基于遙測遙控包應用標準的星載狀態實時監測系統設計

朱劍冰 何熊文 汪路元 苗蕾 竇鈉

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

基于遙測遙控包應用標準的星載狀態實時監測系統設計

朱劍冰 何熊文 汪路元 苗蕾 竇鈉

（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

為解決我國衛星星載健康狀態監測中存在用戶需求不統一、軟件代碼復用率低和監視規則修改不靈活等問題，文章研究了遙測遙控包應用標準（PUS）中相關的星載監視業務、事件報告業務和事件動作業務，分析了其間的關聯關系，并基于PUS標準設計了一套在軌實時狀態監測系統。該系統利用實時的遙測數據和星上狀態監視規則完成衛星健康監測，具有較強的靈活性和通用性，并已在某原理樣機中得到實現。此系統可為后續型號星載健康管理功能設計與實現提供參考。

遙測遙控包應用標準；在軌衛星；實時監測；監視規則

1 引言

遙測數據是判斷衛星工作是否正常的一項重要手段［1］，傳統的衛星狀態監視都是采用“衛星下傳遙測＋地面判斷處理＋上注異常處理指令”的方式來完成的［2］。這種傳統處理方式存在較大的時間延遲，尤其在低軌衛星上表現更為明顯（因為低軌衛星境外時間無法測控），衛星異常無法得到及時響應，在關鍵時刻極有可能錯失最佳處理異常的時機，導致衛星出現無法挽回的損失。

因此，衛星工程中一直摸索如何將地面狀態檢測與處理過程移植到星上執行，從而有效解決上述問題［3］。目前，我國在軌衛星中已經考慮了一些重要遙測參數的星上實時監測與自動處理功能，但各衛星都是針對其衛星特有的需求提出各自的星載軟件研制要求。這種方式由于各型號總體需求不統一，導致星載軟件設計時無法通用化，各型號軟件該功能模塊的代碼復用率較低，并且遙測參數監視規則和異常處理方法的修改也不靈活。

歐洲航天局( ESA) 針對此問題，將星載自主監視與處理過程進行了標準化，以方便星上軟件實現和地面對監視規則的修改，并將這套星載監視過程納入到星地操作的標準化規范中［3-5］，規定了遙測遙控包應用標準( Packet Utilization Standard，PUS) ，該標準提出了三項標準化業務，即星載監視業務、事件操作業務和事件報告業務，可以很好地完成星載自主監視過程，其中星載監視業務可以根據遙測參數的門限值、期望值、偏差閾值三種監視規則對遙測參數值進行實時監視，監測到異常跳變后可以通過事件報告業務向地面下發異常報告，并且利用事件操作業務實時觸發星上處理指令，確保異常的及時處理。這些監視規則、事件報告和事件與指令關聯關系都支持通用化的在軌修改，整套機制具有較強的靈活性和通用性，可以在各類衛星上使用。

目前，我國衛星在星載狀態實時監視方面還未實現標準化，存在如軟件代碼復用率不高、監視規則修改不靈活、系統可靠性不強等問題［6］。因此本文在分析PUS 星載監視相關業務基礎上，設計并實現了一套基于PUS 標準的衛星實時狀態監視系統，該系統利用實時遙測數據和星上存儲的監視規則對衛星的健康狀態進行實時判讀，當星上狀態違反監視規則時會自動向地面進行事件報告，并實時觸發異常處理過程，為衛星安全可靠的運行提供重要的技術保障。系統支持監視規則和異常處理方法的在軌指令注入修改，具有較強的靈活性和通用性，可以在各類衛星上使用。該系統目前已在某預研課題原理樣機中上取得應用，運行情況符合預期設計，有效滿足了衛星狀態監測的需求。

2 PUS 星載監視相關業務分析

PUS 是ESA 航天項目中廣泛采用的應用層設計標準，目前，已有羅塞塔號( Rosetta )、“X 射線多反射鏡”( XMM)、“火星快車”( Mars Express) 等衛星采用了該標準，ESA 還強制規定其后續所有衛星都要采用這一標準［4］。

PUS 將星地遙測遙控操作劃分為16 種標準業務，每種業務負責一類功能，例如內存管理業務，將所有對星載內存的操作定義為一類服務。針對每項業務又定義了具體的子業務，如內存管理業務中包括內存修改、內存下卸等，并設置了基本操作和擴展操作兩個實現級別，以適應不同的任務需求。

衛星實時狀態監視可以利用PUS 三項標準業務完成，分別是: 星載監視業務、事件報告業務和事件動作業務［5］。星載監視業務負責監視衛星實時狀態，發現異常時調用事件報告業務產生事件報告，事件動作業務監聽到事件報告后，產生相應的事件操作，完成衛星異常自動處理。

2.1 三項業務的關聯關系

星載監視業務為星上待監測的遙測參數的每個監視規則維護了一份監視狀態信息，包括當前狀態、前置狀態以及狀態跳變的時間點，如果發現了當前的狀態跳變屬于異常跳變，則使用事件報告業務產生該異常相關的報告并將其發出，每個事件報告采用報告標識符( RID) 唯一標識。當事件動作業務監測到該事件報告后，利用RID 掃描事件與動作的關聯關系表，如果檢測到一個匹配的事件報告并且相關的操作被允許，則根據目的應用過程標識符( Application Process Identification，APID)［5］將相應的遙控指令包發送給相應的星上設備，完成對設備的異常處理。三項業務的關系如圖1所示。

圖1 三項業務間的關聯關系Fig.1 Relation among three services

2.2 星載監視業務分析

該業務提供了一種基于規則知識的遙測狀態監視能力，規則知識由地面用戶定義并上注衛星，星上根據監視規則監視遙測參數，發現異常跳變向地面用戶報告異常。監視規則定義包括三類，分別是限值規則、期望值規則和偏差值規則。限值規則是指監視參數的參數值要求在某一范圍內，否認認為是異常；期望值規則是指監視參數的參數值要求是某一固定值，否則認為是異常；偏差值規則是指監視參數的參數波動值在某一范圍內，否則認為是異常。

2.3 事件報告業務分析

事件報告業務用以向業務使用者報告有關操作的重要性信息，以便于地面系統或星上執行設備根據事件的重要程度采取必要的措施。事件報告業務提供4種不同重要級別的事件報告，分別是正常的進展報告、輕度異常報告、中度異常報告和重度異常報告。用戶可以根據當前事件選擇不同級別的事件報告，例如衛星非故障狀態的自主操作通報地面系統采用正常的進展報告，某星載設備的電流發生大幅度跳變時采用重度異常報告。

2.4 事件動作業務分析

事件動作業務可以作為事件報告和星載監視等業務的功能擴展，為實現星上自主操作提供了一種途徑。相關的操作可能是一個任意類型的遙控指令，即一個標準的遙控指令包或任何任務特定的遙控指令。一個遙控指令可以啟動的操作的類型包括：①直接重新配置衛星硬件；②啟動一個衛星運行程序；③啟動一組預定義指令序列。

為了實現事件動作業務，星上需要維護一張事件與動作關聯關系表，表中每項記錄包括4項屬性，分別是生成事件報告的應用進程標識、事件報告標識符（RID）、相關聯的操作（遙控指令包）以及該操作的狀態（允許或禁止）。星上實時監測各個進程的事件報告，收到一個事件報告后，事件動作業務需要掃描事件與動作的關聯關系表。如果檢測到一個匹配的事件報告并且相關的操作被允許，則將相應的遙控指令包發送給目的應用進程。

3 衛星實時狀態監測系統設計

基于PUS星載監視相關業務，本文設計了一套衛星實時狀態監測系統，該系統由指令處理模塊、遙測監視模塊和異常處理模塊組成。系統組成如圖2所示。由圖2可知，指令處理模塊負責接收地面用戶的控制指令，根據指令管理（包括添加、刪除、修改、使能等操作）星上的監視規則列表和異常處理方法列表；遙測監視模塊負責監測星上實時遙測值，判斷其是否符合監視規則，如果發現不符合，則向異常處理模塊報告異常。異常處理模塊根據監視模塊發來的異常編號，對異常進行自動處理。

圖2 衛星實時狀態監測系統模塊組成Fig.2 Composition of the satellite state monitoring system

3.1 指令處理模塊

星上指令處理模塊接收地面注入的控制指令，根據指令內容來完成對星上監視規則和異常處理方法的管理，從而為遙測監視模塊和異常處理模塊提供數據支持，具體流程如圖3所示。由圖3可知，該模塊為星上一個獨立進程，該進程實時監控地面注入的遙控指令，當收到新的控制指令時，提取遙控指令的業務類型碼，如果業務類型碼為12，則啟動監視規則管理過程，如果業務類型碼為19，則啟動異常處理方法管理過程。然后各自過程根據指令中的業務子類型碼來完成相應列表的維護操作，包括增加、刪除、修改和使能等。

圖3 指令模塊流程圖Fig.3 Flowchart of the TC process module

為了便于添加、修改等用戶操作，星上采用雙向鏈表方式存儲每個參數的監視規則，其存儲結構如圖4所示。

圖4 監視規則列表的數據結構Fig.4 Data structure of check rule list

所有的規則數據中的元素都包含兩個基本信息：前置狀態和當前狀態。前置狀態為上一次對該遙測參數進行該類規則檢查時確認的狀態，當前狀態為本次確認的狀態。存儲前置狀態是為了與當前狀態進行比較，當發生狀態改變，則表明異常發生或異常恢復，需及時通知異常處理模塊。除了兩個基本狀態信息外，各規則數組元素都有一些獨有信息。限值規則數組中每個元素包含的獨有信息有：下限值、超下限的異常處理方法編號、上限值、超上限的異常處理方法編號。偏差規則數組中每個數組元素包含的信息有：偏差下限值、超下限的異常處理方法編號、偏差上限值、超上限的異常處理方法編號。期望值規則數組中每個數組元素包含的獨有信息有：期望值、非期望值的異常處理方法編號。

同理異常方法列表也是采用雙向鏈表結構進行存儲。鏈表中的節點信息包括處理方法編號、使能狀態、處理策略、事件報告、處理指令。

3.2 遙測監視模塊

遙測監視模塊周期性監聽星上實時遙測參數值，檢查實際遙測值是否符合監視列表中監視規則，如果不符合，則向異常處理模塊報告異常，由異常處理模塊進行異常處理。遙測監視模塊為每個參數的每項監視規則維護了一套狀態轉換機，一旦出現遙測參數狀態跳變等于狀態機中的異常跳變鏈路時，系統會迅速發現異常，并立刻向異常處理模塊報告異常。圖5為某參數限值規則的狀態機示意圖。

由圖5可以看出星上遙測參數的限制規則監測存在4類狀態，分別是超上限狀態、超下限狀態、正常狀態和未檢查狀態。這4類狀態存在12條跳變鏈路，其中6條跳變鏈路被認為是異常跳變，當遙測參數的前置狀態和當前狀態的跳變符合這6條鏈路中的任何一個，系統即認為出現了異常，執行異常處理過程。其余6條鏈路跳變則不執行異常處理過程。

圖5 某參數限值規則狀態機示意圖Fig.5 State machine of a parameter limit rule

圖6 某參數限值規則的檢查過程Fig.6 Procedure of limit value check

參數限值檢查具體過程如圖6所示，由圖6可知，星上循環遍歷當前遙測參數所有的限值檢查規則，獲取當前規則，根據參數代號從遙測數據池中獲取當前參數值，然后進入超上限監視過程：判斷參數值是否大于限制規則的上限，如果不大于則將超上限計數清零后進入超下限的監視過程。如果大于限制規則的上限，則將超上限計數加1，判斷超上限計數是否達到指定次數，如果達到，則將當前狀態標記為超上限狀態。根據圖6中的狀態機判斷當前是否滿足異常跳變過程，如果是則向外報告異常。如果沒有達到指定次數或不滿足異常跳變過程，則將超上限計數清零后進入下一條限制規則的檢查過程。超下限監視過程與此類似，不再累述。

3.3 異常處理模塊

異常處理模塊接收來自監視模塊的異常處理方法編號信息，根據編號信息在異常處理方法列表中進行搜索，根據搜索的處理方法進行異常處理。支持三種類型的異常處置策略，第一種是僅向地面報告該異常信息，第二種是發送異常處理指令，第三種是既向地面報告異常同時發異常處理指令。具體流程如圖7所示。

圖7 異常處理模塊的數據流圖Fig.7 Data flowchart of anomaly handling module

4 典型應用

基于PUS標準的星載實時狀態監測系統已在某預研課題原理樣機中得到實現，其數據流示意如圖8所示。星上測控應答機接收地面注入的遙控指令后發送給數管分系統，數管分系統利用這些指令維護星上監視規則列表和異常處理方法列表。星上其他分系統（包括控制、電源、導航、載荷、數傳等）通過1553B總線將分系統實時狀態數據發送給數管分系統的總線通信模塊，總線通信模塊將總線收集的遙測數據發送給實時狀態監測系統的遙測監視模塊，該模塊使用3.2節的監測方法完成遙測參數實時監視，發現異常后交由異常處理模塊處理，異常處理模塊使用3.3節的處置策略完成異常實時的自動處理，產生的遙控處理指令也是通過總線通信模塊經由1553B總線發往給分系統。原理樣機采用BM3803處理器（主頻50MHz），6Mbyte SRAM（Static Random Access Memorizer）和512kbyte PROM（Program Read Only Memorizer），整個星載實時狀態監測系統占用420kbyte SRAM，處理算法占用11kbyte PROM，系統最大支持2000個參數的并行監視，單個參數最大支持5個監視規則，目前系統運行情況符合預期設計，有效滿足了星載實時狀態監視的需求。

相比傳統星載監視方法，本文方法的優勢見表1。

表1 本文方法與傳統方法比對Table 1 Comparison between traditional on－board monitoring method and this method

傳統方法一般都是通過重新修改軟件代碼，編譯成機器碼并通過內存修改將機器碼注入星上來完成監視規則和異常處理方法的配置，這種方法非常不靈活，本文方法直接使用標準化的PUS遙控指令來完成這些配置，相比傳統方法靈活性有了很大增強。100條監視規則傳統型號配置時間一般不低于30min，而采用PUS遙控指令僅需要2min即可完成配置。處理方法的配置傳統型號需要專門編寫邏輯代碼，配置時間更長，一般100條處理方法的配置時間不低于60min，而采用PUS遙控指令僅需要2min即可完成配置。由于系統是基于PUS標準進行設計實現的，需求非常統一明確，星上采用軟件構件技術［7］實現該功能，各型號使用該功能時只需要數管分系統對構件外圍的配置參數進行配置后，即可直接使用，由表1可以看出，本文方法的代碼復用率高達90%以上。而傳統方法代碼除了部分底層處理函數可以共用外，該模塊各型號軟件都不相同，代碼復用率不足20%。由于代碼復用率較高，軟件健壯性很強，該功能出現異常的概率相比傳統方法將會有所降低。

圖8 某綜合電子預研樣機中星載實時狀態監測系統的數據流圖Fig.8 On－board monitoring system data flow on prototype avionics computer

5 結束語

高度自主飛行是未來衛星技術發展的一個重要方向，本文通過研究PUS星載監視相關的標準業務，設計并實現了一套通用化的星載狀態實時監控系統，有效地滿足了各衛星型號該功能的軟件需求。后續還將進一步研究如何進行監視規則之間的自主關聯分析，提升監視的準確度和可靠度，為未來新型衛星的復雜應用奠定基礎。

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（編輯：李多）

Research and Systematic Design on Satellite State Monitoring System Based on Packet Utilization Standard

ZHU Jianbing HE Xiongwen WANG Luyuan MIAO Lei DOU Na
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

To solve the problems in traditional way of spacecraft health state monitoring，such as users’diverse requirement，low software reuse rate and inflexible modification of monitoring rule，this paper researches the services correlated to onboard health monitoring in packet utilization standard（PUS），including on－board monitoring service，event reporting service and event－action service.Based on the researches，a satellite state monitoring system is designed.The system utilizes real－time telemetry data and the satellite state monitoring rules to judge the health state of the on－orbit spacecraft.The system has strong flexibility and universality；it has been applied in a prototype avionics computer and can give reference for future satellite to design and implement the function of health management.

PUS；on－orbit spacecraft；real－time monitoring；monitoringrule

V57

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.014

2016－05－04；

2016－07－07

國家重大航天工程

朱劍冰，男，工程師，從事敏捷衛星自主任務管理技術研究工作。Email：xgdzjb@163.com。