衛(wèi)星在軌故障全數(shù)字仿真平臺設計

楊海峰 張發(fā)家 劉吉霞 刁奇

（山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264003）

1 引言

衛(wèi)星長時間工作于復雜的太空環(huán)境中，雖然在研制過程中采用了先進的管理手段和高質量的軟硬件技術，但不可避免地還會出現(xiàn)在軌故障。在軌故障的發(fā)生，造成衛(wèi)星性能下降，功能喪失，甚至報廢，影響了衛(wèi)星的壽命與應用，給用戶帶來不可估量的損失。整理、總結這些故障信息，分析其變化趨勢，比較不同衛(wèi)星的故障模式及其差異，對于發(fā)現(xiàn)該類衛(wèi)星的薄弱環(huán)節(jié)，提高衛(wèi)星設計水平，驗證衛(wèi)星的可靠性增長等具有重要意義［1］，因此，進行故障診斷和對策技術研究十分重要［2］。在衛(wèi)星仿真軟件領域，目前已有美國的飛行器仿真系統(tǒng)SPASIM、歐洲EurnSim 仿真平臺等商業(yè)軟件，但這些軟件價格昂貴，而且由于技術秘密和商業(yè)秘密等原因，還不能應用于國內衛(wèi)星仿真與故障驗證工作。本文提出了一種適用于衛(wèi)星在軌故障定位、分析和解決方案驗證的全數(shù)字仿真平臺的設計方法。

2 衛(wèi)星故障分析

在全數(shù)字仿真平臺的設計過程中，首先對衛(wèi)星在軌故障信息進行分析，以對衛(wèi)星在軌故障的可仿真性與仿真方式提供依據(jù)，并作為全數(shù)字仿真的基本輸入信息，為故障解決方案的構建提供思路。

2．1 故障危害分析

根據(jù)故障危害的程度，衛(wèi)星故障可以分為災難性故障、關鍵性故障、非主要故障和輕度故障四級，具體說明如下：

（1）災難性故障。導致航天器分系統(tǒng)功能喪失或基本喪失，進而使衛(wèi)星任務失敗或出現(xiàn)不可接受的任務降級，工作壽命嚴重減少，造成人員傷亡，財產重大損失的故障。

（2）關鍵性故障。導致航天器分系統(tǒng)性能下降或分系統(tǒng)功能喪失，影響或部分影響有效載荷任務的完成，處理后可以保障部分任務完成的故障。

（3）非主要故障。分系統(tǒng)設備（部、組件）主要功能退化或喪失，通過地面控制或系統(tǒng)內部設備重組，不影響分系統(tǒng)完成功能，或設備失去備份的故障。

（4）輕度故障。相對獨立的設備出現(xiàn)異常，但不影響分系統(tǒng)性能，經過地面控制，即可恢復其功能、性能的故障。

對衛(wèi)星各種在軌故障危害程度進行分類，便于進行故障原因分析、仿真程度確認和仿真方法制定。災難性故障發(fā)生的原因及其復雜，機理難以描述，只進行現(xiàn)象仿真；關鍵性故障與非主要性故障，發(fā)生原因比較復雜，機理描述難度較大，但對衛(wèi)星的運行影響大，需要進行深入仿真；輕度故障，發(fā)生原因簡單，機理清楚，進行機理性的真實仿真。

2．2 故障級別分析

依據(jù)衛(wèi)星的構成［3］，衛(wèi)星在軌故障可分為整星級故障、分系統(tǒng)級故障與單機設備級故障三種：

（1）整星級故障。對整星造成影響，衛(wèi)星功能部分或全部喪失，一般都是災難性故障，如衛(wèi)星在壽命期內失去電源［4］等。

（2）分系統(tǒng)級故障。發(fā)生在衛(wèi)星的某分系統(tǒng)，使分系統(tǒng)的部分功能喪失，如遙測故障［5］等。

（3）單機設備故障。發(fā)生在衛(wèi)星的某單機設備，使設備的全部或部分功能喪失，如熱控分系統(tǒng)中的加熱器故障［6］等。

分析故障發(fā)生部位的信息，確定故障模型與仿真模型之間的關聯(lián)關系，可為構建通用全數(shù)字衛(wèi)星在軌故障仿真平臺架構，故障仿真輸入信息包設計，以及故障的仿真程度與仿真方式提供依據(jù)。

3 故障全數(shù)字仿真設計

衛(wèi)星在軌故障全數(shù)字仿真平臺的設計和開發(fā)的目的，是為了提供仿真衛(wèi)星在軌故障現(xiàn)象和執(zhí)行故障解決策略。仿真平臺依據(jù)衛(wèi)星工作機理和故障模式來構建，生成符合衛(wèi)星在軌故障發(fā)生和排除過程的遙測數(shù)據(jù)信息，包括平臺框架、故障注入信息、故障仿真等模塊的設計。

3．1 仿真平臺框架設計

在設計中，首先依據(jù)衛(wèi)星功能及用戶需求構建基本模塊。在此基礎上，結合故障模型形成仿真平臺框架。由于衛(wèi)星的差異和新故障的產生，仿真平臺框架的設計應具備可擴展性。

本仿真平臺的設計采用了面向對象、數(shù)據(jù)庫和可擴展標記語言（XML）等軟件技術，圖1通過統(tǒng)一建模語言（UML）的組件圖描述了總體框架。仿真平臺的各部分都設計為獨立功能模塊，每一個功能模塊都用一個組件來描述，組件通過動態(tài)庫來實現(xiàn)，組件間通過接口和主應用程序模塊進行信息交互以避免產生直接依賴關系，這樣可提高仿真平臺的通用性、可靠性和可擴展性。

圖1 仿真平臺組件圖Fig．1 Component diagram of simulator platform

經過對仿真平臺功能的分析，將其劃分為衛(wèi)星模型（包括遙控、遙測、跟蹤、熱控、供配電、有效載荷、數(shù)管等子／分系統(tǒng)等組件），功能模塊（包括主應用程序、故障設置、數(shù)據(jù)庫管理等組件）、對外接口等。系統(tǒng)運行時對外接口進行外部信息交互，功能模塊和衛(wèi)星模型動態(tài)庫進行用戶所需信息的仿真。

3．2 故障注入信息設計

根據(jù)故障通用屬性信息編制，故障注入信息應全面涵蓋衛(wèi)星故障仿真所需的輸入條件。

3．2．1 故障注入信息格式設計

由于平臺的通用性，故障注入信息必須采用通用格式，通過對故障的通用屬性信息的分析與總結，對故障注入信息數(shù)據(jù)塊做如下的編制約定：

（1）將故障依據(jù)故障屬性進行分級。

（2）對每一個故障編號，并且每個故障編號是唯一的。

（3）故障編號由大寫字母與數(shù)字和點組成，長度不超過30byte。

衛(wèi)星信息表示衛(wèi)星的名稱，如“XX 衛(wèi)星”；分系統(tǒng)代號表示該故障發(fā)生的分系統(tǒng)，如“熱控分系統(tǒng)”；故障類型有四級，如“關鍵性故障”等；故障代號為故障的順序號，如“001”等。

不同類型故障的屬性和狀態(tài)各不相同，其屬性與狀態(tài)信息記錄在XML［7］文件。

3．2．2 故障注入信息塊設計采用XML編輯故障輸入信息，具體格式如下：

3．3 故障信息數(shù)據(jù)結構設計

根據(jù)故障仿真功能實現(xiàn)的需要，采用數(shù)據(jù)庫來記錄仿真平臺接收到的故障注入信息塊，并設計故障分配信息表、故障仿真信息表、故障設置信息表等數(shù)據(jù)結構表［8-9］，它們稱為故障信息表，為仿真模型提供故障信息的輸入與存取。

（1）故障分配信息表。記錄故障注入的基本信息，用于解析后的故障注入信息發(fā)送到對應的分系統(tǒng)進行仿真。

（2）故障仿真信息表。記錄故障仿真信息，用于仿真時設置仿真的具體狀態(tài)。

（3）故障設置信息表。記錄故障仿真中對于模型進行修改的規(guī)則。

3．4 衛(wèi)星故障仿真的設計

衛(wèi)星故障仿真過程設計如下：按照故障模型接收用戶的故障信息注入，進行衛(wèi)星故障現(xiàn)象仿真；接收并執(zhí)行用戶注入的故障解決方案，將故障現(xiàn)象及故障解決過程以遙測參數(shù)值的形式顯示于平臺界面，為用戶提供了故障分析、故障解決方案的制定與驗證。具體流程如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星故障全數(shù)字仿真流程圖Fig．2 Flow chart for simulating faults of satellite

在衛(wèi)星故障仿真過程中，首先把規(guī)定格式的故障信息注入仿真臺。仿真平臺對該信息進行綜合解析，解析后的故障信息發(fā)送到分系統(tǒng)的故障仿真模塊；仿真模塊接收到后，調用故障仿真模型，仿真所需衛(wèi)星故障狀態(tài)，并通過遙測下傳衛(wèi)星故障信息；用戶分析遙測數(shù)據(jù)，制定故障解決方案并向仿真平臺輸入，進行故障解決方案驗證；仿真平臺接收故障解決方案，仿真故障解決的過程和結果，并遙測下傳故障解決方案，驗證其正確性。

4 故障仿真過程示例

以某通信衛(wèi)星供配電分系統(tǒng)的蓄電池組溫度／電壓控制（T／V）曲線充電自控功能失效故障為例，進行故障仿真過程演示。圖3顯示了衛(wèi)星出影后蓄電池組T／V曲線充電自控功能失效故障注入前、注入后及故障解決方案注入后的相關衛(wèi)星遙測參數(shù)值的變化。

圖3 故障仿真與預案驗證過程Fig．3 Process of fault simulating and resolution validating

設終止充電電壓為40．14V，注入T／V曲線充電自控功能失效故障，仿真衛(wèi)星出影后狀態(tài)。

在正常仿真狀態(tài)下，衛(wèi)星出影后，蓄電池進入充電狀態(tài)，在蓄電池（A＋B）組的電壓V1小于充電終止電壓V0（V0＝40．14V）時蓄電池處于倍流（充電電流Ⅰ＝3．29A）充電狀態(tài)，充電開關Z 的A、B、C三路均閉合，如圖3（a）所示；V1隨著蓄電池充電電量P的增加而增加，當V1＞V0時充電開關Z的B、C兩路斷開，蓄電池進入涓流充電狀態(tài)（Ⅰ＝0．29A）繼續(xù)充電直到蓄電池充滿為止。在V1＜V0時注入T／V曲線充電自控功能失效故障后，進入蓄電池故障仿真狀態(tài)，當充電到V1＞V0時，蓄電池組未進入涓流充電狀態(tài)（Ⅰ＝3．29A），充電開關全部閉合，如圖3（b）所示。此時，以指令的形式給仿真平臺注入解決方案，蓄電池組終止倍流充電，轉入涓流充電的狀態(tài)（Ⅰ＝0．29A），充電開關B、C 斷開，蓄電池組狀態(tài)恢復正常充電狀態(tài)，該故障仿真與預案驗證結束，如圖3（c）所示。

5 結束語

研究表明，衛(wèi)星故障持續(xù)時間越長，任務損失的可能性就越大［10］，盡早處理故障，有利于衛(wèi)星任務的完成。本文設計的全數(shù)字在軌故障仿真平臺，在實際使用中，可進行在軌故障的輔助分析與定位、故障解決預案的驗證，并為衛(wèi)星操作人員提供熟悉衛(wèi)星故障及解決故障操作流程的演練環(huán)境，提高了衛(wèi)星故障解決的效率和安全性。在以后的研究工作中，衛(wèi)星在軌故障仿真平臺將繼續(xù)增加圖像和三維圖形顯示功能，提高人機交互能力和制定故障解決預案的效率，進一步提高故障仿真的真實性與通用性，以驗證更完善的故障解決預案和適用于更多的衛(wèi)星平臺。

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