基于G2的衛星控制系統故障診斷的半物理仿真*

張蕓香，武云麗，李智斌，涂俊峰

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

基于G2的衛星控制系統故障診斷的半物理仿真*

張蕓香1，2，武云麗1，2，李智斌1，2，涂俊峰1，2

(1.北京控制工程研究所，北京100190；2.空間智能控制技術重點實驗室，北京100190)

研究一種基于G2的集故障注入、故障模擬和故障診斷為一體的半物理仿真系統，包括基于VxWorks的實時硬件模擬系統、星載姿軌控計算機、數管及遙控遙測模擬器和專用接口箱等.開發了基于G2的以某一類典型衛星控制系統為對象的故障診斷專家系統，并對G2外部接口進行了擴展設計.最后，以典型故障為例，在半物理仿真平臺上進行了演示驗證.

衛星控制系統；故障診斷；G2

衛星控制系統承擔著在軌姿態控制、軌道控制等任務，是星上最重要和最復雜的分系統之一，也是最容易發生故障的分系統，一旦發生故障往往給整星帶來嚴重影響.而衛星控制系統的故障診斷具有故障在閉環系統中傳播與累積、地面診斷存在遙測時延及可利用信息少、自主診斷又受星載計算機資源限制等特點，因此僅僅依靠理論分析是不夠的，應該采用理論研究與實驗驗證相結合的方式來探索有效的故障診斷方法與容錯控制策略.

美國Gensym公司開發的面向對象的實時智能系統開發軟件G2以其較強的并行實時計算、面向對象的設計、交互式圖形技術、定性定量的集成化和結構化自然語言知識表達方式、動態定性定量混合建模與仿真運行功能，一直被認為是實時智能領域最優秀的軟件開發平臺之一.

本文將G2軟件與基于VxWorks的實時通用仿真平臺、星載姿軌控計算機實物系統組成一個集故障注入、故障模擬及故障診斷為一體的衛星控制系統半物理仿真系統.其中，實時通用仿真平臺能夠運行衛星的運動學動力學、敏感器和執行機構模型，通過專用接口箱與星載姿軌控計算機組成一個閉環控制回路，實現衛星控制系統的實時仿真；一臺具有遙控遙測模擬功能的工控機能夠實時將星載計算機中的可測信息下傳，送到基于G2的衛星故障診斷系統，實現故障監測和診斷功能.此外，還以一個典型的衛星控制系統為例，介紹基于G2的衛星故障診斷專家系統建模過程，并進行了演示驗證.

1 系統組成

如圖1所示，基于G2的衛星控制系統故障診斷半物理仿真系統主要由基于VxWorks的實時通用仿真平臺、衛星姿軌控計算機實物系統和基于G2的故障診斷系統組成.

圖1 系統構成

(1)實時通用仿真平臺

實時通用仿真平臺包括：實時硬件模擬系統、宿主機和故障注入機.

實時硬件模擬系統由高速運算的處理器和各種I/O接口組成，采用 CPCI總線結構，運行在 Vx-Works實時操作系統環境下，它能夠模擬衛星動力學與運動學、敏感器、執行機構等部件.

宿主機是實時硬件模擬系統的管理機，其安裝有Matlab/Simulink軟件和應用軟件開發框架.Matlab/Simulink用于實時接口建模和代碼生成；應用軟件開發框架在仿真實驗過程中作為上層應用程序與實時硬件模擬系統之間通信的橋梁，引導用戶完成從數學建模到實時仿真的全過程，具有實時代碼下載、數據監視、仿真參數在線修改、仿真結果存儲等功能.

故障注入機由一臺裝有故障注入軟件的PC機和服務器組成，其中裝載了衛星控制系統故障模型庫，它能在仿真過程中向實時硬件模擬系統實時注入各種敏感器和執行機構故障.故障注入方式包括手動注入、程序預設注入和用戶DLL方式注入.手動注入是指仿真過程中，用戶通過鍵盤或鼠標手動修改所需注入故障的模型參數值來實現故障注入；程序預設方式是指在仿真開始前，通過人機交互的方式預先設置某些參數的變化方式，在仿真過程中，按照這種變化方式來改變相應變量的值以實現故障注入；用戶DLL方式是指在故障注入軟件里通過外掛用戶函數的形式，根據環境變化或故障模擬程序反饋信息自動注入故障.

(2)星載姿軌控計算機實物系統

衛星姿軌控計算機實物系統包括：星載姿軌控計算機、數管與遙控遙測模擬器和專用接口箱.

星載姿軌控計算機完成姿態信息的采集、遙控數據指令的接收、數據處理和計算、輸出控制信號驅動執行機構和輸出遙測數據等功能.

數管與遙控遙測模擬器是兩臺配備了各種仿真板卡的工業控制計算機，用于模擬星上數管計算機及星地之間的遙控遙測功能，對星載計算機的遙測輸出信息進行接收和顯示，也是遙控信號輸入的唯一通道.

專用接口箱的功能是實現星載計算機與實時硬件模擬系統、數管及遙控遙測模擬器之間信號匹配連接，并為星載計算機提供電源.

(3)基于G2的衛星故障診斷系統

基于G2的衛星故障診斷系統包括基于G2的故障診斷專家系統和開放式診斷平臺.

基于G2的故障診斷專家系統(簡稱G2專家系統)是利用G2提供的知識庫管理模式、知識表達方式、推理機制等功能建立的可對衛星控制系統故障進行診斷的專家系統.通過開發知識庫管理模式實現衛星控制系統數據采集、診斷、界面顯示等多個層次的管理；在知識庫中裝載了用類自然語言編寫的衛星控制系統故障診斷的專家知識，借助G2提供的推理機制對來自遙控遙測模擬器的數據進行實時處理.

開放式診斷平臺是G2專家系統的擴展平臺，它具有兩個主要功能：一是G2軟件平臺和外圍數據源的數據交換接口，通過它可使G2專家系統實時接收遙測數據；二是運行其他多種故障診斷算法的平臺，它能夠運行用戶以Matlab或C語言編寫的診斷算法，支持有關技術人員進行故障診斷方法的開放性研究.

2 基于G2的衛星故障診斷系統開發

G2集成了專家系統技術、軟件技術和網絡技術，形成了功能強大的開發和運行平臺.在G2上開發衛星實時故障診斷系統具有以下優點：1)方便為衛星本體及其部件建立相關類，能夠實現實時數據的有效管理；2)能夠使用自然語言編寫程序、規則等；3)知識的入庫、編輯等操作方便；4)規則、知識能夠動態推理，并能動態給出決策行為；5)兼容性強，能夠與數據庫、C語言程序等外部系統實時交換數據.下面介紹基于G2的衛星控制系統故障診斷系統的開發過程，主要包括基于G2的故障診斷專家系統建立及開放式診斷平臺的設計.

2.1 基于G2的衛星控制系統故障診斷專家系統的建立

以一個典型的衛星控制系統為對象，建立基于G2的故障診斷專家系統，該系統主要由五部分組成，即模型管理模塊、狀態輸入參數庫、部件庫、規則與程序庫和故障顯示界面.

1)模型管理模塊：是系統的管理界面，通過該模塊可進入其他模塊修改和查看相關內容.如圖2所示，點擊帶倒三角的按鈕，即可分別進入相應的顯示界面.

圖2 模型管理模塊顯示界面

2)狀態輸入參數庫：顯示數據處理端傳送來的各遙測數據，可以是原始變量數據、數據組合、特征提取、診斷分析和警告標志.如圖3所示，來自數據處理端的數據包括：數字式太陽敏感器(DSS)的測量值、10N推力器的開關信號、陀螺測量的角速度、陀螺積分、三軸姿態角、控制計算機輸出等.

圖3 定義接收變量庫顯示界面

3)部件庫：存儲管理與星上各部件相關的屬性及變量.如圖4所示，部件庫中定義了4類：數字太陽敏感器 SSE、推力器 UPS、陀螺 GYRO及星本體SATELLITE.由于SSE、UPS和GYRO都有主份和備份之分，因此每一類下又分別派生了兩個對象，如SSE-A表示主份數字太陽敏感器，SSE-B表示備份數字太陽敏感器.每個對象都具有相應的屬性，如SSE-A對應的屬性包括主份數字太陽敏感器DSS43，DSS13、DSS61、DSS62 的測量值及開關信號Sseonoff.

圖4 部件庫顯示界面

4)規則與程序庫：是診斷系統的核心模塊，包括故障診斷規則及相關程序、管理故障運行程序、故障警告顯示程序及規則.圖5為規則庫中部分故障診斷規則的顯示界面.

5)故障顯示界面：包括故障文本顯示說明、顏色報警、曲線顯示(將用戶關心的變量用曲線顯示出來)，如圖6所示.

2.2 開放式診斷平臺設計

關于與外部數據的接口，一方面，G2專家系統可以直接通過Gateway/Bridges與外部網絡進行數據通信；另一方面，可以通過開放式診斷平臺實現與外部系統的數據傳遞，如圖7所示.與前者相比，由于在軟件底層對Gateway/Bridges進行了設計，開放式診斷平臺更具有操作簡單、可視化效果好的優點.該平臺作為G2專家系統的擴展平臺，采取了面向對象的模塊化設計方案，并具有一系列數據預處理、保存、顯示等標準模塊庫.G2專家系統與外部網絡數據的傳遞通過其中的G2接口模塊來實現：遙測數據以TCP協議發送到開放式診斷平臺，在平臺中進行相應設置(見圖8)后，G2專家系統就能實時接收這些數據并進行診斷處理.

圖5 規則程序庫顯示界面

圖6 顯示模塊

圖7 G2與外部系統接口示意圖

圖8 開放式診斷平臺顯示界面

另外，作為故障診斷專家系統的有效補充，開放式診斷平臺還能夠運行用戶以Matlab或C語言編寫的其他形式的診斷算法，如神經網絡診斷算法、基于小波的診斷算法等，大大提高了診斷系統的擴展性和開放性.

3 演示驗證

以衛星太陽捕獲模式下的巡航過程為例，利用圖1所示的半物理仿真系統，針對陀螺故障(包括陀螺卡死、輸出飽和及漂移增大等)、推力器故障(包括推力器的泄漏和堵塞)、太陽敏感器失效等故障進行診斷演示驗證.

首先，將Matlab/Simukink下建立的星體動力學運動學模型、數字式太陽敏感器模型、3+1S陀螺模型、10N推力器模型及相應的硬件接口模塊進行編譯生成實時代碼，通過應用軟件開發框架下載到實時硬件模擬系統.然后，將部件故障模型導入故障注入機中，運行仿真平臺進行仿真.

仿真開始時，敏感器和執行機構均正常，待控制系統達到穩定后，由故障注入機注入故障；數管與遙控遙測模擬器實時采集星載計算機的遙測信息，在開放式診斷平臺內按照用戶需求重組或整理這些數據，并實時傳遞給 G2 Server，由2.1節開發的衛星故障診斷專家系統進行故障診斷.

本例中故障注入機在680～780s期間注入滾動通道的推力器7A(X軸負向)泄漏故障，2000～2150s間注入X軸陀螺卡死故障(見圖9).圖10是注入7A推力器泄漏故障后，G2專家系統經診斷得到的診斷結果：“Some X-axis thruster of UPS do not work normally.The7 th thruster is leaking.”.圖 11是注入X軸陀螺卡死故障后得到的診斷結果：“They X direction Gyro becomes wrong， it is stuffed!”.圖12給出了遙控遙測模擬器下傳的三軸姿態角和姿態角速度隨時間(0～2000s)變化曲線，從圖中可以看出，注入推力器故障后，衛星的滾動和俯仰方向的姿態角及角速度迅速發生變化，推力器恢復正常后，衛星姿態也逐漸恢復正常.

圖9 故障注入界面

圖107A推力器泄漏故障診斷結果顯示

圖11 X軸陀螺卡死故障診斷結果顯示

由圖10和圖11的診斷結果可以看出，雖然有時陀螺故障和推力器故障對星體姿態影響的表現形式比較相似，但是基于G2的故障診斷專家系統能夠準確的對推力器和陀螺的多種故障模式進行診斷.

通過給出的診斷演示實例表明，基于G2的衛星控制故障系統診斷半物理仿真系統具有較強實時性、可擴展性、可靠性，能夠方便用戶或研究人員使用.

圖12 姿態角與姿態角速度曲線

4 結 論

本文采用實時通用平臺與星載實物相結合的半物理仿真方式，利用國際一流的專家系統開發工具G2，形成了集科學研究與工程應用于一體的通用、開放綜合型故障處理仿真驗證系統.通過對一個典型的衛星在太陽捕獲階段的全過程半物理仿真演示驗證表明，該系統具有較強實時性、可擴展性及可靠性，且便于科研人員或用戶利用該系統模擬星上真實運行情況，復現星上故障，實現快速故障定位；另外，該系統還能夠驗證新型故障診斷方法的有效性，為進一步開發適合于星上計算機使用的故障診斷方法奠定了基礎.

［1］李智斌，郝永波，涂俊峰，王星.基于嵌入式仿真的衛星姿控系統故障模擬平臺［J］.山東大學學報(工學版)，2005，35(3)：88-92

［2］鄒志云，馮文強.實時智能系統開發軟件G2的應用現狀與展望［J］.現代化工，2004，24(Z2)：166-174

［3］Gensym Corporation.Getting started with G2 tutorials［M］.Version 5.0.Cambridge： Gensym Corporation，2005

［4］Gensym Corporation.G2 developer's guide［M］.Version 5.0.Cambridge： Gensym Corporation，2005

［5］Gensym Corporation.G2 gateway［M］.Version 5.0.Cambridge：Gensym Corporation， 2005

［6］Nan C，Khan F，Iqbal M T.Abnormal process condition prediction(fault diagnosis)using G2 expert system［C］.Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering， Vancouver， BC， 2007

G2 Based Hardware-in-Loop System for Fault Diagnosis of Satellite Control System

ZHANG Yunxiang1，2， WU Yunli1，2，LIZhibin ，TU Junfeng1，2
(1.Beijing Institute of Control Engineering， Beijing 100190， China；2.Science and Technology on Space Intelligent Control Laboratory， Beijing 100190， China)

A hardware-in-loop simulation platform based on G2 is introduced.This platform ismade up of real-time hardware simulation system based on VxWorks， onboard attitude and orbit control computer，onboard data handling simulator， command and telemetry simulator， and special interface testing system etc.The functions include fault injection，fault simulation and fault diagnosis.A fault diagnosis expert system of one kind of typical G2 based satellite attitude control fault diagnosis is designed.And at the same time， the G2 interface is developed.Lastly， taking a typical satellite attitude control system for example，a demonstration experiment is carried out on the simulation platform.

satellite control system； fault diagnosis；G2

TP391，V448.12

A

1674-1579(2011)01-0016-05

10.3969/j.issn.1674-1579.2011.01.004

*國家自然科學基金(60804016)資助項目.

2010-10-12

張蕓香(1978—)，女，廣西人，工程師，研究方向為飛行器控制與仿真(e-mail：zhangyx502@yahoo.com.cn).