遙感衛星在軌故障統計與分析

張 華，沈嶸康，宗益燕，韋錫峰

（上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

隨著在軌衛星數量的日益增多，以及衛星應用的逐步開展，暴露出的在軌問題也有所增加。國內外研究人員針對衛星在軌故障進行了大量的統計分析研究，根據故障發生原因和規律采取預防或糾正措施，是降低衛星的在軌故障發生率、提高衛星在軌運行可靠性、延長衛星運行壽命的重要手段[1-8]。

遙感衛星作為我國科學觀測與探測的主要衛星，多顆衛星超壽命正常運行，但同時也暴露出一些在軌故障，積累了一定數量的衛星在軌故障數據。整理、總結這些故障數據，分析故障的變化趨勢和規律，對于發現遙感衛星設計的薄弱環節，提高設計水平具有重要意義。

本文統計了我國氣象、資源、海洋、環境與災害監測等領域的28 顆遙感衛星的在軌故障數據，研究故障的總體分布規律和各分系統的故障特點，并提出針對性建議措施，為提高后續衛星的可靠性，降低衛星在軌故障發生概率提供參考。

1 研究范圍和統計方法

1.1 研究范圍

本文研究的遙感衛星在軌故障主要指永久或臨時性故障導致任務功能受限或失效的情況，但不包括推進劑的正常損耗和材料性能退化情況。數據來源于28 顆遙感衛星從1988年9月到2014年10月發生的在軌故障。

不同衛星的分系統組成各不相同，為便于在軌故障的統計和歸納，根據遙感衛星的通用分類，將整星分為載荷分系統、控制分系統、電源分系統、數傳分系統、測控分系統、數管分系統和熱控分系統。其中，控制分系統包括常規意義上的姿態控制分系統和推進分系統。衛星結構分系統故障不屬本文的分析和論述范圍。

1.2 統計方法

為了使故障統計更有意義，影響同一遙感衛星分系統的同一故障模式算作1 個故障。例如，2002年 3月1日、2002年3月30日和2004年4月5日，“風云二號”B 星因月球干擾導致天線消旋失鎖，這幾次事件就按1 次故障事件統計。而同一故障模式造成不同衛星故障的情況，則按故障發生次數統計。例如，2010年2月“遙感八號”衛星的遙控終端和GPS 均發生單粒子翻轉造成單機異常，按2次故障事件統計。這樣的故障統計方法可在有限的信息條件下，更清晰全面地比對衛星故障情況。

2 在軌故障統計分析

2.1 總體分析

1）故障分系統分布

對衛星在軌故障進行統計，計算各分系統故障數量及其在故障總數中的占比，如表1所示。由 表1數據可以看出：控制、載荷、測控和數傳是故障占比最高的4 個分系統，其故障數量合計占故障總數的90%；若將載荷以外的各分系統均納入平臺類別，則平臺與載荷的故障占比分別為79.5%和20.5%，即平臺故障是遙感衛星的主要在軌故障。

表1 遙感衛星各分系統在軌故障統計 Table1 The number of failures of remote sensing satellite subsystems

2）故障軌道分布

不同軌道遙感衛星的故障占比如圖1所示。由圖可知，低軌遙感衛星的故障占比達86%，遠高于高軌遙感衛星，但這與所統計遙感衛星中軌道類型的占比基本相一致。本文統計的28 顆遙感衛星中有低軌衛星22 顆，占總數的78.6%。因此，可以認為軌道參數不是影響衛星在軌故障數量的主要因素。

圖1 不同軌道遙感衛星故障占比 Fig.1 Distribution of remote sensing satellite faults by orbit

3）不同研制時期故障率

不同時期所研制遙感衛星的在軌故障率見 圖2，即每顆衛星壽命期內在軌發生故障的年平均數量。由圖2可知，20世紀90年代及以前發射的遙感衛星在軌故障率為0.29，而到21世紀初上升到1.12，2010年以后又下降到0.27。這主要是由于早期研制的遙感衛星功能較為簡單，所使用器件的集成度不高，活動部件等使用也較少，因此整星的在軌故障率較低；而到了21世紀初，遙感衛星的任務功能提升，研制的復雜度增加，星上的大規模、超大規模集成電路以及一些新器件（尤其是國產化器件）和新技術的使用，造成了遙感衛星的在軌故障率上升；之后，經過一段時間的改進設計、規范管理、完善工藝，到了2010 以后，遙感衛星的在軌故障率有了大幅下降。

圖2 不同時期研制的遙感衛星的在軌故障率 Fig.2 On-orbit failure rates of remote sensing satellites developed in different periods

4）故障發生時間分布

遙感衛星在軌故障發生時間分布如圖3所示。其中，入軌初始即發生的故障有19 個，占故障總數的12%；44%的故障發生在入軌后的第1年。故障發生時間分布基本符合“浴盆曲線”，早期失效占故障的大多數，這主要是由于遙感衛星的地面測試與試驗不夠充分，未能有效剔除早期失效。

圖3 在軌故障發生時間分布 Fig.3 Time distributions of on-orbit failures

5）故障類型分布

分析在軌故障發生的類型，如圖4所示，環境、設計和器件類故障為在軌故障的主要類型，故障占比分別為38%、30%和17%。

圖4 遙感衛星在軌故障類型分布 Fig.4 Number distributions of different type on-orbit remote sensing satellite failures

6）在軌故障類型與運行時間的關系

為進一步考察遙感衛星在軌故障類型與在軌運行時間的關系，比較不同時間段不同類型故障的比例，結果如圖5所示。由圖可見，在軌初期、壽命后期以及全時間段內的主要故障類型均為設計、器件和環境類故障。在軌初期，環境類故障占比最高，達到40%，設計和器件類故障占比分別為29%和15%；壽命后期，設計類故障成為占比最高的，達到39%，環境和器件類故障占比分別為26%和19%。究其原因：隨工作時間增加，產品設計和器件的薄弱環節逐漸暴露，呈逐漸增多趨勢，尤其是設計類故障在壽命后期成為最主要故障；而遙感衛星對于環境的適應能力經歷早期的缺陷暴露和修復后逐漸增強，故障占比逐漸下降。

圖5 故障類型與運行時間的關系 Fig.5 The rates of different failure types with different working times

7）故障嚴酷度分布

將故障按嚴重性等級分為4 類：致命故障、嚴重故障、一般故障和輕微故障。由圖6可知，遙感衛星在軌故障嚴酷度呈現“兩頭小、中間大”的分布態勢，即致命和輕微故障相對較少，嚴重和一般故障相對多一些。其中，致命故障占2%，而一般故障占83%，即發生的在軌故障一般對衛星完成任務的固有能力無影響或影響較小，基本可以通過在軌自主診斷、地面操作等方式及時予以解決。

圖6 在軌故障嚴酷度分布 Fig.6 Distribution of on-orbit fault severity

進一步分析表明，遙感衛星在軌的嚴重和致命故障發生在載荷、控制、數傳、測控和電源5 個分系統，如圖7所示。其中，控制分系統和載荷分系統的占比分別為46%和38%；而按故障類型統計，嚴重和致命故障中的50%為設計類故障，25%為器件類故障。因此，遙感衛星研制時應重點強化對載荷分系統和控制分系統的設計類故障的技術狀態控制，以及器件的選用與測試。

圖7 在軌嚴重和致命故障的分系統分布 Fig.7 Distribution of on-orbit serious and critical failures

按時間段統計不同后果的故障頻度可了解不同嚴重性等級故障隨在軌時間變化的大致趨勢。如圖8所示。

圖8 不同嚴重性等級在軌故障數量與在軌時間的關系 Fig.8 The relationship between the on-orbit failure type and the working time

遙感衛星的嚴重故障集中在入軌第1年（占60%），之后故障發生頻度大幅降低，在軌5年之后未再發生嚴重故障和致命故障。在同一時期內，一般故障數量幾乎都高于嚴重故障數量，且集中分布于衛星在軌工作的頭4年，其中第1年是故障發生較多的時期。

2.2 載荷分系統故障分析

載荷分系統是衛星完成主要任務功能的分系統，其故障將嚴重影響衛星的在軌任務完成能力。由統計數據可知，載荷分系統的在軌故障中有28%為嚴重故障，高于嚴重故障在遙感衛星在軌故障總數中的占比（14%）。而從圖9所示的載荷分系統在軌故障時間分布可見，載荷分系統的在軌故障發生率呈現逐年遞減的趨勢，壽命第1年發生的故障占其故障總數的47%，至第6年時僅占3%。

圖9 載荷分系統在軌故障發生時間分布 Fig.9 Time profile of payload subsystem on-orbit failures

遙感衛星的載荷分系統與衛星平臺相比，新研產品較多，繼承性和成熟度不足，因此載荷分系統在軌故障中因設計導致的故障占其分系統故障總數的44%，如圖10所示，高于整星在軌故障中設計類故障的占比（30%）。

圖10 載荷分系統在軌故障類型分布 Fig.10 Distribution of payload subsystem on-orbit failure types

2.3 控制分系統故障分析

控制分系統負責衛星的姿態、軌道控制，含有姿態測量、控制等多個關鍵部件，如飛輪、陀螺等活動部件，其失效將嚴重影響衛星的在軌運行。由圖11可知，控制分系統的在軌故障中有5%為致命故障，高于其他分系統中的致命故障占比。

圖11 控制分系統在軌故障嚴酷度分布 Fig.11 Distribution of control subsystem on-orbit fault severity

如圖12所示，遙感衛星控制分系統中設計類故障占其故障總數的50%。這主要是由于控制分系統的產品種類多，工作模式復雜，設計和控制難度大。因此，在遙感衛星的地面研制中應該加強對控制分系統設計可靠性的審查，尤其是對設計類故障的技術狀態控制。

圖12 控制分系統在軌故障類型分布 Fig.12 Distribution of control subsystem on-orbit failure types

如圖13所示，控制分系統在軌壽命初期的故障發生率較高，但故障發生率并不嚴格遵循逐年遞減的規律，如在軌第7年所發生故障占故障總數的7%，高于第3年的5%。這主要與控制分系統的在軌控制策略有關，即為保證遙感衛星的在軌可靠性，控制分系統采用多冗余設計。例如，根據在軌壽命，遙感衛星上的陀螺常備有3 套以上，在軌使用時當陀螺的某一表頭發生故障時，則啟用另一陀螺，或不同陀螺的表頭組合使用。由于備份產品一般處于在軌儲存狀態，當主份失效時才予以啟用，所以控制分系統的故障發生率呈現局部的不規律性。

圖13 控制分系統在軌故障發生時間分布 Fig.13 Time profile of control subsystem on-orbit failures

2.4 電源分系統故障分析

電源分系統為衛星提供能源保證；重要載荷或平臺單機的電源分系統若發生致命故障，可能導致整星任務終結。因此，在地面研制時電源分系統產品通常采用成熟設計，且基本無軟件，以減少其在軌故障發生率。由表1的統計可知，1988年—2004年 遙感衛星的電源分系統在軌僅發生8 個故障，占故障總數的5%。而從圖14可知，電源分系統的在軌故障基本為一般故障（占其故障總數的75%），無致命故障發生。

圖14 電源分系統在軌故障嚴酷度分布 Fig.14 Distribution of power subsystem on-orbit fault severity

由圖15可知，電源分系統的在軌故障中，器件類和工藝類故障的占比較高，分別為37%和38%；在軌未發生設計、操作和軟件類故障，這主要是由于電源分系統產品的任務功能比較單一。

圖15 電源分系統在軌故障類型分布 Fig.15 Distribution of power subsystem on-orbit failure types

2.5 數傳和測控分系統故障分析

數傳分系統在對載荷數據進行調制、放大處理后，完成對載荷數據的存儲和傳輸。測控分系統實時采集星上遙測數據，并接收地面注數及指令，完成衛星的上、下行測控任務。由于這兩個分系統產品較為相似，都是由電子學單機和天線組成，所以將它們放在一起論述。

數傳分系統和測控分系統采用的技術備份和控制手段較為成熟，因此雖然它們在軌發生故障的占比分別為15%和17%（見表1），但是發生嚴重故障的比例較低（分別僅為8%和4%），基本為一般故障，不影響衛星的在軌正常任務。

由于數傳分系統和測控分系統中多為電子學單機，且隨著遙感衛星設計功能的復雜化，產品集成度逐步提高，大規模集成電路的用量急劇增加，如近年發射的“風云三號”衛星等所使用的星載計算機、存儲器以及FPGA 等器件的總數量接近或超過100 片，而這類器件都易受空間輻射環境影響，增加了數傳和測控分系統出現環境類在軌故障的概率，如圖16所示。

圖16 數傳和測控分系統在軌故障類型分布 Fig.16 On-orbit fault type distribution of digital subsystem,and measurement ＆control subsystem

數傳和測控分系統的在軌故障時間分布如圖17所示。由圖可知，由于這兩個分系統中電子學單機數量較多，其故障時間分布基本符合“浴盆曲線”，即故障多發生在入軌頭3年的早期失效期。

圖17 數傳和測控分系統在軌故障時間分布 Fig.17 On-orbit failure time distribution of data transmission subsystem,and measurement ＆control subsystem

2.6 數管分系統故障分析

數管分系統在軌故障類型分布如圖18所示，軟件類故障的占比為29%，遠高于此類故障在整星在軌故障中的占比（4%），這與數管分系統軟件的復雜性密切相關。從數管分系統的在軌故障時間分布上看，數管分系統在軌故障均出現于在軌頭2年以內，第1年的故障占比為43%，且故障的嚴酷度均為一般等級。

圖18 數管分系統在軌故障類型分布 Fig.18 Distribution of data management subsystem on- orbit failure types

2.7 熱控分系統故障分析

熱控分系統的設計方法和手段較為成熟，且產品簡單，因此在本文研究統計范圍內，在軌僅發生1 起某產品熱敏電阻失效的一般嚴酷度在軌故障。

3 改進措施建議

1）加強遙感衛星出廠前的地面試驗與測試

由本文的統計可知，44%的故障發生在遙感衛星入軌的第1年，且60%的嚴重故障是發生于入軌第1年，尤其是電子類故障，并且很多故障發生在遙感衛星入軌后不久。衛星故障的發生時間分布曲線基本符合“浴盆曲線”，比對衛星可靠性理論分析結果可以推斷，故障多為產品的早期失效，是由于設計與器件的薄弱環節暴露得不夠充分造成的。因此，適當增加衛星出廠前的地面試驗和測試，有效剔除早期失效，可降低在軌故障的發生。

實際工作中，除了產品級的早期失效和穩定考核的環境應力篩選試驗、溫度循環試驗和高溫老煉試驗外，還應重視整星的電測試和老煉試驗，尤其是試驗過程中的產品性能監測和數據判讀，提高試驗和測試的有效性，確保衛星的測試覆蓋性，充分暴露衛星的設計和器件缺陷。

2）加強抗輻射加固設計

數傳分系統和測控分系統等含有電子學單機較多的分系統，由于CPU、DSP、FPGA 等大規模集成電路的使用，對空間輻射環境較為敏感，由空間環境造成的故障在分系統故障總數中的占比超過60%，數傳分系統甚至達到71%。

空間防護技術經過幾十年的發展，已經積累了許多防護設計方法，但是由空間環境引發的在軌故障仍時有發生，尤其是單粒子效應和高軌的充放電效應是遙感衛星在軌空間環境故障的主要原因。因此，有必要進一步研究故障機理，開展地面測試和驗證，并加強對空間環境的預示，建立空間防護設計的指標體系，尤其強化對系統級抗輻射加固策略的研究。

3）開展基于在軌故障規律的分系統技術狀態控制

不同的分系統具有不同的在軌故障特性，因此在地面研制過程中應根據在軌故障的規律，有針對 性地加強對分系統的技術狀態控制，通過產品的地面可靠性設計、分析與試驗，盡量消除研制的薄弱環節，降低衛星的在軌故障率，提高在軌可靠性。

4 結束語

本文通過統計分析1988年—2014年我國28顆遙感衛星的在軌故障數據，對故障進行分類研究，得到了在軌故障按分系統、研制時期、發生時間、嚴酷度和故障類型分布的數據，并對衛星各分系統在軌故障的特點和規律進行了分析。在此基礎上，有針對性地提出了衛星地面設計與研制試驗階段的改進措施建議。

后續，將進一步細化、落實這些建議，使其能夠真正為提高衛星的在軌可靠性、降低故障發生率發揮作用。

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