衛星維修性、測試性、保障性的概念解析

趙海濤 遇今 胡太彬 熊笑

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2中國空間技術研究院，北京 100094）

衛星維修性、測試性、保障性的概念解析

趙海濤1遇今2胡太彬1熊笑1

（1北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2中國空間技術研究院，北京 100094）

針對衛星維修性、測試性和保障性工作中存在的概念不清、內涵不明、工作內容不確定等問題，在維修性、測試性、保障性的通用定義和要求基礎上，結合衛星產品特點，分析了衛星維修性、測試性和保障性的概念和內涵，探討了有關概念間的聯系與區別，明確了維修性設計、測試性設計和保障性設計的主要內容。分析表明：衛星維修性設計重點是在軌維修性，兼顧地面需求；衛星測試性和測試、測試覆蓋性概念不同但又有關聯，衛星測試性設計重點是故障診斷策略和機內測試（BIT）設計；衛星保障性旨在保證在軌連續穩定運行，保障性設計的重點是提高產品可用時間和連續工作時間，降低對保障資源的需求。

衛星；維修性；測試性；保障性

1 引言

眾所周知，裝備的通用質量特性包括可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性、環境適應性等。這些質量特性是裝備戰備完好性和任務成功性的保證，并對裝備效能產生決定性影響。國外多年的裝備發展歷程表明，通用質量特性差的裝備即使具有很高的性能，也很難形成有效的戰斗力［1］。

衛星是一種較為特殊的裝備，長壽命衛星一般都具有一次發射、長期使用、不可返回維修等特點。長期以來，衛星工程中比較重視可靠性、安全性、環境適應性以及測試和測試覆蓋性工作，但較少提及維修性和測試性，極少提及保障性。然而，由于“維修性、測試性、保障性”設計不充分問題導致的衛星在軌異常卻并不鮮見。例如，我國某衛星曾因故障虛警導致衛星進入安全模式，用戶服務中斷近2天。

NASA和ESA在20世紀八九十年代先后制定了空間系統的維修性、測試性標準，例如NHB 5300.4（1E）－87《空間系統維修性大綱要求》、ESA PSS－01－50（1）－91《歐洲航天局空間系統維修性要求》等。在國外航天器研制中，伴隨裝備維修性、測試性、保障性技術的發展，自主故障診斷、健康管理等維修性、測試性有關技術逐步應用，例如綜合健康管理技術應用于哈勃太空望遠鏡、“國際空間站”任務等。

我國在20世紀90年代制定了裝備維修性、測試性、保障性的頂層標準，并于2000年前后針對航天產品制定了維修性保證要求和測試性設計準則。然而，衛星研制中對“維修性、測試性、保障性”尚未普遍形成正確的理解和認識。不少設計人員認為衛星沒有在軌維修性，并將衛星的測試性與測試覆蓋性、衛星的保障性與貯存和運輸保障等同起來，這些不恰當的認識不利于“維修性、測試性、保障性”工作的開展。

近年來，隨著通用質量特性越來越受到用戶的重視，衛星“維修性、測試性、保障性”逐漸從潛在需求成為明確要求，開展維修性、測試性、保障性設計已成為提高衛星質量和用戶滿意度的重要工作。本文以“維修性、測試性、保障性”的通用定義和要求為基礎，結合衛星特點，對衛星維修性、測試性、保障性的內涵和設計要素進行了分析，澄清了一些概念，給出了衛星產品維修性、測試性和保障性應遵循的設計要求。

2 衛星“維修性、測試性、保障性”的基本概念

2.1 維修性

1）衛星維修性定義

維修性的傳統定義［2］原則上適用衛星，即衛星的維修性是衛星在規定的條件下和規定的時間內，按規定的程序和方法，保持或恢復到規定狀態的能力。對于衛星而言，“規定的條件”包括衛星發生故障時的星地運行狀態，空間環境條件和故障處理所需人員、設備設施、技術資料等資源；“規定的時間”是對衛星產品故障修復時間的量化要求，反映了衛星維修的水平；“規定的程序和方法”是指衛星故障處理的具體流程、步驟和具體的指令。

2）在軌維修性

傳統上一般認為衛星是不可維修產品。這是由于衛星一旦入軌飛行執行任務，不可能像地面裝備那樣在發生故障后可以在現場或返廠修理。但是，在維修性工程中，并非只有返廠修理才算維修，地面裝備在使用現場更換故障單元和戰場搶修都屬于維修工作。在這一點上，衛星在軌故障后通過地面進行切換備份恢復或進入安全模式后系統重構等與地面裝備的維修并無本質區別，這些都屬于維修范疇。

此外，衛星在軌運行管理中也不乏預防性維修的例子。例如，某衛星的紅外地球敏感器由于自主干擾保護功能異常，為確保衛星安全，地面測控系統增加了衛星地影期干擾保護的遙控作業，在每次進入地影期前，由地面指令將被干擾的探頭信息剔除，以保證衛星姿態穩定。

再者，當前衛星正朝著網絡化、智能化發展，星上越來越多的功能通過軟件實現，通過軟件上注功能可實現某些在軌軟故障的修復。

因此，衛星在軌具有可維修的特點，在軌維修性設計屬于衛星設計的必要內容。

3）地面維修性

與地面裝備不同，衛星是在地面環境中研制、在空間環境中使用，衛星在空間中的壽命剖面和在地面研制階段的壽命剖面完全不同。因此，衛星在軌維修和地面維修的需求差異很大。但這不能說衛星沒有地面維修問題。從全生命周期看，整星在地面需經歷總裝集成測試及發射場測試過程，這一過程必然涉及總裝操作和質量問題處理引發的拆裝、修復問題。因此，衛星維修性要求應當反映地面維修需求。

與在軌維修相比，衛星地面維修只有修復性維修，包括拆除與更換設備、更換模塊、重新加工/焊接/組裝等工作，沒有預防性維修。

與地面裝備相比，衛星維修性設計特性首先是面向在軌使用需求，而且長壽命衛星的地面加電時間與在軌運行時間相比要短暫的多。因此，傳統的適用地面裝備的維修性設計要求不一定適用衛星，需要進行剪裁。

2.2 測試性

1）衛星測試性定義

測試性的傳統定義［2］適用衛星，即衛星的測試性是指衛星能及時、準確地確定其狀態（可工作、不可工作或性能下降程度），并隔離其內部故障的一種能力。

對于衛星而言，“及時、準確”體現了對在軌實時監測和故障診斷策略的要求，“隔離其內部故障”體現了對在軌故障定位能力的要求。

2）測試性與測試覆蓋性的區別

測試性與測試覆蓋性是兩個不同的概念。表1給出了兩者的主要區別。

表1 測試性與測試覆蓋性的主要區別Table 1 Main differences between testability and test items coverage

3）在軌測試性、地面測試性和地面測試

從在軌使用看，為保證衛星在軌穩定運行的能力，必須能夠實時監控衛星工作狀態、及時發現故障并定位，從而快速進行故障處理和恢復。衛星在軌故障只能通過遙測數據判斷和星上自主故障診斷，作為長期運行需求，顯然衛星在軌測試性是衛星測試性工作的重點。衛星故障檢測、隔離和恢復（Fault Detection，Isolation and Recovery，FDIR）技術在國內外航天器中的應用越來越廣也充分說明了這一點［3－5］。

從研制過程看，為了充分驗證整星各項技術指標，并在地面測試過程中及時發現與定位衛星故障，需要整星和單機具有充分的外部測試能力，因此，地面測試性也可以作為衛星測試性要求的一部分。

從與地面測試的關系看，測試性設計的輸出是測試點布局、測試參數、故障診斷策略等等，這些設計結果應進行測試覆蓋性分析，并在地面測試過程中進行驗證。可見，地面測試是測試性驗證的一種手段。

2.3 保障性

1）衛星保障性定義

保障性是裝備及其保障資源組合成的裝備系統的屬性，在僅討論衛星的前提下，衛星的保障性可定義為：衛星的設計特性和計劃的保障資源滿足規定的壽命期內在軌連續穩定運行要求的能力。其中，“設計特性”可分為與故障有關的維修保障特性和與使用有關的使用保障特性。維修保障特性一般體現為可靠性、維修性和測試性，顯然，可靠性高、維修性和測試性好，衛星就有更好保障。使用保障特性一般體現為在軌維持操作頻度和對人力物力等保障資源的需求程度。衛星的“計劃的保障資源”主要是指在軌使用和維修有關的技術資料，以及必要條件下的人力與設備資源。此外，衛星的保障性面向在軌使用和維修過程，強調在軌運行的連續、穩定。

2）在軌保障性

衛星在軌保障可以分為在軌使用保障和在軌維修保障。在軌使用保障性即通過衛星任務分析、軌道設計、載荷產品特性設計等降低衛星在軌維持操作的次數、時間和對維護資源的需求，并制定合理、高效的在軌使用策略。在軌維修保障性即通過衛星可靠性、維修性、測試性設計，降低衛星在軌故障率、提高衛星任務持續時間、降低對維修資源的需求，并制定充分的在軌故障預案。

3）地面保障性

從使用需求看，保障性是面向衛星在軌使用和維修的衛星保障設計特性和保障資源的集合，與衛星交付用戶前經歷的地面測試過程無關。但是，按進度完成出廠和發射場總裝測試是衛星順利發射與交付用戶的前提，這些過程對于衛星承制方是比較關鍵的，因此在討論衛星的保障性要求時，也可以包含交付前的過程。

為了保證地面保障性工作的效率和效果，應區別正常的地面研制保障工作。衛星承制方地面保障性工作的重點是通過保障性設計降低地面測試過程中的保障資源需求，并針對一些特殊產品進行保障資源規劃，例如蓄電池使用保障策略、備件要求等。

2.4 小結

根據以上對衛星“維修性、測試性、保障性”定義和內涵的分析，總結正確的理解和常見不恰當認識 如表2所示。

表2 衛星“維修性、測試性和保障性”概念的理解Table 2 Understandings of satellites maintainability，testability and supportability

3 衛星“維修性、測試性、保障性”設計內容

3.1 維修性設計

維修性設計的目的是通過實施維修性設計準則，使衛星的維修性滿足要求。維修性的定量要求一般是維修時間，定性要求一般包括在軌故障恢復能力、可達性、互換性等。

以往工作中，衛星等航天器維修性設計主要借鑒地面產品經驗［6－7］。根據前文定義，衛星維修性設計主要應考慮在軌維修性設計、兼顧地面維修需求。因此，需要研究提出在軌維修性設計要素，并對傳統維修性設計準則進行適用性分析，剔除與衛星特點不符的內容。據此，衛星維修性設計的主要內容如下。

（1）在軌可維護性設計。即衛星在軌發生故障后，應具備可修復性。例如：軟件故障可以通過地面上注數據對故障模塊進行修改或替換；通過遙控指令可以禁止或使能某個軟件功能模塊等。

（2）在軌故障恢復策略。即對在軌故障的處理方式、恢復程序進行優化設計，盡可能縮短恢復時間。例如：產品復位、加斷電或切機的應用條件，產品加斷電的順序，衛星進入安全模式后的系統重構策略等。

（3）防差錯設計。設計的原則包括：在設計上杜絕出錯的可能性；采用容錯技術，即使有差錯發生，也會提示或告警；安裝時容易發生差錯的零部件，從結構上加以限制，或有明顯的防止差錯識別標記；對可能出現誤操作的零件、組件、部件設置明顯的防錯標志等。

（4）標準化、模塊化和互換性設計。設計的原則包括：在滿足要求的條件下，將產品的變化限制到最小范圍；產品間在實體上、功能上能夠相互替換；產品設計為單獨分離的，具有相對獨立功能的結構體等。

（5）簡化維修和操作設計。例如：盡量設計操作簡便而可靠的調整機構，以便于排除因磨損或漂移等原因引起的常見故障，避免或減少互相牽連的反復調校。

（6）可達性設計。例如：產品檢查、拆裝（路徑）應有很好的可達性。

（7）維修安全設計。例如：在拆卸、更換、測試或檢驗過程中不引發安全性危險；使操作與維修人員避免高壓、高壓放電、高溫、低溫、銳利的邊緣和尖物、輻射和化學污染等危害。

（8）人素工程設計。例如：采取措施將使用和維修操作環境的噪聲、振動、溫度、濕度和電磁輻射控制在規定的可接受水平之內，否則對使用和維修人員提供防護措施等。

3.2 測試性設計

測試性設計的目的是通過實施測試性設計準則，使衛星的測試性滿足要求。測試性的定量要求一般是故障檢測率、故障隔離率和虛警率，定性要求一般包括在軌故障檢測能力、故障定位能力等。測試性設計的結果應支持在軌故障診斷和故障恢復，對于具有維修性需求、一旦發生故障對整星造成嚴重影響的產品必須開展測試性設計。

測試性設計是一項系統性很強的工作，近年來發展的故障預測與健康管理技術的重要基礎就是測試性設計［8－9］。以往工作中，衛星實際開展了一些測試性相關工作，例如遙測設計、自主故障診斷設計等，但并未從測試性工程角度進行系統的策劃與實施。分析提出衛星測試性設計的主要內容如下。

（1）固有測試性設計。固有測試性設計的目的是使硬件便于故障檢查和隔離，包括合理的結構設計和系統內部診斷配置方案的選擇兩方面內容。結構設計的原則包括：功能與結構的合理劃分，測試的可觀測和可控性，優先選擇內部結構和故障模式已知的集成電路等。內部診斷配置方案包括機內測試（Built－in Test，BIT）配置方案、性能監測方案、在軌健康管理系統等。

（2）測試點和診斷策略設計。包括遙測資源分配、傳感器選擇、測試點位置確定、診斷策略確定、故障可檢測性分析等工作。

（3）故障診斷詳細設計。這部分工作是對系統診斷方案的具體實現。其中，BIT詳細設計包括確定BIT類型和工作模式，具體的測試對象、測試方法、故障判據，防止虛警設計以及BIT軟硬件設計。性能監測設計主要針對蓄電池、推進系統等非電產品，通過配置傳感器進行性能或狀態監測，并進一步進行性能預測。

（4）外部診斷設計。外部診斷是利用外部測試設備，通過自動和半自動測試、人工測試等手段進行故障檢測與隔離。外部診斷設計包括測試點設計（位置、特性、用途、安全性）、診斷程序設計和與外部測試設備的兼容性設計等。

（5）其它測試性設計準則。在測試性標準規范中有很多通用的測試性設計準則［10］，衛星進行測試性設計時也應借鑒這些通用準則，將其中適用的準則作為衛星設計要求的一部分。

3.3 保障性設計

目前保障性設計沒有專門的規范性的或通用的方法、準則［11－12］，一般認為保障性設計是通過可靠性設計、維修性設計、測試性設計等途徑，提高產品可用時間和連續工作時間，降低對使用和維修保障資源的需求，達到滿足保障性要求的目的。根據保障性內涵，衛星保障性設計的原則包括：

（1）使用保障設計。盡可能減少衛星使用過程中的維護工作，尤其是影響衛星任務連續性的維護工作；優化系統設計和產品在軌使用策略，降低對地面保障資源（測控站、測量船等）的需求，提高易用性；兼容現有地面運控、測控保障設備、設施，降低對專用保障設備的需求。

（2）維修保障設計。衛星在軌運行應具備一定的自保障能力，例如故障自恢復、系統重構、自主運行能力，減少對地面保障資源的依賴；影響衛星任務的在軌故障應按最快恢復原則進行設計和處理。

4 結束語

“維修性、測試性、保障性”是衛星通用質量特性的重要組成部分，正確理解衛星維修性、測試性、保障性的概念和內涵，認識衛星維修性、測試性、保障性的設計特點，是有效開展相關工作的基礎。盡管衛星在軌不能像地面產品那樣進行現場或返廠修理，但衛星同樣有在軌維修性，并需要開展在軌維修性設計；衛星的測試性和測試、測試覆蓋性是不同的概念，但三者又有關聯，故障診斷策略和BIT設計是衛星測試性設計的重點；保障性取決于衛星設計和保障資源，衛星保障性設計的重點是提高產品可用時間和連續工作時間，降低對使用和維修保障資源的需求。衛星維修性、測試性、保障性設計的具體方法和準則需要結合工程實踐不斷提煉與完善。

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（編輯：張小琳）

Concepts of Maintainability，Testability and Supportability of Satellite

ZHAO Haitao1YU Jin2HU Taibin1XIONG X iao1
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

At present，satellite maintainability，testability and supportability are not clearly defined.According to the general definition of maintainability，testability and supportability，considering the characteristics of satellite，the concepts and connotations of satellite maintainability，testability and supportability are analyzed.The relations and differences between the concepts are discussed and the main design contents are defined.According to the analysis results，maintainability design is consider mainly on orbit maintenances，along with the ground maintenances requirements.Test，testability and test items coverage are different concepts.Testability design focuses on diagnostic strategy and BIT（built－in test）design.Supportability of satellite is designed to ensure the capability of continuous and stable operation on orbit，and supportability design is to improve mainly the available time and to reduce the demands for support resources.

satellite；maintainability；testability；supportability

V423.4

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.019

2016－07－15；

2016－08－01

趙海濤，男，高級工程師，從事航天器可靠性、可用性工作。Email：zhtsailor@163.com。