導航衛星自主健康管理指標體系構建方法

潘宇倩 馮文婧 張弓 夏巖

(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部,北京 100094)

導航衛星服務性能主要由精度、可用性、連續性、完好性指標表征。連續性是指在規定的時間內,空間信號能夠持續健康而不出現非計劃中斷的概率?？捎眯詣t可理解為導航星座系統在規定的時間段和規定的精度要求下,提供健康空間信號的時間百分比?？臻g信號的連續性和可用性都與衛星服務的中斷有關。北斗三號全球導航衛星星座系統是一個涉及多學科、多領域技術的復雜系統,需要在惡劣復雜的空間環境中長期飛行,盡管在設計、研制過程中采取了一系列可靠性的措施,但衛星在軌飛行中仍不可避免地發生這樣那樣的故障,使衛星的健康狀況出現突然或逐漸的惡化,導致衛星服務中斷。前期在北斗二號工程中雖然設計并實現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,缺乏面向衛星在軌服務性能的、全系統意義上的自主健康管理。本文根據導航衛星在軌長期連續、穩定運行的任務要求,以及非計劃中斷、空間信號連續性、空間信號可用性等系統指標要求特點,參照同類復雜裝備系統健康管理技術的發展和典型應用[1-7],探索了一套適用于導航衛星健康管理系統指標體系構建方法,作為衛星自主健康管理與預測(PHM)系統設計實現和發揮效能的基礎,盡量減少衛星故障對導航服務中斷次數和中斷時間的影響,提升單星連續服務的時間,確保星座系統可用性、連續性等指標滿足要求。

1 導航衛星指標體系構建思路

導航衛星PHM 指標體系構建主要包括以下3個步驟,即PHM 系統任務分析、PHM 系統需求分析和定性定量指標體系確定、PHM 系統指標參數計算和驗證。

(1)PHM 系統任務分析。對衛星在軌典型任務進行分解,明確與PHM 系統相關的、影響任務成功和載荷服務指標的具體因素,分析PHM 系統對任務和服務的影響,確定PHM 系統與頂層任務目標的關系。

(2)PHM 系統需求分析和定性定量指標體系確定。根據PHM 系統與頂層任務目標的關系,進行PHM 功能需求分析,從故障診斷、性能評估、故障預測等出發,考慮及時性和準確性需求,分析建立PHM 系統的定性和定量要求。

(3)PHM 系統指標參數計算和驗證。綜合利用指標計算、仿真分析等方法進行參數計算,確定PHM 系統方案和指標體系,并對PHM 系統設計和頂層任務目標實現情況進行驗證,確保頂層任務目標滿足要求。

2 導航衛星指標體系構建方法

按照第1節的構建思路,經任務及需求分析、定性定量指標體系確定、指標參數確定3個步驟完成導航衛星指標體系構建,即首先完成PHM 系統對任務成功的影響研究,形成功能需求分析,以此進一步依照故障診斷、性能評估、故障預測等方面形成指標體系,最后依據指標體系結合航天器特性確定指標參數,完成指標體系的構建。具體構建過程見圖1。

圖1 指標體系構建過程Fig.1 Index system design scheme

2.1 任務及需求分析

導航衛星的任務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 設計及措施來滿足指標要求。短期非計劃中斷指標要求包括下行信號短期非計劃中斷平均間隔時間及恢復時間、接收上注信息的短期非計劃中斷平均間隔時間及恢復時間。根據衛星導航系統任務分解,導航衛星連續服務主要和下行信號、上行注入鏈路、衛星壽命等有關。

2.1.1 導航衛星任務分析

1)下行信號服務性能分析

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

2)接收上注信號服務性能分析

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

3)在軌安全穩定運行對健康管理系統需求分析

衛星在軌是否能夠安全穩定運行,主要取決于衛星姿態、衛星軌道擾動、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,為了更好、更便利地對衛星實施控制和管理,平臺測控、綜合電子分系統功能至關重要。為了確保衛星平臺服務不會引起導航信號中斷,衛星平臺需要充分的冗余備份手段,通過PHM 系統提供多種切換、處理等保證措施。

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

2.1.2 導航衛星PHM 系統功能需求

從衛星服務性能方面,導航衛星PHM 系統應具備與下行信號非計劃中斷和上注信息非計劃中斷相關的衛星健康管理能力,包括故障檢測能力、故障預測能力、自主恢復管理能力等;從在軌安全穩定運行方面,應具備對衛星壽命評估分析和預測的能力,包括衛星推進劑壽命估計,衛星能源壽命估計,對具有典型退化、耗損特征產品的性能趨勢分析和壽命估計。

面向導航衛星服務性能健康管理功能需求可進一步總結歸納如下。

(1)PHM 系統應具備對整星、分系統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。

(2)對影響衛星下行非計劃中斷的故障應具備故障檢測、診斷與隔離功能,通過采取故障自主診斷和恢復設計、重要數據備份等措施,減少下行中斷發生次數,降低中斷對系統恢復的影響;經分析,影響衛星下行非計劃中斷的故障模式主要涉及導航及平臺相關分系統的故障模式。

(3)對影響衛星上行非計劃中斷的故障應具備故障檢測、診斷與隔離功能,通過采取故障自主診斷和恢復設計、重要數據備份等措施,減少上行中斷發生次數,降低中斷對系統恢復的影響;經分析,影響衛星上行非計劃中斷的故障模式主要涉及導航、星間鏈路及平臺相關分系統的故障模式。

(4)應具備對衛星壽命進行評估分析和預測,能夠對典型退化產品性能趨勢分析和預測功能,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部的連續性監測,能夠產生健康狀態參數,健康狀態參數應能覆蓋設備內部及各類通信接口通信狀態的常見故障。

(6)衛星軟件和硬件應具備配置管理及擴展能力。

2.2 指標體系的確定

根據2.1.2節中功能需求分解情況,導航衛星PHM 系統既強調故障的檢測與隔離、狀態的實時監視,同時強調對剩余使用壽命的預測。導航衛星PHM 系統指標參數應覆蓋故障檢測/隔離類,預測類和其他綜合類。

1)故障檢測/隔離類指標

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2.1.2 節功能需求第(1)、(2)、(3)項,從故障診斷準確性度量、故障診斷時延度量、故障診斷魯棒性度量等方面提出相應的故障檢測指標參數,故障檢測隔離類指標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 導航衛星PHM 系統健康管理指標Fig.2 Index for navigation satellite PHM system

2)預測類指標

根據2.1.2節功能需求第(4)項,需要實現對具有典型退化、耗損特征的產品,如原子鐘、行波管、蓄電池等進行趨勢預測,從預測準確性度量、預測時延度量等方面提出預測類指標參數,預測類指標主要包含預測覆蓋率、準確度和精度。

3)綜合度量類指標

根據2.1.2 節功能需求第(5)、(6)項,在星載PHM 系統設計中,需要把星載PHM 故障檢測、隔離以及故障恢復后的狀態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升級和擴展能力,因此,綜合類指標主要包含:數據傳輸速率、數據存儲容量等。

2.3 指標參數確定方法

PHM 指標確定方法主要包括類比法、參數權衡法、基于SIMLOX 仿真軟件的參數確定法、層次分析-折中系數法、馬爾科夫鏈法、可用度-費用優化權衡法等。導航衛星系統是一種軟件密集型系統,其健康管理功能與衛星各系統高度耦合,因此采用參數權衡法,根據服務性能要求對衛星健康管理系統指標參數集進行定量計算,給出總體指標參數的定量計算方法和指標量化過程。

參數權衡法的主要計算過程如下。

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

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、可靠度之間的關系,權衡分析確定故障檢測率和維修度指標,即

式中:A(t)為系統在時間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。對導航衛星而言要求故障發生之后能夠及時準確檢測,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為指數分布

式中:tIN為無機內測試技術(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,根據類似產品憑經驗估計,權衡確定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有關,而且還與系統的故障率λS、虛警率λFA和故障檢測率γFD有關,即

3 導航衛星仿真分析與在軌驗證

3.1 PHM 建模分析及指標設計結果

衛星導航服務的連續性和可用性都與衛星服務的中斷相關。從導致衛星服務中斷各個子事件入手,在已構建的指標體系框架下,分析梳理各子事件下的故障模式,相關的分系統和單機設備,梳理提煉相應的故障檢測點,以滿足故障檢測率的指標,設計分層級的故障診斷及恢復方法和處理策略,以滿足故障隔離率等指標要求,開展衛星自主故障管理功能設計。見圖3。

圖3 面向服務性能的PHM 建模Fig.3 PHM modeling for service performance

北斗導航衛星服務的中斷指標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。

根據工程分析和衛星在軌飛行經驗,導致導航衛星下行信號短期非計劃中斷的原因如2.1.1節所述,導航下行信號中斷直接與導航分系統相關。經故障樹分析,確定導航分系統導航任務處理機等單機會引起下行中斷,因此在這些設備加入遙測數據檢測點,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進行設計和分解,并進行自主切機、復位等故障處置措施。

導致導航衛星接收上注信息短期非計劃中斷的原因包括:單粒子事件、單機切機導致的上行信號中斷。導航接收上注信息是否中斷直接和導航分系統、綜合電子分系統和星間鏈路分系統相關。經故障樹分析,確定星間收發信機等單機會引起上注中斷,因此在這些設備加入遙測數據檢測點,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進行設計和分解,并進行自主切機、復位等故障處置措施。

導航衛星影響在軌安全的非計劃中斷直接和綜合電子分系統和控制分系統、測控分系統、電源分系統相關。經故障樹分析,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,因此在這些設備加入遙測數據檢測點,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進行設計和分解,并進行自主切機、復位等故障處置措施。

3.2 評估驗證結果

1)仿真驗證結果

北斗三號衛星各分系統相關單機按照3.1節指標要求開展設計研制,完成研制后得到單機基礎數據,包括故障中斷間隔、故障平均間隔時間、平均檢測和恢復時間等。

根據衛星下行信號中斷故障樹及單機基礎數據,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。

導航下行信號中斷平均恢復時間計算為

式中:Ri為故障樹第i個底事件下行信號中斷平均恢復時間。

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

根據衛星接收上注信息中斷故障樹及單機基礎數據,計算得到境內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 為底事件數量,M 為與境內相關的底事件數量。

由此,境內和境外平均間隔時間為

經過仿真計算得到(境內)衛星接收上注信息中斷平均恢復時間為14.8 min;(境外)衛星接收上注信息中斷平均恢復時間為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、恢復時間≤1.5 h的要求。

2)在軌評估結果

北斗三號導航衛星空間信號連續性是指一個“健康”狀態的導航衛星下行信號能在規定時間段內不發生非計劃中斷而持續工作的概率,空間信號可用性是指衛星提供“健康”狀態導航衛星下行信號的概率。短期非計劃中斷是影響導航衛星信號“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,進行了健康管理指標體系構建和衛星PHM 系統設計,以滿足衛星導航信號短期非計劃中斷的要求,提升衛星的連續性和可用性。

經在軌統計分析,在PHM 系統支持下,北斗三號衛星在軌空間信號連續性整體統計優于每小時99.99%,滿足≥99.8%的指標要求,相比于北斗二號所有衛星整體連續性每小時99.89%有較大提升,所有衛星整體統計空間信號可用性優于99.78%,滿足≥98.0%的指標要求,相比于北斗二號所有衛星整體可用性98.93%有較大提升[8],有效保障了北斗全球系統連續穩定的運行和服務。

4 結束語

本文以導航衛星信號短期非計劃中斷為頂事件,通過分析引起衛星短期非計劃中斷的主要原因和故障模式,提出了相關的指標要求和健康管理設計,盡量減少故障對導航衛星信號服務的影響,對衛星連續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設計和實現,并對健康管理功能進行了測試、驗證和在軌應用。在軌性能評估結果表明:北斗三號衛星空間信號連續性 每小時99.99%,空間信號可用性99.78%,均滿足系統服務性能規范承諾的目標,為北斗導航系統服務性能和在軌安全穩定運行提供了支持保障。后續根據導航衛星在軌運行情況,對健康管理系統功能和要求不斷完善,以提升系統和衛星的穩定運行能力,為我國同類航天器健康管理技術領域的發展和水平提升提供借鑒和參考。