（机械工程专业论文）在轨卫星远程诊断关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 在轨卫星系统的正常运行主要依靠高可靠性和冗余保证，但在真空、失重、 高低温、强辐射且充满未知因素的太空环境下长期运行，不可避免会出现系统故 障。对于在轨卫星来说，为了避免某些单机部件发生故障而引起整个系统瘫痪， 必须在故障发生时迅速予以隔离修复，维持系统功能正常，保证其安全可靠地完 成任务。由于卫星系统的设计、制造与运行管理相对独立，故障出现时需要不同 部门的人员进行联合故障决策。显然，在这种背景下，依靠以人员现场交流方式 实旋的卫星故障诊断难以满足航天事业发展的技术需求。为此，开展在轨卫星远 程诊断技术研究，实现卫星诊断信息及专家知识的共享与实时交互，对于提高卫 星测试诊断能力具有重要意义。 本文以某型卫星为研究对象，对在轨卫星远程诊断关键技术展开研究，主要 研究内容包括以下几个方面： 1 以某型卫星姿控系统为具体对象，在系统地分析其诊断需求的基础上，提 出了在轨卫星远程诊断体系整体构架，划分了系统功能层次模型，设计了以b s 模式为主，c s 相结合的系统网络结构。 2 研究了多信号模型技术在卫星系统诊断建模中的应用，基于t e a m s 环境 建立了某卫星姿控分系统多信号诊断模型，研究了基于遥测参数的实时诊断算法 并提出了改进思路，设计了基于决策树遍历算法的远程专家交互系统。 3 研究了支持远程诊断的网络技术，以s q ls e r v e r2 0 0 5 为平台设计了诊断 系统数据库与知识库，运用a d o n e t 技术实现了数据库访问，基于a s p n e t 技 术实现了系统网络平台设计。 4 综合运用所研究的关键技术，开发和实现了在轨卫星远程诊断系统各功能 模块。在局域网范围内以某卫星姿控分系统为例，模拟实现和验证了在轨卫星远 程诊断系统的数据远程传输、实时状态监控、故障实时诊断、数据库远程访问、 远程交互诊断等功能。 主题词：远程诊断在轨卫星关键技术n e t 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t t h er e l i a b i l i t i e so fs a t e l l i t e sa r er e l a t i v e l yh i g hb e c a u s eo fr e d u n d a n td e s i g n s h o w e v e r ，a f t e rn m n i n gs e v e r a ly e a r s ，t h ei n o r b i ts a t e l l i t ei sv e r yl i k e l yt os u f f e rs y s t e m f a i l u r e sd u et oh a r s ho u t e rs p a c ee n v i r o n m e n tf a c t o r s ，s u c h a s ，v a c u u m ，h i 【g h t e m p e r a t u r e ，s t r o n gr a d i a t i o na n de v e ns o m eo t h e ru n k n o w nf a c t o r s f o ri n - o r b i t s a t e l l i t e ，i no r d e rt oa v o i dc a t a s t r o p h i cs y s t e mf a i l u r ec a u s e db yo fc o m p o n e n tf a u l t s ，t h e f a u l t sm u s tb ei s o l a t e da n dr e p a i r e da sq u i c k l ya sp o s s i b l e ，s ot h a tt h es y s t e mf u n c t i o n s c a nr e s u m en o r m a l ，a n dt h es a t e l l i t ec a nc o m p l e t ei t sm i s s i o ns a f e l ya n d r e l i a b l y s i n c e t h ed e s i g n ，m a n u f a c t u r i n ga n dr u n n i n gm a n a g e m e n t so fs a t e l l i t es y s t e ma r er e l a t i v e l y i n d e p e n d e n to fe a c ho t h e r ，w h e naf a u l to c c u r s ，i tn e e d st i m e l yj o i n td e c i s i o n - m a k i n gb y t e c h n i c i a n sf r o md i f f e r e n td e p a r t m e n t s o b v i o u s l y ，i ns u c hb a c k g r o u n d ，t h ew a yo f s a t e l l i t ed i a g n o s t i cd e p e n d so np e r s o n n e l s m a n u a lc o m m u n i c a t i o nc a n n o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t so fs p a c et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei n c a r r y i n go u tr e s e a r c ho ni n o r b i ts a t e l l i t er e m o t ed i a g n o s t i ct e c h n o l o g y ，w h i c hc a ns e t u pa ne f f e c t i v ew a yo fd i a g n o s t i ci n f o r m a t i o ns h a r i n ga n di n t e r a c t i o nt or e p l a c et h e m a n u a lk n o w l e d g ee x c h a n g ep r o c e s so ft e c h n i c a lp e r s o n n e l ，t h r o u g hw h i c ht h e c a p a b i l i t i e so fs a t e l l i t et e s ta n dd i a g n o s i sc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y i nt h i st h e s i s ，t a k i n ga ni n o r b i ts a t e l l i t es y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t ，r e s e a r c h e s o nk e yt e c h n o l o g i e so fs a t e l l i t er e m o t ed i a g n o s t i ca r ec a r r i e do u t t h em a i nc o n t e n t sa l e a sf o l l o w s ： 1 a f t e rs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z i n go ft h ed i a g n o s t i cr e q u i r e m e n t so ft h es a t e l l i t e a t t i t u d ec o n t r o ls u b s y s t e m ，t h ea r c h i t e c t u r eo fi n o r b i ts a t e l l i t er e m o t ed i a g n o s t i cs y s t e m i sp r o p o s e d as y s t e mf u n c t i o n sh i e r a r c h i c a lm o d e li s p u tf o r w a r d ，a n dt h es y s t e m n e t w o r ks t r u c t u r eb a s e do nb sa n dc sm o d ei sd e s i g n e d 2 t h ep r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o ns t e p so ff a u l tm o d e l i n gm e t h o db a s e do n m u l t i - s i g n a lm o d e lm e t h o da r ei n t r o d u c e d ，a n dt h em u l t i - s i g n a ld i a g n o s t i cm o d e lo ft h e a t t i t u d ec o n t r o ls u b s y s t e mi sb u i l tv i at e a m ss o f t w a r e ar e a l t i m e d i a g n o s i s a l g o r i t h mb a s e do nr e m o t es e n s i n gp a r a m e t e r si si n t r o d u c e da n ds o m ei d e a st oi m p r o v e i ta r ep u tf o r w a r d a ne x p e r td i a g n o s t i ci n t e r a c t i v es y s t e mb a s e do ne r g o d i ca l g o r i t h m o fd e c i s i o nt r e ei sd e s i g n e d 3 t h en e t w o r k r e l a t e dt e c h n o l o g yt h a ts u p p o r t i n gr e m o t ed i a g n o s i si sa n a l y z e d t h ef a u l td a t a b a s ea n dk n o w l e d g eb a s ei sd e s i g n e du s i n gs q ls e r v e r 2 0 0 5s o f t w a r e ， a n dt h ed a t a b a s ea c c e s s i n gi si m p l e m e n t e db ya d o n e tt e c h n o l o g y b a s e do na s p n e t t e c h n o l o g y ，t h ed e s i g no fs y s t e mn e t w o r kp l a t f o r mi sa c h i e v e d 4 a tl a s t ，b a s e do nt h er e s e a r c h e dk e yt e c h n o l o g i e s ，t h ef u n c t i o n a lm o d u l e so f i n - o r b i ts a t e l l i t er e m o t ed i a g n o s t i c ss y s t e mi sd e v e l o p e da n di m p l e m e n t e d b yt a k i n ga l l e x a m p l eo ft h es a t e l l i t ea t t i t u d ec o n t r o ls u b s y s t e mi nl a nn e t w o r k t h ef u n c t i o n so ft h i s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 r e m o t ed i a g n o s i ss y s t e ms u c ha sr e m o t ed a t at r a n s f e r ，s t a t u sm o n i t o r i n g ，r e a l - t i m e d i a g n o s i s ，d a t aa c c e s sa n dr e m o t ei n t e r a c t i v ed i a g n o s i sa r ea c h i e v e da n dv e r i f i e d k e yw o r d s ：r e m o t ed i a g n o s i s ，i n o r b i ts a t e l l i t e ，k e yt e c h n o l o g y ，n e t 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1 某星在轨工作7 年故障情况统计1 表1 2 卫星主要分系统及其功能。6 表1 3 卫星控制系统故障举例6 表2 1c s 结构与b s 结构的区别。1 6 表3 1 姿控系统原理图符号说明2 l 表3 2 多信号模型相关性依赖矩阵2 3 表4 1 典型的关系数据表结构3 4 表5 1 用户信息表4 9 表5 2 决策树数据表5 0 表5 3 诊断知识数据表5 0 表5 4 姿控系统测试仿真数据5 2 表5 5 远程交互诊断条件假设与结果预期设计表5 4 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学何论文 图目录 图1 1 在轨卫星状态判断一般步骤7 图2 1 在轨卫星远程诊断架构示意图1 2 图2 2 在轨卫星远程诊断系统功能层次划分1 3 图2 3 三层c s 结构模型1 4 图2 4 三层b s 结构模型1 5 图2 5c s 与b s 混合结构选用1 7 图3 1 控制分系统原理框图2 2 图3 2t e a m s 环境下建立的某卫星姿控分系统模型2 2 图3 3 运用t e a m s r t 模块实时诊断过程。2 5 图3 4 决策树知识表示2 7 图3 5 姿控分系统太阳能帆板机构决策树2 8 图3 6 树结构遍历循环算法2 9 图4 1t c p i p 参考模型划分3l 图4 2w 曲数据库工作原理3 4 图4 3a d o n e t 体系架构：3 6 图4 4a s e n e tw e b 窗体运行设计4 0 图5 1 在轨卫星远程诊断系统设计4 2 图5 2 在轨卫星远程诊断系统服务器登录界面4 4 图5 3 登录后的系统主页面4 4 图5 4 遥测数据发送端界面4 6 图5 5 遥测数据接收端界面4 6 图5 6 系统实时监控模块界面4 8 图5 7 系统远程交互模块界面4 9 图5 8s q l 中的数据表5 0 图5 9 用于注入的姿控系统诊断模型文件51 图5 1 0 正常情况下监控界面。5 2 图5 1 1 太阳能帆板驱动机构故障界面5 3 图5 1 2 太阳能帆板驱动机构与动量轮故障界面5 3 图5 1 3 太阳能帆板远程交互诊断页面。5 4 图5 1 4 动量轮远程交互诊断页面5 5 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：查轨里星亟焦趁逝差缝捷盎叠窒 学位论文作者签名： 鱼垄日期：加锋7 月弓日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论又螫查冈和借阒；。司以将学位论文的全部或鄱分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影却、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：j 型筮型塾鲴弩刎照丝亟堑隆型n 一 学位论文作者签名： 鱼整 日期： 护年，f 月日 作者指导教师摊：乏虹日期：乞卯罗年，月，二日 国防科学技术大学研究牛院硕+ 学位论文 第一章绪论 论文研究工作来源于部委级预先研究课题，其目标是针对卫星在轨运行期间 故障诊断与维护的需要，研究在轨卫星远程诊断系统相关关键技术及其实现方法。 1 1 研究背景及意义 1 9 5 7 年1 0 月4 日，第一颗人造地球卫星的成功发射开创了人类航天新纪元，广 阔无垠的宇宙空间开始成为人类活动的疆域i lj 。半个多世纪以来，航天技术在世界 范围内取得了突飞猛进的发展，广泛应用于科学研究和社会生产众多部门，对国 计民生发挥着重要影响。人造地球卫星是发射数量最多、用途最广的航天器，目 前环绕地球运行的在轨卫星有8 0 0 余颗，主要承担着广播通讯、遥感遥测、导航以 及科学实验等任务。 卫星在系统组成和技术方面有许多显著的特点，属于技术密集的、复杂的高 技术产品。作为绕地球飞行的航天器，其正常运行主要依靠系统的高可靠性和冗 余保证，设计寿命期间原则上是不进行维护的。但是，卫星在轨道上始终受着空 间环境各种摄动力的作用，在真空、失重、高低温和强辐射且充满未知干扰因素 的太空环境下运行几年甚至几十年，难免会出现这样那样的故障。表1 1 为某星在 轨工作7 年的故障情况1 2 l 。 表1 1 某星在轨工作7 年故障情况统计 时间所有故障非空间干扰故障 1 年 频数次百分比( )频数次百分比( ) ( o ，1 】 1 89 91 62 7 1 ( 1 ，2 】 2 61 4 4ll1 8 6 ( 2 ，3 】 2 0 1 1 o 46 8 ( 3 ，4 】 1 58 358 5 ( 4 ，5 】 1 58 381 3 6 ( 5 ，6 】 4 l2 2 71 32 2 0 ( 6 ，7 】 4 62 5 423 4 从表1 1 可以看出，系统故障将伴随卫星在轨运行而存在，且随着服役到达一 定年限，故障发生频数将成倍增加。对于长期在轨运行的卫星，为了避免某些单 机部件发生故障而引起整个系统瘫痪，必须在故障发生伊始迅速予以有效处理， 维持系统功能基本正常，从而保证卫星安全可靠地完成任务【3 j 。卫星造价昂贵，一 般要几亿至几十亿人民币，且承担着重要职能，一旦因为故障未能及时排除而报 废，损失将非常巨大。例如：日本2 0 0 6 年9 月发射的地球观测卫星“光学2 号”， 在工作8 个月后发生故障和地面失去联系，最终导致这颗价值为5 8 7 亿美元的侦查 第l 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 卫星被放弃使用。美国卫星l a n d s a t 7 所搭载的有效载荷增强型主体测绘仪于2 0 0 3 年5 月出现问题无法解决，使这颗价值为6 6 亿美元的卫星实际上变成太空垃圾【4 l 。 由上述案例可以看出，进行在轨卫星系统故障诊断与对策相关技术研究，及时抢 救出现故障的在轨运行卫星，保证卫星最大限度地发挥其效能，具有现实意义。 此外，由于卫星系统的设计、制造与运营相对独立，一旦出现故障，运营商 往往需要制造商或设计专家的现场支持。例如，中星6 b 卫星【5 】是由法国泰雷兹阿 莱尼亚宇航公司研制生产，我国购买并用于1 5 0 多套卫星电视节目转播的广播通信 卫星。该星于2 0 0 9 年2 月l o 日突然出现不明故障，导致转播信号全部中断，为了分 析故障解决问题，法国制造商专程派两名专家到北京处置此事。从该案例我们可 以得到一些启示，即专家到现场进行技术支持不仅费时费力，而且还容易错失故 障卫星修复良机。随着全球信息化步伐的加速，以信息交流替代传统的人员交流 成为信息化的一个显著特征，对在轨卫星的故障诊断也要顺应这一趋势。而目前 卫星故障诊断工作主要依靠大批设计和测试专家对故障过程测试数据进行分析判 断和检查【l j ，并在运管现场成立专家组以提供技术支持，有时要耗费很多的人力和 时间，对人员素质也有相当高的要求。因此，在广域范围内构建在轨卫星远程协 同诊断系统，以信息的远程共享代替人员的交流，对于提高卫星测试诊断与管理 水平具有重要意义，具体表现在： ( 1 ) 随着我国航天事业的飞速发展，卫星发射已经由试验型逐渐转变为应用 型，卫星管理也由简单、定时管理模式转变为多任务、全时段管理模式。一系列 长寿命实用型卫星将连续发射升空，根据国家“十一五”发展规划，预计n 2 0 l o 年，我国在轨工作的各型号卫星的数量将由目前的3 0 余颗增n n 8 0 颗左右【6 】。目前 以人工为主的监视和数据分析技术难以适应日渐复杂和繁多的日常事务，发展在 轨卫星远程诊断系统可以有效地利用计算机的数据处理能力，提高在轨卫星故障 诊断效率。 ( 2 ) 针对单颗卫星管理，每天收发的数据记录可达上万条之多，如何对这些 数据进行有效管理是需要解决的问题。基于数据库服务器的卫星数据与知识管理 方案，建立功能完备的在轨卫星信息库和诊断知识库，实现在轨卫星长时间、大 容量、多类型数据的统一存储和快速检索，最终建立涵盖地球同步、太阳同步、 大椭圆3 种轨道类型的卫星综合资料库，以满足科技人员对不同时期、不同类型、 不同形式的信息需求，实现卫星系统从设计、生产到运行管理的全寿命周期管理。 ( 3 ) 目前在轨卫星故障诊断需要专业技术人员在运行控制中心进行现场支 持，而卫星飞越我国上空测控区间的时间是有限的，若不对故障及时的判断与处 置，很可能造成卫星永久性失效。建立在轨卫星远程诊断系统，能够构建起远程 诊断与交互的平台，实现信息传递的跨区域性和专家支持的及时性，从而实现诊 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 断资源优化配置，为卫星安全运行提供有力保障。 目前，已有的各种在轨卫星监控与诊断系统的可靠性和实用性不足是一个客 观事实。不同部门建设的孤岛式的故障诊断系统侧重于不同的卫星型号，系统的 开放性相对较差，不能进行资源的有效共享；另外，由于没有建立统一的标准， 各诊断系统在技术实现上采用的平台、协议、体系结构各不相同，导致互连、互 通、互操作性差，逻辑冗余，造成开发的重复性投入 7 j 。基于这样一种背景，本课 题以在轨卫星为研究对象，针对其远程诊断的实际需要，对远程诊断关键技术展 开研究。借助于信息技术和网络技术，将卫星基础信息、诊断技术以及专家经验 知识等资源进行整合，建立起一个通用化的远程诊断平台，为最终提高卫星故障 诊断效率，保证卫星正常运行提供技术参考。 1 2 1 远程故障诊断技术综述 1 2 文献综述 1 2 1 1 远程故障诊断的基本概念 所谓故障诊断，是指根据故障征兆运用一定方法推断出故障原因的过程。根 据德国故障诊断权威p m f r a n k 教授的观点，诊断方法可划分为基于解析模型的 方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法三大类m j 。远程故障诊断技术是由一 般的故障诊断技术融入信息网络技术发展而来的。1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和麻 省理工学院联合主办了首届基于因特网的工业远程诊断研讨会 9 1 。会上主要讨论了 远程诊断系统连接开放式体系、诊断信息规程、传输协议，以及对用户的合法限 制，并对未来技术发展作了展望，确定由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基 于i n t e r n e t 的下一代远程诊断示范系统。从此，远程诊断技术在工程领域的应用研 究成为故障诊断研究领域的热点。 远程故障诊断相对于一般的故障诊断的最大特点是：在形式上表现为地域概 念中的距离，即诊断对象与资源、诊断资源相互之间在地域上的分离；在结构上 表现为提供服务的诊断资源与被诊断设备之间分布式网络结构，即组成一个比较 松散的逻辑整体。远程故障诊断系统可以利用不同地域的多个诊断资源共同协作， 在不同时间为不同地域的多个设备提供故障诊断服务。因此，远程诊断是资源、 设备和时间一起表达系统的运行过程i l 。 l 212 远程诊断技术的发展现状 近年来，远程诊断技术随着网络技术的普及发展迅速，从最初的远程医疗发 展到各种工业现代化装备的监测与诊断运用之中，国内外许多大学和科研机构都 在积极地进行该领域的相关研究。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 幽外，以美国最具代表性。美国在远程诊断方面起步较早，发展也较成熟， 并研究成果应用于工业、航天、军事等核心领域。军事上比较有代表性的是美国 佛罗里达空军基地开发的e m m a 系统和美国马里兰大学开发的a m m 系统等【1 1 1 。 e m m a 系统可以通过网络传输设备自动接收测试设备的数据，用测试结果作为专 家系统的推理基础，完成与现场故障的隔离，主要用于导弹系统麻雀i i i b a i m 7 和 g b u 1 5 的战地级维护。a m m 系统是用于美国海军导弹维护的专家系统，为技术 人员提供远程指导。n a s a 成立了航空安全项目a v s p 对飞行器系统进行建模和远 程监控，致力于预防飞行器系统故障【l2 1 。工业上，美国西屋公司( w h c c ) 开发 的网络化汽轮发电机组专家智能诊断系统和恩泰克一爱迪( e n t e k - i r d ) 公司的 在线振动监测和诊断系统己形成商品化，为客户带来了巨大的经济效益。 在国内，清华大学、上海交通大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学等高校 以及其它一些研究机构都在积极开展远程诊断相关技术研究，取得了一定的进展， 并建立了基于i n t e m e t 的设备远程诊断示范网站i l 引。 远程诊断技术在诊断模式上经历了人工离线监测与诊断，单机封闭式在线监 测与诊断，单机分布式在线监测与诊断，远程分布式在线监测与诊断四个主要的 发展阶段，目前，基于网络与人工智能( a i ) 诊断的远程诊断技术逐渐成为主流 发展趋势1 1 4 j 。 1 2 1 3 网络技术在远程诊断中的应用 设备的远程诊断是在异地诊断中心进行的，它必须通过网络来实现信息的交 流。随着网络技术，特别是w e b 技术的迅速发展，将远程故障诊断系统架构在 i n t e m e t i n t r a n e t 计算环境中，使分布在不同地域的设备诊断资源接在一起，形成一 个跨地域的远程诊断协作网，能够实现资源配置的优化组合，充分发挥诊断资源 的整体效能，使诊断工作更为及时有效，最终保证设备的正常运转。远程诊断技 术并不是网络技术与诊断技术简单的叠加，而是通过二者有机的结合来实现设备 监控与诊断能力质的提升。具体体现在： ( 1 ) 借助于网络技术可以提高诊断的智能化水平。远程故障诊断系统借助于 网络，可在较大范围内收集故障样本信息与专家决策信息，其学习机会大大增加， 有利于系统的不断完善。 ( 2 ) 原有的诊断系统中大量的诊断资源互不相通，这容易造成资源的重复开 发。利用网络技术将这些资源连为一体，形成丰富的诊断资源库，可实现多种诊 断资源远程协同诊断以及互联互操作，提升系统的综合诊断能力。 ( 3 ) 目前的网络技术飞速发展，能够提供w e b 浏览、文件实时传输、远程数 据处理与查询等技术支持，并能提供多种形式的信息载体，包括声音、图像、视 频等，可充分表达故障征兆，满足不同形式诊断的需要。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 2 2 远程诊断技术在卫星工程中的发展状况 1 2 2 1 卫星故障诊断技术的发展现状 在轨卫星故障诊断是提高卫星容错能力，延长使用寿命的重要手段。按照诊 断主体的不同，可以分为星上自主诊断与地面站诊断两种形式。星上自主故障诊 断具有高效率、低费用的特点，与系统重构技术一起是发展空间智能自主控制的 关键技术【”】，是目前卫星故障诊断技术研究的热点。但是，受卫星体积、重量、 内部空间和其它技术要求的限制，星上计算机配置、传感器配置以及燃料配置都 是有限的，自主诊断技术发展受到制约。目前，在轨卫星的诊断模式仍然是以地 面站诊断为主，星上自主诊断为辅，在诊断方法上主要有基于解析模型的诊断、 基于定性模型的诊断、基于信号处理的诊断、基于知识的诊断、基于神经网络的 诊断、基于专家系统的诊断等陋j 。 在轨卫星的故障诊断随着航天技术的发展而逐步展开，美国、俄罗斯、欧洲 空间技术局等在卫星故障诊断方面的研究与应用都比较早。以美国为例，目前该 国管理的在轨卫星有4 0 0 余颗，约占全部在轨运行卫星总数的一半。对于在轨飞 行器的运行管理与故障诊断方面，美国一直都非常重视。n a s a 开发的基于定型 模型的健康管理系统l i v i n g s t o n e 先后应用于“深空一号”卫星和e o l 对地观测 卫星等航天器的管理，使其拥有自主故障诊断和重构能力【8 】。国际空间站方面， n a s a a m e ss b i r 项目中设计了用于远程监测诊断即“遥维护 的n a s a 国际空 间站远程诊断系统，对于构建航天器远程诊断系统具有很好的参考价值。日本在 航天技术方面发展迅速，其为“隼鸟 号小行星探测器开发的地面支持系统 i s a c s d o c 能对探测器进行地面支持的异常监测和诊断。 我国在卫星故障诊断技术研究方面起步较晚，但随着人力财力的加大投入， 发展迅速，不仅在理论方面开展了较为深入的研究工作，在工程实践上也取得了 一定突破。“风云一号 卫星第一次系统性地考虑了控制系统的在轨故障检测， “资源一号”是我国第一颗真正实现自主诊断与重构功能的卫星。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，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。哈尔滨工业大学分别与中国空间技术研 究院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，并研制出了“卫星故障模式与演示系统”，取得了一定的成鲥1 6 】。 目前，这些系统还处于原型试验阶段，大部分都是演示系统，距离工程应用还有 很多工作要做。其中发展在轨卫星实时监测与诊断需要解决的关键问题包括建模 技术、不同诊断方法融合技术、故障诊断组件化技术以及故障诊断网络化技术1 1 7 】， 需要进行深入研究。在现有技术的基础上，未来在轨卫星诊断技术将向自主程度 更高、多系统集成、多资源协同诊断的趋势发展。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 2 2 2 在轨卫星系统组成与故障特点 卫星由若干分系统组成，按基本功能划分，可分为有效载荷和保障系统两大 部分。有效载荷是直接执行特定任务的分系统，保障系统是为有效载荷正常工作 提供支持和保证的各分系统的总称。除了执行不同任务所拥有特别功能分系统外， 大部分卫星都包含一些共有的分系统【l 】，如表1 2 所示。 表1 2 卫星主要分系统及其功能 系统名称主要功能 支撑、固定卫星上各种仪器设备，传递和承受载荷，保证卫 结构与机构分系统 星完整性及完成各种规定功能 姿态与轨道控制分系统控制卫星姿态，变换运行轨道，简称姿控分系统 总体电路分系统整星供配电、信号转接、火工装置管理和设备间电连接 储存各种程序，采集、处理数据以及协调管理卫星各分系统 数据管理分系统 工作 热控制分系统控制j p 星内外热交换过程，使其平衡温度处于要求范闱内 电源分系统产生、存储、变换电能 推进分系统为姿态控制和轨道控制提供所需的动力 遥测、遥控和跟踪测轨分系统的总称，采集星上各种仪器设 测控分系统 备的工作参数以及其他有关参数 表1 3 卫星控制系统故障举例 故障举例故障分析 星上蓄电池能量有限，入轨后若太阳能电池帆板不能及时展 太阳能电池帆板不能展开开，电能耗尽，卫星将报废。对策方法是指令姿控发动机按某 种要求喷气，使卫星左右晃动，利用晃动力量帮助帆板展开。 卫星的姿态敏感器主要有地球敏感器、太阳敏感器、陀螺和恒 姿态敏感器及执行机构等星敏感器，执行机构有喷气发动机、动量轮、磁力矩器和帆板 部件损坏驱动机构等。卫星在太空中长期运行后，其中电气或机械的组 成部分就可能出现故障，使某些活动部件不能正常工作。 由于星上程序是实时控制程序，检查和试验都比较困难，有些 星载计算机程序有错误程序虽然已正常运行许多时间，在某些特殊条件下，还会使计 算机结果出错，导致卫星姿态失控。 卫星太阳能电池帆板挠性基频和实际参数相差较大时，可导致 卫星动力学参数不准 卫星姿态振荡等故障。 卫星遥控指令中，除了一般的控制命令，还有各种参数要注入 遥控指令有错 到星上程序中，若出现错误，可能导致卫星灾难性后果。 如太阳、月亮对光学姿态敏感器的干扰，空间高能粒子对星上 其它原因 电子芯片的单粒子效应等，将使星上元器件性能产生突变。 第6 页 国防科学技术大学研究乍院硕十学位论文 般故障、严重故障和灾难性故障。前两者是可处置故障，灾难性故障是不叮处置 故障。航天工程实践中，飞行事件出现异常，可以肯定运载器或卫星结构要素发 生故障；测控事件出现异常，可以肯定测控网结构要素发生故障l l 引。实际管理中， 确定卫星系统是否故障首先要确定测控网是否正常，通常从静态的角度按卫星和 测控网的结构要素划分故障类型，从动态的角度按飞行事件或测控事件划分故障 类型并采取对策。根据在轨故障统计情况，卫星早期故障集中在控制、推进和供 配电分系统，后期故障则主要集中在供配电分系统1 2 j 。由于大多数卫星工作在地面 测控模式下，地面站不能连续实时地获取在轨卫星状态，因此其故障诊断有着比 地面设备更高的要求。 1 2 2 3 在轨卫星故障诊断的一般步骤 在轨卫星出现故障征兆以后，卫星专家依据经验根据下传的遥测数据加以分 析策略进行在轨维护。其故障隔离一般流程如图1 1 所剥1 8 , 2 0 】。 图1 1 在轨卫星状态判断一般步骤 主要采取的步骤有： ( 1 ) 系统专家分析讨论产生故障的各种可能原因； ( 2 ) 应用故障仿真方法对可能原因进行仿真试验，对故障进行诊断定位： ( 3 ) 系统专家讨论此故障的处理方案； ( 4 ) 应用故障仿真方法对此对策进行仿真试验，验证对策有效性； ( 5 ) 发出相应遥控指令。 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕 ：学位论文 有许多因素都能引起卫星系统故障，其表现形式也是多种多样。在卫星系统 的研制过程中，对各种可能的故障进行了考虑，研究了预防措施，添加了冗余保 护。由于故障的种类和原因太多，在卫星发射升空和在轨运行后，往往出现未预 料到的故障。同时，由于遥测数据的量和数据类型有限，以及考虑到遥测量相互 间的影响，依靠计算机超限判读并不一定能定位故障，因此，目前卫星故障诊断 更多的依赖于专家经验。 1 2 2 4 在轨卫星远程诊断系统基本要求 在轨卫星远程诊断系统要求卫星地面检测设备智能化、自动化、规范化和通 用化，系统软件必须有高度的灵活性、可靠性，设计在轨卫星远程诊断系统，需 要考虑以下方面的要求： 数据处理：远程诊断系统能实时接收在轨卫星的状态参数，进行数据的格式 转换、预处理和压缩。根据状态参数实时监测在轨卫星整体及各分系统的工作状 态，例如母线电流，姿态角度估值，红外弦宽等，对原始数据进行阈值判断和可 读化处理。 监视诊断：监视包括检验控制指令上注的正确性、卫星状态控制的正确性和 卫星工作状态监视三个方面1 2 。在卫星系统出现故障征兆时，根据参数信息能够 快速、准确地隔离故障，给出诊断结果，并能给出诊断推理依据，提供相应的故 障对策。要求较高的故障定位和处理速度，能使近地卫星在1 0 分钟的测控弧段内 及时完成故障处理。 学习扩展：系统知识库能够自动对历史维护数据进行总结扩展，针对新情况 进行学习。对卫星管理过程中涉及到的各类测控数据进行长期存储，并提供检索 与报表生成等服务功能，以满足卫星管理人员对不同时期、不同类型、不同形式 信息的需求。 交互性：实时诊断工具提供在线监测和自动诊断推理功能，但不能自动隔离 所有故障，面临新问题，还需要系统提供人机交互环境，搭建专家协作平台，依 据卫星专家经验完成交互式诊断任务【2 羽。 兼容性：目前，已有较成熟的故障诊断相关工具实现了商业化，如美 蛋q s i 公司的t e a m s l 2 3 1 系列工具等，与这些成熟产品实现对接可节省开发时间，降低开 发成本。因此，利用现有优势工具，实现接口设计，支持诸如域名系统( d n s ) 、 可扩展标记语言( x m l ) 、轻量级目录访问协议( l d a p ) 以及超文本传输协议 ( h t t p ) 等，增强系统兼容性是需要考虑的问题。 安全性：涉及到系统安全和数据安全两个方面。远程诊断系统是以计算机和 数据通讯网络为基础的互联网络系统，在w e b 服务器上要处理不同级别用户在网络 上的访问，安全性是非常重要的一个环节。卫星设计与运行参数关系到国家机密 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕十学何论文 和系统安全性，因此对访问者实行严格管理以及保证数据传输安全性是需要考虑 的问题。 围绕在轨卫星远程诊断需求，许多研究机构开展了相关研究工作，并相继建 立了在轨卫星远程诊断原型试验系统。然而，这些原型试验系统目前还普遍存在 配置不灵活，开放性差，工程化应用困难等问题，卫星故障诊断以现场人工诊断 为主的局面并没有从根本上得到改变，其诊断方式和手段亟待有新的突破。基于 此，论文将针对性地开展相关关键技术研究，以提高卫星故障诊断的智能化与远 程化水平，为在轨卫星运行管理提供技术参考。 1 3 1 论文研究内容 1 3 论文研究内容及组织结构 在轨卫星远程诊断系统是卫星技术、故障诊断技术、计算机网络技术、数据 库技术、人工智能技术等多技术领域交叉渗透的新型研究领域。论文以在轨卫星 作为研究对象，针对其故障诊断需求，深入研究系统实现关键技术，并提出解决 方案，为最终在广域范围内建立起在轨卫星远程诊断体系提供有效技术支持。具 体从以下几个方面进行研究： ( 1 ) 基于多信号模型的故障诊断技术：在轨卫星远程诊断系统的出发点和目 的就是实现卫星故障高隔离率和修复率，故障诊断技术是在轨卫星远程诊断系统 逻辑核心。 ( 2 ) 针对卫星故障诊断的人工智能技术：在轨卫星远程诊断包含一个新型的 开放式专家诊断系统，它具有知识库的高度开放性和可扩充性，具有故障诊断过 程中的人机协作特性。 ( 3 ) 支持远程诊断的计算机网络技术：在轨卫星远程诊断系统的实现首先需 要搭建一个基于n e t 构架的网络平台，包括远程数据传输网络、w e b 服务器组件、 动态w e b 页面、远程专家交互平台等。 ( 4 ) 基于w e b 服务器的数据库技术：在轨卫星远程诊断系统包含大数据量的 数据库建设，包括运行数据库、诊断知识库等，动态w e b 页面的实现与数据库技 术是紧密结合的。 1 3 2 论文组织结构 论文从在轨卫星诊断需求入手，首先提出远程诊断体系总体架构，研究了系 统建模技术、故障诊断技术与网络相关技术，最后设计开发了系统各功能模块并 进行了仿真验证。论文在结构上分为六章，具体章节安排及内容如下： 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 主要介绍论文的研究背景、研究意义、研究目标以及研究内容安排。 第二章在轨卫星远程诊断系统总体设计 主要提出在轨卫星远程诊断体系构架，阐述系统设计的总体思想和主要特点， 划分系统功能层次模型，对系统网络结构进行分析和选用。 第三章在轨卫星系统诊断模型与推理技术研究 主要研究了多信号建模技术，基于多信号模型的诊断推理技术以及基于决策 树的诊断技术。利用t e a m s 软件建立了某卫星姿控分系统多信号模型，实现了基 于多信号模型的实时诊断方法，设计了基于遍历算法的决策树诊断系统。 第四章在轨卫星远程诊断系统网络平台研究 主要研究了在轨卫星远程诊断系统的诊断网络实现技术，包括支持远程诊断的 网络通信技术，基于w e b 的数据库