潘宇倩 馮文婧 張弓 夏巖

(中國空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)

導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)性能主要由精度、可用性、連續(xù)性、完好性指標(biāo)表征。連續(xù)性是指在規(guī)定的時間內(nèi),空間信號能夠持續(xù)健康而不出現(xiàn)非計劃中斷的概率?？捎眯詣t可理解為導(dǎo)航星座系統(tǒng)在規(guī)定的時間段和規(guī)定的精度要求下,提供健康空間信號的時間百分比?？臻g信號的連續(xù)性和可用性都與衛(wèi)星服務(wù)的中斷有關(guān)。北斗三號全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座系統(tǒng)是一個涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng),需要在惡劣復(fù)雜的空間環(huán)境中長期飛行,盡管在設(shè)計、研制過程中采取了一系列可靠性的措施,但衛(wèi)星在軌飛行中仍不可避免地發(fā)生這樣那樣的故障,使衛(wèi)星的健康狀況出現(xiàn)突然或逐漸的惡化,導(dǎo)致衛(wèi)星服務(wù)中斷。前期在北斗二號工程中雖然設(shè)計并實現(xiàn)了一些故障管理功能,但主要集中在平臺部件級的故障診斷和恢復(fù),缺乏面向衛(wèi)星在軌服務(wù)性能的、全系統(tǒng)意義上的自主健康管理。本文根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星在軌長期連續(xù)、穩(wěn)定運行的任務(wù)要求,以及非計劃中斷、空間信號連續(xù)性、空間信號可用性等系統(tǒng)指標(biāo)要求特點,參照同類復(fù)雜裝備系統(tǒng)健康管理技術(shù)的發(fā)展和典型應(yīng)用[1-7],探索了一套適用于導(dǎo)航衛(wèi)星健康管理系統(tǒng)指標(biāo)體系構(gòu)建方法,作為衛(wèi)星自主健康管理與預(yù)測(PHM)系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)和發(fā)揮效能的基礎(chǔ),盡量減少衛(wèi)星故障對導(dǎo)航服務(wù)中斷次數(shù)和中斷時間的影響,提升單星連續(xù)服務(wù)的時間,確保星座系統(tǒng)可用性、連續(xù)性等指標(biāo)滿足要求。

1 導(dǎo)航衛(wèi)星指標(biāo)體系構(gòu)建思路

導(dǎo)航衛(wèi)星PHM 指標(biāo)體系構(gòu)建主要包括以下3個步驟,即PHM 系統(tǒng)任務(wù)分析、PHM 系統(tǒng)需求分析和定性定量指標(biāo)體系確定、PHM 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)計算和驗證。

(1)PHM 系統(tǒng)任務(wù)分析。對衛(wèi)星在軌典型任務(wù)進行分解,明確與PHM 系統(tǒng)相關(guān)的、影響任務(wù)成功和載荷服務(wù)指標(biāo)的具體因素,分析PHM 系統(tǒng)對任務(wù)和服務(wù)的影響,確定PHM 系統(tǒng)與頂層任務(wù)目標(biāo)的關(guān)系。

(2)PHM 系統(tǒng)需求分析和定性定量指標(biāo)體系確定。根據(jù)PHM 系統(tǒng)與頂層任務(wù)目標(biāo)的關(guān)系,進行PHM 功能需求分析,從故障診斷、性能評估、故障預(yù)測等出發(fā),考慮及時性和準(zhǔn)確性需求,分析建立PHM 系統(tǒng)的定性和定量要求。

(3)PHM 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)計算和驗證。綜合利用指標(biāo)計算、仿真分析等方法進行參數(shù)計算,確定PHM 系統(tǒng)方案和指標(biāo)體系,并對PHM 系統(tǒng)設(shè)計和頂層任務(wù)目標(biāo)實現(xiàn)情況進行驗證,確保頂層任務(wù)目標(biāo)滿足要求。

2 導(dǎo)航衛(wèi)星指標(biāo)體系構(gòu)建方法

按照第1節(jié)的構(gòu)建思路,經(jīng)任務(wù)及需求分析、定性定量指標(biāo)體系確定、指標(biāo)參數(shù)確定3個步驟完成導(dǎo)航衛(wèi)星指標(biāo)體系構(gòu)建,即首先完成PHM 系統(tǒng)對任務(wù)成功的影響研究,形成功能需求分析,以此進一步依照故障診斷、性能評估、故障預(yù)測等方面形成指標(biāo)體系,最后依據(jù)指標(biāo)體系結(jié)合航天器特性確定指標(biāo)參數(shù),完成指標(biāo)體系的構(gòu)建。具體構(gòu)建過程見圖1。

圖1 指標(biāo)體系構(gòu)建過程Fig.1 Index system design scheme

2.1 任務(wù)及需求分析

導(dǎo)航衛(wèi)星的任務(wù)中斷可分為短期計劃中斷、短期非計劃中斷和長期中斷3類,其中短期非計劃中斷可以借助PHM 設(shè)計及措施來滿足指標(biāo)要求。短期非計劃中斷指標(biāo)要求包括下行信號短期非計劃中斷平均間隔時間及恢復(fù)時間、接收上注信息的短期非計劃中斷平均間隔時間及恢復(fù)時間。根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)任務(wù)分解,導(dǎo)航衛(wèi)星連續(xù)服務(wù)主要和下行信號、上行注入鏈路、衛(wèi)星壽命等有關(guān)。

2.1.1 導(dǎo)航衛(wèi)星任務(wù)分析

1)下行信號服務(wù)性能分析

導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號短期非計劃中斷的原因包括:①使用了大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、數(shù)字信號處理器(DSP)、中央處理器(CPU)等邏輯器件的單機,由于單粒子事件導(dǎo)致功能中斷,繼而造成導(dǎo)航下行信號中斷;②與導(dǎo)航下行信號生成與播發(fā)直接相關(guān)的單機,由于硬故障而切機導(dǎo)致功能中斷,繼而造成導(dǎo)航下行信號中斷。

2)接收上注信號服務(wù)性能分析

導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星接收上注信息短期非計劃中斷的主要原因包括:①使用了大規(guī)模FPGA、DSP、CPU等邏輯器件的單機,由于單粒子事件導(dǎo)致功能中斷,繼而造成接收上注信息中斷;②與導(dǎo)航接收上注信息直接相關(guān)的單機,由于硬故障而切機導(dǎo)致功能中斷,繼而造成接收上注信息中斷。

3)在軌安全穩(wěn)定運行對健康管理系統(tǒng)需求分析

衛(wèi)星在軌是否能夠安全穩(wěn)定運行,主要取決于衛(wèi)星姿態(tài)、衛(wèi)星軌道擾動、整星能源保障、熱控保障等,涉及平臺控制、推進、電源、熱控等分系統(tǒng),為了更好、更便利地對衛(wèi)星實施控制和管理,平臺測控、綜合電子分系統(tǒng)功能至關(guān)重要。為了確保衛(wèi)星平臺服務(wù)不會引起導(dǎo)航信號中斷,衛(wèi)星平臺需要充分的冗余備份手段,通過PHM 系統(tǒng)提供多種切換、處理等保證措施。

對于導(dǎo)航衛(wèi)星行波管放大器、原子鐘、蓄電池等具有典型退化和耗損等特征的產(chǎn)品,其故障將可能導(dǎo)致衛(wèi)星任務(wù)失敗或壽命終結(jié),這對星載PHM 系統(tǒng)提出了預(yù)測的需求?？紤]這些具有典型退化性能產(chǎn)品的趨勢預(yù)測算法成熟,且需要快速緊急處理,因此需要對這些產(chǎn)品性能開展長期趨勢預(yù)測與分析,全面了解產(chǎn)品性能變化情況,盡早發(fā)現(xiàn)并及時處置,以最大限度地減少中斷發(fā)生的概率。

2.1.2 導(dǎo)航衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)功能需求

從衛(wèi)星服務(wù)性能方面,導(dǎo)航衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)應(yīng)具備與下行信號非計劃中斷和上注信息非計劃中斷相關(guān)的衛(wèi)星健康管理能力,包括故障檢測能力、故障預(yù)測能力、自主恢復(fù)管理能力等;從在軌安全穩(wěn)定運行方面,應(yīng)具備對衛(wèi)星壽命評估分析和預(yù)測的能力,包括衛(wèi)星推進劑壽命估計,衛(wèi)星能源壽命估計,對具有典型退化、耗損特征產(chǎn)品的性能趨勢分析和壽命估計。

面向?qū)Ш叫l(wèi)星服務(wù)性能健康管理功能需求可進一步總結(jié)歸納如下。

(1)PHM 系統(tǒng)應(yīng)具備對整星、分系統(tǒng)和單機部件的可檢測故障模式進行檢測,必要并可行的情況下完成故障隔離和恢復(fù)。

(2)對影響衛(wèi)星下行非計劃中斷的故障應(yīng)具備故障檢測、診斷與隔離功能,通過采取故障自主診斷和恢復(fù)設(shè)計、重要數(shù)據(jù)備份等措施,減少下行中斷發(fā)生次數(shù),降低中斷對系統(tǒng)恢復(fù)的影響;經(jīng)分析,影響衛(wèi)星下行非計劃中斷的故障模式主要涉及導(dǎo)航及平臺相關(guān)分系統(tǒng)的故障模式。

(3)對影響衛(wèi)星上行非計劃中斷的故障應(yīng)具備故障檢測、診斷與隔離功能,通過采取故障自主診斷和恢復(fù)設(shè)計、重要數(shù)據(jù)備份等措施,減少上行中斷發(fā)生次數(shù),降低中斷對系統(tǒng)恢復(fù)的影響;經(jīng)分析,影響衛(wèi)星上行非計劃中斷的故障模式主要涉及導(dǎo)航、星間鏈路及平臺相關(guān)分系統(tǒng)的故障模式。

(4)應(yīng)具備對衛(wèi)星壽命進行評估分析和預(yù)測,能夠?qū)Φ湫屯嘶a(chǎn)品性能趨勢分析和預(yù)測功能,如銣鐘、行波管放大器(TWTA)、推力器、控制活動部件、推進劑、蓄電池等,能夠完成性能趨勢分析、性能降級評價和壽命估計。

(5)通過軟硬件自檢或內(nèi)部的連續(xù)性監(jiān)測,能夠產(chǎn)生健康狀態(tài)參數(shù),健康狀態(tài)參數(shù)應(yīng)能覆蓋設(shè)備內(nèi)部及各類通信接口通信狀態(tài)的常見故障。

(6)衛(wèi)星軟件和硬件應(yīng)具備配置管理及擴展能力。

2.2 指標(biāo)體系的確定

根據(jù)2.1.2節(jié)中功能需求分解情況,導(dǎo)航衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)既強調(diào)故障的檢測與隔離、狀態(tài)的實時監(jiān)視,同時強調(diào)對剩余使用壽命的預(yù)測。導(dǎo)航衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)應(yīng)覆蓋故障檢測/隔離類,預(yù)測類和其他綜合類。

1)故障檢測/隔離類指標(biāo)

為了使“下行信號短期非計劃中斷”、“接收上注信息的短期非計劃中斷”滿足要求,需要對相關(guān)故障完成故障檢測和隔離,并要求故障隔離時間盡可能短,虛警率盡可能低。根據(jù)2.1.2 節(jié)功能需求第(1)、(2)、(3)項,從故障診斷準(zhǔn)確性度量、故障診斷時延度量、故障診斷魯棒性度量等方面提出相應(yīng)的故障檢測指標(biāo)參數(shù),故障檢測隔離類指標(biāo)主要包含故障檢測率、故障隔離率、故障隔離時間、虛警率、平均虛警間隔時間。

圖2 導(dǎo)航衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)健康管理指標(biāo)Fig.2 Index for navigation satellite PHM system

2)預(yù)測類指標(biāo)

根據(jù)2.1.2節(jié)功能需求第(4)項,需要實現(xiàn)對具有典型退化、耗損特征的產(chǎn)品,如原子鐘、行波管、蓄電池等進行趨勢預(yù)測,從預(yù)測準(zhǔn)確性度量、預(yù)測時延度量等方面提出預(yù)測類指標(biāo)參數(shù),預(yù)測類指標(biāo)主要包含預(yù)測覆蓋率、準(zhǔn)確度和精度。

3)綜合度量類指標(biāo)

根據(jù)2.1.2 節(jié)功能需求第(5)、(6)項,在星載PHM 系統(tǒng)設(shè)計中,需要把星載PHM 故障檢測、隔離以及故障恢復(fù)后的狀態(tài)信息進行采集并傳輸至地面。同時需要具備對星載自主故障檢測和處理功能的狀態(tài)升級和擴展能力,因此,綜合類指標(biāo)主要包含:數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)存儲容量等。

2.3 指標(biāo)參數(shù)確定方法

PHM 指標(biāo)確定方法主要包括類比法、參數(shù)權(quán)衡法、基于SIMLOX 仿真軟件的參數(shù)確定法、層次分析-折中系數(shù)法、馬爾科夫鏈法、可用度-費用優(yōu)化權(quán)衡法等。導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)是一種軟件密集型系統(tǒng),其健康管理功能與衛(wèi)星各系統(tǒng)高度耦合,因此采用參數(shù)權(quán)衡法,根據(jù)服務(wù)性能要求對衛(wèi)星健康管理系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù)集進行定量計算,給出總體指標(biāo)參數(shù)的定量計算方法和指標(biāo)量化過程。

參數(shù)權(quán)衡法的主要計算過程如下。

(1)根據(jù)“下行非計劃中斷平均間隔時間及恢復(fù)時間”或“上行非計劃中斷平均間隔時間及恢復(fù)時間”系統(tǒng)指標(biāo)要求,計算出系統(tǒng)的可用度為

式中:TU為能工作時間;TT為總擁有時間。

(2)利用故障檢測率γFD與可用度、可靠度之間的關(guān)系,權(quán)衡分析確定故障檢測率和維修度指標(biāo),即

式中:A(t)為系統(tǒng)在時間t 時的使用可用度,R(t)為可靠度,γFD為故障檢測率,M(t)為維修度。對導(dǎo)航衛(wèi)星而言要求故障發(fā)生之后能夠及時準(zhǔn)確檢測,因此要求故障檢測率高于0.999,進而計算得出M(t)。

(3)假定維修概率密度分母函數(shù)為指數(shù)分布

式中:tIN為無機內(nèi)測試技術(shù)(BIT)時故障定位隔離時間,to為除tIN以外的其它時間之和,γFI為故障隔離率,根據(jù)類似產(chǎn)品憑經(jīng)驗估計,權(quán)衡確定to和tIN,進而計算得出故障隔離率γFI。

(4)虛警率γFA不僅與單位時間的虛警數(shù)有關(guān),而且還與系統(tǒng)的故障率λS、虛警率λFA和故障檢測率γFD有關(guān),即

3 導(dǎo)航衛(wèi)星仿真分析與在軌驗證

3.1 PHM 建模分析及指標(biāo)設(shè)計結(jié)果

衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)的連續(xù)性和可用性都與衛(wèi)星服務(wù)的中斷相關(guān)。從導(dǎo)致衛(wèi)星服務(wù)中斷各個子事件入手,在已構(gòu)建的指標(biāo)體系框架下,分析梳理各子事件下的故障模式,相關(guān)的分系統(tǒng)和單機設(shè)備,梳理提煉相應(yīng)的故障檢測點,以滿足故障檢測率的指標(biāo),設(shè)計分層級的故障診斷及恢復(fù)方法和處理策略,以滿足故障隔離率等指標(biāo)要求,開展衛(wèi)星自主故障管理功能設(shè)計。見圖3。

圖3 面向服務(wù)性能的PHM 建模Fig.3 PHM modeling for service performance

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星服務(wù)的中斷指標(biāo)要求包括下行信號短期非計劃中斷、接收上注信息的短期非計劃中斷、影響在軌安全的非計劃中斷。

根據(jù)工程分析和衛(wèi)星在軌飛行經(jīng)驗,導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號短期非計劃中斷的原因如2.1.1節(jié)所述,導(dǎo)航下行信號中斷直接與導(dǎo)航分系統(tǒng)相關(guān)。經(jīng)故障樹分析,確定導(dǎo)航分系統(tǒng)導(dǎo)航任務(wù)處理機等單機會引起下行中斷,因此在這些設(shè)備加入遙測數(shù)據(jù)檢測點,對故障檢測率、故障隔離率、故障隔離時間、虛警率、平均虛警間隔時間等自主健康管理體系指標(biāo)進行設(shè)計和分解,并進行自主切機、復(fù)位等故障處置措施。

導(dǎo)致導(dǎo)航衛(wèi)星接收上注信息短期非計劃中斷的原因包括:單粒子事件、單機切機導(dǎo)致的上行信號中斷。導(dǎo)航接收上注信息是否中斷直接和導(dǎo)航分系統(tǒng)、綜合電子分系統(tǒng)和星間鏈路分系統(tǒng)相關(guān)。經(jīng)故障樹分析,確定星間收發(fā)信機等單機會引起上注中斷,因此在這些設(shè)備加入遙測數(shù)據(jù)檢測點,對故障檢測率、故障隔離率、故障隔離時間、虛警率、平均虛警間隔時間等自主健康管理體系指標(biāo)進行設(shè)計和分解,并進行自主切機、復(fù)位等故障處置措施。

導(dǎo)航衛(wèi)星影響在軌安全的非計劃中斷直接和綜合電子分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)、測控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)相關(guān)。經(jīng)故障樹分析,確定中心處理單元等單機會引起影響在軌安全的非計劃中斷,因此在這些設(shè)備加入遙測數(shù)據(jù)檢測點,對故障檢測率、故障隔離率、故障隔離時間、虛警率、平均虛警間隔時間等自主健康管理體系指標(biāo)進行設(shè)計和分解,并進行自主切機、復(fù)位等故障處置措施。

3.2 評估驗證結(jié)果

1)仿真驗證結(jié)果

北斗三號衛(wèi)星各分系統(tǒng)相關(guān)單機按照3.1節(jié)指標(biāo)要求開展設(shè)計研制,完成研制后得到單機基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括故障中斷間隔、故障平均間隔時間、平均檢測和恢復(fù)時間等。

根據(jù)衛(wèi)星下行信號中斷故障樹及單機基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計算得到下行信號中斷概率為

式中:Mi為故障樹第i個底事件平均無故障工作時間,Pdi為第i個底事件下行信號中斷概率,N 為底事件數(shù)量。

由此,平均間隔時間為

式中:Td為下行平均間隔時間,H 為全年小時數(shù)。

導(dǎo)航下行信號中斷平均恢復(fù)時間計算為

式中:Ri為故障樹第i個底事件下行信號中斷平均恢復(fù)時間。

經(jīng)過仿真計算得到導(dǎo)航下行信號中斷平均恢復(fù)時間為6.2 min,滿足下行非計劃中斷次數(shù)0.4次/星/年、平均間隔時間≥21 900 h、恢復(fù)時間≤3 h的要求。

根據(jù)衛(wèi)星接收上注信息中斷故障樹及單機基礎(chǔ)數(shù)據(jù),計算得到境內(nèi)和境外接收上注信息中斷概率Pu1,Pu2為

式中:Pui為故障樹第i個底事件上注信息中斷概率,K 為底事件數(shù)量,M 為與境內(nèi)相關(guān)的底事件數(shù)量。

由此,境內(nèi)和境外平均間隔時間為

經(jīng)過仿真計算得到(境內(nèi))衛(wèi)星接收上注信息中斷平均恢復(fù)時間為14.8 min;(境外)衛(wèi)星接收上注信息中斷平均恢復(fù)時間為34 s,滿足接收上注信息的短期非計劃中斷平均間隔時間≥2000 h、恢復(fù)時間≤1.5 h的要求。

2)在軌評估結(jié)果

北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星空間信號連續(xù)性是指一個“健康”狀態(tài)的導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號能在規(guī)定時間段內(nèi)不發(fā)生非計劃中斷而持續(xù)工作的概率,空間信號可用性是指衛(wèi)星提供“健康”狀態(tài)導(dǎo)航衛(wèi)星下行信號的概率。短期非計劃中斷是影響導(dǎo)航衛(wèi)星信號“健康”的重要因素,本文從“下行信號短期非計劃中斷”和“接收上注信息的短期非計劃中斷”出發(fā),進行了健康管理指標(biāo)體系構(gòu)建和衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)設(shè)計,以滿足衛(wèi)星導(dǎo)航信號短期非計劃中斷的要求,提升衛(wèi)星的連續(xù)性和可用性。

經(jīng)在軌統(tǒng)計分析,在PHM 系統(tǒng)支持下,北斗三號衛(wèi)星在軌空間信號連續(xù)性整體統(tǒng)計優(yōu)于每小時99.99%,滿足≥99.8%的指標(biāo)要求,相比于北斗二號所有衛(wèi)星整體連續(xù)性每小時99.89%有較大提升,所有衛(wèi)星整體統(tǒng)計空間信號可用性優(yōu)于99.78%,滿足≥98.0%的指標(biāo)要求,相比于北斗二號所有衛(wèi)星整體可用性98.93%有較大提升[8],有效保障了北斗全球系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定的運行和服務(wù)。

4 結(jié)束語

本文以導(dǎo)航衛(wèi)星信號短期非計劃中斷為頂事件,通過分析引起衛(wèi)星短期非計劃中斷的主要原因和故障模式,提出了相關(guān)的指標(biāo)要求和健康管理設(shè)計,盡量減少故障對導(dǎo)航衛(wèi)星信號服務(wù)的影響,對衛(wèi)星連續(xù)性和可用性的提升具有意義。在實際型號研制中,圍繞短期非計劃中斷開展了健康管理系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn),并對健康管理功能進行了測試、驗證和在軌應(yīng)用。在軌性能評估結(jié)果表明:北斗三號衛(wèi)星空間信號連續(xù)性 每小時99.99%,空間信號可用性99.78%,均滿足系統(tǒng)服務(wù)性能規(guī)范承諾的目標(biāo),為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能和在軌安全穩(wěn)定運行提供了支持保障。后續(xù)根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星在軌運行情況,對健康管理系統(tǒng)功能和要求不斷完善,以提升系統(tǒng)和衛(wèi)星的穩(wěn)定運行能力,為我國同類航天器健康管理技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展和水平提升提供借鑒和參考。