基于波形特征提取的衛星姿態控制系統故障監測方法

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

資源衛星在執行任務時有不同的工作模式，而各種工作模式下的衛星定位模式有所區別。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，衛星保持著各自的運行姿態。衛星姿態控制系統的有效性是衛星正確完成任務的前提。及時發現衛星姿態控制系統可能存在的問題，是衛星故障預警的重要部分。本文通過研究資源衛星下行遙測數據中的衛星姿態數據，提出基于波形特征的衛星姿態控制系統故障預警方法[1]，為確保衛星安全運行、及時發現存在的問題提供分析方法。

1 衛星姿態數據波形特征識別

1.1 衛星姿態控制系統遙測參數

通常，資源衛星的姿態控制遙測數據包括姿態角X、姿態角Y、姿態角Z、姿態角速度X、姿態角速度Y、姿態角速度Z 共6 類。這6 類參數指示了衛星在軌道上的運行姿態。當衛星控制系統出現故障時，衛星的姿態出現異常。衛星3 個方向的姿態都與正常姿態有不同之處，因此只需要監測某一方向的參數變化，當遙測數據出現明顯異常時，可以判斷衛星姿態是否異常。

1.2 衛星姿態變化的周期性

衛星處于3 種定位模式下，雖然姿態角的變化較為明顯，但是其都具有很強的周期性。通過對某型號資源衛星2013—2014年2年姿態遙測數據的研究，結合經驗判斷和衛星運行軌道的物理知識，統計出該型號姿態數據的變化周期是一定值。設在不同定位模式下衛星姿態數據的變化周期為定值T。圖1 為某資源衛星在連續切換3 種定位模式時姿態角Z的變化。雖然變化規律相差很大，但是周期相同[2]。

圖1 3 種定位模式下衛星姿態角Z 的變化

1.3 衛星姿態數據波形特征提取

在得到姿態角變化周期T后，結合衛星上行指令的執行時間，能夠將對應姿態角在每個周期內的數據區別出來。遙測數據中包含衛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行時間并將其設為t=0。當執行時間達到一個周期時，t=T將[0，T]中的數據作為該種定位模式下的一個周期數據模式集；在t＞T后，將[T，2T]內的數據集以同樣的方法補充進該定位模式的數據集中。按此方法可以得到3種定位模式下姿態角X變化在樣本時間內的數據合集。

得到數據合集后，要挖掘各個周期內衛星姿態角的模式特征。先將離散化數據集以線型連接，考慮到姿態角變化有很強的波形特征，決定以周期內姿態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）考察波形與周期內最低點的包絡面積S；（2）周期內最高點與左一最低點的斜率K；（3）姿態角首次回到周期起始數值的時間間隔L。圖2 為某一時間段內姿態角X在3 種定位模式下3 個特征值的計算示意圖。

圖2 姿態角X 在3 種定位模式下特征值計算示意圖

根據3 個姿態特征，可以對2 個月的姿態角X的遙測數據進行分析，提取出2 個月內3 種定位模式所有的周期數據集，并計算數據集內波形的3 個特征值，得到衛星在3 種姿態下姿態角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，相同定位模式下波形的特征值非常相似。在衛星姿態控制穩定的前提下，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，特征值的區別很大，可以很容易區分出衛星處于哪種定位模式。據此，根據樣本數據集就可以得到衛星姿態控制系統在正常工作時在不同定位狀態下姿態角波形變化的特征值集合。隨著處理數據的不斷加大，樣本數據特征值集合也越來越大，從而不斷充實和完善樣本庫。

圖3 姿態角X 的3 個波形特征值變化

2 監測衛星姿態異常情況

在得到樣本特征值集合后，可用于監測衛星姿態異常情況。研究正常特征值集合中數據的分布，設置置信度為95%[3]，計算得到3 種定位下特征值的置信區間如表1 所示。

表1 姿態角波形特征值置信區間

對于待檢測周期，通過計算特征值判斷其3 個特征值是否在執行區間內。若都在置信區間內，則衛星在此周期內姿態控制正常；若不在周期內，則說明姿態角運行出現故障，此時需要報警，提示地面控制中心人員關注衛星姿態情況。

為了驗證檢驗方法的有效性，選擇該資源衛星在2013—2014年期間的姿態角X的遙測數據，根據以下流程進行檢測和判斷：讀取上行數據及遙測數據；劃分各姿控模式下遙測周期數據；計算各周期內姿態角波形特征值S、K、L；判斷特征值是否在置信區間內，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，提示人員關注姿控變化；進行下一個周期判斷。根據以上流程對歷時數據進行處理和判斷，結果顯示在2年的遙測數據中，共檢測到5 個連續時段的異常情況，其中某一次時段的姿態角數據如圖4 所示。根據上行指令判斷其處于地心定位模式，其姿態角X的特征值為S=257.34、K=0.293、L=28.6，不屬于置信區間，判斷衛星姿態異常。

從衛星在該時段的姿態遙測數據的波形來看，衛星姿態控制確實出現了異常[4]。

圖4 異常姿態數據檢測結果

3 結 論

本文從衛星姿態控制系統故障監測需求出發，選擇衛星遙測數據與上行數據，聯合分析指令與遙測數據得到區分姿態變化周期的方法，再針對姿態角數據的波形變化特征，提出了波形的3 個特征指標。通過計算大量的衛星姿態控制正常時期的樣本數據，建立衛星姿態角變化數據庫，根據歷史特征變化得到正常姿控條件按下的特征值置信區間，以此作為監測衛星姿控是否正常的依據。