在軌衛(wèi)星異常實時處置技術(shù)研究

朱海洋　 胡文靜　陳浩 　孫海忠（北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心）

在軌衛(wèi)星異常實時處置技術(shù)研究

朱海洋 胡文靜陳浩 孫海忠（北京空間信息中繼傳輸技術(shù)研究中心）

1　引言

傳統(tǒng)的衛(wèi)星控制中心主要采用信號鏈路和軟件進(jìn)行衛(wèi)星狀態(tài)的實時診斷，但對于故障與異常的處置過程仍采用基于人工干預(yù)的方式，其處置的正確性主要通過事先制定的故障處置預(yù)案來保證。對于同時對多顆衛(wèi)星實施長期管理的衛(wèi)星控制中心，由于對衛(wèi)星平臺的操作和對用戶服務(wù)交織在一起，任務(wù)種類繁多、系統(tǒng)構(gòu)架復(fù)雜，對衛(wèi)星故障定位的準(zhǔn)確性、處置的實時性要求更高，傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場處置方式難以保證處置的成功率，或者實現(xiàn)處置效果的最優(yōu)化。因此，必須研究適應(yīng)衛(wèi)星組網(wǎng)運行模式的系統(tǒng)故障實時智能處置機制和實現(xiàn)方法，實現(xiàn)全任務(wù)過程故障識別、處置、效果評估的自動閉環(huán)流程，對有預(yù)案的故障實現(xiàn)自動化隔離處置，對無預(yù)案故障提供分析、判斷和決策的輔助專家系統(tǒng)支持。通過對故障實時處置過程的基本要素進(jìn)行分析，提出故障實時處置需要重點關(guān)注和解決的幾個問題，為衛(wèi)星控制管理中心進(jìn)行故障實時處置系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

故障實時處置流程示意圖

2　衛(wèi)星故障實時處置的基本要素

衛(wèi)星控制中心的故障實時處置系統(tǒng)包含的基本要素有以下5個部分：故障實時檢測、故障準(zhǔn)確診斷與定位、故障處置策略的正確生成、故障的及時處置、處置效果評估。

（1）故障實時檢測

它基于衛(wèi)星的遙測、外測數(shù)據(jù)，實時分析衛(wèi)星各分系統(tǒng)運行狀態(tài)，針對衛(wèi)星載荷任務(wù)中相應(yīng)的狀態(tài)變化，甄別、監(jiān)視系統(tǒng)的運行狀態(tài)，準(zhǔn)確感知星上或地面系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。系統(tǒng)故障的檢測應(yīng)具有高度的敏感度，盡量減少虛警、漏警發(fā)生的概率，從而確保后續(xù)操作流程的正確性。

（2）故障準(zhǔn)確診斷與定位

融合故障檢測結(jié)果和各分系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視信息，基于故障分析和建模，通過知識推理完成故障的自動診斷、識別。由于故障發(fā)生時會在多個分系統(tǒng)產(chǎn)生外在表現(xiàn)數(shù)據(jù)，因此，故障診斷、定位必須準(zhǔn)確，其置信度要高。

（3）故障處置策略的正確生成

其關(guān)鍵在于建立正確、全面的故障知識庫，故障知識庫中既包括故障推理準(zhǔn)則，也包括故障處置的決策建議，對于有預(yù)案的故障，給出詳細(xì)的自動處置流程，對于無預(yù)案的故障，提供分析、判斷和決策的輔助專家系統(tǒng)支持。

（4）故障的及時處置

它要求針對有預(yù)案的系統(tǒng)故障，能夠?qū)崟r檢測故障處置的條件是否具備，必要時自動完成地面站設(shè)備、軟件和中繼衛(wèi)星的控制。在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)故障處置流程的自動化。系統(tǒng)故障處置時，必須處理好與正常控制流程之間的關(guān)系，對于實時性要求很高的故障處置，在處置過程中必須確保系統(tǒng)控制的優(yōu)先權(quán)。

（5）處置效果的實時、準(zhǔn)確評估

它是在故障處置過程中實時監(jiān)視實施效果，并依據(jù)一定的評估準(zhǔn)則對處置效果進(jìn)行評估，評估結(jié)果可作為是否進(jìn)行下一步處置的依據(jù)。

3　衛(wèi)星故障實時處置關(guān)鍵問題分析

故障的診斷與檢測

要實現(xiàn)衛(wèi)星的實時處置，首先應(yīng)對衛(wèi)星各模塊、分系統(tǒng)的健康狀態(tài)有明確的認(rèn)識，因此，故障檢測和診斷技術(shù)是實現(xiàn)衛(wèi)星實時處置的前提。

目前，國內(nèi)航天器的故障檢測是采用閾值形式進(jìn)行判讀，然后再根據(jù)閾值進(jìn)行診斷，當(dāng)部件或設(shè)備失效后直接切換到備機，復(fù)雜的故障情況基本上采用地面專家會診方式實現(xiàn)，僅是某些對平臺不具有安全性影響的故障可經(jīng)設(shè)計師確認(rèn)，由運管人員直接操控。因此國內(nèi)在航天器的故障診斷方面仍處于實驗階段，并且如何將已有科研成果應(yīng)用到實際型號任務(wù)中去還值得進(jìn)一步研究，在理論和實踐方面仍有大量的研究和開發(fā)工作要做，考慮到星載計算機的性能和在軌衛(wèi)星的安全性和可靠性，航天器故障診斷仍以地面遙測數(shù)據(jù)分析診斷為主。當(dāng)前國內(nèi)基于遙測參數(shù)超限報警的主要方法有遙測參數(shù)門限判斷、相對值判斷和關(guān)聯(lián)診斷方法；基于推理報警方法主要有規(guī)則、故障樹、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模型的推理方法。

在工程實際應(yīng)用方面，國內(nèi)大部分衛(wèi)星在設(shè)計時對一些突發(fā)故障進(jìn)行了考慮，在軌衛(wèi)星具有一定的自主判斷和應(yīng)急處理能力，主要是儀器設(shè)備的冗余使用，或者進(jìn)行應(yīng)急安全模式，也就是進(jìn)行太陽搜索模式，同時關(guān)閉不必要的儀器設(shè)備，以保證整星能源供應(yīng)為主。目前，國內(nèi)在東方紅-3、資源-1、資源-2和“神舟”飛船等項目應(yīng)用中部分子系統(tǒng)已采用故障隔離、診斷和系統(tǒng)重構(gòu)等智能化技術(shù)，收到了良好效果。對于星載計算機自身設(shè)計，一般會設(shè)計簡單的部件故障檢測能力，能在某些特定情況下自主切換部件和改變系統(tǒng)模式。同時星載計算機也具有一定的自檢能力和容錯能力，能通過心跳檢測和看門狗檢測實現(xiàn)一些突發(fā)事件的處理如單粒子翻轉(zhuǎn)后的重啟等。

地面采集的遙測、外測數(shù)據(jù)有幾個特點：①衛(wèi)星在軌運行后，由于部件的冗余備份關(guān)系，故障特征可能并不明顯，有可能被淹沒在大量正常的遙測數(shù)據(jù)當(dāng)中。②衛(wèi)星在軌運行后，大部分時間處于正常運行態(tài)，故障發(fā)生的情況并不是頻繁出現(xiàn)的，但故障出現(xiàn)后往往會存在一段時間。③衛(wèi)星在軌運行后，地面獲得的遙測數(shù)據(jù)有可能由于人為因素或者儀器失靈等原因造成數(shù)據(jù)缺失。④衛(wèi)星在軌運行后，由于天上的復(fù)雜情況，可能會出現(xiàn)某些地面沒有想到的故障情況或者由于地面測試時無法進(jìn)行的實驗而造成某些故障情況出現(xiàn)，即出現(xiàn)“未知”故障。

因此，在故障現(xiàn)象的檢測與診斷過程中需要考慮的問題主要有：

1）為解決大量遙測數(shù)據(jù)的絕對門限判讀全面、準(zhǔn)確的問題，可以增加相對門限判斷，扣除因時間變化，或測控事件發(fā)生前后遙測參數(shù)正常變化引起的誤判斷，建立動態(tài)門限，以減少故障檢測過程中的虛警，保證故障特征識別的準(zhǔn)確性；

2）在進(jìn)行故障診斷軟件的容錯、冗余性設(shè)計時，可考慮是否因遙測數(shù)據(jù)源切換導(dǎo)致遙測數(shù)據(jù)的誤判，是否因為遙控指令的發(fā)送導(dǎo)致某些波道參數(shù)的誤判、對于正常的星上遙測自主變化狀態(tài)是否視為異常；

3）應(yīng)定期對當(dāng)前在軌衛(wèi)星運行健康狀況進(jìn)行有效評估，對于故障的實時處置有很大幫助；研究表明，衛(wèi)星在軌初期出現(xiàn)過的異常將在衛(wèi)星全壽命期一直存在；針對以往出現(xiàn)過的衛(wèi)星故障現(xiàn)象進(jìn)行處置預(yù)案的制定，將非常有效。

知識庫的完備性與有效性

知識庫是故障診斷系統(tǒng)第一個重要組成部分，故障診斷系統(tǒng)工作性能優(yōu)劣的重要因素取決于專家的知識和經(jīng)驗。知識庫中的知識應(yīng)該具有可用性、確定性和完善性。

建立一個好的知識庫，首先是從領(lǐng)域?qū)＜夷抢铽@取知識，稱其為知識獲取；然后將獲取的專家知識編排成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存入計算機中而形成知識庫，知識編排的過程稱為知識表達(dá)。一個理想的知識表達(dá)，應(yīng)能精確表達(dá)專家的思維與知識，應(yīng)該能有效地通過計算機進(jìn)行實現(xiàn)，應(yīng)該簡明、易于理解和便于改進(jìn)。

建立衛(wèi)星故障實時處置的知識庫需要考慮的問題主要有：①衛(wèi)星的應(yīng)急處置預(yù)案是否完備，是否覆蓋了在軌可能出現(xiàn)的所有故障；②故障預(yù)案與實時處置腳本集的對應(yīng)關(guān)系是否準(zhǔn)確；③對故障知識的描述是否可以準(zhǔn)確表達(dá)衛(wèi)星在軌故障。

在對衛(wèi)星進(jìn)行在軌故障預(yù)想與故障對策分析時，還應(yīng)充分考慮其他同類型衛(wèi)星在軌曾經(jīng)發(fā)生過的異常現(xiàn)象的舉一反三，并將這部分內(nèi)容包括到故障預(yù)案處置卡中。

處置的準(zhǔn)確性與時效性

衛(wèi)星在軌階段可能突發(fā)一些危害性較大的緊急故障，必須立即處理，否則導(dǎo)致整星失效，例如對動量輪掉電、星上計算機故障等異常處置不及時，可能使衛(wèi)星姿態(tài)帶來翻轉(zhuǎn)。這部分采用故障實時處置可以很大程度地減少人工處置工作量，降低對崗位人員的要求，保證載荷操作的正確性。

在設(shè)計故障實時處置時，必須處理好與正常控制流程之間的關(guān)系：對于實時性要求很高的故障處置，在處置過程中必須確保遙控操作的優(yōu)先權(quán)；對于實時性要求不高的故障處置，可以安排在正常載荷應(yīng)用任務(wù)之后或任務(wù)間隙實施。

處置評估與再處置

它是在故障處置過程中實時監(jiān)視實施效果，并依據(jù)一定的評估準(zhǔn)則對處置效果進(jìn)行評估，評估結(jié)果可作為是否進(jìn)行下一步處置的依據(jù)。需要考慮的問題有：①故障處置評估的依據(jù)主要有星上下傳的遙測數(shù)據(jù)，以及衛(wèi)星的實時軌道數(shù)據(jù)；②影響處置評估的因素與故障檢測的因素有相似之處，同樣需要解決大量遙測數(shù)據(jù)的絕對門限判讀全面、準(zhǔn)確的問題，以及測控事件發(fā)生前后遙測參數(shù)正常變化引起的誤判斷、虛警，保證故障處置結(jié)果評估的準(zhǔn)確性；③遙控指令腳本運行完畢后，應(yīng)將運行結(jié)果反饋給系統(tǒng)的故障檢測。

4 一個典型的衛(wèi)星故障實時處置示例

下面以一個典型的衛(wèi)星故障實時處置案例對衛(wèi)星故障實時處置過程進(jìn)行描述。

（1）故障檢測

讀取數(shù)據(jù)庫中的地敏探頭干擾預(yù)報結(jié)果，實時判斷接收的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，檢測是否出現(xiàn)地敏探頭禁止遙測位報警，從而完成故障的實時檢測。

（2）故障診斷與定位

由于該故障在衛(wèi)星長期在軌管理過程中出現(xiàn)過，因此，根據(jù)知識庫中的先驗知識，可以定位該故障為地敏探頭自主切換異常。

（3）故障處置策略生成

根據(jù)事先制訂的故障預(yù)案，處置策略為：地面遙控發(fā)令，設(shè)置受干擾地敏探頭禁止。

（4）故障處置

故障處置包括如下兩個過程：①根據(jù)地面站集中監(jiān)視軟件的輸出信息，自主判斷當(dāng)前地面站是否已經(jīng)加載測控上行，如果沒有，通過調(diào)度軟件自動調(diào)用“測控加上行”設(shè)備腳本，確保星地測控通道正常；②自主綜合判斷設(shè)備腳本運行結(jié)果和中繼衛(wèi)星遙控鎖定情況，確認(rèn)上行已經(jīng)加載后，自主調(diào)用衛(wèi)星控制腳本，設(shè)置受干擾地敏探頭禁止。

（5）處置效果評估

衛(wèi)星控制腳本正常運行完畢后，實時判斷中繼衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，確認(rèn)受干擾地敏探頭已經(jīng)正常禁止，且系統(tǒng)其他狀態(tài)均正常，則認(rèn)為異常處置正常結(jié)束。

故障實時處置流程示意圖

5　結(jié)論與建議

故障的實時處置在彌補人工處置時效性的不足時，也對故障的檢測、識別、故障指令上行注入方式設(shè)計等提出了很高的要求。因此，在衛(wèi)星控制中心進(jìn)行故障實時處置系統(tǒng)設(shè)計與建設(shè)時，需要結(jié)合實際工程背景，采用多參數(shù)聯(lián)合判斷、多觸發(fā)條件識別的方法，同時借鑒同型號衛(wèi)星故障處置預(yù)案，建立開放的診斷知識庫與故障處置庫，提高診斷的準(zhǔn)確性、處置的有效性與時效性。

Handling In-orbit Satellite anomalies in Real Time