基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 健，熊福敏

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 信息工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110000)

0 引言

航天測(cè)控系統(tǒng)屬于電子系統(tǒng)工程問(wèn)題，對(duì)于該系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，應(yīng)先考慮的是航天任務(wù)要求，從地面基站出發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息獲取，以此確定航天器飛行姿態(tài)[1]。如果某一個(gè)測(cè)控頻段出現(xiàn)故障，就會(huì)影響整個(gè)航天器運(yùn)行狀態(tài)。隨著空間技術(shù)快速發(fā)展，針對(duì)航天測(cè)控頻段可靠性研究日益受到人們重視，尤其對(duì)于航天測(cè)控頻段故障診斷技術(shù)研究成為該領(lǐng)域重要研究?jī)?nèi)容[2]。傳統(tǒng)基于信號(hào)處理的方法受到航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜影響，無(wú)法精準(zhǔn)獲取航天測(cè)控頻段數(shù)據(jù)，其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型難以建立，并且實(shí)時(shí)可用檢測(cè)信號(hào)很少，同樣受到外界環(huán)境干擾，診斷結(jié)果不精準(zhǔn)。為了解決上述問(wèn)題，根據(jù)航天測(cè)控頻段層次結(jié)構(gòu)，提出了基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖1可知，該系統(tǒng)采用集中化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，即由多個(gè)agent組成的集中管理組織，負(fù)責(zé)為各下屬診斷agent提供統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各agent的行為、任務(wù)分配和信息資源共享[3]。

系統(tǒng)主要組成部分主要功能如下：

1)傳感器：傳感器主要負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)航天器的環(huán)境信息和狀態(tài)，將監(jiān)測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，可用于故障預(yù)測(cè)與診斷[4]。

2)推理模塊：分析數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息數(shù)據(jù)，向上級(jí)系統(tǒng)代理發(fā)送故障預(yù)測(cè)結(jié)果和故障狀態(tài)信息；根據(jù)知識(shí)庫(kù)中的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)或模型知識(shí)以及傳感器中的信息，由診斷推理機(jī)根據(jù)上級(jí)代理指派的診斷任務(wù)進(jìn)行初步故障診斷[5]。

3)執(zhí)行器：執(zhí)行器主要負(fù)責(zé)重構(gòu)系統(tǒng)接收的指令，并將該指令發(fā)送給通信控制器。

4)HMI接口：通過(guò)人機(jī)交互，將代理工作狀態(tài)的顯示和診斷結(jié)果呈現(xiàn)給代理，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行更新。

5)通信控制器：從高級(jí)代理收到的消息被發(fā)送到該代理的相關(guān)模塊，并將各模塊產(chǎn)生的結(jié)果發(fā)送到上級(jí)代理。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖2可知，對(duì) A/D信號(hào)進(jìn)行高速采集，通過(guò)檢測(cè)初始行波頭，避免了高負(fù)載，簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)，降低了存儲(chǔ)要求。

2.1 波頭信號(hào)檢測(cè)模塊

波頭信號(hào)檢測(cè)模塊主要是將穿芯式行波傳感器、分壓式行波傳感器接收到的波頭信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信息，并將該信號(hào)傳送到信號(hào)處理模塊[6]。該檢測(cè)模塊是由時(shí)間記錄模塊、采樣處理模塊、北斗短信通信模塊、人機(jī)交互模塊組成的，其中時(shí)間記錄模塊主要負(fù)責(zé)記錄行波到達(dá)時(shí)脈沖觸發(fā)的采樣時(shí)間，并利用采樣處理模塊處理接收到的故障信息進(jìn)行故障判斷[7-9]。一旦故障確認(rèn)后，該模塊立刻將信息反饋給主機(jī)，主設(shè)備采用雙端法確定故障位置，并及時(shí)反饋到人機(jī)交互界面[10-12]。

2.2 地面接收器

地面接收器接收衛(wèi)星輸出的微弱信號(hào)時(shí)，需要經(jīng)過(guò)功率放大、頻率轉(zhuǎn)換、雜波濾波等一系列處理，才能得到所需的數(shù)據(jù)。北斗衛(wèi)星發(fā)出信號(hào)是以最小功率-157.8 dBW和正常功率-146.9 dBW的方式發(fā)送到地面接收機(jī)的，載頻2 491.74 MHz，帶寬8.15 MHz。為確保地面接收機(jī)能準(zhǔn)確采集衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，將接收信號(hào)的靈敏度設(shè)置在-145 dBW[13-15]。

2.3 計(jì)數(shù)器

計(jì)數(shù)器主要統(tǒng)計(jì)本振輸出的脈沖數(shù)，從而調(diào)整頻率范圍，使之保持在可靠范圍內(nèi)。結(jié)合調(diào)頻估計(jì)下一秒時(shí)域，充分考慮線路老化對(duì)時(shí)鐘脈沖的影響。通過(guò)計(jì)時(shí)器，能夠使衛(wèi)星接收機(jī)輸出時(shí)間完整度得以區(qū)分，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。時(shí)間-頻率統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)將北斗授時(shí)接收機(jī)輸出的1 PPS信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)形式，并由北斗授時(shí)接收機(jī)接收該信號(hào)，達(dá)到時(shí)間一致性[16]。若北斗授時(shí)接收機(jī)不能正常工作，則計(jì)數(shù)器將保持原有狀態(tài)，避免信號(hào)接收延遲問(wèn)題出現(xiàn)。

2.4 北斗短報(bào)文模塊

短消息通過(guò)衛(wèi)星將其轉(zhuǎn)發(fā)到基站。經(jīng)過(guò)解密和重新加密后，地面站接收到一個(gè)通信請(qǐng)求信號(hào)，接收端接收輸出信號(hào)，解調(diào)解密輸出信息，通信完成。該模塊下的短消息通信有大約0.5 s傳輸延遲，最大通信頻率是1 s。在安裝了北斗短信模塊之后，終端的短信通信更加高效。北斗短消息通過(guò)北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)收發(fā)信息功能的同時(shí)，也可用于航天測(cè)控頻段的監(jiān)測(cè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置完畢后，北斗短報(bào)文技術(shù)可直接將修改后的數(shù)據(jù)通過(guò)北斗短報(bào)文發(fā)送到中心系統(tǒng)，以便計(jì)算后及時(shí)處理突發(fā)故障。

北斗短報(bào)文模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 北斗短報(bào)文模塊結(jié)構(gòu)

由圖3可知，北斗短報(bào)文模塊服務(wù)主要性能指標(biāo)如下：服務(wù)成功率大于等于95%，服務(wù)頻度一般1次/30 s，最高1次/1 s，響應(yīng)時(shí)間小于等于1 s，終端發(fā)射功率小于等于3 W，服務(wù)容量上行為1 200萬(wàn)次/小時(shí)，下行為600萬(wàn)次/小時(shí)，單次報(bào)文最大長(zhǎng)度為15 000 bit，定位精度可達(dá)95%。

2.5 北斗授時(shí)模塊

根據(jù)使用者與衛(wèi)星通信之間的時(shí)間差，通常至少需要4顆衛(wèi)星來(lái)導(dǎo)航和定位。當(dāng)使用者計(jì)算出來(lái)與衛(wèi)星通信之間的時(shí)間差后，可以通過(guò)北斗授時(shí)模塊修正自己的本地時(shí)鐘，讓它與人造衛(wèi)星的高精度時(shí)鐘同步，這個(gè)過(guò)程叫做定時(shí)。

北斗授時(shí)模塊如圖4所示。

圖4 北斗授時(shí)模塊

由圖4可知，GPS定位系統(tǒng)能夠同時(shí)接收掃射范圍內(nèi)的全部衛(wèi)星信號(hào)，將該信號(hào)傳送的時(shí)鐘服務(wù)器主機(jī)，通過(guò)主機(jī)記錄信號(hào)接收與處理的時(shí)間。經(jīng)過(guò)時(shí)鐘服務(wù)器主機(jī)處理后，可得到兩種時(shí)間信號(hào)，分別是同步脈沖信號(hào)和絕對(duì)時(shí)間信號(hào)，兩種信號(hào)同步誤差不會(huì)超過(guò)1 ns。當(dāng)天線安裝好后，只需從衛(wèi)星上接收信號(hào)，就能保證輸出的準(zhǔn)確時(shí)間。

3 軟件部分設(shè)計(jì)

3.1 故障診斷流程設(shè)計(jì)

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷系統(tǒng)，故障診斷流程如下所示：

步驟1：使用者可直接選擇設(shè)備名稱、型號(hào)及故障類型；

步驟2：基于該方法，用戶可以選擇故障范圍最小的節(jié)點(diǎn)，也可以直接提交故障范圍值，從而確定故障發(fā)生的條件；

步驟3：當(dāng)用戶提交一個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)故障特征信息時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的診斷信息按照搜索策略和故障識(shí)別規(guī)則進(jìn)行匹配，并將匹配結(jié)果輸入到“故障識(shí)別沖突集”中。當(dāng)識(shí)別沖突集為空時(shí)，返回步驟2，如非空白，轉(zhuǎn)至步驟4；

步驟4：根據(jù)故障規(guī)則匹配策略，判斷故障類型識(shí)別是否成功，當(dāng)故障類型識(shí)別失敗時(shí)，需要修改提交規(guī)則。當(dāng)故障類型識(shí)別成功時(shí)，則直接調(diào)用故障類型診斷線程；

步驟5：用戶可以選擇進(jìn)行邏輯推理診斷和系統(tǒng)定位故障類型，獲得精確定位結(jié)果后，按照故障規(guī)則進(jìn)行邏輯推理診斷故障。如果啟用了測(cè)試規(guī)則，則將在錯(cuò)誤對(duì)話框中詢問(wèn)測(cè)試項(xiàng)目，并為該測(cè)試項(xiàng)目提供相關(guān)參數(shù)。如果用戶維護(hù)驗(yàn)證成功，那么診斷維護(hù)記錄按要求歸檔后，診斷工作即結(jié)束；如果用戶維護(hù)驗(yàn)證失敗，那么可參考以前故障類型的診斷和維護(hù)記錄，幫助用戶調(diào)整維護(hù)計(jì)劃。

3.2 基于北斗衛(wèi)星診斷誤差糾正

以秒為基本單位的北斗系統(tǒng)分為單向授時(shí)和雙向授時(shí)，該系統(tǒng)是由衛(wèi)星終端、用戶終端和地面控制中心組成的，如圖5所示。

圖5 北斗衛(wèi)星的單向授時(shí)示意圖

如圖5(a)所示，用戶終端與地面控制中心的精確坐標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)了單向計(jì)時(shí)過(guò)程中的實(shí)時(shí)交互。然而，接收端需要計(jì)算用戶終端的信息，并且接收端需要計(jì)算并校正傳輸延遲。它的特點(diǎn)是地面控制中心負(fù)責(zé)處理所有信息，因此用戶終端系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量較低，位置要求較低[17-18]。

如圖5(b)所示，單方向計(jì)時(shí)方式如下：本地1 PPS為開啟脈沖，用戶接收地面中控系統(tǒng)以其相關(guān)峰值為閉合脈沖的計(jì)時(shí)查詢信號(hào)：

Δφ=Δt+nt+γ

(1)

式(1)中，Δt表示控制用戶終端受到外界環(huán)境影響時(shí)信號(hào)接收的時(shí)間差；n表示傳輸次數(shù)；t表示控制中心發(fā)送信號(hào)與用戶終端接收信號(hào)所需的時(shí)間；γ表述信號(hào)傳輸延遲。通過(guò)分析報(bào)文中的延遲，用戶終端可以獲得準(zhǔn)確的接收時(shí)間，GPS和北斗系統(tǒng)的時(shí)間誤差不超過(guò)100 ns，可以滿足大多數(shù)單位對(duì)精度的要求。

綜上，基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷方法流程如圖6所示。

圖6 航天測(cè)控頻段故障診斷流程

根據(jù)圖6可知，航天測(cè)控頻段故障診斷流程為：設(shè)置單向授時(shí)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶能夠接受到來(lái)自地面中控系統(tǒng)的故障信號(hào)，通過(guò)單向授時(shí)實(shí)時(shí)獲得準(zhǔn)確的故障信號(hào)，并對(duì)故障類型進(jìn)行匹配，輸出配準(zhǔn)的故障類型，即為航天測(cè)控頻段故障診斷結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測(cè)基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷結(jié)果，與傳統(tǒng)診斷方法進(jìn)行對(duì)比，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 實(shí)驗(yàn)要求及數(shù)據(jù)

航天測(cè)控頻段監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要專業(yè)、全面的數(shù)據(jù)檢測(cè)。本文系統(tǒng)通過(guò)子系統(tǒng)的控制檢測(cè)和時(shí)空匹配，采集航天器的數(shù)據(jù)通信信息，輔助模擬飛行激勵(lì)系統(tǒng)模擬工作，根據(jù)預(yù)定的采集參數(shù)采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。航天測(cè)控頻段數(shù)據(jù)的獲取步驟為：

1)數(shù)據(jù)參數(shù)收集:在航天器的運(yùn)行狀態(tài)下，需要判斷輸入數(shù)據(jù)是否超過(guò)了預(yù)設(shè)的閾值范圍，從而檢查航天器輔助設(shè)備的參數(shù)值是否隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。如果發(fā)生變化，則需要確定航天器的運(yùn)行模式；如果沒(méi)有發(fā)生變化，則需要確定設(shè)備參數(shù)值是否與預(yù)期設(shè)置的參數(shù)值一致。

2)數(shù)據(jù)指令查找:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和采集，進(jìn)行指令搜索。依據(jù)接收到的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的搜索，并根據(jù)具體情況決定命令搜索的起點(diǎn)。

3)數(shù)據(jù)通信收集:指令搜索完成后，可以利用搜索結(jié)果對(duì)航天器運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，在探測(cè)期間收集由航天器發(fā)送的數(shù)據(jù)通信信號(hào)，并指定飛行時(shí)間的飛行狀態(tài)。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了驗(yàn)證基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)是以航天測(cè)控頻段的雷達(dá)故障為例進(jìn)行研究的，假設(shè)雷達(dá)故障主要原因主要有兩種，分別是信號(hào)線松動(dòng)、陀螺輸出有波紋，接收故障短報(bào)文內(nèi)容的測(cè)控系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 天基測(cè)控系統(tǒng)

如圖7所示，通過(guò)天基測(cè)控系統(tǒng)接收北斗短報(bào)文，獲取航天測(cè)控頻段故障診斷脈沖信號(hào)，分別得到雷達(dá)信號(hào)線松動(dòng)的幅值及陀螺輸出波紋的角度量漂移值，與實(shí)際值相對(duì)比，驗(yàn)證所提方法的有效性，并以解析模型及信號(hào)處理方法作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法，進(jìn)一步體現(xiàn)所設(shè)計(jì)方法的故障診斷精度。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 信號(hào)線松動(dòng)

依據(jù)上述情況，分別使用解析模型、信號(hào)處理方法及北斗衛(wèi)星診斷方法診斷信號(hào)線松動(dòng)脈沖，如圖8所示。

圖8 3種方法信號(hào)線松動(dòng)脈沖信號(hào)診斷結(jié)果對(duì)比分析

4.3.2 陀螺輸出有波紋

使用4種方法的陀螺輸出有波紋診斷結(jié)果，如圖9所示。

圖9 3種方法陀螺輸出有波紋診斷結(jié)果對(duì)比分析

由圖9可知，分別使用傳統(tǒng)的兩種方法角度量漂移與實(shí)際值在0～1 000 ms診斷時(shí)間內(nèi)一致，而在1 000～3 000 ms診斷時(shí)間內(nèi)相差較大；而使用基于北斗衛(wèi)星診斷方法，在診斷時(shí)間內(nèi)角度量漂移與實(shí)際值一致，誤差為0。由此可見(jiàn)，基于北斗衛(wèi)星診斷方法的陀螺輸出波紋檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際值一致。由于本文方法采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，通過(guò)北斗授時(shí)模塊保證了輸出時(shí)間準(zhǔn)確性，通過(guò)北斗衛(wèi)星診斷技術(shù)糾正了診斷誤差。因此其診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測(cè)控頻段故障診斷系統(tǒng)，結(jié)合北斗衛(wèi)星單向時(shí)序故障診斷技術(shù)，不僅能快速、準(zhǔn)確地分析故障、定位故障，大大提高故障排除的效率，而且能幫助科技人員找出設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)。相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)，該系統(tǒng)大大減少了不必要干擾因素，提高了接收數(shù)據(jù)的清晰度，簡(jiǎn)化了操作流程，增加了整體技術(shù)參與度，能夠滿足用戶需求。