21表示仿真層級之間推演概率。衛(wèi)星從部件級故障到分系統(tǒng)級故障仿真過程表示為［3］：

3 實(shí)例分析

本文以某衛(wèi)星進(jìn)入最小能源安全模式故障為實(shí)例，利用動(dòng)態(tài)故障仿真方法對故障發(fā)生、演化及處置過程進(jìn)行仿真。衛(wèi)星入境后，對電源分系統(tǒng)V-T 曲線進(jìn)行切換，由3# 曲線切換為2# 曲線。A組蓄電池由于放電電流大且T-V 控制電路處于曲線切換過程中，導(dǎo)致蓄電池由一階段充電轉(zhuǎn)二階段充電，最終導(dǎo)致蓄電池充電電流小于5 A，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到90 min，觸發(fā)了進(jìn)入自主應(yīng)急管理?xiàng)l件，衛(wèi)星進(jìn)入最小能源模式。故障發(fā)展演化關(guān)系如圖5所示。

圖5 某衛(wèi)星故障發(fā)展演化關(guān)系圖

衛(wèi)星充電控制器發(fā)生故障后，導(dǎo)致蓄電池充電電流異常。同時(shí)故障傳播到數(shù)管分系統(tǒng)，衛(wèi)星進(jìn)入最小能源模式。該故障是由部件充電控制器故障引發(fā)了一系列的相繼性故障，導(dǎo)致電源分系統(tǒng)故障，最終引發(fā)衛(wèi)星進(jìn)入最小能源模式。整個(gè)故障過程的動(dòng)態(tài)仿真時(shí)序關(guān)系如下頁圖6 所示。

圖6 故障仿真過程時(shí)序圖

1）仿真t0時(shí)刻：衛(wèi)星處于地影期，按照指令單，執(zhí)行A 組蓄電池及B 組蓄電池T-V 曲線調(diào)整，指令發(fā)送完成后，T-V 曲線狀態(tài)遙測顯示正常，與判讀準(zhǔn)則一致，指令發(fā)送執(zhí)行正確；此過程中衛(wèi)星載荷處于工作狀態(tài)。當(dāng)前為仿真開始的初始狀態(tài)，根據(jù)充電控制器各遙測參數(shù)初始值，設(shè)置狀態(tài)矩陣

2）仿真t1時(shí)刻：衛(wèi)星出境，A 組蓄電池T-V 曲線切換后，衛(wèi)星由地影區(qū)進(jìn)入光照區(qū)。A 蓄電池充電狀態(tài)轉(zhuǎn)入停充或二階段充電狀態(tài)，無法恢復(fù)一階段充電，此為故障源。故障開始時(shí)，只出現(xiàn)在充電控制器中。根據(jù)故障現(xiàn)象，設(shè)置部件級故障狀態(tài)矩陣

3）仿真t2時(shí)刻：充電控制器故障導(dǎo)致蓄電池充電電流小于5 A，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到90 min。這段時(shí)間內(nèi)，充電控制器故障已經(jīng)影響到電源分系統(tǒng)其他部件，充電電流、蓄電池電壓等遙測參數(shù)都出現(xiàn)異常變化。其中，仿真關(guān)聯(lián)函數(shù)根據(jù)衛(wèi)星電源分系統(tǒng)相關(guān)公式可表示為：FB，i=電源分系統(tǒng)級故障狀態(tài)矩陣通過mB（t2）=FB，i*mA（t1）計(jì)算；

4）仿真t3時(shí)刻：部件故障影響范圍已經(jīng)擴(kuò)大，導(dǎo)致衛(wèi)星狀態(tài)發(fā)生改變，載荷停止工作，衛(wèi)星保持最小能源模式衛(wèi)星有效載荷、GPS 接收機(jī)等設(shè)備處于關(guān)機(jī)狀態(tài)。根據(jù)公式計(jì)算仿真推進(jìn)過程中各狀態(tài)值，形成仿真推演過程。

4 結(jié)論

本文從工程實(shí)現(xiàn)的角度，提出一種基于層次建模的動(dòng)態(tài)故障推進(jìn)仿真方法。將衛(wèi)星故障過程劃分為部件故障、分系統(tǒng)故障和系統(tǒng)故障不同層級，并設(shè)計(jì)了不同時(shí)域?qū)?yīng)的仿真模型，通過微分動(dòng)力學(xué)方程實(shí)現(xiàn)了故障多時(shí)域演化。該方法能夠提高仿真的精確性，具有仿真度高、工程易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)楣收咸幹萌藛T提供參考依據(jù)。

本文方法只對部分衛(wèi)星的典型故障進(jìn)行了分析、建模，并未覆蓋所有類型故障。因此，還需大量的建模工作，才能實(shí)現(xiàn)對所有平臺(tái)衛(wèi)星故障演化過程的仿真。此外，本文中的仿真推進(jìn)方法是對衛(wèi)星各部件之間的關(guān)聯(lián)進(jìn)行了簡化處理，后續(xù)要針對部件間真實(shí)復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行建模分析，不斷提高仿真的真實(shí)性。