高分多模衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

趙思陽(yáng) 李文東 楊柳青 姜洋

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094) (2 中國(guó)空間技術(shù)研究院遙感衛(wèi)星總體部，北京 100094)

低軌遙感衛(wèi)星由于軌道的特點(diǎn)，衛(wèi)星過(guò)境期間測(cè)控可視弧段很短，正常狀態(tài)下每天測(cè)控弧段安排不超過(guò)30 min，約占每天飛行時(shí)間的1%～2%[1]。由于衛(wèi)星在大部分飛行時(shí)間內(nèi)是屬于地面不可見(jiàn)狀態(tài)，如果衛(wèi)星在軌出現(xiàn)問(wèn)題且不能自主恢復(fù)，只能等到入境時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。等待地面診斷、確定處理措施、實(shí)施操作、觀察效果直到故障排除，往往需要多軌的時(shí)間才能完全解決。同時(shí)，在軌期間的一些輕度故障，雖不威脅整星安全，但仍需要地面干預(yù)恢復(fù)，影響用戶使用。

20世紀(jì)90年代，資源一號(hào)衛(wèi)星首次采用基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的自主健康管理設(shè)計(jì)，具備了一定的自主故障檢測(cè)及重構(gòu)能力。國(guó)內(nèi)航天器經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，已經(jīng)從原來(lái)單一的由各分系統(tǒng)(如電源、控制、推進(jìn)系統(tǒng)、數(shù)管等)配置的故障診斷系統(tǒng)，向系統(tǒng)級(jí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)和故障修復(fù)系統(tǒng)發(fā)展，逐步形成航天器集成健康管理系統(tǒng)，從保障任務(wù)完成的系統(tǒng)頂層實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的故障綜合檢測(cè)與重構(gòu)[2]。近年來(lái)，星載計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅提升使得各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和管理能力得到較大提升,這為星上數(shù)據(jù)自主管理的智能自主化提供了良好的硬件基礎(chǔ)[1-2]。此外，隨著遙感衛(wèi)星任務(wù)能力的大幅提升帶來(lái)的衛(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，以及對(duì)于衛(wèi)星“一重故障保業(yè)務(wù)連續(xù)、二重故障保航天器安全”的目標(biāo)要求，對(duì)衛(wèi)星自主健康管理能力的要求也提升到新的高度[3-7]。

以高分三號(hào)、高分四號(hào)為代表的遙感衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星重大安全健康事件自主處置、事件報(bào)告自主生成下傳、健康狀態(tài)統(tǒng)計(jì)評(píng)估的功能[1，8]，以嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)為代表的深空探測(cè)器，基本實(shí)現(xiàn)了重大安全事件的自主處置、關(guān)鍵事件程控響應(yīng)、總線終端健康狀態(tài)輪詢等功能[9]。但是，當(dāng)前航天器自主健康管理能力仍存在以下幾方面的不足：①故障處置判據(jù)設(shè)置簡(jiǎn)單，通常缺少前置判據(jù)及組合判據(jù)，導(dǎo)致判決條件不嚴(yán)謹(jǐn)，部分正常操作或單機(jī)/模塊切換可能觸發(fā)錯(cuò)誤報(bào)警；②故障判據(jù)觸發(fā)閾值調(diào)整不靈活，缺乏在軌更改手段或更改不靈活；③健康事件報(bào)告不全面，報(bào)告機(jī)制不統(tǒng)一，報(bào)告下傳手段單一，不利于健康事件的快速報(bào)告、準(zhǔn)確定位；④自主健康管理覆蓋范圍較少，僅關(guān)注重點(diǎn)單機(jī)或分系統(tǒng)故障，缺乏對(duì)于單機(jī)、模塊狀態(tài)切換的監(jiān)視；⑤故障判決以硬件故障為主，對(duì)軟件故障的判決較少。本文在現(xiàn)有航天器自主健康管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，針對(duì)上述不足開(kāi)展了進(jìn)一步的探索，并做了改善。

1 自主健康管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

高分多模衛(wèi)星健康管理系統(tǒng)優(yōu)化了健康管理系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)故障判決條件進(jìn)行優(yōu)化，防止誤觸發(fā)健康事件；規(guī)范化健康管理系統(tǒng)操控接口及事件報(bào)告機(jī)制，方便系統(tǒng)靈活操控、健康事件快速檢索；強(qiáng)化了對(duì)衛(wèi)星重點(diǎn)單機(jī)、模塊工作狀態(tài)的監(jiān)視，覆蓋平臺(tái)各分系統(tǒng)及重點(diǎn)載荷。

1.1 自主健康管理系統(tǒng)架構(gòu)

高分多模衛(wèi)星以數(shù)管分系統(tǒng)系統(tǒng)管理單元(SMU)為核心，完成系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、單機(jī)/模塊故障監(jiān)視診斷與處置，如圖1所示。

衛(wèi)星自主健康管理的工作內(nèi)容包括4個(gè)部分。

(1)健康管理參數(shù)配置及開(kāi)關(guān)設(shè)置：各項(xiàng)健康管理功能的閾值、判決時(shí)長(zhǎng)、判決邏輯、當(dāng)班機(jī)等參數(shù)均存儲(chǔ)在健康管理參數(shù)配置表中，并可通過(guò)地面上注修改；所有健康管理功能均各自獨(dú)立并可由地面進(jìn)行使能禁止控制。

(2)健康數(shù)據(jù)生成：SMU匯集數(shù)管分系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口單元(DIU)采集的硬通道遙測(cè)和各總線遠(yuǎn)程終端(RT)傳輸?shù)倪b測(cè)進(jìn)行判斷，當(dāng)遙測(cè)不滿足判讀條件時(shí)生成對(duì)應(yīng)的健康事件報(bào)告，同時(shí)生成反映衛(wèi)星工作狀態(tài)的健康字遙測(cè)。

(3)故障診斷與自主管理：由SMU依據(jù)健康遙測(cè)自主判讀結(jié)果進(jìn)行故障的識(shí)別、診斷，并在地面使能的條件下，對(duì)明確處置措施、且處置措施無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的故障進(jìn)行自主處理，并形成對(duì)應(yīng)的事件報(bào)告。

(4)健康數(shù)據(jù)下傳：將形成的衛(wèi)星健康狀態(tài)字、事件報(bào)告進(jìn)行匯總，在通過(guò)實(shí)時(shí)信道立即下傳的同時(shí)放入存儲(chǔ)遙測(cè)中。衛(wèi)星入境后，用最短的時(shí)間完成存儲(chǔ)健康數(shù)據(jù)下傳。

1.2 健康管理操控設(shè)計(jì)

為提升健康管理控制的靈活性，衛(wèi)星健康管理功能設(shè)置了兩級(jí)開(kāi)關(guān)：總開(kāi)關(guān)和各子功能開(kāi)關(guān)。通過(guò)兩級(jí)開(kāi)關(guān)設(shè)置，地面可控制任意健康管理功能的獨(dú)立工作。對(duì)于有實(shí)際指令操作的子功能在處置后將其子開(kāi)關(guān)由使能改為禁止，防止反復(fù)多次觸發(fā)的出現(xiàn)。對(duì)于僅監(jiān)視無(wú)實(shí)際操作的子功能，報(bào)警后其子開(kāi)關(guān)不會(huì)禁止，再次滿足條件后可再次觸發(fā)報(bào)警。

數(shù)管SMU設(shè)置有健康管理參數(shù)配置表，用于存儲(chǔ)當(dāng)班機(jī)設(shè)置以及各項(xiàng)功能的判決閾值、判決時(shí)長(zhǎng)、判決邏輯等內(nèi)容，地面可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化指令模板上注指令進(jìn)行靈活修改。此外，為降低健康管理誤判的發(fā)生率，SMU對(duì)各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，包括加斷電狀態(tài)、光照條件、星體姿態(tài)等，作為健康診斷的前置條件。

1.3 健康管理判據(jù)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星采用多種措施保證健康診斷的正確性，包括：①通過(guò)設(shè)置特殊前置條件，多源數(shù)據(jù)組合判斷，防止誤觸發(fā)健康診斷及故障處置；②除了滿足一系列組合條件外，為防止一次故障反復(fù)觸發(fā)健康事件，僅有當(dāng)該事件由“正常態(tài)”跳變至“異常態(tài)”時(shí)才會(huì)觸發(fā)故障處置和生成事件報(bào)告，“異常態(tài)”跳變至“正常態(tài)”或長(zhǎng)期處于“異常態(tài)”時(shí)，不會(huì)觸發(fā)健康事件；③為防止數(shù)據(jù)偶發(fā)跳變導(dǎo)致報(bào)警，通常采用持續(xù)判決不小于10 s或連續(xù)不少于3拍數(shù)據(jù)異常才觸發(fā)健康事件報(bào)警的策略。健康事件條件判決示例如表1所示。

表1 健康事件條件判決示例Table 1 Sample of health event judge condition

1.4 健康事件報(bào)告設(shè)計(jì)

高分多模衛(wèi)星改進(jìn)了健康事件報(bào)告的設(shè)計(jì)，除傳統(tǒng)的事件發(fā)生時(shí)刻及事件代碼外，增加了事件附屬信息，可用于反映故障時(shí)刻的關(guān)鍵遙測(cè)值，便于地面接收到事件報(bào)告后快速定位故障，如表2所示。

表2 健康事件報(bào)告格式Table 2 Health event report format

健康事件報(bào)告多級(jí)存儲(chǔ)多通道下傳。衛(wèi)星觸發(fā)健康報(bào)告后，SMU將事件報(bào)告通過(guò)突發(fā)信道立即下傳。同時(shí)，還存儲(chǔ)在SMU內(nèi)存中不斷通過(guò)循環(huán)存儲(chǔ)信道下傳。此外，事件報(bào)告還與衛(wèi)星密集遙測(cè)數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)在SMU小固存中，通過(guò)數(shù)傳信道下傳。這樣就確保了境內(nèi)健康事件地面可立即接收到，境外健康事件入境后地面測(cè)控系統(tǒng)可接收到，整星全部密集遙測(cè)數(shù)據(jù)由數(shù)傳信道定期下傳，保證了地面及時(shí)、完備地獲取事件報(bào)告。

2 重大安全健康管理設(shè)計(jì)

整星安全控制操作涉及到整星的安全運(yùn)行，能源、姿態(tài)和測(cè)控鏈路等危及整星安全的故障，需要衛(wèi)星持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)異常或故障發(fā)生時(shí)，自主判斷并且及時(shí)處理，防止故障擴(kuò)散。高分多模衛(wèi)星新增能源異常分級(jí)報(bào)警處置，對(duì)輕度能源異常、重度能源異常分級(jí)進(jìn)行處置。高分多模衛(wèi)星重大安全健康管理設(shè)計(jì)內(nèi)容見(jiàn)表3。

表3 重大安全健康管理設(shè)計(jì)Table 3 Design of major safety management

3 基礎(chǔ)健康管理設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)健康管理用于整星一般健康事件自主恢復(fù)、報(bào)警。相比原有遙感衛(wèi)星，高分多模衛(wèi)星主要改進(jìn)如下：①增加了設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能，重點(diǎn)對(duì)單機(jī)/模塊的非預(yù)期自主切換進(jìn)行報(bào)警，防止出現(xiàn)在軌漏判現(xiàn)象的發(fā)生；②對(duì)于重點(diǎn)單機(jī)溫度、工作電壓、工作電流等重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可對(duì)短期超限問(wèn)題及可自恢復(fù)故障進(jìn)行有效報(bào)警；③加強(qiáng)總線異常診斷，新增對(duì)總線數(shù)據(jù)正確性的檢查，避免了僅檢查RT端總線芯片正常而無(wú)法發(fā)現(xiàn)RT軟件工作異常的情況。高分多模衛(wèi)星基礎(chǔ)健康管理設(shè)置如表4所示。

表4 基礎(chǔ)健康管理設(shè)計(jì)Table 4 Design of elementary management

4 在軌驗(yàn)證

自2020年7月3日高分多模衛(wèi)星發(fā)射入軌以來(lái)，經(jīng)過(guò)約10個(gè)月的在軌運(yùn)行，自主健康管理系統(tǒng)準(zhǔn)確報(bào)警并處置了多起健康異常事件，有效保證了衛(wèi)星的在軌安全及任務(wù)連續(xù)運(yùn)行。自主健康管理系統(tǒng)對(duì)多次短期超限問(wèn)題及可自恢復(fù)故障，均100%及時(shí)、正確給出了事件報(bào)告，未發(fā)生健康系統(tǒng)誤診斷、誤報(bào)警，為地面運(yùn)行管理及衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了有效的支持。此外，經(jīng)衛(wèi)星在軌詳細(xì)健康評(píng)估，未發(fā)現(xiàn)漏報(bào)健康事件。上述情況證明了高分多模衛(wèi)星經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的健康判決系統(tǒng)工作的可靠性。

經(jīng)在軌運(yùn)行表明：高分多模衛(wèi)星能自主對(duì)整星健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；并在故障發(fā)生時(shí)，實(shí)施自主診斷、隔離和恢復(fù)，最大限度地保證衛(wèi)星安全，能有效監(jiān)測(cè)報(bào)告，短期可自恢復(fù)正常。檢測(cè)到故障信息后的1 s內(nèi)，即可完成事件報(bào)告生成并啟動(dòng)故障處置程序，大幅提升了故障響應(yīng)的及時(shí)性，提高了衛(wèi)星在軌自主運(yùn)行的可靠性及地面運(yùn)行管理的效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)高分多模衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵設(shè)計(jì)進(jìn)行了描述，給出了相對(duì)現(xiàn)有遙感衛(wèi)星健康診斷的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，提出了衛(wèi)星健康系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化星地操控接口及事件報(bào)告設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)在軌驗(yàn)證，高分多模衛(wèi)星健康管理系統(tǒng)工作可靠、健康診斷準(zhǔn)確，異常事件報(bào)告準(zhǔn)確，無(wú)誤報(bào)、漏報(bào)，健康事件報(bào)告生成、下傳及時(shí)有效。目前，高分多模衛(wèi)星自主健康管理系統(tǒng)在軌工作正常，其設(shè)計(jì)方法已推廣至后續(xù)遙感衛(wèi)星中。