基于星務管理系統的小衛星自主健康管理系統

李 晴，孫國江，李孝同

（航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

0 引言

國外從20世紀70年代起，故障診斷、故障預測、健康管理等系統逐漸投入工程應用，A-7E飛機的發動機監控系統（EMS）就是故障預測與健康管理（PHM）應用的早期典型案例[1]。近年來，美國NASA為了提高飛行器的安全性、可靠性，提出了飛行器綜合健康管理的飛行安全計劃，包括故障監測、故障診斷、影響評估、故障預測等功能。然而到目前為止，國外還沒有一個具備完整健康管理功能的綜合健康管理系統投入工程應用[2]。

目前，我國衛星自主健康管理方面的研究仍處于初級階段，管理系統構建所涉及的相關技術有待攻關突破。北京航空航天大學可靠性工程研究所初步地開展了PHM系統的相關研究[3]；近年來，根據航天器的結構特點和功能的層次性，提出了航天器分布式的故障診斷專家系統[4]，但還是以地面診斷為主。現階段，我國衛星在軌健康管理主要依靠地面測控站，并通過人工判讀大量遙測信息以獲取衛星運行狀態進行管理。這種健康管理方法只能在有限的測控弧段內采用上注遙控指令的方式對衛星進行狀態調整和控制，針對衛星遙測量大、參數類型多、變化復雜的特點，無法滿足監測處理的時效性要求；另外，上行、下行鏈路也會極大地限制健康管理工作的時效性，而且可能出現空間鏈路不安全、人為操作失誤等問題。

針對上述存在的問題以及在軌健康管理的新需求，本文開展了小衛星自主健康管理系統的初步應用研究，在星務管理系統的基礎上，將已有的大量人工管理方法和策略通過代碼化過程轉換為星載專家系統，變成衛星自身的知識庫，來實現衛星的自主診斷和自主控制。

1 小衛星自主健康管理系統

1.1 系統構建的基本思路

星務管理系統采用了嵌入式技術和現場總線技術，構建了以星務管理主機為控制和調度中心、以面向控制對象的各分系統計算機為執行單元的網絡分布式系統，實現了對各分系統健康狀態的管理、對衛星進行綜合信息處理的功能[5]。因此，以星務管理系統為基礎的小衛星自主健康管理系統分為整星級、系統級和部件級3個層面來完成。

小衛星自主健康管理系統基本框架如圖1所示。

圖1 小衛星自主健康管理系統基本構架Fig. 1 Framework of autonomous health management system for small satellites

1）整星級自主健康管理負責完成整星電子系統的故障診斷和健康評估及任務處理，通過對各分系統輸入的初步診斷結論進行全局決策和統一調度來完成，重點放在整星級故障診斷和綜合評估及恢復處理功能上。

2）系統級自主健康管理負責對各分系統的檢測、診斷與評估，建成相對獨立的分系統級診斷評估模塊。

3）部件級自主健康管理主要針對部件、設備、模塊設置傳感器或狀態采集點，對采集到的數據進行傳輸和處理，作為高一級健康管理系統的基本輸入數據。

3個層面的信息交換通過衛星總線網絡進行傳輸，最終由整星級健康管理層做全局決策。

1.2 整星級自主健康管理層單元及功能

1.2.1 整星級自主健康管理層構成

小衛星自主健康管理系統由整星級自主健康管理層、系統級健康管理層和部件級管理層組成。本文重點介紹整星級自主健康管理層，其他兩部分將在今后的研究中進行報道。

小衛星整星級自主健康管理層主要由自主健康管理執行模塊、自主健康管理規則庫和自主健康管理的任務執行各模塊組成，如圖2所示，圖中虛線部分為其他健康管理層。

圖2 小衛星整星級自主健康管理層構成Fig. 2 The structure of the autonomous health management system for small satellites

1.2.2 各模塊功能

1）自主健康管理執行模塊

在星務管理主機上內嵌自主健康管理執行模塊，并與其他管理層相連。自主健康管理執行模塊作為健康管理的控制中心，一方面負責對衛星各分系統數據的采集、實現對各分系統的控制；另一方面控制運行自主健康管理執行任務，并從自主健康管理規則庫中調用管理規則，對衛星健康狀態進行實時監測和綜合判斷，根據判斷結果控制自主健康管理的任務執行方式來完成衛星的自主健康管理。

2）自主健康管理規則庫

自主健康管理規則庫是衛星自主健康管理的依據，負責引導執行模塊完成對衛星的自主健康管理。它的建立過程就是將以往人工健康管理手段和管理策略通過代碼化過程轉化為星載專家系統的過程。其中的規則可以被總結為 “IF THEN”形式的邏輯推理，作為固化到程序中的核心邏輯，在每次管理任務執行時被調用。

3）管理任務執行模塊

執行自主健康管理任務主要包括自主安全保護任務、相對程控任務、狀態采集與傳輸任務和在軌重構任務4個部分。

① 自主安全保護任務模塊。以衛星重要參數信息作為輸入條件，根據調用的自主健康管理規則進行推理，從自身的故障處理數據庫中調出故障處理方法進行故障處理。其中重要參數信息可由狀態采集與傳輸任務模塊給出，故障處理方法由相對程控任務模塊負責執行。

② 相對程控任務模塊。主要針對有效載荷任務進行自主規劃執行的功能模塊，根據有效載荷任務啟動標志自動運行有效載荷，除完成有效載荷任務外還可作為其他任務模塊進行故障處理和健康管理的執行手段，可通過星上時刻或某一事件等自動激活執行。

③ 狀態采集與傳輸任務模塊。它是自主健康管理系統獲得衛星健康信息的重要手段，同時具有可控遙測傳輸功能，通過調用管理規則并根據衛星健康狀態自行調整下傳遙測信息。

④ 在軌重構任務模塊。通過調用管理規則自主判斷執行時機，對于硬件重構可自行發送重構指令；對于軟件重構可自行激活附加任務模塊運行，并通過與星務管理主機軟件事先約定的軟件操作接口，實現對星務管理主機功能和任務的添加與完善。

1.3 整星級自主健康管理層的軟件實現

1.3.1 整星級自主健康管理層的軟件構架

整星級自主健康管理層的實現軟件可分為系統軟件和應用軟件兩部分，其中系統軟件采用了實時多任務操作系統和中斷服務程序，而實時多任務操作系統又具有及時、合理地安排和調度各種軟硬件資源的功能，可用于對各任務模塊的調度、控制和管理。整星級自主健康管理層的軟件構成如圖3所示。

圖3 整星級自主健康管理層的軟件構成Fig. 3 Software structure of autonomous health management system

1.3.2 軟件測試

星務管理主機在性能上滿足軟件測試要求，對機時占用率情況如下：

1）最大CAN總線占用率約15%；

2）SRAM內存余量約64.2%；

3）1 s內軟件各任務（除內存刷新任務外）全部激活，且滿負荷時軟件最大運行時間為586 ms，與1 s的周期相比，機時余量為41.4%。

上述數據表明：目前星務管理主機軟件在性能上有充足的余量，在順利完成現有軟件各種功能的同時，能夠實現對整星級自主健康管理層軟件及功能的擴充。

2 任務實現流程

針對自主健康管理任務執行中的4個模塊進行了詳細設計，任務實現流程如下。

1）自主安全保護任務

故障處理數據庫作為健康管理的依據，包括故障模式數據庫和故障處理方法庫兩部分。故障模式數據庫包含衛星各關鍵系統的故障模式判據，故障處理方法庫包括故障模式下需要執行的指令模塊，以地址指針將故障模式數據庫與故障處理方法庫進行關聯。以蓄電池組充放電故障模式為例，進行某項故障診斷的步驟如下：

第一步，從星上網CAN總線獲取蓄電池充電電壓數據Vcharge；第二步，從故障模式數據庫調出故障判斷法則，即電池充電電壓上限值Vchargeup，If Vcharge＜VchargeupThen （跳入下一項故障診斷），Else （轉入故障處理方法庫）；第三步，從故障處理方法庫調出蓄電池過充處理指令串，送星務系統激活事件程控或相對程控執行；第四步，跳入下一項故障診斷。

故障處理過程如圖4所示。

圖4 故障處理流程Fig. 4 Procedures of fault treatment

自主安全保護任務的實現可以提高衛星的自主診斷和處理能力，故障模式數據庫的實現有助于豐富衛星的自主健康管理策略。

2）相對程控任務

由若干相對時間程控指令構成，并以分組的形式對相對時間程控指令進行設計，每一組指令對應于一種衛星工作模式，提前寫入健康管理模塊的相對程控緩存區。同時，每一組相對時間程控指令可以根據需要自由分成兩段，每段指令條數不限。針對每一組相對時間程控指令，通過一條程控指令（時間激活、事件激活）在不同的時間可執行多次，而不必重復地上注程控數據。該程控指令規定了要啟動的相對時間程控指令組號和該組指令內第一段指令執行結束到第二段指令開始執行的時間間隔Δt。相對程控任務中可以編制各種不同功能的相對時間程控指令組，通過星上時刻、異常事件、有效載荷任務等自行激活，完成如衛星自主校時、自主故障處理、有效載荷任務的自動執行等各種不同功能，實現對衛星運行流程的控制。相對時間程控指令處理功能的層次如圖5所示。

圖5 相對時間程控指令處理功能層次Fig. 5 Levels of relative time program control command processing function

相對程控任務使本來需要多次上注的大量數據可以提前存儲，并且可以多次重復使用，解決了衛星在軌操作過程過于復雜的問題，減少了人為操作失誤和空間鏈路問題帶來的不安全因素。

3）狀態采集與傳輸任務

在分包遙測[6]的基礎上，實現了可控遙測傳輸功能[7]，即自動判斷生成指示性參數（部件、分系統、整星的健康狀態遙測參數）、自動對遙測數據的下行傳輸進行統一管理控制，可對遙測數據內容、采集速率、遙測格式、遙測碼速率等進行靈活調整。

在實際應用過程中，任務按以下等級對遙測數據進行下行傳輸過程如下：

第一等級，實時遙測和延時遙測。

自主判斷傳送完實時遙測緩沖區中的數據后，利用剩余信道傳送延時遙測緩沖區中的數據；對指示性遙測參數進行自主判斷，正常時僅傳輸指示性參數，停止相應遙測包的下傳。

第二等級，有效載荷圖像數據（數據量大、實時性要求不高）。

當實時遙測和延時遙測傳送完成，剩余信道可用來傳送有效載荷圖像數據；同時在任務中設立了有效載荷圖像健康標志判讀，當認為圖像數據不符合要求則不進行下傳。

第三等級，分系統設備參數和代碼數據。

當分系統設備健康標志超限時，任務自動控制開啟相應分系統設備參數和代碼遙測包進行下傳；同時將此遙測包的延時遙測壓縮比設置為1∶1存儲；停止下傳其他遙測包，關閉有效載荷圖像數據包。

這種可控傳輸功能大大節省了信道資源，使有限的信道資源得到了合理的利用，同時在衛星出現故障時便于快速定位，也簡化了地面監控人員對遙測數據的判讀。

4）在軌重構任務

在軌重構任務中包括關閉危及衛星生存的任務和設備，還包括多個不同功能的附加任務模塊，它們被提前寫入任務存儲區，任務運行時可根據衛星運行狀態自主關閉或激活運行相應的任務和設備，完成對衛星軟件功能的調整和完善。任務的自主管理過程采用了與自主安全保護任務同樣的方法來實現，同時也支持地面上注的控制方式。

在實際應用中，重點解決了附加任務模塊與主程序的融合問題，使附加任務模塊既可與主程序共用資源又不影響主程序的運行。附加任務與主程序不是統一編譯連接的，因此附加任務不能直接訪問和修改主程序中的變量、參數以及子函數；而附加任務功能的完成又不可避免地要利用到主程序中的各種資源，因此在主程序和附加任務中設計了接口函數，利用接口函數進行間接調用。從理論上講，主程序的所有資源都可以通過接口函數被附加任務所訪問和調用，但接口函數的數量不可能無限多，因此在實踐中，為比較常用的和重要的數據與功能函數添加了相應的接口函數，豐富了附加任務的功能。

3 結束語

本文通過對自主健康管理系統的深入研究和分析，針對目前小衛星健康管理存在的問題以及新的發展需求，提出了一種分層次、分布式的小衛星自主健康管理設計思路，以星務管理系統為基礎構建了小衛星自主健康管理系統。為了驗證研究成果，設計了4個自主健康管理任務執行模塊，各模塊功能均可在地面模擬環境中實現，部分任務模塊已在小衛星上進行了飛行實踐，完成了小衛星的局部自主健康管理。這不僅證明了本文研究內容的正確性和有效性，也證明了小衛星自主健康管理系統的研究與應用對保證衛星的安全運行，提高衛星的自主診斷、自主運行、自主規劃能力具有重要意義。至于小衛星自主健康管理系統的全面性及可靠性評定、自主健康管理規則模型的建立與完善等，還須在實踐中作進一步驗證。

（References）

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