衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)異常分級h法的研究

李林 王開志 黨建成

摘要：文章通過對衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)傳輸過程中各環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)異常的歸納，分析總結(jié)了不同成因條件下異常數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)特點，在此基礎(chǔ)上提出了一種適用于日常監(jiān)測的衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)異常分級方法。該方法基于實時遙測數(shù)據(jù)，隨時間積累確定異常分級，篩選出真正由衛(wèi)星異常引起的異常遙測數(shù)據(jù)，為后續(xù)衛(wèi)星故障診斷提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)異常分級;在軌衛(wèi)星;遙測數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP873 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）12-2015-03

1概述

目前，國內(nèi)外的研究學(xué)者在航天器的故障診斷識別方面進行了大量理論方法和實踐研究，并取得了眾多研究成果。這些方法大多針對具備特定特點的遙測參量，而且在應(yīng)用中需要保障輸入數(shù)據(jù)的有效性。而數(shù)據(jù)有效性這一點在實際工程中常被忽視，也是從海量遙測數(shù)據(jù)中進行數(shù)據(jù)篩選的難點，進而導(dǎo)致了理論向應(yīng)用轉(zhuǎn)化的步履維艱。

本文以衛(wèi)星日常在軌管理為出發(fā)點，針對日常監(jiān)測中出現(xiàn)的各類異常數(shù)據(jù)問題，從根本成因人手，分析不同成因條件下的異常數(shù)據(jù)特點以及對日常監(jiān)測的影響，綜合給出一個衛(wèi)星在軌遙測異常數(shù)據(jù)分級方法，提升對異常數(shù)據(jù)有效性的辨識程度，并用實際在軌衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)進行驗證，為后續(xù)開展在軌衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供數(shù)據(jù)參考基礎(chǔ)。

2衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)異常成因分析

從整體上看，在軌衛(wèi)星的遙測數(shù)據(jù)從采集到地面接收大致經(jīng)過以下五個階段，如圖1所示。從圖中可以看出，真正屬于衛(wèi)星異常的數(shù)據(jù)是指傳感器采集到的真實數(shù)據(jù)在正確傳輸?shù)降孛鏈y站后正確解析的、但不在正常范圍條件內(nèi)的結(jié)果數(shù)據(jù)，稱之為真性異常數(shù)據(jù)，而其余隋況下出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)稱之為假性異常數(shù)據(jù)。整個遙測數(shù)據(jù)傳遞構(gòu)成中，地面解析部分受外部干擾較少，且屬人為可控部分，本文不作討論。但前四部分由于外太空環(huán)境等因素的影響可能對下傳數(shù)據(jù)產(chǎn)生不可估量的變化，從而導(dǎo)致假性異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。下面進行逐一分析。

2.1數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集一般分為模擬量采集和數(shù)字量采集。

通常來說模擬量由傳感器采集，與物理器件綁定，其度量對象唯一，僅在發(fā)生傳感器本身故障的情況下會采集到錯誤數(shù)據(jù)或者不采集數(shù)據(jù)，進而引發(fā)地面解析后出現(xiàn)假性異常數(shù)據(jù)。而對數(shù)字量的采集，即對寄存器二進制信息的采集，若采集對象受到空間高能粒子影響導(dǎo)致寄存器信息反轉(zhuǎn)，則采集得到的數(shù)據(jù)其本身就是錯誤的。雖然采集到了數(shù)據(jù)，但已經(jīng)不是原始的真實數(shù)據(jù)了。

2.2數(shù)據(jù)存儲

無論是從傳感器采集得到模擬量數(shù)據(jù)還是星上直接的數(shù)字量數(shù)據(jù)，經(jīng)過量化后通常將結(jié)果暫存于星上緩存空間，等待被組幀下傳。在等待過程中若受到外部環(huán)境影響，則可能改變緩存的待組幀數(shù)據(jù)，進而影響地面解析的正確性。

2.3數(shù)據(jù)組幀

通常來說測控通道數(shù)據(jù)組幀的內(nèi)容是循環(huán)固定的，在一個循環(huán)周期內(nèi)將所有遙測參量至少下傳一次，但部分衛(wèi)星會在特定時刻進行其他遙測參量的下傳，導(dǎo)致組幀內(nèi)容發(fā)生變化，進而導(dǎo)致地面無法按照正常的組幀內(nèi)容進行數(shù)據(jù)解析，出現(xiàn)假性異常數(shù)據(jù)。

2.4星地傳輸

衛(wèi)星在過境時間段內(nèi)與地面測站建立星地傳輸鏈路，將遙測組幀數(shù)據(jù)下傳到地面測站，保障接收雙方數(shù)據(jù)的一致性。在這一過程中，星地鏈路剛建立和即將斷開的一段時間范圍內(nèi)，由于鏈路處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可能導(dǎo)致傳輸內(nèi)容發(fā)生改變，地面無法接收到正確的星上數(shù)據(jù)，進而導(dǎo)致出現(xiàn)假性異常數(shù)據(jù)。

3異常數(shù)據(jù)的特點分析

根據(jù)上述章節(jié)對衛(wèi)星在軌遙測異常數(shù)據(jù)成因的分析，可以發(fā)現(xiàn)在地面測站得到的異常數(shù)據(jù)其成因可分布在整個遙測數(shù)據(jù)傳遞過程中，因此從地面測站的角度就需要對得到的異常數(shù)據(jù)進行有效的區(qū)分，在實時監(jiān)測的過程中把握住真性異常數(shù)據(jù)，為后續(xù)診斷提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

3.1真性異常數(shù)擗芋點

從成因根源上看，衛(wèi)星發(fā)生真性異常，則在未恢復(fù)前其遙測參量采樣將保持為異常值。而由于從數(shù)據(jù)采樣起即發(fā)生了數(shù)值異常，因此在通信鏈路層面上也無法將其區(qū)分。與此同時，在發(fā)生真性異常的情況下，與該遙測參量有物理相關(guān)性的其他遙測參量也將發(fā)生變化，雖然這些變化可能不會引起對應(yīng)遙測參量的異常報警，但發(fā)生變化這種狀態(tài)能夠為區(qū)分真性、假性異常提供支持。

3.2數(shù)據(jù)采集假性異常特點

從前面的分析可知，若在數(shù)據(jù)采集階段發(fā)生了異常，會導(dǎo)致地面收到異常數(shù)據(jù)，影響地面系統(tǒng)的異常診斷效能。從成因上看，在數(shù)據(jù)采集階段出現(xiàn)問題，其所對應(yīng)測量的參量將變?yōu)楫惓Ｖ担粫绊懶l(wèi)星其他遙測參量的采集，即在該種隋況下異常數(shù)據(jù)的影響面有限。在持續(xù)時間上，該類異常數(shù)據(jù)會保持到傳感器恢復(fù)以及采集數(shù)據(jù)源恢復(fù)正常。該類異常數(shù)據(jù)也無法通過通信鏈路層面進行解決。從日常監(jiān)測情況來看，統(tǒng)計八院所有在軌衛(wèi)星一年內(nèi)登記確認(rèn)的異常情況共計232條，其中有163條記錄確認(rèn)為空間環(huán)境高能單粒子打翻寄存器信息所致，占比70.26%，是最為常見的異常數(shù)據(jù)隋況。

3-3數(shù)據(jù)存儲假性異常特點

數(shù)據(jù)存儲異常發(fā)生在某個組幀下傳數(shù)據(jù)之前，當(dāng)前數(shù)據(jù)內(nèi)容被改變，但不影響下次遙測參量的采集存儲和數(shù)據(jù)下傳。因此綜合來看，數(shù)據(jù)存儲假性異常與數(shù)據(jù)采集假性異常有較多相似之處，在整體表現(xiàn)上相當(dāng)于發(fā)生了一個單次數(shù)據(jù)采集異常，在沒有外界介入的情況下會自動、快速地恢復(fù)正常。從具體異常效果來看，這類異常可以說是來去匆匆，往往在無征兆的情況下出現(xiàn)一次，而后即恢復(fù)。若將前后一段時間的數(shù)據(jù)繪作曲線，可以看到—個突兀且孤立的異常點。

34數(shù)據(jù)組幀假性異常特點

數(shù)據(jù)組幀引起的異常數(shù)據(jù)由于其組幀數(shù)據(jù)內(nèi)容不同，不能被地面系統(tǒng)正確解析，進而誤認(rèn)為是異常數(shù)據(jù)。常見的該類異常隋況包括測控通道下傳備機遙測等。該類異常的特點是長時間、大規(guī)模的遙測參量同時出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，直到組幀方式恢復(fù)為正常的測控通道數(shù)據(jù)組幀方式。同時該類異常發(fā)生在星地通信之前，因而無法通過通信層面加以區(qū)分識別。