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长期在轨卫星的天地一体化运行管理系统框架研究

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第26卷第6期 飞行器测控学报 Journal of Spacecraft TT&C Technology V01.26 No.6 Dec.2007 2007年12月 长期在轨卫星的天地一体化运行管理系统框架研究 李平京 宋政吉 谭 强 黄宇民 (中国空间技术研究院研究发展部・北京・100094) 摘要随着我国在轨卫星数量、寿命、复杂性的持续增加,为提高卫星使用可靠性,降低运行管理成本,针对长 期在轨服务卫星,开发天地一体化运行管理系统的需求越来越迫切。本文在分析国内外相关工作、研究方向和 需求基础上,借鉴已在轨成功验证的“深空一号”(Ds一1)自主系统结构,提出了我国现阶段可建立的三层次天地 一体化运行管理系统框架,并说明了一体化系统的基本组成单元、功能界定以及在轨和地面系统的开发思路。 关键词故障诊断;一体化运行管理;系统框架;可靠性;卫星 中图分类号:V467 中图分类号:A A Framework of Satellite-ground Incorporated Maintenance System for Longeval Satellites LI Ping--jing SONG Zheng-ji TAN Qiang HUANG Yu--min (Research&Development Center,China Academy of Space Technology,Beijing 100094) Abstract Accompanying with the rapid growth of the amount of the in-orbit satellites,in order to improve the reliability and decrease the maintenance costs in the utilization phase for longeval satellites,it has become an urgent requirement to build a Satellite—ground Incorporated Maintenance System(SIMS),which can provide maintenance services by incorpora— irng the ground-based health management system with the in-orbit autonomous system.Used for reference of the autono- mous system infrastructure in the spacecraft of Deep Space One(DS一1),a three—tier hierarchicla frmaework of SIMS is proposed in this paper,and its sturcture,components,function sets,and implementation blue print of the framework for SIMS is in ̄oduced. Keywords Fault Diagnosis;Incorporated Maintenance System;Framework;Reliability;Satellite 1概 述 卫星故障分为突变和缓变两类。我国当前长期在轨服务型卫星数量激增,根据近年的在轨运行管理 数据,对于在轨长期运行卫星而言,相对缓变的故障是直接影响和决定大多数该类卫星寿命的主要因素之 一。而这些故障在发生前大多是有预兆的,一方面可以通过在轨健康自主系统发现、报警和隔离;另一方 面,通过地面遥测数据的分析预示,也可以向地面专家提供预诊断、决策支持信息,从而最大限度地延缓和 消除故障带来的系统级影响,保障卫星在轨长寿命运行。因此,开发卫星天地一体化运行管理系统,综合 采用在轨状态数据分析诊断处理技术和地面基于遥测数据的趋势分析与预测技术,实现在轨及时诊断和 隔离已发生故障单元,地面准确地分析预测缓变故障的发生和发展趋势,并通过决策支持系统给出减缓和 避免对策,使其对整星影响降到最低,最大限度地减缓和避免预诊断故障的发生,将对保障卫星长寿命运 行具有重要现实意义。 基于上述思想,本文拟提出一套卫星天地一体化运行管理系统框架结构,由以下3个方面组成。 1)在轨自主故障诊断系统,对直接危及卫星安全的故障进行自主诊断并进行应急处理。 2)地面健康管理系统,实现对卫星状态监测、故障诊断、预测分析和决策支持,由于地面系统与在轨 系统相比,不受空间、资源及时间的限制,可以在地面配备仿真系统、验证系统、对策系统等,并可由地面专 }收稿日期:2007一o4—04:修回日期:2007—05—24 民用863计划资助:相容概率/非概率信息的卫星产品可靠性度量指标及方法研究(2006AA04Z410) 第一作者简介:李平京(1961一),女,硕士,馆员,主要从事航天产品的管理。 2 飞行器测控学报 第26卷 家参与诊断。 3)一体化大回路系统,连接和协调上述两个部分,形成天地人多回路。按实时性要求和决策级别,信 息在天地间共形成3个闭合回路。第一,星上自主回路;第二,星上和地面人工智能系统形成的天地智能 化系统回路;第三,星上、地面智能系统和地面专家组成的天地人大回路。分别对应不同的时间尺度,智能 和决策水平。形成一体化的故障诊断体系,共同完成故障的诊断、验证和恢复功能及其他航天器的健康管 理工作。系统结构如图1所示。 测 图1卫星自主管理系统结构框图 2国内外技术发展现状 国外在航天器故障诊断技术方面进行了长期的深入研究,已经有比较成熟的经验。以美国为例,20 世纪60年代应用简单的状态监测(水星号);70年代应用基于算法的诊断(阿波罗);80年代应用了基于 知识的智能诊断(航天飞机);到9O年代进人自动化、自主化的诊断过程。虽然健康管理系统是以故障诊 断技术为基础的,但它不等同于故障诊断,实际上它是通过故障诊断和故障的早期预报对整个系统的状态 进行评估,通过健康管理系统,作出航天器所需采取的处理措施和最优的自主任务调度,最大限度地减少 故障对整个系统所造成的影响。 目前国外航天器健康管理技术的发展趋势…是: 1)加强在轨健康管理系统的健康评估功能、潜在故障的预报和隔离功能、故障诊断自动维护功能等, 提高应变能力。例如美国的x.34考核了检测衰变部件性能的诊断算法,考核了健康检测系统实时故障检 测、隔离和恢复功能。 2)采用先进的传感器和高集成度的器件,加强航天器关键部件性能的检测;提高分布式采集管理和 数据的实时处理能力。例如美国的x一33验证了支持快速起飞后的地面维护和传感器布局的有效性。 3)加强自主化处理,减少操作者的过失,实现功能部件的单元化,提高可靠性的鲁棒程度。 4)通过在轨系统与地面管理系统的协调增加冗余度。例如美国的Ds.1使用IVHM自动导航遥控技 术实现了自动导航操作的应用等 。 5)故障诊断开发平台的建立。如NASA研制的Livingstone开发平台,已经成功在Ds一1、X-37、EO1等 航天器中作为新技术验证得到应用 J。 国内在航天器故障诊断技术研究方面起步较晚,近年来也逐步认识到这方面工作的重要性和迫切性, 第6期 李平京,等:长期在轨卫星的天地一体化运行管理系统框架研究 3 对国外相关技术进行了跟踪研究,在理论方面做了一些研究工作,也开发了部分诊断系统。如:火箭故障 诊断专家系统,发动机试车专家系统,导弹故障诊断系统,卫星控制系统故障诊断系统等。北京控制工程 研究所研制了卫星控制系统实时故障诊断专家系统原型SCRDES,用于卫星地面检测以及卫星飞行状态 的地面在线实时故障诊断。重庆英康智能控制工程有限公司与中国航天科技集团共同研制了载人航天器 故障诊断系统。 中国空间技术研究院成立了航天器运行管理中心,是从事航天器在轨运行管理的研究与技术开发应 用专业机构,负责我国当前多颗卫星的在轨运行管理任务。 哈尔滨工业大学是国内最早开展航天器故障诊断技术的单位之一,分别与五院和上海509所等单位 合作,对载人飞船和空间站电源系统、推进系统以及风云卫星的故障诊断进行了深入的研究,取得了较多 经验,并且已经分别开发出故障诊断原型系统。 西安卫星测控中心在2004年4月发射的“试验卫星一号”的在轨测试中,运用了自主研制开发的卫 星管理自动化系统,把以往卫星管理中成功积累的故障预兆、故障处理方案等有效管理模式采集在一起, 按特定语法规则录入“在轨长期管理卫星故障诊断平台”。该系统能够自动对卫星遥测数据进行比对、分 析,发现故障立即发出语音警报,并提出相应的解决方案。如果卫星故障超出系统诊断或解决能力,则会 自动建议由专家解决,确保卫星总体指标始终保持在允许的精度范围之内和要求的工作状态。 目前国内开发的大部分故障诊断系统基本上还属于试验型,距离实用化阶段还有许多工作要做,而且 主要以地面诊断为主,在轨系统多数只能负责冗余硬件的切换。目前国内还没有检索到比较完整的航天 器在轨故障检测和处理技术方面的研究成果,一体化系统的构造论述也鲜见。因此,随着我国长期在轨卫 星数量的剧增和应用水平的提高,有必要加强和开展这方面的研究工作。 3一体化系统的功能需求分析 下面进一步分析本文提出的一体化系统的卫星在轨(自主)和地面运行管理系统及其相互关系功能 需求,在确定功能需求基础上提出我国可行的系统方案。 3.1在轨自主系统的功能需求分析 在轨自主系统应具有以下4个最基本的功能:①故障检测,根据测量信息识别系统是否发生故障;② 故障定位,在给定的故障条件下,找出故障原因,确定发生故障元件的具体位置;③故障隔离,阻止故障传 播以避免损坏或影响其他元件的功能;④故障恢复,根据已具有的在轨系统状态和对策知识,采取相应对 策,以还原全部或部分功能。 此外,在轨自主系统有许多自身的特点和要求,如实时性要求高、计算资源和存储空间紧张,无法实现 地面实验验证等,所以在轨故障诊断系统还应侧重以下几方面功能需求:①紧急故障处理模式:优先处理 对系统有严重后果的故障,诊断系统应能紧急自主切换到能维持卫星生存的安全模式;②主要处理和应对 全局性故障的检测与诊断;③一般来讲,自主系统的软件可重新注入,诊断知识可以方便地维护和自学习 功能;④良好的诊断系统软硬件容错功能;⑤地面可以随时干预系统工作。 3.2地面运行管理系统的功能需求分析 地面运行管理系统是指卫星在轨运行期间,在地面上提供的对状态进行监视、诊断及采用对策的一系 列辅助系统,包括遥测数据管理、状态监测、地面仿真系统、高智能化故障诊断、健康评估、复现、验证、决策 支持及恢复等功能。地面运行管理系统必要的功能部分有:①数据获取和管理:遥测数据存储、处理与管 理;②状态检测:遥测数据的自动判读、分类、按级别给出警示信息;③健康评估:基于遥测数据和状态信 息,通过信息融合的方法,综合利用地面广泛数据源,对卫星在轨状态给出综合性高度智能化的健康状态 描述;④预诊断:基于性能趋势分析和诊断、模型、模式知识的故障预测;⑤决策支持。 故障诊断和决策支持是地面技术系统的核心组成部分,它的核心功能是利用各种有效信息和各类知 识,准确快速地对卫星的工作状态进行监测,当有异常出现时,推断出系统的故障状况,为地面专家提供尽 可能多而有效的可用信息。 4 飞行器测控学报 第26卷 3.3在轨与地面系统的一体化需求 一虽然采用天地一体化的体系结构,物理上划分为在轨和地面两个系统,但它们的功能与任务应该是统 的,如何协调好在轨与地面系统之间的功能与任务,对于保证整个运行管理任务的完成具有重要意义 也是实现卫星在轨长寿命的一项关键保障手段。这一部分的重点是,区分好3个回路之间的任务分工与 协调,形成满足要求的完善系统机制。 4一体化系统方案 基于上述需求分析,卫星在轨运行的天地一体化管理系统总体结构如图2所示。 图2天地一体化运行管理结构流程 4.1在轨系统 目前,在轨自主系统已在轨验证的最具代表性的就是DS-1【4]。该探测器星上实时诊断系统采用 Livingstone推理内核和建模方法,系统构成采用Remote Agent结构【5 J。考虑到我国卫星建模分析水平和 FMEA开展的普及化程度,可仿照开发一套基于DS-1系统的,同时辅以专家系统实现全部FMEA系统级 故障模式诊断对策的系统内核,实现在轨实时诊断。基本流程如图3所示。 4.2地面系统 随着我国在轨卫星数量、寿命的急剧增加,长期在轨卫星的地面管理,针对每颗卫星配备专职专业人 员进行跟踪处理、判读、诊断和评估等的方法,已不再适应需求。因此,必须开发在轨卫星的地面管理平 台,该平台实现软件通用(DCOM技术),数据集中统一管理,基于信息融合的高度智能化决策支持等功能 (符合MIMOSA标准)E6]。按上述需求,地面系统的集成框架结构如图4所示[. 。 第6期 李平京,等:长期在轨卫星的天地一体化运行管理系统框架研究 5 l 棚删袈 }.I—-'{ 规划接口 L ...... I  1.... L -任务接口(导航) 规划请 规划仕务 调度/执行中心(ExEc) 状态 请求 命令 I 模式识别和恢复(MIR) ll ■■~■ I l MI I MRl }l 测 r命令 测飞 l 飞行器管理系统(VMs) 暮 试行 [二 图3在轨自主管理系统结构框图 统垒 I,d 4.3基于规则的故障诊断专家系统结构 在当前已应用的诊断系统推理模块中,基于规则 的专家系统诊断推理技术发展最早、应用最广泛,也 最成熟。特别是对航天器诊断应用而言,由于规则推 理过程直观可信、可直接表征领域专家知识等特点, 在航天领域应用也最多。因此,本文对基于规则的专 家系统作简要介绍(见图5)。 基本型专家系统一般由如下几部分组成。 数据库(黑板) 该数据库存放原始数据和系统 运行过程中产生的中间信息,包括原始信息、推理的 中间结果、推理过程的记录等。因数据库中内容经常 变化,故其存放方式应充分考虑与知识库及推理机的 协调配合,为提高推理速度,应避免无用的模式匹配。 知识库知识库是用来存放问题求解所需要的 领域知识,包括与领域问题有关的理论知识、常识性 知识,也包括作为领域专家的判断性经验知识、启发 图4地面系统组成结构图 专家 用户 性知识。专家系统的能力很大程度上取决于其知识 库中所含知识的数量和质量。知识库的建造包括知 识获取及知识表示,知识表示的核心是选择合适的数 据结构,把所获取的专家知识进行形式化处理并存人 知识库中。知识库中的领域知识与专家系统的具体 应用对象有关,在此仅给出基于规则的知识库系统构 建原则。设知识库中专家知识组成的集合为日= (h ,h ,…,h ),日是根据特征信息空间 及数据库 有关的数据建立起来的,这个过程实际上是 到 图5专家系统结构简图 的定性映射 :fl--- ̄IF<条件>THEN<操作>。 推理机在一定的推理策略下(正向、反向或双向),根据数据库中当前状态,按照类似领域专家的问 6 飞行器测控学报 第26卷 题求解方法,调用知识库中与当前问题有关的知识进行分析、判断,推出新的事实。专家系统的重要特征 是推理机独立于知识库,因此对于知识库的修改与扩充无须变动推理机。对于复杂问题,可根据问题求解 的具体情况调整推理策略。 知识获取模块知识获取模块负责建立、修改与扩充知识库,对知识库的一致性、完整性等进行维护。 知识获取模块能够把与专家的对话内容变换成知识库中的知识内容,或用于修改知识库中已有的知识。 知识库与专家系统的应用领域有密切关系,要根据具体的应用要求设计知识库。 解释模块解释模块是对知识库和数据库中的推理过程作出解释说明。专家系统的透明性主要是由 解释模块实现的。 学习模块(可选) 学习模块不是专家系统的必备模块。事实上,自学习功能的缺失是当前基于规则 专家系统应用的一个瓶颈。学习模块应可自动进行知识库的修改和完善,实现专家系统自学习、自适应功 能。为适应诊断对象的变化,知识库的内容应相应地变化。自学习模块的功能就是根据在线的信息,补充 和修改知识库的内容,以改进系统的功能,提高问题的求解能力。随着诊断过程的进行,知识库与环境的 不断作用也应不断使自身得到更新和完善,使它更接近理想的实际情况。自学习模块是衡量诊断专家系 统智能水平的重要标志,也是专家系统最困难的地方,目前尚无通用的自学习方法。 5结束语 从我国航天事业发展需求出发,随着在轨卫星数量的急剧增加,需要针对长期在轨卫星建立通用化标 准化的地面遥测数据自动处理系统,实现遥测数据的地面自动接收、处理、入库、判读、监测、报警、显示、推 理诊断和解释、健康评估、趋势分析、预诊断、决策支持等,并实现该系统的平台化。 在轨自主运行,无论对于深空探测器,还是在轨长期运行的应用卫星,都是十分重要的发展方向,它可 提高航天器在突发性空间环境下的自主生存能力,减少对地面测控网的依赖,增强其安全性并降低运行成 本,是长寿命卫星的重要保证手段。 综上,基于在轨自主和地面运行管理结合在一起的天地一体化运管系统研发工作,对保证我国在轨卫 星的安全运行,形成反应快捷、信息可靠、运行稳定的在轨卫星长期管理模式,实现我国在轨卫星全时、高 效、安全管理等,都可提供一个高起点的技术环境。同时对提高我国卫星在轨寿命,跟踪国际卫星自主前 沿技术,实现卫星高可靠运行具有重要意义。 参考文献 [1]代树武,孙辉先.航天器自主运行技术的进展[J].宇航学报,2003,(1):18-23. 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