神舟飞船飞控任务故障诊断方案设计与应用

杨海峰， 肖雪迪， 俞 进

（北京空间飞行器总体设计部， 北京 100094）

1 引言

2022 年4 月16 日9 时56 分，随着神舟十三号返回舱在东风着陆场安全降落，标志着中国空间站关键技术验证阶段第二次载人交会对接任务获得圆满成功。 神舟十三号在轨运行180 d，创造了神舟飞船载人飞行任务时长新纪录。 随着中国进入空间站任务时代，神舟飞船发射频率将显著提高，天地往返运输任务将成为常态。

神舟十一号及以前在轨飞行任务时间均不超过30 d，飞行时间较短。 为确保航天员安全，随时应对应急情况，飞控任务以地面人工监控为主，对飞船状态的故障诊断均通过人工完成。 在载人航天工程二期发射任务间隔时间长、在轨飞行时间短的背景下是可行的。 随着空间站任务阶段一年发射2 艘载人飞船、单次任务持续180 d 成为常态，完全依靠人工判断和故障诊断显然不可行，必须借助于自动化手段。

航天器故障诊断方法可以分为3 大类：基于规则、基于数据驱动和基于模型［1-4］。 NASA 已经开发出一些较为成熟的故障诊断工具， 如TEAMS-RT、Livingstone 等［5］。 基于规则的故障诊断方法通过对专家的经验总结，描述故障现象，方法简单直观，易于开发实现；基于数据驱动的故障诊断方法通过历史数据或仿真学习，总结规律并诊断故障，分为基于统计分析的方法、基于信号处理的方法和基于人工智能的方法；基于模型的故障诊断方法通过建立计算模型进行故障诊断，包括定性模型、定量模型和解析模型。其中，基于数据驱动的方法需要开发具有自主学习能力的复杂故障诊断软件，基于模型的方法需要建立整船复杂的数学模型，这2 种方法对神舟飞船来说均难以实现，且设计师难以确定诊断结果的正确性，短时间内无法在关乎航天员生命安全的系统上实现。

本文针对空间站任务阶段神舟飞船在轨长期飞行任务特点，开展组合体停靠段故障诊断需求分析、数据包络分析、规则设置分析，提出了基于规则的故障诊断方案，并在神舟十三号飞控任务中首次成功应用。

2 任务特点分析

空间站任务神舟飞船的飞控任务阶段主要包括：发射段、交会对接段、组合体停靠段、撤离及返回准备段、返回再入段和回收着陆段。 其中发射及交会对接段、组合体分离后的返回段分别采用了快速交会对接、快速返回技术，均能够在7 h 以内完成交会对接和返回，典型任务剖面见图1。这2 个任务段关键事件密集、模式转换快、持续时间短，需要专业的飞控技术人员24 h 在岗，适合人工判读及故障诊断。 而在组合体停靠段，神舟飞船具有以下特点：

图1 空间站任务阶段神舟飞船任务剖面示意图Fig.1 The mission profile of Shenzhou spacecraft in the space station mission

1）飞船已有14 次在轨完整飞行试验经历，而组合体停靠任务则经过了神舟八号至神舟十二号共计5 次飞行验证，有一定的试验数据积累。

2）飞船大部分设备处于断电贮存模式，与卫星型号长期独立工作状态明显不同。 如仪表、对接机构、推进、GNC、测控等处于完全或大部分断电贮存状态，平台设备状态及工作模式相对稳定。

3）飞船组批生产模式下技术状态相对稳定，一年2 次发射任务，在轨飞行试验的数据一致性较好，便于试验数据的持续积累和比对。

4）空间站飞行姿态及构型有变化，会对飞船能源、外热流产生影响，表现在飞船平台设备热控参数波动剧烈、供配电模式变化。 大系统接口及影响也比较明确。

基于以上任务特点分析，采用基于规则的故障诊断方法比较适合神舟飞船组合体停靠段飞控任务，相对简单且短时间内容易实现。 而数据驱动、基于模型等故障诊断方法等对智能化、建模水平等要求很高［6-8］，更适用于起点高的新一代航天器［9-10］。

3 基于规则的故障诊断方案设计

3.1 需求分析

神舟飞船组合体停靠段主要任务为等待停靠任务、正常结束实施返回任务、出现组合体失火失压等紧急重大故障时，随时待命应急撤离。

停靠期间航天员主要在空间站舱段工作和生活，载人飞船一般故障均不会影响组合体安全及驻留任务。 此外设计了应急救援飞船方案，最坏情况下，停靠的载人飞船发生故障不能实施返回任务时，还可以发射应急救援飞船，以确保航天员安全返回。 因此故障诊断原则如下：

1）将直接影响空间站组合体安全的故障模式相关参数作为核心参数，加严判读，包括推进剂、并网供电电流等。

2）将直接影响飞船平台及返回安全的故障模式相关参数作为核心或重要参数，视故障紧急情况加严判读，包括消耗性资源、母线电压和电流、充放电电流、放电深度等。

3）其他不影响组合体及飞船平台安全的参数作为一般参数进行监视。

根据以上故障诊断原则，设计神舟飞船故障诊断方案流程，见图2。

图2 神舟飞船故障诊断方案设计流程Fig.2 Design process of the fault diagnosis scheme for Shenzhou spacecraft

3.2 数据包络分析

数据包络分析的目的是识别所有平台设备在特定任务阶段、特定工作模式及特定外部环境条件下的参数边界或状态，是基于规则的故障诊断方法的重要工作内容，直接决定着故障诊断的准确性，本文特指神舟飞船组合体停靠阶段关键参数的数据包络分析。

包络分析的输入包括历史所有相同技术状态型号的地面测试数据、地面试验数据、地面仿真数据及在轨飞行试验数据等。 分析时，力求数据归一化。 按照是否满足技术指标要求、是否在成功包络范围内分为4 类：合格／包络、合格／不包络、超差／包络、超差／不包络。对于超差／包络、超差／不包络情况，需复核是否为偶发状态，是否影响任务实施，根据复核结果决定是否引入或剔除包络。

3.3 规则设置

神舟飞船组合体停靠段关键参数按照设置规则包括门限类参数、状态字参数及常值区间参数。

1）门限类参数。 门限类参数是神舟飞船中最普遍的参数，主要包括：温度、湿度、总压、氧分压、压强、转速、电压、电流、放电深度等。 这类参数的诊断规则为一个数值区间，其中表征电子产品状态的电压和电流参数、表征载人环境相关的总压、氧分压等参数与空间站组合体构型、飞行姿态等无关，均可通过数据包络分析、技术指标分析等制定相对准确的门限；而温度、加热功耗等参数与空间站组合体构型、飞行姿态引起的外热流变化直接相关，且难以通过测试手段获取，只能通过热仿真、热试验等作为先验数据，再考虑仿真和试验偏差，作为门限制定的输入，后续通过在轨验证再进行迭代完善。

对于同一停靠任务段，因工况或工作模式发生变化导致门限变化，还需进行关联判断，提高故障诊断的准确度，避免漏判或误判。 以载人飞船帆板全遮挡并网供电工况为例，并网供电工况下电池不放电，整船峰值功耗不高于1500 W，密封舱设备温度水平相对非并网供电工况都会降低，需要针对并网工况和非并网工况单独设置判断门限，见表1。

表1 神舟飞船典型关联参数门限规则示例Table 1 Example of the threshold rules for typical associated parameters of Shenzhou spacecraft

消耗性资源相关参数是典型的门限类参数，飞船转停靠段后正常情况下所有资源均不消耗，相关参数应为恒定值。 如推进剂、应急电池容量、氧气瓶压力、空气瓶压力等，考虑温度波动等引起的偏差后，应加严判读，每次转组合体停靠任务后根据剩余量重新设置。

2）状态字参数。 如果说门限类参数规则是做区间判断题，状态字类参数则类似做状态判断题或选择题，主要是对软件的控制或工作模式进行诊断，判断软件是否进入了非预期的工作模式或发生了异常复位等，诊断规则实现起来相对简单，见表2。 根据设备工作特点，状态字参数也可以设置关联判据。

表2 神舟飞船状态字参数诊断规则示例Table 2 Example of the diagnosis rules for the status parameters of Shenzhou spacecraft

3）常值区间参数。 常值区间类诊断主要是用于判断连续计数类参数表征的软件是否发生了死机、机构是否发生了卡滞等故障模式。 根据设备工作特点，常值区间参数也可设置关联判据。典型的常值区间参数诊断规则见表3。

表3 神舟飞船常值区间参数诊断规则示例Table 3 Example of the diagnosis rules for the constant interval parameters of Shenzhou spacecraft

4 应用情况

4.1 故障诊断情况

神舟飞船按照以上故障诊断方案，依次完成了故障诊断需求分析、停靠段设备工作模式分析、停靠段参数包络分析及诊断规则设置等工作，识别参数2400 个，其中核心参数为125 个，重要参数为700 个，一般参数为1575 个。 在所有准备工作就绪后，经过确认、评审，将所有参数录入诊断系统并在神舟飞船任务中试运行一周，试运行结束后，转为正式执行任务。

为了能够及时处置报警信息，提升应急处置能力水平，确保航天员乘组及空间站组合体安全，地面制定了应急处置流程，并通过管理规范的形式明确各级责任，见图3。

图3 神舟飞船应急响应流程Fig.3 The emergency response process of Shenzhou spacecraft

从正式运行到神舟飞船返回任务，故障诊断系统值班约6 个月，发生报警信息26 项，经确认均为虚警，对相关参数的诊断规则进行了完善。从报警参数类型看，占比最高的为并网供电相关参数、管路压强和温度参数，总数占比86%。 主要由并网供电关联参数的复杂性、温度参数的不确定性导致难以准确设置判读门限引起，与预期一致。 见表4。

表4 报警信息按照参数统计Table 4 The alarm information counted according to the parameters

从报警信息发生的时间分布上看，运行前2个月最多，占比86%，2 个月后报警信息明显减少并趋于稳定，见表5。 主要由于飞行2 个月后，神舟飞船径向停靠的并网供电模式基本固化成熟，外热流边界、工作模式等基本覆盖，参数完善后的故障诊断规则的设置更加合理，与预期一致。

表5 报警信息按照发生时间统计Table 5 The alarm information counted according to the occurrence time

为验证故障诊断方案的正确性，在神舟飞船定期巡检期间（相对于停靠模式，设备工作模式、开关机状态等发生变化，相当于模拟了真实故障），利用故障诊断系统对巡检模式下靠的报警信息进行了一一对比分析，报警信息准确率100%，巡检结束后，报警信息恢复为0。 以上验证了神舟飞船基于长期停靠模式故障诊断方案设计的正确性。

4.2 改进情况

神舟飞船推进相关设备在停靠段不工作，出于安全考虑，推进的气、液管路阀门均处于关闭截止状态，防止管路泄漏或发动机异常工作。 其中推进剂密闭管路受外热流影响会造成压力持续波动，当预计超过2.8 MPa 安全上限时就需要地面发送指令，打开上游的阀门进行管路维护。

对神舟飞船诊断系统6 个月运行结果进行分析发现，推进的管路压力参数超限后均能准确报警，报警次数比较频繁且对地面技术人员处置时效性要求非常高。 从出现报警信息到组织地面人员上行指令往往需要0.5 ～1 h，有时发送指令时发现已经出测控区，极端情况下会出现约4.5 h不在测控区情况，不具备处置条件，导致管路压力有超上限的风险。

经过综合分析，对神舟飞船数据管理软件提出了技术状态更改建议：后续停靠期间，推进管路压力由数管软件自动判断，超过2.8 MPa 时，数管软件自动发送程控指令，打开相关阀门进行管路维护；维护后5 min 自动关闭管路阀门，实现船上自主健康管理，彻底解决地面应急处置时效性不高的问题，可有效降级故障处置风险，提高整船的安全性水平。

5 结论

1）设计了神舟飞船在组合体停靠段的故障诊断方案，并在神舟十三号任务中首次成功应用，实现了神舟飞船飞控任务从人工监视到地面自动故障诊断的历史性跨越，极大地提高了故障诊断效率，解放了人力资源，为其他载人航天器故障诊断提供了参考；

2）采用基于规则的故障诊断方法更适合神舟飞船这种停靠段状态固定、有较多历史数据、任务重复性好的航天器，但是故障处置依赖于地面技术人员，需要制定明确的应急故障处置规范，确保可实施；

3）长期来看，针对成熟航天器的紧急重大故障，在不显著增加研制成本和技术难度的情况下，适当增加船／器上自主健康管理功能，可有效降低对地面处置的依赖程度，提升载人航天器安全性水平。