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    基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法

    2022-07-21 04:12:24蔡曉瑋陳志敏楊甲森
    關(guān)鍵詞:有效載荷遙測(cè)指令

    蔡曉瑋,智 佳,陳志敏,陳 托,楊甲森+

    (1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心,北京 100190; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100049)

    0 引 言

    基于數(shù)字孿生[1]思想對(duì)有效載荷進(jìn)行建模,以仿真設(shè)備替代物理實(shí)體,在單臺(tái)、多臺(tái),甚至全部載荷缺失的情況下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)的虛擬集成、虛擬測(cè)試,是驗(yàn)證有效載荷分系統(tǒng)總體和接口設(shè)計(jì)、提升航天器系統(tǒng)可靠性的有效方法。遙測(cè)與注入指令是判讀和控制有效載荷工作狀態(tài)的基本依據(jù),也是載荷工作原理、自主控制、在軌健康管理設(shè)計(jì)的載體。遙測(cè)與注入指令數(shù)據(jù)的仿真是有效載荷仿真的重要內(nèi)容。

    傳統(tǒng)載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)的仿真,大多采用基于載荷物理原理和行為特性的方法。文獻(xiàn)[2]通過模擬電流、電壓、電阻、溫度的遙測(cè)參數(shù),構(gòu)建多模塊航天器電源系統(tǒng)的仿真模型。文獻(xiàn)[3]基于原理模型、通信接口模型、誤差模型和故障模型構(gòu)建數(shù)字衛(wèi)星,通過仿真遙測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)模擬衛(wèi)星的工作原理和狀態(tài)。文獻(xiàn)[4,5]采用窗口樹模型和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來仿真遙控遙測(cè)指令數(shù)據(jù)的系統(tǒng)級(jí)行為,構(gòu)建虛擬測(cè)試平臺(tái)原型系統(tǒng)以驗(yàn)證遙測(cè)參數(shù)接口實(shí)現(xiàn)的正確性。文獻(xiàn)[6]依據(jù)仿真動(dòng)力學(xué)特性相關(guān)遙測(cè)數(shù)據(jù),提出建立基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和模型的混合仿真航天器驗(yàn)證環(huán)境(spacec-raft verification environment,SVE)系統(tǒng),與測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行交互以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)模擬。

    上述基于載荷物理原理、行為特性的遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真,建模方法相對(duì)復(fù)雜,且仿真輸出的遙測(cè)數(shù)據(jù)較少反映遙測(cè)參數(shù)與注入指令、自主控制策略、健康管理策略的關(guān)聯(lián)特征[7]。本文從遙測(cè)數(shù)據(jù)閾值、周期、線性、區(qū)間、函數(shù)等多維度關(guān)聯(lián)特征的角度,提出一種基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法。以天問一號(hào)載荷控制器、中分辨率相機(jī)為例,基于本文方法構(gòu)建有效載荷半物理仿真系統(tǒng)。任務(wù)實(shí)踐結(jié)果表明,仿真系統(tǒng)輸出的遙測(cè)數(shù)據(jù),能夠在一定程度上反映有效載荷工作過程,可以滿足載荷分系統(tǒng)集成測(cè)試的工程需求。

    1 問題模型描述

    1.1 遙測(cè)數(shù)據(jù)的概念

    有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)是通過測(cè)控信道下行,反映載荷設(shè)備工作及運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)[8]。對(duì)于遙測(cè)變量dk, 長(zhǎng)度為z的遙測(cè)時(shí)間序列表示為

    dk=[d1k,d2k,…,dzk]T

    (1)

    有效載荷的遙測(cè)變量存在多種變化規(guī)律,包括隨時(shí)間的線性、周期性等規(guī)律性變化或保持恒定[9],或在某個(gè)事件發(fā)生后保持變化[10]。同時(shí),不同遙測(cè)變量之間、遙測(cè)變量與注入指令之間還存在多種關(guān)聯(lián)關(guān)系[11,12]。

    1.2 遙測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識(shí)的概念

    遙測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)知識(shí)是指,載荷設(shè)備的一個(gè)遙測(cè)變量在不同時(shí)段的取值或者兩個(gè)及兩個(gè)以上遙測(cè)變量的取值之間,以及注入指令與遙測(cè)變量取值之間,健康管理策略與遙測(cè)變量的取值之間,設(shè)備故障與遙測(cè)變量的取值之間存在的規(guī)律性[13]。

    載荷數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)知識(shí),反映有效載荷的工作原理、耦合設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律?;陉P(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真,是一種將載荷設(shè)計(jì)知識(shí)、載荷數(shù)據(jù)特性知識(shí)等融合的復(fù)合性研究方法。深入了解有效載荷數(shù)據(jù)中的這些關(guān)聯(lián)知識(shí),并能夠?qū)@些關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行知識(shí)抽象和表示,對(duì)于解決衛(wèi)星集成測(cè)試的關(guān)聯(lián)參數(shù)判讀、數(shù)據(jù)處理、多元異常檢測(cè)、故障診斷等都具有非常重要的意義[14-16]。

    1.3 基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真問題描述

    將基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真問題描述為三元組I=(P,C,D), 其中P={p1,p2,…,pl} 為l個(gè)與遙測(cè)變量相關(guān)的參數(shù),C={c1,c2,…,cm} 為m個(gè)注入指令集合,D={d1,d2,…,dk} 為k個(gè)遙測(cè)變量取值即遙測(cè)數(shù)據(jù)集合。設(shè)W是平面上的一個(gè)點(diǎn)集,由W到實(shí)數(shù)集的映射f稱為二元函數(shù),為y=f(c,p), 其中y∈D,c∈C,p∈P。 有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模型可表示為

    {y|y=f(c,p),(c,p)∈W}

    (2)

    2 有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真模型的構(gòu)建

    2.1 算法流程與框架

    基于關(guān)聯(lián)知識(shí)構(gòu)建有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模型,步驟如下:①對(duì)三元組數(shù)據(jù)I=(P,C,D) 中的遙測(cè)變量和注入指令進(jìn)行預(yù)處理,對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行梳理和分類;②對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,構(gòu)建有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)的生成模型;③基于生成模型對(duì)有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真。方法框架如圖1所示。

    圖1 方法框架

    遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模方法,包括單遙測(cè)變量、多遙測(cè)變量、注入指令與遙測(cè)變量、健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模。

    2.2 單遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

    單遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)是指單一遙測(cè)變量在不同仿真步長(zhǎng)下的取值之間的關(guān)聯(lián),包含枚舉關(guān)聯(lián)、閾值關(guān)聯(lián)、增量枚舉關(guān)聯(lián)、周期關(guān)聯(lián)、趨勢(shì)關(guān)聯(lián)。

    (1)枚舉關(guān)聯(lián):對(duì)于枚舉集合V={v1,…,vn}, 任意仿真步長(zhǎng)t時(shí)刻下遙測(cè)變量的取值y(t), 皆屬于集合V, 其數(shù)學(xué)模型為

    y(t)=α1v1+α2v2+…+αnvn

    (3)

    具有枚舉關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量一般為載荷狀態(tài)量、開關(guān)量,包括設(shè)備工作模式、錯(cuò)誤碼、使能標(biāo)志等。如遙測(cè)變量地形地貌相機(jī)工作模式的設(shè)計(jì)取值屬于枚舉集合V={0x00,0x01,0x02}, 其中0x00代表不工作,0x01代表靜態(tài)拍照工作模式,0x02代表動(dòng)態(tài)攝像模式。

    (2)增量枚舉關(guān)聯(lián):對(duì)于枚舉集合V={v1,…,vn}, 任意相鄰兩個(gè)仿真步長(zhǎng)ti和ti-1時(shí)刻下遙測(cè)變量的取值y(ti) 和y(ti-1), 皆有y(ti)-y(ti-1)∈V, 其數(shù)學(xué)模型為

    y(ti)-y(ti-1)=α1v1+α2v2+…+αnvn

    (4)

    具有增量枚舉關(guān)聯(lián)特征的遙測(cè)變量一般包括母線電流、傳輸幀計(jì)數(shù)、校時(shí)次數(shù)、總線數(shù)據(jù)廣播次數(shù)等。如各載荷設(shè)備加電前后,遙測(cè)變量母線電流分別增加0.3 A,0.5 A;遙測(cè)變量全球定位系統(tǒng) (global positioning system,GPS)請(qǐng)求計(jì)數(shù),在間隔4 s的情況下增量值恒為8。增量枚舉關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量仿真時(shí),需要指定其初值y(t0)。

    (3)閾值關(guān)聯(lián):已知閾值區(qū)間VThr=[vmin,vmax],任意仿真步長(zhǎng)t時(shí)刻下遙測(cè)變量Y的取值y(t), 皆屬于區(qū)間VThr, 即為閾值關(guān)聯(lián),其數(shù)學(xué)模型為

    y(t)=vmin+ε(vmax-vmin)

    (5)

    式中:ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

    具有閾值關(guān)聯(lián)特征的遙測(cè)變量一般為載荷的電壓、電流、溫度、壓力等。如遙測(cè)變量母線電流的設(shè)計(jì)取值屬于區(qū)間[0,5],即母線電流的設(shè)計(jì)值最小為0 A,最大為5 A。

    (4)周期關(guān)聯(lián):已知遙測(cè)變量Y,在仿真步長(zhǎng)集合 {t0,…,tl} 下的取值集合為 {y(t0),…,y(tl)}, 若y(ti+l)=y(ti), 其中i∈[0,l], 那么該遙測(cè)變量Y具有周期關(guān)聯(lián)的特征。其數(shù)學(xué)模型為

    y(ti+l)=y(ti)

    (6)

    式中:l為遙測(cè)變量的周期。

    具有周期關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量一般包括:與衛(wèi)星軌道周期關(guān)聯(lián)的姿態(tài)參數(shù)、軌道參數(shù)、太陽(yáng)陣電源等參數(shù),以及在多次重復(fù)進(jìn)行相同事件、試驗(yàn)時(shí)的遙測(cè)參數(shù)等。如某衛(wèi)星遙測(cè)變量J2000衛(wèi)星速度Z方向具有5400 s左右的周期特性,這與衛(wèi)星運(yùn)行的軌道周期大致相符。周期關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量仿真時(shí),需要指定首個(gè)周期內(nèi)的仿真初值。

    (5)趨勢(shì)關(guān)聯(lián):在仿真步長(zhǎng)t時(shí)刻下,遙測(cè)變量Y的取值y(t) 呈現(xiàn)線性遞增、遞減、不變的態(tài)勢(shì),即趨勢(shì)關(guān)聯(lián)。其數(shù)學(xué)模型為

    y(t)=kt+y(t0)

    (7)

    式中:k>0線性遞增,k<0線性遞減,k=0不變。

    通常表征星載設(shè)備定時(shí)操作的遙測(cè)變量具有趨勢(shì)關(guān)聯(lián)的特征。如載荷遙測(cè)變量總線時(shí)間碼廣播計(jì)數(shù)呈現(xiàn)線性遞增趨勢(shì)的特征;如載荷開機(jī)后,在一定的時(shí)段內(nèi),其溫度遙測(cè)變量表現(xiàn)為持續(xù)升溫的趨勢(shì)。趨勢(shì)關(guān)聯(lián)的遙測(cè)變量仿真時(shí),亦需要指定其仿真初值y(t0)。

    2.3 多遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

    多遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)是指多個(gè)遙測(cè)變量在同一仿真步長(zhǎng)下或不同仿真時(shí)刻的取值之間的關(guān)聯(lián),包含線性關(guān)聯(lián)、單調(diào)關(guān)聯(lián)、函數(shù)關(guān)聯(lián)、延時(shí)函數(shù)關(guān)聯(lián)。

    (1)線性關(guān)聯(lián):已知n個(gè)遙測(cè)變量Y1,…,Yn在仿真步長(zhǎng)t下的取值y1(t),…,yn(t), 存在n個(gè)不全為0的數(shù)k1,…,kn, 使得

    (8)

    線性關(guān)聯(lián)往往反映了載荷設(shè)備的耦合設(shè)計(jì)、方法設(shè)計(jì)。如某載荷遙測(cè)變量數(shù)據(jù)發(fā)送量與載荷管理器遙測(cè)變量數(shù)據(jù)接收量呈現(xiàn)完整正關(guān)聯(lián)的線性關(guān)系,這與兩臺(tái)設(shè)備的通信接口設(shè)計(jì)一致;又如遙測(cè)變量事件表的剩余事件數(shù)與已執(zhí)行事件數(shù)呈現(xiàn)完全負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系,這與載荷管理器事件表執(zhí)行機(jī)制設(shè)計(jì)相符。

    (2)單調(diào)關(guān)聯(lián):任意兩個(gè)仿真步長(zhǎng)ti,tj下的兩個(gè)遙測(cè)變量Y1,Y2取值分別為y1(ti),y1(tj),y2(ti),y2(tj), 恒有

    (9)

    式中:若取值大于0,則兩個(gè)遙測(cè)變量為單調(diào)正關(guān)聯(lián);若取值小于0,則兩個(gè)遙測(cè)變量為單調(diào)負(fù)關(guān)聯(lián)。

    (3)函數(shù)關(guān)聯(lián):對(duì)于n個(gè)遙測(cè)變量Y1,…,Yn在仿真步長(zhǎng)t下的取值y1(t),…,yn(t), 數(shù)學(xué)模型為

    yn(t)=f(y1(t),…,yn-1(t))

    (10)

    空間環(huán)境等物理因素或者載荷內(nèi)在工作機(jī)理是遙測(cè)變量函數(shù)關(guān)聯(lián)的主要原因。例如遙測(cè)變量太陽(yáng)能電池陣性能與太陽(yáng)光照強(qiáng)度、入射角、工作溫度、粒子輻照劑量和發(fā)動(dòng)機(jī)羽流污染等遙測(cè)變量有關(guān);在慣性坐標(biāo)系下,遙測(cè)變量當(dāng)前軌道位置的X方向、當(dāng)前軌道衛(wèi)星速度的X方向近似為三角函數(shù)關(guān)系。

    (4)延時(shí)函數(shù)關(guān)聯(lián):一個(gè)遙測(cè)變量對(duì)另一個(gè)遙測(cè)變量的影響并不是瞬時(shí)的,必須在一段時(shí)間之后表現(xiàn)出來。遙測(cè)變量Y1在仿真步長(zhǎng)ti的取值為y1(ti), 遙測(cè)變量Y2在仿真步長(zhǎng)tj的取值為y2(tj), 其數(shù)學(xué)模型為

    y2(tj)=f(y1(ti))

    (11)

    其中,tj>ti。

    延時(shí)函數(shù)關(guān)聯(lián)是星載設(shè)備設(shè)計(jì)的一種反映。如處于有效載荷內(nèi)部、安裝于載荷外表面的兩個(gè)溫度貼點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度遙測(cè)變量,其變化規(guī)律會(huì)有一段時(shí)間的延遲,內(nèi)部貼點(diǎn)的溫度遙測(cè)表現(xiàn)一般早于載荷外表面貼點(diǎn)。

    2.4 注入指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

    注入指令為激勵(lì)時(shí),注入指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)包括區(qū)間關(guān)聯(lián)、數(shù)值關(guān)聯(lián)、增量數(shù)值關(guān)聯(lián)、增量區(qū)間關(guān)聯(lián)[17]。

    (1)區(qū)間關(guān)聯(lián):有效載荷執(zhí)行注入指令c,遙測(cè)變量變化至某區(qū)間VThr=[vmin,vmax], 遙測(cè)變量數(shù)學(xué)模型為

    y(c)=vmin+ε(vmax-vmin)

    (12)

    式中:ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

    載荷電壓值和電流值遙測(cè)往往滿足區(qū)間關(guān)聯(lián)的性質(zhì)。如當(dāng)注入指令載荷控制器主份加電執(zhí)行后,載荷控制器主份3.3 V電壓遙測(cè)變化至區(qū)間[2.8,3.8]。

    (2)數(shù)值關(guān)聯(lián):載荷執(zhí)行注入指令c后,其遙測(cè)變量Y將變化為定值vcon,數(shù)學(xué)模型為

    y(c)=vcon

    (13)

    數(shù)值關(guān)聯(lián)常見于與指令關(guān)聯(lián)的布爾遙測(cè)變量或者枚舉遙測(cè)變量。如注入指令高分辨率相機(jī)主份開執(zhí)行后,載荷開關(guān)機(jī)狀態(tài)遙測(cè)變量的bit1變?yōu)?;注入指令地形地貌相機(jī)設(shè)置為動(dòng)態(tài)攝像模式執(zhí)行后,地形地貌相機(jī)設(shè)備工作模式遙測(cè)變量值變?yōu)?x02等。

    (3)增量數(shù)值關(guān)聯(lián):載荷執(zhí)行注入指令c前后,對(duì)應(yīng)時(shí)刻tF,tB, 其遙測(cè)變量Y數(shù)值之差為定值vcon,數(shù)學(xué)模型為

    y(c,tB)-y(c,tF)=vcon

    (14)

    遙測(cè)變量載荷注入計(jì)數(shù)通常滿足這一關(guān)聯(lián)特征。如注入指令互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor,CMOS)圖像輸出請(qǐng)求執(zhí)行后,遙測(cè)變量數(shù)據(jù)注入包接收計(jì)數(shù)固定遞增1。

    雖然,臨澤縣近年來加大了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力度,但采取的維護(hù)措施存在滯后性。面對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的安全問題,政府有關(guān)部門要予以高度重視,做好農(nóng)業(yè)綠色化發(fā)展引導(dǎo)工作。維護(hù)好農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,對(duì)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到重要作用。然而,生態(tài)環(huán)境保護(hù)不是一蹴而就的,是需要系統(tǒng)化展開的,唯有長(zhǎng)期堅(jiān)持才能獲得良好的效果。面對(duì)土壤環(huán)境、水環(huán)境、空氣環(huán)境污染日趨嚴(yán)重,要求監(jiān)督管理部門要加大監(jiān)督力度,技術(shù)部門要采取有效的技術(shù)措施予以解決。要定期檢測(cè)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境,發(fā)現(xiàn)污染及時(shí)解決,避免產(chǎn)生二次污染。

    (4)增量區(qū)間關(guān)聯(lián):載荷執(zhí)行注入指令c前后,對(duì)應(yīng)時(shí)刻tF,tB, 其遙測(cè)變量Y取值之差屬于區(qū)間VThr=[vmin,vmax], 數(shù)學(xué)模型為

    y(c,tB)-y(c,tF)=vmin+ε(vmax-vmin)

    (15)

    式中:ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

    如遙控指令地形地貌相機(jī)開機(jī)執(zhí)行后,遙測(cè)變量母線電流的增量屬于區(qū)間[0.28,0.32]。

    2.5 健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)建模

    健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)包含多維增量閾值關(guān)聯(lián)、多維增量區(qū)間關(guān)聯(lián)、單維閾值關(guān)聯(lián)、連續(xù)閾值關(guān)聯(lián)。

    (1)多維增量閾值關(guān)聯(lián):當(dāng)某一仿真t時(shí)刻采集的兩個(gè)遙測(cè)變量Y1,Y2取值y1(t),y2(t) 的差值超出或小于閾值時(shí),執(zhí)行指令c。數(shù)學(xué)模型為

    y1(t)-y2(t)≥VThr1或y1(t)-y2(t)≤VThr2

    (16)

    其中,VThr1,VThr2為閾值。

    如載荷中分辨率相機(jī)當(dāng)鏡頭溫度與電控盒溫度遙測(cè)量值之差達(dá)到10時(shí),自動(dòng)執(zhí)行關(guān)閉相應(yīng)加熱器注入指令,小于等于9時(shí),自動(dòng)執(zhí)行開啟相應(yīng)加熱器注入指令。

    (2)多維增量區(qū)間關(guān)聯(lián):當(dāng)某一仿真t時(shí)刻采集的兩個(gè)遙測(cè)變量Y1,Y2取值y1(t),y2(t) 的差值屬于某一區(qū)間VThr=[vmin,vmax] 時(shí),執(zhí)行指令c。數(shù)學(xué)模型為

    y1(t)-y2(t)=vmin+ε(vmax-vmin)

    (17)

    其中,ε為0到1之間的隨機(jī)數(shù)。

    (3)單維閾值關(guān)聯(lián):遙測(cè)變量Y的取值超出或小于閾值時(shí),執(zhí)行指令c。數(shù)學(xué)模型為

    y(t)>VThr1或y(t)

    (18)

    其中,VThr1,VThr2為閾值。

    (4)連續(xù)閾值關(guān)聯(lián):遙測(cè)變量Y的取值連續(xù)超出閾值n次后,執(zhí)行關(guān)聯(lián)指令c。數(shù)學(xué)模型為

    y(ti-n)>vThry(t…)>vThry(ti)>vThr

    (19)

    其中,vThr為閾值。

    如監(jiān)測(cè)遙測(cè)變量載荷整機(jī)工作電流超限3次后,載荷管理器自動(dòng)執(zhí)行載荷設(shè)備斷電指令;監(jiān)測(cè)遙測(cè)變量載荷溫度超限兩次后,載荷管理器自動(dòng)執(zhí)行載荷關(guān)機(jī)指令。

    3 仿真校驗(yàn)

    仿真校驗(yàn)內(nèi)容為,以天問一號(hào)載荷控制器和中分辨率相機(jī)為例,先對(duì)該有效載荷的遙測(cè)數(shù)據(jù)、注入指令以及遙測(cè)數(shù)據(jù)與注入指令之間的關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行提取和分類,根據(jù)有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模型的構(gòu)建算法,基于關(guān)聯(lián)知識(shí)構(gòu)建有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真模型。將模型應(yīng)用于天問一號(hào)有效載荷半實(shí)物仿真系統(tǒng),驗(yàn)證了模型的工程應(yīng)用性。

    3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

    本文選用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源于天問一號(hào)火星探測(cè)任務(wù)的測(cè)試細(xì)則數(shù)據(jù),對(duì)細(xì)則數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,篩選出注入指令與對(duì)應(yīng)的遙測(cè)變量,為關(guān)聯(lián)知識(shí)的提取與分類做準(zhǔn)備。

    3.2 基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    (1)載荷控制器。根據(jù)載荷控制器單機(jī)功能的測(cè)試指令與數(shù)據(jù),對(duì)載荷控制器的注入指令與遙測(cè)變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)知識(shí)的提取與分類,得到包含的注入指令與遙測(cè)參數(shù)關(guān)聯(lián)知識(shí)見表1。

    表1 載荷控制器指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)

    由載荷控制器的注入指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)可得,包含關(guān)聯(lián)知識(shí)類型有區(qū)間關(guān)聯(lián)、數(shù)值關(guān)聯(lián)、增量數(shù)值關(guān)聯(lián),對(duì)關(guān)聯(lián)知識(shí)進(jìn)行數(shù)字化描述,對(duì)生成的遙測(cè)變量進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,包含的數(shù)學(xué)模型有:

    1)區(qū)間關(guān)聯(lián):y(c)=vmin+ε(vmax-vmin),VThr=[2.8,3.8] 或VThr=[4.5,5.5]。

    2)數(shù)值關(guān)聯(lián):y(c)=vcon, vcon={0,1}。

    3)增量數(shù)值關(guān)聯(lián):y(c,tB)-y(c,tF)=vcon, vcon=1。

    注入指令用c0~c6表示,遙測(cè)變量用Y0~Y6表示,見表2。經(jīng)過若干次實(shí)驗(yàn),遙測(cè)變量Y0,Y1始終在3.3±0.5 V和5±0.5 V范圍內(nèi)波動(dòng),符合電壓遙測(cè)的范圍,如圖2所示。隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加,遙測(cè)變量Y2,Y3,Y4,Y5,Y6生成的遙測(cè)數(shù)據(jù)均保持不變見表3。比如載荷補(bǔ)償熱控開機(jī),則遙測(cè)變量傳送指令的接收計(jì)數(shù)加1,載荷熱控開關(guān)狀態(tài)變?yōu)?;再比如低電壓差分信號(hào)(low voltage differential signaling,LVDS)選擇主份時(shí),數(shù)據(jù)注入包接收計(jì)數(shù)加1,科學(xué)數(shù)據(jù)接收通道主備狀態(tài)變?yōu)?。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,仿真結(jié)果與星載設(shè)計(jì)相符,與設(shè)備控制邏輯工作原理具有一致性。

    表2 載荷控制器指令與遙測(cè)變量的表示

    圖2 載荷控制器主備份電壓遙測(cè)數(shù)據(jù)

    (2)中分辨率相機(jī)。根據(jù)中分辨率相機(jī)單機(jī)功能的部分測(cè)試指令與數(shù)據(jù),得到部分健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)見表4。

    表3 載荷控制器遙測(cè)變量生成模型數(shù)據(jù)

    表4 中分辨率相機(jī)健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)

    由關(guān)聯(lián)知識(shí)抽象出的數(shù)學(xué)模型有:

    1)多維增量閾值關(guān)聯(lián):

    y1(t)-y2(t)≥VThr1,VThr1=100,c=0;y1(t)-y2(t)≤VThr2,VThr2=90,c=1。

    2)單維閾值關(guān)聯(lián):

    y(t)≥VThr1,VThr1=500時(shí),c=1;y(t)≤VThr2,VThr2=490時(shí),c=0。

    開啟加熱器,令遙控指令c=1; 關(guān)閉加熱器,令遙控指令c=0; 無指令操作,令c=-1。 對(duì)中分辨率相機(jī)進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)的仿真,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)可得,多維增量閾值關(guān)聯(lián)規(guī)則中,鏡頭溫度與電控盒的模擬量轉(zhuǎn)數(shù)字量(analog to digital,AD)值之差大于等于100時(shí)關(guān)閉加熱器,小于等于90時(shí)開啟加熱器,AD值之差在90~100之間時(shí),無指令操作,如圖3所示;單維閾值關(guān)聯(lián)規(guī)則中,鏡頭溫度的AD值小于等于490時(shí)關(guān)閉加熱器,大于等于500時(shí)開啟加熱器,當(dāng)AD值在490~500之間時(shí),無指令操作,如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,仿真結(jié)果與自主控制設(shè)計(jì)原理相一致。

    圖3 中分辨率相機(jī)多維增量閾值關(guān)聯(lián)

    圖4 中分辨率相機(jī)單維閾值關(guān)聯(lián)

    采用基于關(guān)聯(lián)知識(shí)對(duì)有效載荷進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)建模仿真的方法,對(duì)載荷控制器的建模仿真反映了遙測(cè)變量與遙控指令之間的關(guān)聯(lián)特性。對(duì)中分辨率相機(jī)的建模仿真,除反映遙測(cè)變量與遙控指令的關(guān)聯(lián)特性外,還反映了遙測(cè)變量與自主控制策略、健康管理策略之間的關(guān)聯(lián)特性。

    3.3 航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真模型的應(yīng)用

    將基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真建模方法應(yīng)用于航天器有效載荷半實(shí)物仿真系統(tǒng)中,如圖5所示。遙測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容仿真部分包括單遙測(cè)和多遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)、遙控指令與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)、健康管理策略與遙測(cè)變量關(guān)聯(lián)知識(shí)的遙測(cè)數(shù)據(jù)生成模塊。生成的遙測(cè)數(shù)據(jù)注入到格式仿真模塊進(jìn)行遙測(cè)源包數(shù)據(jù)和遙測(cè)幀的封裝,而后進(jìn)行載荷物理接口的仿真。

    圖5 航天器有效載荷半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程

    構(gòu)建航天器有效載荷的半實(shí)物仿真后,可在單臺(tái)、多臺(tái),甚至全部載荷缺失的情況下實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)的虛擬集成、虛擬測(cè)試、故障仿真推演,如圖6所示。航天器有效載荷1是代表有效載荷的物理實(shí)體,航天器有效載荷2代表基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的虛擬數(shù)字載荷。天問一號(hào)的實(shí)踐結(jié)果表明,基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法能夠用虛擬載荷替代實(shí)體載荷,虛擬載荷可在一定程度上反映有效載荷的工作過程以及滿足載荷分系統(tǒng)集成測(cè)試的工程需求。

    圖6 航天器有效載荷虛擬測(cè)試

    4 結(jié)束語(yǔ)

    自主控制與緊耦合設(shè)計(jì)是無人值守?cái)?shù)字化的有效載荷系統(tǒng)最顯著的特征。為了解決傳統(tǒng)載荷數(shù)據(jù)仿真方法無法反映不同遙測(cè)變量之間、遙測(cè)變量與注入指令、自主控制策略、健康管理策略之間關(guān)聯(lián)特性的問題,提出了基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的航天器有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真的方法。本文主要側(cè)重于遙測(cè)變量和注入指令、自主控制策略、健康管理策略的關(guān)聯(lián)知識(shí)建模。

    基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的有效載荷遙測(cè)數(shù)據(jù)仿真方法可作為面向載荷全生命周期的有效載荷數(shù)據(jù)建模工具,驅(qū)動(dòng)有效載荷半物理仿真單機(jī)的研制。意義有:①將有助于縮短研制周期,提升測(cè)試效率和載荷測(cè)試的自動(dòng)化水平,從而提高有效載荷科學(xué)探測(cè)儀器的研制質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)科學(xué)探測(cè)的目標(biāo);②這也將推動(dòng)我國(guó)載荷測(cè)試領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展,孵化帶動(dòng)其它航天型號(hào)任務(wù)載荷測(cè)試系統(tǒng)的進(jìn)步;③可將基于關(guān)聯(lián)知識(shí)的載荷建模技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用,擴(kuò)大虛擬仿真規(guī)模,模擬航天器分系統(tǒng)以及構(gòu)建虛擬環(huán)境,對(duì)虛擬任務(wù)進(jìn)行測(cè)試指揮,進(jìn)一步推動(dòng)航天器有效載荷測(cè)試的智能化發(fā)展。

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