鄭曉坤，姚治剛，戴 鑫

（1.78111 部隊，四川 成都 610000；2.78135 部隊，四川 成都 610000；3.78090 部隊，四川 成都 610000）

0 引 言

資源衛(wèi)星在執(zhí)行任務(wù)時有不同的工作模式，而各種工作模式下的衛(wèi)星定位模式有所區(qū)別。例如，地心定位模式、天體定位模式以及慣性定位模式。在不同的定位模式下，衛(wèi)星保持著各自的運行姿態(tài)。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的有效性是衛(wèi)星正確完成任務(wù)的前提。及時發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)可能存在的問題，是衛(wèi)星故障預(yù)警的重要部分。本文通過研究資源衛(wèi)星下行遙測數(shù)據(jù)中的衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)，提出基于波形特征的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障預(yù)警方法[1]，為確保衛(wèi)星安全運行、及時發(fā)現(xiàn)存在的問題提供分析方法。

1 衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)波形特征識別

1.1 衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)遙測參數(shù)

通常，資源衛(wèi)星的姿態(tài)控制遙測數(shù)據(jù)包括姿態(tài)角X、姿態(tài)角Y、姿態(tài)角Z、姿態(tài)角速度X、姿態(tài)角速度Y、姿態(tài)角速度Z 共6 類。這6 類參數(shù)指示了衛(wèi)星在軌道上的運行姿態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，衛(wèi)星的姿態(tài)出現(xiàn)異常。衛(wèi)星3 個方向的姿態(tài)都與正常姿態(tài)有不同之處，因此只需要監(jiān)測某一方向的參數(shù)變化，當(dāng)遙測數(shù)據(jù)出現(xiàn)明顯異常時，可以判斷衛(wèi)星姿態(tài)是否異常。

1.2 衛(wèi)星姿態(tài)變化的周期性

衛(wèi)星處于3 種定位模式下，雖然姿態(tài)角的變化較為明顯，但是其都具有很強的周期性。通過對某型號資源衛(wèi)星2013—2014年2年姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)的研究，結(jié)合經(jīng)驗判斷和衛(wèi)星運行軌道的物理知識，統(tǒng)計出該型號姿態(tài)數(shù)據(jù)的變化周期是一定值。設(shè)在不同定位模式下衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)的變化周期為定值T。圖1 為某資源衛(wèi)星在連續(xù)切換3 種定位模式時姿態(tài)角Z的變化。雖然變化規(guī)律相差很大，但是周期相同[2]。

圖1 3 種定位模式下衛(wèi)星姿態(tài)角Z 的變化

1.3 衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)波形特征提取

在得到姿態(tài)角變化周期T后，結(jié)合衛(wèi)星上行指令的執(zhí)行時間，能夠?qū)?yīng)姿態(tài)角在每個周期內(nèi)的數(shù)據(jù)區(qū)別出來。遙測數(shù)據(jù)中包含衛(wèi)星從地面控制中心接收的上行指令的所有信息，讀取上行指令開始執(zhí)行時間并將其設(shè)為t=0。當(dāng)執(zhí)行時間達到一個周期時，t=T將[0，T]中的數(shù)據(jù)作為該種定位模式下的一個周期數(shù)據(jù)模式集；在t＞T后，將[T，2T]內(nèi)的數(shù)據(jù)集以同樣的方法補充進該定位模式的數(shù)據(jù)集中。按此方法可以得到3種定位模式下姿態(tài)角X變化在樣本時間內(nèi)的數(shù)據(jù)合集。

得到數(shù)據(jù)合集后，要挖掘各個周期內(nèi)衛(wèi)星姿態(tài)角的模式特征。先將離散化數(shù)據(jù)集以線型連接，考慮到姿態(tài)角變化有很強的波形特征，決定以周期內(nèi)姿態(tài)角變化波形特點提取特征集。波形特征主要提取以下3個：（1）考察波形與周期內(nèi)最低點的包絡(luò)面積S；（2）周期內(nèi)最高點與左一最低點的斜率K；（3）姿態(tài)角首次回到周期起始數(shù)值的時間間隔L。圖2 為某一時間段內(nèi)姿態(tài)角X在3 種定位模式下3 個特征值的計算示意圖。

圖2 姿態(tài)角X 在3 種定位模式下特征值計算示意圖

根據(jù)3 個姿態(tài)特征，可以對2 個月的姿態(tài)角X的遙測數(shù)據(jù)進行分析，提取出2 個月內(nèi)3 種定位模式所有的周期數(shù)據(jù)集，并計算數(shù)據(jù)集內(nèi)波形的3 個特征值，得到衛(wèi)星在3 種姿態(tài)下姿態(tài)角X的3 個波形特征值變化，如圖3 所示（200 個周期）。

可以看出，在2 個月內(nèi)，相同定位模式下波形的特征值非常相似。在衛(wèi)星姿態(tài)控制穩(wěn)定的前提下，特征值在每一個周期中都有很強的相似性。對不同的定位模式，特征值的區(qū)別很大，可以很容易區(qū)分出衛(wèi)星處于哪種定位模式。據(jù)此，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)集就可以得到衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)在正常工作時在不同定位狀態(tài)下姿態(tài)角波形變化的特征值集合。隨著處理數(shù)據(jù)的不斷加大，樣本數(shù)據(jù)特征值集合也越來越大，從而不斷充實和完善樣本庫。

圖3 姿態(tài)角X 的3 個波形特征值變化

2 監(jiān)測衛(wèi)星姿態(tài)異常情況

在得到樣本特征值集合后，可用于監(jiān)測衛(wèi)星姿態(tài)異常情況。研究正常特征值集合中數(shù)據(jù)的分布，設(shè)置置信度為95%[3]，計算得到3 種定位下特征值的置信區(qū)間如表1 所示。

表1 姿態(tài)角波形特征值置信區(qū)間

對于待檢測周期，通過計算特征值判斷其3 個特征值是否在執(zhí)行區(qū)間內(nèi)。若都在置信區(qū)間內(nèi)，則衛(wèi)星在此周期內(nèi)姿態(tài)控制正常；若不在周期內(nèi)，則說明姿態(tài)角運行出現(xiàn)故障，此時需要報警，提示地面控制中心人員關(guān)注衛(wèi)星姿態(tài)情況。

為了驗證檢驗方法的有效性，選擇該資源衛(wèi)星在2013—2014年期間的姿態(tài)角X的遙測數(shù)據(jù)，根據(jù)以下流程進行檢測和判斷：讀取上行數(shù)據(jù)及遙測數(shù)據(jù)；劃分各姿控模式下遙測周期數(shù)據(jù)；計算各周期內(nèi)姿態(tài)角波形特征值S、K、L；判斷特征值是否在置信區(qū)間內(nèi)，若在則姿控正常，將該周期特征值加入樣本庫，若不在則顯示姿控可能出問題，提示人員關(guān)注姿控變化；進行下一個周期判斷。根據(jù)以上流程對歷時數(shù)據(jù)進行處理和判斷，結(jié)果顯示在2年的遙測數(shù)據(jù)中，共檢測到5 個連續(xù)時段的異常情況，其中某一次時段的姿態(tài)角數(shù)據(jù)如圖4 所示。根據(jù)上行指令判斷其處于地心定位模式，其姿態(tài)角X的特征值為S=257.34、K=0.293、L=28.6，不屬于置信區(qū)間，判斷衛(wèi)星姿態(tài)異常。

從衛(wèi)星在該時段的姿態(tài)遙測數(shù)據(jù)的波形來看，衛(wèi)星姿態(tài)控制確實出現(xiàn)了異常[4]。

圖4 異常姿態(tài)數(shù)據(jù)檢測結(jié)果

3 結(jié) 論

本文從衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障監(jiān)測需求出發(fā)，選擇衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)與上行數(shù)據(jù)，聯(lián)合分析指令與遙測數(shù)據(jù)得到區(qū)分姿態(tài)變化周期的方法，再針對姿態(tài)角數(shù)據(jù)的波形變化特征，提出了波形的3 個特征指標。通過計算大量的衛(wèi)星姿態(tài)控制正常時期的樣本數(shù)據(jù)，建立衛(wèi)星姿態(tài)角變化數(shù)據(jù)庫，根據(jù)歷史特征變化得到正常姿控條件按下的特征值置信區(qū)間，以此作為監(jiān)測衛(wèi)星姿控是否正常的依據(jù)。