基于關聯知識的航天器有效載荷遙測數據仿真方法

蔡曉瑋，智 佳，陳志敏，陳 托，楊甲森+

(1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190； 2.中國科學院大學 計算機科學與技術學院，北京 100049)

0 引 言

基于數字孿生[1]思想對有效載荷進行建模，以仿真設備替代物理實體，在單臺、多臺，甚至全部載荷缺失的情況下實現衛星系統和有效載荷分系統的虛擬集成、虛擬測試，是驗證有效載荷分系統總體和接口設計、提升航天器系統可靠性的有效方法。遙測與注入指令是判讀和控制有效載荷工作狀態的基本依據，也是載荷工作原理、自主控制、在軌健康管理設計的載體。遙測與注入指令數據的仿真是有效載荷仿真的重要內容。

傳統載荷遙測數據的仿真，大多采用基于載荷物理原理和行為特性的方法。文獻[2]通過模擬電流、電壓、電阻、溫度的遙測參數，構建多模塊航天器電源系統的仿真模型。文獻[3]基于原理模型、通信接口模型、誤差模型和故障模型構建數字衛星，通過仿真遙測參數數據動態模擬衛星的工作原理和狀態。文獻[4,5]采用窗口樹模型和狀態轉移圖來仿真遙控遙測指令數據的系統級行為，構建虛擬測試平臺原型系統以驗證遙測參數接口實現的正確性。文獻[6]依據仿真動力學特性相關遙測數據，提出建立基于數據驅動和模型的混合仿真航天器驗證環境(spacec-raft verification environment，SVE)系統，與測試系統進行交互以實現閉環模擬。

上述基于載荷物理原理、行為特性的遙測數據仿真，建模方法相對復雜，且仿真輸出的遙測數據較少反映遙測參數與注入指令、自主控制策略、健康管理策略的關聯特征[7]。本文從遙測數據閾值、周期、線性、區間、函數等多維度關聯特征的角度，提出一種基于關聯知識的航天器有效載荷遙測數據仿真方法。以天問一號載荷控制器、中分辨率相機為例，基于本文方法構建有效載荷半物理仿真系統。任務實踐結果表明，仿真系統輸出的遙測數據，能夠在一定程度上反映有效載荷工作過程，可以滿足載荷分系統集成測試的工程需求。

1 問題模型描述

1.1 遙測數據的概念

有效載荷遙測數據是通過測控信道下行，反映載荷設備工作及運行狀態的數據[8]。對于遙測變量dk， 長度為z的遙測時間序列表示為

dk=[d1k,d2k,…,dzk]T

(1)

有效載荷的遙測變量存在多種變化規律，包括隨時間的線性、周期性等規律性變化或保持恒定[9]，或在某個事件發生后保持變化[10]。同時，不同遙測變量之間、遙測變量與注入指令之間還存在多種關聯關系[11,12]。

1.2 遙測數據關聯知識的概念

遙測數據關聯知識是指，載荷設備的一個遙測變量在不同時段的取值或者兩個及兩個以上遙測變量的取值之間，以及注入指令與遙測變量取值之間，健康管理策略與遙測變量的取值之間，設備故障與遙測變量的取值之間存在的規律性[13]。

載荷數據的關聯知識，反映有效載荷的工作原理、耦合設計、系統運行規律?；陉P聯知識進行有效載荷遙測數據仿真，是一種將載荷設計知識、載荷數據特性知識等融合的復合性研究方法。深入了解有效載荷數據中的這些關聯知識，并能夠對這些關聯關系進行知識抽象和表示，對于解決衛星集成測試的關聯參數判讀、數據處理、多元異常檢測、故障診斷等都具有非常重要的意義[14-16]。

1.3 基于關聯知識的載荷遙測數據仿真問題描述

將基于關聯知識的載荷遙測數據仿真問題描述為三元組I=(P,C,D)， 其中P={p1,p2,…,pl} 為l個與遙測變量相關的參數，C={c1,c2,…,cm} 為m個注入指令集合，D={d1,d2,…,dk} 為k個遙測變量取值即遙測數據集合。設W是平面上的一個點集，由W到實數集的映射f稱為二元函數，為y=f(c,p)， 其中y∈D，c∈C，p∈P。 有效載荷遙測數據生成模型可表示為

{y|y=f(c,p),(c,p)∈W}

(2)

2 有效載荷遙測數據仿真模型的構建

2.1 算法流程與框架

基于關聯知識構建有效載荷遙測數據生成模型，步驟如下：①對三元組數據I=(P,C,D) 中的遙測變量和注入指令進行預處理，對關聯知識進行梳理和分類；②對關聯知識進行數學建模，構建有效載荷遙測數據的生成模型；③基于生成模型對有效載荷遙測數據進行仿真。方法框架如圖1所示。

圖1 方法框架

遙測變量關聯知識建模方法，包括單遙測變量、多遙測變量、注入指令與遙測變量、健康管理策略與遙測變量關聯知識建模。

2.2 單遙測變量關聯知識建模

單遙測變量關聯知識是指單一遙測變量在不同仿真步長下的取值之間的關聯，包含枚舉關聯、閾值關聯、增量枚舉關聯、周期關聯、趨勢關聯。

(1)枚舉關聯：對于枚舉集合V={v1,…,vn}， 任意仿真步長t時刻下遙測變量的取值y(t)， 皆屬于集合V， 其數學模型為

y(t)=α1v1+α2v2+…+αnvn

(3)

具有枚舉關聯的遙測變量一般為載荷狀態量、開關量，包括設備工作模式、錯誤碼、使能標志等。如遙測變量地形地貌相機工作模式的設計取值屬于枚舉集合V={0x00,0x01,0x02}, 其中0x00代表不工作，0x01代表靜態拍照工作模式，0x02代表動態攝像模式。

(2)增量枚舉關聯：對于枚舉集合V={v1,…,vn}， 任意相鄰兩個仿真步長ti和ti-1時刻下遙測變量的取值y(ti) 和y(ti-1)， 皆有y(ti)-y(ti-1)∈V， 其數學模型為

y(ti)-y(ti-1)=α1v1+α2v2+…+αnvn

(4)

具有增量枚舉關聯特征的遙測變量一般包括母線電流、傳輸幀計數、校時次數、總線數據廣播次數等。如各載荷設備加電前后，遙測變量母線電流分別增加0.3 A，0.5 A；遙測變量全球定位系統 (global positioning system，GPS)請求計數，在間隔4 s的情況下增量值恒為8。增量枚舉關聯的遙測變量仿真時，需要指定其初值y(t0)。

(3)閾值關聯：已知閾值區間VThr=[vmin,vmax]，任意仿真步長t時刻下遙測變量Y的取值y(t)， 皆屬于區間VThr， 即為閾值關聯，其數學模型為

y(t)=vmin+ε(vmax-vmin)

(5)

式中：ε為0到1之間的隨機數。

具有閾值關聯特征的遙測變量一般為載荷的電壓、電流、溫度、壓力等。如遙測變量母線電流的設計取值屬于區間[0,5],即母線電流的設計值最小為0 A，最大為5 A。

(4)周期關聯：已知遙測變量Y，在仿真步長集合 {t0,…,tl} 下的取值集合為 {y(t0),…,y(tl)}， 若y(ti+l)=y(ti)， 其中i∈[0,l]， 那么該遙測變量Y具有周期關聯的特征。其數學模型為

y(ti+l)=y(ti)

(6)

式中：l為遙測變量的周期。

具有周期關聯的遙測變量一般包括：與衛星軌道周期關聯的姿態參數、軌道參數、太陽陣電源等參數，以及在多次重復進行相同事件、試驗時的遙測參數等。如某衛星遙測變量J2000衛星速度Z方向具有5400 s左右的周期特性，這與衛星運行的軌道周期大致相符。周期關聯的遙測變量仿真時，需要指定首個周期內的仿真初值。

(5)趨勢關聯：在仿真步長t時刻下，遙測變量Y的取值y(t) 呈現線性遞增、遞減、不變的態勢，即趨勢關聯。其數學模型為

y(t)=kt+y(t0)

(7)

式中：k>0線性遞增，k<0線性遞減，k=0不變。

通常表征星載設備定時操作的遙測變量具有趨勢關聯的特征。如載荷遙測變量總線時間碼廣播計數呈現線性遞增趨勢的特征；如載荷開機后，在一定的時段內，其溫度遙測變量表現為持續升溫的趨勢。趨勢關聯的遙測變量仿真時，亦需要指定其仿真初值y(t0)。

2.3 多遙測變量關聯知識建模

多遙測變量關聯知識是指多個遙測變量在同一仿真步長下或不同仿真時刻的取值之間的關聯，包含線性關聯、單調關聯、函數關聯、延時函數關聯。

(1)線性關聯：已知n個遙測變量Y1,…,Yn在仿真步長t下的取值y1(t),…,yn(t)， 存在n個不全為0的數k1,…,kn， 使得

(8)

線性關聯往往反映了載荷設備的耦合設計、方法設計。如某載荷遙測變量數據發送量與載荷管理器遙測變量數據接收量呈現完整正關聯的線性關系，這與兩臺設備的通信接口設計一致；又如遙測變量事件表的剩余事件數與已執行事件數呈現完全負相關的線性關系，這與載荷管理器事件表執行機制設計相符。

(2)單調關聯：任意兩個仿真步長ti,tj下的兩個遙測變量Y1,Y2取值分別為y1(ti),y1(tj),y2(ti),y2(tj)， 恒有

(9)

式中：若取值大于0，則兩個遙測變量為單調正關聯；若取值小于0，則兩個遙測變量為單調負關聯。

(3)函數關聯：對于n個遙測變量Y1,…,Yn在仿真步長t下的取值y1(t),…,yn(t)， 數學模型為

yn(t)=f(y1(t),…,yn-1(t))

(10)

空間環境等物理因素或者載荷內在工作機理是遙測變量函數關聯的主要原因。例如遙測變量太陽能電池陣性能與太陽光照強度、入射角、工作溫度、粒子輻照劑量和發動機羽流污染等遙測變量有關；在慣性坐標系下，遙測變量當前軌道位置的X方向、當前軌道衛星速度的X方向近似為三角函數關系。

(4)延時函數關聯：一個遙測變量對另一個遙測變量的影響并不是瞬時的，必須在一段時間之后表現出來。遙測變量Y1在仿真步長ti的取值為y1(ti)， 遙測變量Y2在仿真步長tj的取值為y2(tj)， 其數學模型為

y2(tj)=f(y1(ti))

(11)

其中，tj>ti。

延時函數關聯是星載設備設計的一種反映。如處于有效載荷內部、安裝于載荷外表面的兩個溫度貼點對應的溫度遙測變量，其變化規律會有一段時間的延遲，內部貼點的溫度遙測表現一般早于載荷外表面貼點。

2.4 注入指令與遙測變量關聯知識建模

注入指令為激勵時，注入指令與遙測變量關聯知識包括區間關聯、數值關聯、增量數值關聯、增量區間關聯[17]。

(1)區間關聯：有效載荷執行注入指令c，遙測變量變化至某區間VThr=[vmin,vmax]， 遙測變量數學模型為

y(c)=vmin+ε(vmax-vmin)

(12)

式中：ε為0到1之間的隨機數。

載荷電壓值和電流值遙測往往滿足區間關聯的性質。如當注入指令載荷控制器主份加電執行后，載荷控制器主份3.3 V電壓遙測變化至區間[2.8,3.8]。

(2)數值關聯：載荷執行注入指令c后，其遙測變量Y將變化為定值vcon，數學模型為

y(c)=vcon

(13)

數值關聯常見于與指令關聯的布爾遙測變量或者枚舉遙測變量。如注入指令高分辨率相機主份開執行后，載荷開關機狀態遙測變量的bit1變為1；注入指令地形地貌相機設置為動態攝像模式執行后，地形地貌相機設備工作模式遙測變量值變為0x02等。

(3)增量數值關聯：載荷執行注入指令c前后，對應時刻tF,tB， 其遙測變量Y數值之差為定值vcon，數學模型為

y(c,tB)-y(c,tF)=vcon

(14)

遙測變量載荷注入計數通常滿足這一關聯特征。如注入指令互補金屬氧化物半導體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)圖像輸出請求執行后，遙測變量數據注入包接收計數固定遞增1。

雖然，臨澤縣近年來加大了農業生產力度，但采取的維護措施存在滯后性。面對農產品的安全問題，政府有關部門要予以高度重視，做好農業綠色化發展引導工作。維護好農業生態環境，對農業的可持續發展起到重要作用。然而，生態環境保護不是一蹴而就的，是需要系統化展開的，唯有長期堅持才能獲得良好的效果。面對土壤環境、水環境、空氣環境污染日趨嚴重，要求監督管理部門要加大監督力度，技術部門要采取有效的技術措施予以解決。要定期檢測農業生態環境，發現污染及時解決，避免產生二次污染。

(4)增量區間關聯：載荷執行注入指令c前后，對應時刻tF,tB， 其遙測變量Y取值之差屬于區間VThr=[vmin,vmax]， 數學模型為

y(c，tB)-y(c，tF)=vmin+ε(vmax-vmin)

(15)

式中：ε為0到1之間的隨機數。

如遙控指令地形地貌相機開機執行后，遙測變量母線電流的增量屬于區間[0.28,0.32]。

2.5 健康管理策略與遙測變量關聯知識建模

健康管理策略與遙測變量關聯知識包含多維增量閾值關聯、多維增量區間關聯、單維閾值關聯、連續閾值關聯。

(1)多維增量閾值關聯：當某一仿真t時刻采集的兩個遙測變量Y1,Y2取值y1(t),y2(t) 的差值超出或小于閾值時，執行指令c。數學模型為

y1(t)-y2(t)≥VThr1或y1(t)-y2(t)≤VThr2

(16)

其中，VThr1,VThr2為閾值。

如載荷中分辨率相機當鏡頭溫度與電控盒溫度遙測量值之差達到10時，自動執行關閉相應加熱器注入指令，小于等于9時，自動執行開啟相應加熱器注入指令。

(2)多維增量區間關聯：當某一仿真t時刻采集的兩個遙測變量Y1,Y2取值y1(t),y2(t) 的差值屬于某一區間VThr=[vmin,vmax] 時，執行指令c。數學模型為

y1(t)-y2(t)=vmin+ε(vmax-vmin)

(17)

其中，ε為0到1之間的隨機數。

(3)單維閾值關聯：遙測變量Y的取值超出或小于閾值時，執行指令c。數學模型為

y(t)>VThr1或y(t)

(18)

其中，VThr1,VThr2為閾值。

(4)連續閾值關聯：遙測變量Y的取值連續超出閾值n次后，執行關聯指令c。數學模型為

y(ti-n)>vThry(t…)>vThry(ti)>vThr

(19)

其中，vThr為閾值。

如監測遙測變量載荷整機工作電流超限3次后，載荷管理器自動執行載荷設備斷電指令；監測遙測變量載荷溫度超限兩次后，載荷管理器自動執行載荷關機指令。

3 仿真校驗

仿真校驗內容為，以天問一號載荷控制器和中分辨率相機為例，先對該有效載荷的遙測數據、注入指令以及遙測數據與注入指令之間的關聯知識進行提取和分類，根據有效載荷遙測數據生成模型的構建算法，基于關聯知識構建有效載荷遙測數據仿真模型。將模型應用于天問一號有效載荷半實物仿真系統，驗證了模型的工程應用性。

3.1 數據準備

本文選用的實驗數據來源于天問一號火星探測任務的測試細則數據，對細則數據進行預處理，篩選出注入指令與對應的遙測變量，為關聯知識的提取與分類做準備。

3.2 基于關聯知識的遙測數據仿真方法的實驗驗證

(1)載荷控制器。根據載荷控制器單機功能的測試指令與數據，對載荷控制器的注入指令與遙測變量進行關聯知識的提取與分類，得到包含的注入指令與遙測參數關聯知識見表1。

表1 載荷控制器指令與遙測變量關聯知識

由載荷控制器的注入指令與遙測變量關聯知識可得，包含關聯知識類型有區間關聯、數值關聯、增量數值關聯，對關聯知識進行數字化描述，對生成的遙測變量進行數學建模，包含的數學模型有：

1)區間關聯：y(c)=vmin+ε(vmax-vmin)，VThr=[2.8,3.8] 或VThr=[4.5,5.5]。

2)數值關聯：y(c)=vcon， vcon={0,1}。

3)增量數值關聯：y(c,tB)-y(c,tF)=vcon， vcon=1。

注入指令用c0～c6表示，遙測變量用Y0～Y6表示，見表2。經過若干次實驗，遙測變量Y0，Y1始終在3.3±0.5 V和5±0.5 V范圍內波動，符合電壓遙測的范圍，如圖2所示。隨著實驗次數的增加，遙測變量Y2，Y3，Y4，Y5，Y6生成的遙測數據均保持不變見表3。比如載荷補償熱控開機，則遙測變量傳送指令的接收計數加1，載荷熱控開關狀態變為1；再比如低電壓差分信號(low voltage differential signaling，LVDS)選擇主份時，數據注入包接收計數加1，科學數據接收通道主備狀態變為0。實驗結果表明，仿真結果與星載設計相符，與設備控制邏輯工作原理具有一致性。

表2 載荷控制器指令與遙測變量的表示

圖2 載荷控制器主備份電壓遙測數據

(2)中分辨率相機。根據中分辨率相機單機功能的部分測試指令與數據，得到部分健康管理策略與遙測變量關聯知識見表4。

表3 載荷控制器遙測變量生成模型數據

表4 中分辨率相機健康管理策略與遙測變量關聯知識

由關聯知識抽象出的數學模型有：

1)多維增量閾值關聯：

y1(t)-y2(t)≥VThr1，VThr1=100，c=0；y1(t)-y2(t)≤VThr2，VThr2=90，c=1。

2)單維閾值關聯：

y(t)≥VThr1，VThr1=500時，c=1；y(t)≤VThr2，VThr2=490時，c=0。

開啟加熱器，令遙控指令c=1； 關閉加熱器，令遙控指令c=0； 無指令操作，令c=-1。 對中分辨率相機進行遙測數據的仿真，經多次實驗可得，多維增量閾值關聯規則中，鏡頭溫度與電控盒的模擬量轉數字量(analog to digital，AD)值之差大于等于100時關閉加熱器，小于等于90時開啟加熱器，AD值之差在90～100之間時，無指令操作，如圖3所示；單維閾值關聯規則中，鏡頭溫度的AD值小于等于490時關閉加熱器，大于等于500時開啟加熱器，當AD值在490～500之間時，無指令操作，如圖4所示。實驗結果表明，仿真結果與自主控制設計原理相一致。

圖3 中分辨率相機多維增量閾值關聯

圖4 中分辨率相機單維閾值關聯

采用基于關聯知識對有效載荷進行遙測數據建模仿真的方法，對載荷控制器的建模仿真反映了遙測變量與遙控指令之間的關聯特性。對中分辨率相機的建模仿真，除反映遙測變量與遙控指令的關聯特性外，還反映了遙測變量與自主控制策略、健康管理策略之間的關聯特性。

3.3 航天器有效載荷遙測數據仿真模型的應用

將基于關聯知識的航天器有效載荷遙測數據仿真建模方法應用于航天器有效載荷半實物仿真系統中，如圖5所示。遙測數據內容仿真部分包括單遙測和多遙測變量關聯知識、遙控指令與遙測變量關聯知識、健康管理策略與遙測變量關聯知識的遙測數據生成模塊。生成的遙測數據注入到格式仿真模塊進行遙測源包數據和遙測幀的封裝，而后進行載荷物理接口的仿真。

圖5 航天器有效載荷半實物仿真系統結構流程

構建航天器有效載荷的半實物仿真后，可在單臺、多臺，甚至全部載荷缺失的情況下實現衛星系統和有效載荷分系統的虛擬集成、虛擬測試、故障仿真推演，如圖6所示。航天器有效載荷1是代表有效載荷的物理實體，航天器有效載荷2代表基于關聯知識的虛擬數字載荷。天問一號的實踐結果表明，基于關聯知識的航天器有效載荷遙測數據仿真方法能夠用虛擬載荷替代實體載荷，虛擬載荷可在一定程度上反映有效載荷的工作過程以及滿足載荷分系統集成測試的工程需求。

圖6 航天器有效載荷虛擬測試

4 結束語

自主控制與緊耦合設計是無人值守數字化的有效載荷系統最顯著的特征。為了解決傳統載荷數據仿真方法無法反映不同遙測變量之間、遙測變量與注入指令、自主控制策略、健康管理策略之間關聯特性的問題，提出了基于關聯知識的航天器有效載荷遙測數據仿真的方法。本文主要側重于遙測變量和注入指令、自主控制策略、健康管理策略的關聯知識建模。

基于關聯知識的有效載荷遙測數據仿真方法可作為面向載荷全生命周期的有效載荷數據建模工具，驅動有效載荷半物理仿真單機的研制。意義有：①將有助于縮短研制周期，提升測試效率和載荷測試的自動化水平，從而提高有效載荷科學探測儀器的研制質量，實現科學探測的目標；②這也將推動我國載荷測試領域的技術發展，孵化帶動其它航天型號任務載荷測試系統的進步；③可將基于關聯知識的載荷建模技術進行應用，擴大虛擬仿真規模，模擬航天器分系統以及構建虛擬環境，對虛擬任務進行測試指揮，進一步推動航天器有效載荷測試的智能化發展。