一種小衛星星載數據實時監視系統

熊浩倫 韓延東 蘇晨光 閆國瑞

(航天東方紅衛星有限公司，北京 100094)

近年來，低軌小衛星應用需求急速增加，衛星研制數量快速增長，因此，衛星的地面研制和在軌運行管理都要提高衛星運行控制的自動化水平和可靠性，減少人工干預[1]。遙控和遙測是衛星入軌后地面進行衛星運行控制和監視的基本手段[2]，也是地面進行總裝、測試和試驗驗證(AIT)階段測試的主要內容。小衛星地面測試系統已經能夠做到自動化測試，即遙控指令序列的自動發送和遙測數據的實時判讀監視，發現異常時發出報警信息并終止測試流程[3]。在軌則普遍通過延時遙控數據和指令模板來執行任務，采用“過境地面完整監視+在軌有限自主安全模式管理”的形式進行衛星的健康管理，為了確保系統安全性，往往以主動放棄有效載荷任務為代價[4-5]。受測控資源影響，星載任務的執行可能無法實時進行事件及事件結果監視，某次任務執行異常往往只能通過延時遙測追溯分析實現問題定位，存在異常無法及時得到響應、錯失最佳處理時機，進而導致無法恢復正常的安全性隱患。此外，在軌自主任務規劃也對任務執行的安全可靠性提出了新的要求。顯然，衛星的地面測試和地面運管對衛星的數據監視手段更為豐富，監視內容也更為完備，尤其是精細化的實時判讀指令執行結果和對故障的及時處理能力確保了衛星自動化測試的安全可靠性。因此，將地面狀態檢測與處理過程移植到星上執行，提高衛星的自動化水平和可靠性，是衛星工程中持續摸索的一項內容。

目前，國內在很多衛星上已經實現了內容可配置的星載遙測實時狀態監視系統和通過檢查通信應答數據的遙控指令確認服務；國外基于空間包應用標準(PUS)業務，實現了常規/診斷報告、參數統計報告和事件報告等監視功能，以及基于遙控包完整性和服務類型檢查的遙控確認服務。但是，上述應用過程都未對指令執行后的效果進行確認，未對衛星的實時任務事件進行過程監視，無法及時處理任務事件執行導致的異常，不能提供任務執行成功與否的實時判據[6-7]。為此，本文提出了一種應用遙控指令和遙測數據字典的小衛星星載數據實時監視系統，利用衛星專家知識構建遙控指令和遙測數據時序關聯判斷方法，以實現遙控指令執行結果的實時確認和遙測狀態監視。系統支持重配置的方法定義需要監視的任務過程事件，在基于指令序列的星載任務自主運行中能實時發現衛星產生的非預期結果，及時進行故障隔離與狀態恢復，可應用于小衛星自主運行功能的實時監視和異常處理。

1 系統方案

1.1 系統框架

在小衛星的設計研制中，會形成3000～5000條的遙測信息和1000～3000條的遙控信息。這些信息已能夠通過標記語言描述成知識字典，并依據字典形成衛星故障預案、在軌長期管理要求、衛星使用說明等衛星專家系統文件，供衛星測試方、衛星測控系統、衛星運管系統在地面使用。但是，衛星在軌對這些數據的實時使用能力較弱，與地面充分應用遙測遙控數據實現衛星健康管理、任務管理能力相比，差距較大。因此，將地面的遙控遙測數據和已知專家系統數字化，建立星載數據監視模型，將地面實現的功能搬移到星上運行，可以提高衛星運行控制的自動化水平和可靠性。

小衛星星務分系統依托星上現場總線網絡，管控所有的遙測信息和所有數據型指令、數據塊[8]，所以可依托星務計算機進行小衛星星載數據實時監視系統設計。該系統在不改變現有小衛星信息數據流的基礎上通過解耦合的軟件實現，系統主要由遙測遙控關聯知識字典、遙控遙測數據時序關聯判斷模型、小型遙測數據池、異常處理知識庫和數據判讀規則庫組成，如圖1所示。遙控遙測關聯知識字典是按某種格式存儲在星務計算機中的數據，是地面系統的遙控遙測字典經加工制作而成的；小型遙測數據池存儲實時包遙測數據，并提供時間戳和數據查詢接口；遙控遙測數據時序判斷模型根據判讀規則判讀指令事件前后的遙測數據；數據判讀規則庫提供共性判讀方法，如統計分析、邊界檢查、期望值檢查、偏差檢查等；異常處理知識庫根據監視的結果生成相應的處理策略，并生成指令自動執行。

星載數據實時監視系統是一種指令驅動的監視系統。它監視到有指令執行時，啟動監視過程，并實時給出處理結果；通過設計虛擬的星務遙測監視指令實現指定遙測的監視判讀，如非指令動作導致的遙測狀態變化的實時監視。因此，常規遙測監視通過星務周期性遍歷自動執行監視命令實現；突發指令事件僅在指令受星務調度發送時進行監視。

1.2 遙測遙控時序關聯判斷模型

小衛星的遙控指令大部分都是由星載軟件執行，既有狀態設置指令、帶參數的非時序相關控制指令，也有條件滿足后才能執行的加斷電開關控制類時序相關指令[9]。有些非關鍵指令僅對部分軟件參數有影響，執行不成功不影響衛星安全性，如遙感衛星某次成像參數設置；有些關鍵危險指令對衛星系統安全性有影響，必須確保指令正確執行，如大功率功放設備的順序開機。一條安全性相關指令是否能在系統層面上執行和執行正確，并且未導致其他異常，往往需要對多個設備的多個遙測數據進行時序相關的聯合判斷才能確認。

現有知識的判斷模型可以通過故障樹反序描述，即子事件和邏輯門組成診斷結論，考慮到星載計算機和存儲器的處理能力和存儲能力限制，遙測數據判斷模型采用最高2級的故障樹模型描述，采用最多4個不同的遙測數據(可表征姿態、電源、通信、溫度)比對結果作為底事件，如圖2所示。

圖2 遙測數據判斷模型Fig.2 Model of telemetry data judgement

遙測判讀Xi(i=1,2,3,4)簡化為二值表述為

(1)

結論可以表述為

φ=φ(X)

(2)

式中：φ(X)為遙測判讀事件X的結構化函數，是與非門組合關系描述的布爾函數。

在遙測判讀事件集X的屬性中描述結構化函數的組合信息，則結構化函數無需實現遍歷定義。指令與遙測數據的時序關聯判斷由指令發送前的執行條件判斷和指令執行后的結果判斷組成，即1次指令執行的判讀由2個結構化函數定義。將1個指令執行判讀事件定義為1個節點，節點內容如圖3所示。時間戳提供指令執行判讀的時間軸。ts為指令執行前的安全保護時間，指令發送前進行遙測判讀，te為指令響應完成時間，當時間戳T=te+1時，本指令判讀事件生存期結束。

圖3 指令執行判讀事件節點內容Fig.3 Node content of telecommand execute interpretation event

1.3 遙控遙測關聯知識字典和異常處理知識庫

遙控遙測關聯知識字典和異常處理知識庫構成小衛星專家知識字典，涉及到字典數據結構設計和訪問接口設計。遙控遙測關聯知識字典對數據型間接遙控指令碼字和對應的遙測判讀集進行存儲，在訪問時必須考慮該字典的查詢效率和對小型遙測數據池的訪問效率。異常處理知識庫可定義為帶優先級和編號的一系列指令串，設計較為簡單。

一條小衛星的數據型間接指令包含路由地址、命令字和參數3個方面的數據信息，可總共使用4 byte描述。其中：路由地址和命令字各占用1 byte，參數域占用2 byte，參數域無效指令為無參數指令，參數域填充AAAAH，參數域有效指令為帶參數指令，有相應的遙測表征指令參數域內容，可作為判據的一部分傳到指令執行后的判讀中。間接指令在執行時，必須快速尋找到其對應的遙控遙測關聯知識，可使用散列表實現2 byte碼字(路由地址和命令字)的3000個存儲地址的映射。例如：對于路由地址為R，命令字為Y的間接指令，其對應地址為

K(R,Y)=A(R)+Y

(3)

式中：地址映射數組A在地面完成遙控字典時即可自動生成。

遙測判讀事件集描述了遙測參數所在的包遙測ID、包中的位置和遙測判讀方法。給定遙測數據的判讀方法如表1所示。

遙控遙測關聯知識字典的數據結構如表2所示，在星上實際存儲時，包偏移值指遙測所在位置的首字節，包判據信息均按照4 byte表示，其數值采用掩碼的方式進行轉換。對數據池的訪問通過包ID和包偏移值實現。異常跳轉信息是指令執行不通過時處理方法的指針，可以指向一組恢復性指令串，也可以指向空指令，不進行任何處理。

表1 給定遙測數據的判讀方法Table 1 Method of telemetry data interpretation

表2 遙控遙測關聯知識字典數據結構Table 2 Data structure of telecommand and telemetry association knowledge dictionary

1.4 小型遙測數據池

小衛星遙測按照包遙測進行調度和組織，并實時將包遙測填充到遙測幀中下傳，星上僅有幾幀實時遙測數據的緩存[10]。延時遙測為境外遙測在星上存儲并在衛星過境時下傳的結果，是境外實時遙測的稀疏抽樣，難以用于星上狀態的實時判讀比對。要實現遙測數據的時序相關查詢和比對，星上存儲的遙測必須在短時間內是完整詳細的。因此，需要設計星載存儲資源，允許且能快速地訪問遙測包數據池。小衛星的遙測包具有下述特點。①整星遙測數據包按照空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)空間包格式進行組織和緩存，包括星務自身的遙測數據包和星務通過總線調度獲取的遙測數據包，總線調度的遙測數據包除了默認下傳到地面的遙測包，還有可受控下傳的廣播數據包、專屬數據包等。②星務遙測采集任務按照1 s的執行周期進行不同遙測包的調度，包遙測按照調度間隔分為速變包(間隔1 s)和緩變包(間隔2 s及以上)，1個完整的調度周期是指所有的遙測包均至少輪詢1次的最短時間，等于緩變包的最大調度間隔。③1個完整調度周期形成的遙測包不超過80種，每種遙測包的包數據域最大長度為512 byte。

結合上述特點，星載遙測包數據池應具備下述特點。①考慮到有些設備的指令響應時間較長，遙測包數據池的深度設置為8。②遙測包數據池的數據更新規則為先進先出，按包序號存儲，提供當前秒的時間標簽，能訪問到的數據始終是最近8次更新的，緩變數據將能回溯到更早的時間。③遙測數據包的包長度不一致，存儲空間按需分配并進行設計，使用散列表實現2 byte索引(包ID號j和時間標志t)的640個存儲地址的映射，如對于包ID號j，時間標志為t遙測包，其對應地址為

M(j,t)=A[j]+t·B[j]

(4)

式中：地址映射數組A和B在地面完成遙測字典時即可自動生成。

遙測數據池的生成和使用均是被動的，不改變既有星上遙測調度流程和時序，僅在遙測生成時完成數據的入數據池隊列和出數據池隊列操作。對數據池訪問時，通過包ID號和需要比對的遙測時間迅速實現遙測包的定位，并根據遙測位置偏移值獲取數據。由于數據的存儲和讀取都是由星務計算機軟件順序調度的，不存在訪問沖突問題，且數據帶有的時間戳可以有效解決遙測包離線后再在線的數據時間軸統一問題。

1.5 數據監視流程設計

監視事件通過監視節點定義，監視節點采用雙向鏈表表示，雙向鏈表能方便進行插入、刪除等操作。監視節點鏈表的內容如圖4所示。

圖4 監視節點鏈表Fig.4 Monitoring node list

每個鏈表節點包含的遙控遙測關聯知識是從遙控遙測字典中動態讀取的，時間同步戳提供監視時的時間比對軸。指令數據到達后，根據指令碼字迅速查找到對應的遙控遙測關聯知識，將其讀取到監視流程節點。監視任務開始對該節點執行監視流程：對于安全時間ts=1的指令，為無條件執行指令，可立即執行；對于ts>1的時序安全相關指令，監視任務給出監視結果，狀態滿足立即發送；若時間戳T=ts，狀態依然未滿足，則該指令不執行，該節點從監視任務中刪除；若時間戳T=te，指令執行判讀不通過，自動執行生成的跳轉信息。一個監視節點的數據監視流程如圖5所示。

圖5 數據監視流程Fig.5 Flow of data monitoring

1.6 診斷指令

小衛星星載健康管理主要基于遙測監視分析對設計范圍內既定的異常事件主動執行相應的故障預案，是一種事先指定的流程。這個過程可以抽象化為一種指令動作，即判讀遙測數據，給出并執行結論。可將這個過程定義為診斷指令，實現上是一種星務軟件指令，指令碼字的參數域定義診斷指令要診斷的內容。某個衛星的診斷指令內容如表3所示。

表3 診斷指令內容Table 3 Contents of diagnosis commands

診斷指令可按照專家知識字典的形式存儲在星務計算機中。其中：ts=1表明是立即執行類，X(ts)內容為空集，X(te)為判據信息，te=0xFFFFFFFF表明啟動后一直處于執行中的狀態。代表整星完整健康管理的診斷指令序列，可作為配置表的形式注入到計算機中，軟件將其讀后添加到指令監視流程節點中，由指令監視流程實現數據的監視和判讀。判讀結果(如某種已定義的故障代號)交給異常處理知識庫，根據優先級排序和互斥性原則決定下一節拍執行的故障對策，非相關性故障可同時執行。

2 應用分析

衛星的遙控指令可以啟動的操作類型，包括直接重新配置衛星硬件、啟動一個衛星運行程序和啟動一組預定義指令序列等[7]。傳統對遙測狀態的監視并未關聯上遙控指令，監視的數據大多數是硬件的異常狀態和固定模式的軟件狀態，缺少對指令導致的硬軟件的動態符合性變化監測。遙控遙測時序關聯型數據監視系統可以檢查指令執行的效果，并根據指令執行的不同結果進行后續不同指令的執行，應對異常的實時能力強，既可以應用于傳統的衛星狀態遙測監視，也可以應用于基于指令序列的星載任務自主運行的安全監視。

基于遙控遙測關聯的星載數據監視系統，作為某新技術試驗衛星星務分系統的一項功能，在具體實現上的特點為：遙控遙測關聯知識字典存儲空間為72 Kbyte，可存儲1000條指令與遙測關聯信息；小型遙測數據池大小為48 Kbyte，可存儲一個完整調度周期為32 s的全部58種遙測數據包；系統功能主要滿足衛星入軌進行自主快速測試任務、快速成像任務的需求。快速測試和快速成像的實現原理是：將可重復注入的快速測試和快速成像任務與診斷指令的內容排成指令序列注入并存儲在星務計算機中，啟動快速測試和快速成像功能后每次動態調用32條指令到執行鏈表中，實時監視指令執行的結果，當執行時出現判讀異常，則通過跳轉指令執行異常時的恢復動作。在衛星AIT階段進行多次快速測試和快速成像的驗證試驗，衛星入軌后第1圈也成功自主進行了快速測試和快速成像，驗證內容和結果如表4所示。試驗驗證表明：該系統運行情況符合預期設計，將傳統衛星入軌后需要2～3天才能完成的任務加速到入軌后前2圈就可以完成，在保證衛星可靠性的基礎上有效提高了衛星入軌初期的工作效率。

表4 驗證內容和結果Table 4 Verification contents and results

與傳統僅監視遙測數據的星載監視系統相比，本文系統的優勢見表5。

表5 本文系統與傳統系統比對Table 5 Comparison between the proposed system and traditional system

3 結束語

在確保可靠性的基礎上提高衛星在軌運行的自動化能力，一直是衛星技術發展的一個重要方向。在小衛星快速批量研制部署、在軌組網運行需求的推動下，對在軌自動化動作的安全監視、故障及時恢復等可靠性要求也越來越高。本文基于遙控遙測數據時序關聯判斷的數據監視系統，能夠根據可重配置的衛星專家知識進行指令和遙測的關聯監視，在滿足常規監視需求的基礎上有效提高衛星自動執行指令的可靠性和安全性。受限于存儲資源，本文系統僅能監視間接數據型指令和少數格式內容固定、鮮有變化的數據塊，對變化無規律的有效載荷參數較多的數據塊無法進行執行監視；監視數據的判讀方法種類較少，暫不支持自定義的數據判讀方法。后續還要進一步研究該系統的功能完備性，提升其監視精細度、準確度和可靠度。