高分三号卫星自主健康管理系统设计与实现

王文平 王向晖 徐浩 田贺祥 蒋昱 潘莉

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分三号卫星自主健康管理系统设计与实现

王文平 王向晖 徐浩 田贺祥 蒋昱 潘莉

(北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

在分析遥感卫星自主健康管理需求和目标的基础上,对自主健康管理进行分级,提出高分三号(GF-3)卫星自主健康管理系统架构,设计可重配置的遥测在轨实时监测与量化管理系统,实现了标准化遥测监视表设计、可量化故障事件包设计、可量化统计事件包设计、故障和统计事件包自主生成条件、曲线比对功能等共性关键技术。GF-3卫星在轨运行结果表明:卫星能够在非地面干预的情况下自主对整星健康状态进行实时监测,并在故障发生时实施自主诊断、隔离和恢复,最大限度地保证卫星安全,有效提高卫星在轨自主运行的可靠性。

高分三号卫星;自主健康管理;故障诊断;实时监视;量化管理;遥测监视表

1 引言

遥感卫星在国土勘察、国民经济中发挥着重要作用,日益成为各国重要的战略资源。提高卫星在轨运行的高可靠性、高自主性,已成为当前航天领域的共识[1-4]。随着遥感卫星技术的发展,遥感卫星计算机对星上各分系统的数据处理和管理能力得到较大提升,这为星上数据自主管理的智能自主化提供了良好的硬件基础。传统的遥感卫星故障诊断及卫星健康状态管理策略以被动为主,主动为辅,实现思路是通过星载计算机汇集各分系统的遥测参数,通过测控通道下行传输后,由地面作出故障的分析诊断,再通过上行指令完成相关在轨操作,从而实现一定的在轨管理功能[5-9]。这种遥感卫星健康管理机制主要存在以下问题。

(1)测控通道资源浪费。遥感卫星长期在轨运行数据显示,卫星在轨飞行的生命周期中,绝大部分遥测参数显示无异常情况发生。但是,编排好的遥测参数格式,使下行测控通道被大量占用;卫星故障时甚至会延误相关重要故障参数的下传,使地面错过宝贵的应急处置时机。

(2)延时遥测数据占用大量存储空间。遥感卫星的地面可视弧段较短(平均过境时间不足飞行时间的15%),延时遥测数据占用了大量存储空间,过境时传输及星上存储造成了相应的资源浪费。

(3)实时性较差。地面对大量原始数据的处理需要花费一定的时间,即使发现问题也已产生了一定的延时,导致对卫星在轨健康管理的实时性较差。

因此,在轨对星上原始遥测数据进行有效的处理和提炼,是提高遥感卫星在轨可靠性及自主性的重要手段[10]。本文对自主健康管理进行分级,针对高分三号(GF-3)卫星高可靠、高自主和长寿命的需求,设计了基于在轨自主实时监视与量化管理的健康管理系统。GF-3卫星的在轨运行结果表明:卫星对健康状况的敏感性和故障处置的及时性均得到显著提升,同时也提高了遥测在轨监视的标准化程度和在轨自主运行的管理效率。

2 自主健康管理级别定义

根据地面人工对星上健康管理的参与程度,遥感卫星的自主能力可以分为5个级别,如表1所示。其中:5级定义为最高级,也就是完全的星上自主管理,测量、分析判断、决策与执行等功能全部由星载计算机自主完成,不需要任何地面人工干预。1级定义为最低级,卫星健康管理基本上靠地面人工干预,星载计算机仅具有数据采集、遥测下行和执行地面上行指令的功能。

表1 星上自主健康管理级别的划分Table 1 Classification of satellite autonomous health management

目前,中国遥感卫星的自主水平处于2～3级,即实现了在地面人工干预情况下达到一定程度的星上自主健康管理,自主管理的范畴主要是与整星安全密切相关的自主充放电管理(非电源管理)和自主热控管理(被动管理),而且重要决策的作出和重要指令的发出也均由地面人工干预。GF-3卫星具有12种陆海兼容的多极化复杂成像模式,是中国首颗C频段多极化高分辨率合成孔径雷达(SAR)卫星,卫星长期在轨运行时对自主健康管理的需求非常迫切,因此要针对GF-3卫星进行自主健康管理系统的设计。

3 自主健康管理系统设计

GF-3卫星上设计并实现了基于在轨自主实时监视与量化管理的自主健康管理系统,使卫星自主水平达到4级以上。自主健康管理系统是由基于中央单元(CTU)的专项健康管理和基于数据处理单元(DPU)的共性健康管理两部分共同协同实现,如图1所示。CTU健康管理用于汇集卫星遥测参数和分系统健康状态,实现卫星整星级自主健康管理策略,对卫星健康指数进行生成和发布;DPU健康管理用于对卫星各分系统的遥测参数进行统计分析、边界检查、期望值检查、偏差检查、趋势分析、监视表维护等共性健康管理。在GF-3卫星自主健康管理系统设计中包括多项共性关键技术,为卫星自主健康管理从简单到智能自主的提升起到重要作用。

3．1 CTU健康管理

CTU健康管理的功能主要包括以下3个方面。

(1)汇集卫星遥测参数和分系统健康状态。CTU通过远置单元采集卫星硬通道遥测参数,通过1553B总线采集分系统软通道遥测参数,通过1553B总线收集分系统健康状态数据包,并将以上数据作为自主健康管理的输入。

(2)实施系统级自主健康管理策略。CTU关注的是系统级的自主健康管理策略,即需要多个分系统协同完成的健康管理,具体涉及电源健康管理、测控健康管理、控制健康管理、热控健康管理、信息健康管理及载荷健康管理等专项健康管理。

(3)生成和发布卫星健康状态指数。健康状态指数是星上健康级别的划分标准,在不同级别下的星上自主健康管理策略有所不同。在健康级别高时,以优化为主;健康级别低时,以安全为主。卫星将健康状态指数作为高优先级的遥测参数下传,遥测源包调度也考虑了健康状态指数的变化情况。表2为根据卫星健康状态结果得到的卫星健康状态指数,并通过总线进行实时广播。

表2 卫星健康状态指数Table 2 Health index of satellite

3．2 DPU健康管理

DPU自主健康管理主要为共性技术,涉及到遥测参数的统计分析、边界检查、期望值检查、偏差检查、趋势分析、监视表维护等功能,这些共性技术所有相关分系统均可提出使用需求,依据需要监视和分析的遥测类型,通过遥测表上注功能实现相关遥测的监视。

基于高性能处理DPU,GF-3卫星实现了一种可重配置的遥测在轨实时监视与量化管理系统(如图2所示)。地面可以通过数据上注的形式在轨实时修改和更新需要监视的遥测参数,修改采用标准化的遥测监视表,能实现在轨遥测监视表的可重配置。DPU遥测在轨实时监视与量化管理对关注的遥测参数进行实时的监测和统计,对监测参数异常的遥测信息自主生成故障事件包,对满足统计条件的遥测参数信息自主生成统计事件包。故障事件包和统计事件包均是可量化的,生成后自主发送给卫星CTU。这样,CTU能实时掌握、关注遥测参数的工作状态,实现在轨卫星遥测参数的量化管理。

3．3 共性关键技术

GF-3卫星遥测在轨实时监视与量化管理,实现了基于国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)协议的标准化遥测监视表设计、可量化故障事件包设计、可量化统计事件包设计、故障和统计事件包自主生成条件、曲线比对功能等共性关键技术。

1)标准化遥测监视表设计

遥测监视表如表3所示。表头为数据总长(预留1 byte),后面跟随N个源包信息;每个源包信息包含3 byte的源包头信息,后面跟随n个参数信息;每个参数信息包含6 byte的参数属性信息,因此每个监视遥测包的属性信息长度为(3＋6n)byte。

表3 标准化的遥测监视表Table 3 Standardization table of telemetry monitoring

2)可量化故障事件包设计

可量化故障事件包如表4所示,当遥测异常检测模块监测到遥测异常时,通过设计可量化的故障事件报告格式输出故障事件包。每个源包信息包含3 byte的源包头信息,后面跟随n个参数信息;每个参数信息包含8 byte的参数属性信息,因此每个故障事件包长度为(3＋8n)byte。

表4 可量化故障事件包Table 4 Quantitative fault event packet

3)可量化统计事件包设计

可量化统计事件包如表5所示,当遥测统计分析模块统计条件成立时,通过设计可量化的统计事件报告格式输出统计事件包。每个源包信息包含3 byte的源包头信息,后面跟随n个参数信息;每个参数信息包含4 byte的参数属性信息,因此每个统计事件包长度为(3＋4n)byte。

表5 可量化统计事件包Table 5 Quantitative statistic event packet

4)故障及统计事件包自主生成条件

(1)故障事件包自主生成条件:卫星实时监测的遥测参数发生跳变,即“正常→异常”,或者“异常→正常”。如果一直处于正常状态或异常状态,则不会产生。

(2)统计事件包自主生成条件:统计事件包自主生成模块检测到上注遥测监视表的处理方式为“进行数据长期平均值计算”。

5)曲线比对功能

曲线比对功能,见图3。

(1)遥测监视表处理方式设置为二进制“11”时,表示启动曲线比对功能。此时,各个源包中的参数起始字节序号相同,即表示对同一参数的曲线上注,用各个源包中的编号表征采样点的变化,从而可以上注表示该参数变化趋势的曲线。

(2)曲线中的第一个点为起始比对点,起始点的时刻为接收到遥测监视表统计分析位为二进制“11”。

(3)编号定义每个采样点上下边界值的排列顺序,“000000000001”为初始排列编号。N个源包对应同一个参数的曲线比对,编号n代表该参数的第n个采样点,上下边界值确定该采样点的取值范围。

(4)监视系统根据上注编号的最大值确定曲线绘制的点数,点数的默认间隔为1 min。

(5)统计时间完成后,统计事件包自主生成模块返回统计事件包。如果超过上下限阈值,则返回故障事件包。

4 在轨验证

GF-3卫星上实现了遥测在轨自主实时监视与量化管理,解决了一次性地面批量上注遥测监视信息、一次性在轨实时批量修改与重配置遥测监视信息、被监视遥测的异常信息和统计信息自主且量化生成等问题,具有较高的灵活性和在轨可操作性,从而显著提升了遥测在轨监视方式的标准化程度和在轨自主运行管理的效率。

GF-3卫星已完成在轨自主健康管理工程验证,结果表明:卫星对健康状况的敏感性和处置故障的及时性得到了显著提升,分系统终端能实时主动掌握整星健康状态,依据不同级别健康状况及时启动安全管理策略,能够保障卫星自主实施故障的监测、隔离和恢复,将故障处理时间从目前的不少于1轨(90 min以上)缩减到10 s以内[11]。

5 结束语

本文对卫星自主健康管理的能力进行了分级定义,并对GF-3卫星在轨自主实时监视与量化管理的健康管理系统的设计和关键技术进行了详细描述,最后给出了工程验证的结果。GF-3卫星自主健康管理的相关技术成果,已推广应用到后续多个遥感卫星,可以提高卫星的安全性、自主性,同时能降低成本。

References)

[1]罗荣蒸,孙波,张雷,等．航天器预测与健康管理技术研究[J]．航天器工程,2013,22(4):95-102 Luo Rongzheng,Sun Bo,Zhang Lei,et al．Analysis of PH M technology for spacecraft[J]．Spacecraft Engineering,2013,22(4):95-102(in Chinese)

[2]潘宇倩,张弓,白东炜,等．卫星健康管理故障诊断算法的设计及其实现[J]．航天器工程,2011,20(5):37-42 Pan Yuqian,Zhang Gong,Bai Dongwei,et al．Design and implementation of fault diagnosis algorithm for satellite health management[J]．Spacecraft Engineering,2011,20(5):37-42(in Chinese)

[3]Carlos G,Alan C．Health management and automation for future space systems,AIAA 2005-6803[R]．Washington D．C．:AIAA,2005

[4]Gordon B．A review of system health state determination methods,AIAA 2005-2528[R]．Washington D．C．:AIAA,2005

[5]孙博,康锐,谢劲松．故障预测与健康管理系统研究和应用现状综述[J]．系统工程与电子技术,2007,29(10):1762-1767 Sun Bo,Kang Rui,Xie Jinsong．Research and application of the prognostic and health management system[J]．Systems Engineering and Electronics,2007,29(10):1762-1767(in Chinese)

[6]常琦,袁慎芳．飞行器综合健康管理(IVHM)系统技术现状及发展[J]．系统工程与电子技术,2009,31(11):52-57 Chang Qi,Yuan Shenfang．Overview of integrated vehiclehealth management(IVHM)technology and development[J]．Systems Engineering and Electronics,2009,31(11):52-57(in Chinese)

[7]李晴,孙国江,李孝同．基于星务管理系统的小卫星自主健康管理系统[J]．航天器环境工程,2012,29(5):574-578 Li Qing,Sun Guojiang,Li Xiaotong．Autonomous healthy management system based on satellite keeping operator[J]．Spacecraft Environment Engineering,2012,29(5):574-578(in Chinese)

[8]梁克,邓凯文,丁锐,等．载人航天器在轨自主健康管理系统体系结构及关键技术探讨[J]．载人航天,2014,20(2):116-121 Liang Ke,Deng Kaiwen,Ding Rui,et al．Autonomous on-orbit health management architecture and key technologies for manned spacecrafts[J]．Manned Spaceflight,2014,20(2):116-121(in Chinese)

[9]刘帆,刘兵,王力,等．一种基于投影寻踪的航天器健康评估方法[J]．飞行器测控学报,2016,35(5):351-357 Liu Fan,Liu Bing,Wang Li,et al．A method of spacecraft health assessment based on projection pursuit algorithm[J]．Journal of Spacecraft TT&C Technology,2016,35(5):351-357(in Chinese)

[10]余晟,张海祥,宋宏江,等．基于推演式聚类学习算法的卫星健康状态监视系统[J]．航天器工程,2016,25(5):80-84 Yu Sheng,Zhang Haixiang,Song Hongjiang,et al．A satellite health status monitoring system based on deductive clustering algorithm[J]．Spacecraft Engineering,2016,25(5):80-84(in Chinese)

[11]张庆君．高分三号卫星总体设计与关键技术[J]．测绘学报,2017,46(3):269-277 Zhang Qingjun．System design and key technologies of the GF-3 satellite[J]．Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(3):269-277(in Chinese)

Design and Implementation of Autonomous Health Management System for GF-3 Satellite

WANG Wenping WANG Xianghui XU Hao TIAN Hexiang JIANG Yu PAN Li
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

An autonomous health management classification is made based on the analysis of requirement for remote sensing satellite．The architecture of GF-3 satellite autonomous health management is proposed,and satellite telemetry real-time monitoring and quantitative management system on-orbit is designed．The key technologies are described including standardization table of telemetry monitoring,quantitative fault event packet,quantitative statistic event packet,and curve comparison function．The results of GF-3 satellite on-orbit operation show that the satellite telemetry data are monitored in real-time,and the fault detection,isolation and recovery strategy are triggered in case abnormal telemetry characteristic occurs,therefore autonomous health management is useful to assure the safety of satellite,and to improve the reliability of spacecraft autonomy．

GF-3 satellite;autonomous health management;fault diagnosis;real-time monitoring;quantitative management;telemetry monitoring table

V474．2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.007

2017-10-25;

2017-11-10

国家重大科技专项工程

王文平,男,工程师,研究方向为航天器数据系统总体设计。Email:wangwenping304＠163．com。

(编辑:夏光)