天問一號高分相機多狀態可靠性建模方法

王嚴，孫天宇，羅佺佺，李楊，李曉波

天問一號高分相機多狀態可靠性建模方法

王嚴，孫天宇，羅佺佺，李楊，李曉波*

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所空間三部，長春 130033）

為了分析天問一號火星高分相機不同狀態對性能的影響，最大限度提高使用效率，對高分相機的多狀態、狀態變化過程和仿真方法開展研究。首先，分析相機的組成和不同功能單元退化產生的影響。然后，分析相機在軌工作的多狀態變化規律，建立轉化過程模型。最后，提出基于多狀態的仿真建模方法。案例仿真分析結果表明：考慮調整后實際有效數據獲取概率提高評估準確性，通過敏感度分析也可有效提出調焦單元可靠性要求。多狀態分析方法可有效評估火星相機或其他航天光學載荷可靠性水平，有效指導可靠性要求的制定和工程設計。

多狀態；退化；可靠性建模；仿真

1 引　言

工程任務中常用“完好”和“故障”兩種狀態來衡量產品。對于光學載荷，上述兩種狀態只能考量產品能否實現數據采集，卻無法表征數據的質量。在實際的應用過程中，雖然光學載荷正常進行拍攝，但下行圖像中總會出現圖像離焦模糊、大量云霧遮擋等情況。光學載荷產生這些“劣質圖像”的原因有很多，如相機本身的結構適應性、平臺的測定軌精度和穩定性、成像參數正確性、拍攝場景的未知性等。

上述問題在近地探測任務中，由于平臺測定軌道精度高，數據下行能力強，資源充沛，目標明確以及地面后期處理手段使其并不突出。然而對于火星探測而言，探測未知性強，測軌精度低、拍攝調價變化大，使得“劣質圖像”增加；又由于地火距離遠，通訊時間長，數傳能力弱，傳回的數據可能為無效數據，使得本就緊張的帶寬資源被浪費。因此，對火星高分相機開展更為細致準確的多狀態可靠性建模的需求更為迫切。

目前針對載荷可靠性研究還局限于傳統方法，在文獻［1］中使用傳統方法對航天相機進行了建模和故障樹分析，但是沒有考慮相機多狀態的變化過程；在文獻［2］中利用故障樹的方式對航空相機進行分析，未考慮相機自調節機構帶來的多狀態影響，并且計算復雜只適用于簡單情況；在文獻［3-6］中使用多狀態解析的分析方法解決了相關產品的多狀態問題；文獻［7］針對空間相機多狀態開展研究，但未清晰界定狀態的邊界。本文在此基礎上，針對火星高分相機，提出一種基于蒙特卡洛仿真方法開展多狀態可靠性分析和預計方法，為工程使用開辟一條可行途徑。

2 相機多狀態建模

2.1　相機組成

火星高分相機由六個功能單元組成，如圖1所示。光機結構形成光路，為相機各單元提供支撐；主控單元進行電源轉換，執行與外部、內部的通訊功能；成像單元把光信號轉化為電信號并進行處理；存儲單元對圖像數據進行存儲并擇機下傳；熱控單元根據工作環境的變化控制各組部件溫度水平；調焦單元通過運動機構對焦距進行調整。

圖1　火星高分相機構成示意圖

各組成單元均可能發生不同程度的降級，并對系統的性能產生影響。光機結構在振動、沖擊、高低溫下可能發生變形，從而可能產生離焦、畸變。主控單元器件的性能退化可能導致供電電壓不穩，通訊異常信號增多；成像單元器件退化可導致圖像壞點增多，對比度下降；熱控單元退化可導致溫度控制差，結構變形，圖像數據畸變；存儲單元退化導致存儲數據錯誤或丟失；調焦單元退化則導致調焦定位不準。系統的性能是各功能單元性能的有機結合，即使部分系統產生一定的退化，也可通過系統的調整和容錯能力使整機的性能保持不變。

2.2　多狀態分析

火星高分相機在軌的多狀態有兩方面原因，一方面是工作期間受到交變溫度、拍攝條件等因素影響成像；另一方面是則由于組件自身的退化。兩相結合就可能出現多種故障模式，如通訊失靈、圖形模糊、圖像壞像元增加、圖像畸變變暗等。這些故障狀態中有些是在軌無法恢復，直接導致任務失敗的；有些可以通過功能單元的局部調整或設置參數調整，使相機整體性能恢復到正常拍攝狀態；有些雖然無法恢復但并不影響任務執行。如果從系統表現的角度來對這些狀態進行定義的話，可以分為四種狀態，參見表1。

表1相機狀態表

Tab.1　States of camera

（1）狀態0：完美工作狀態；

（2）狀態1：性能下降，調整后可恢復至狀態0；

（3）狀態2：性能下降，不可恢復，仍可執行任務；

（4）狀態3：系統失效無法執行任務。

在傳統的預計過程中，僅關注狀態0（完美狀態），使預計可靠度指標偏低。并且由于對調整單元可恢復系統的程度缺乏評估，無法合理的確定調整單元的可靠性要求，開展該狀態的定量評估可以解決該問題，為調整功能單元效費比的工程評估提供一條可行途徑。

2.3　狀態轉移過程

在不具備調整單元的相機系統中，狀態都是從正常到退化，退化到故障，如圖2所示過程為：

（1）狀態0到狀態1；

（2）狀態1到狀態2；

（3）狀態2到狀態3；

（4）狀態0到狀態3；

（5）狀態1到狀態3；

（6）狀態2到狀態3。

當產品具有了狀態識別和調整功能后，在特定情況下可以在既定狀態間進行逆變換，即從1狀態變為0狀態。

圖2　狀態轉移示意圖

2.4　退化模擬方法

產品在使用過程中必然經歷由正常到退化，再到失效的過程，其中退化和失效是人為對產品內在變化過程的一個界定和劃分，一般通過對關鍵參數設定閾值來進行判斷。這就使得故障的閾值與完全失去功能或在物理化學形態上發生變化仍存在一段區域，在這段區域內，產品雖然可實現功能，但在性能上會出現下降，如圖3所示。

圖3　退化區域的界定

通過圖3所示的兩個閾值，可以定義出退化區，但在真實產品中，失效閾值的定義與調整單元的調整能力是直接相關的。

3 仿真模型

3.1　仿真假設

為了簡化仿真過程，進行如下假設：

（1）產品各單元的退化和故障的分布均服從指數分布；

（2）各單元相互獨立，不會發生關聯故障；

（3）各單元可同時發生故障；

（4）狀態參數的隨機生成數不大于失效閾值時，可實現調整恢復功能。

3.2　仿真流程

仿真流程如圖4所示，圖中編號與說明一致，具體步驟說明如下：

（1）初始化，完成對系統的功能邏輯關系分析，確定系統的基本單元個數，同時確定底事件和頂事件關系，確定系統的結構函數。確定仿真初始參數，制定仿真引擎。確定仿真策略、確定仿真時鐘驅動機制、確定最大仿真次數、確定仿真步長、確定仿真時鐘初始值。

圖4　仿真流程圖

（2）累加仿真時間；

（4）通過狀態隨機數和當前的仿真時間比對，從而判斷出單元當前的狀態，形成狀態矩陣；

（5）根據狀態矩陣判定系統的當前狀態；

（6）判定系統是否符合自調整邏輯；

（7）判定調整系統是否完好，依據調整成功概率生產隨機數，判定是否調整成功；

（8）統計調整過后的系統狀態；

（9）多次仿真取狀態的均值，累積不同時間內的狀態；

（10）完成累加時間，結束仿真。

4 案例分析

針對火星高分相機數據通過適當簡化處理后進行案例分析。調焦單元在光機結構出現問題時可進行調整。根據調整單元能力，判定退化的失效閾值為0.8倍的故障閾值，其余參數見表2。

表2單元可靠性參數

Tab.2　Units reliability parameters

根據上述輸入，調整系統工作時間1至9年，從而得到不同工作時間的各狀態發生概率如圖5所示，隨著時間的增加，系統處于正常狀態的概率降低，而處于退化和失效狀態的概率逐漸升高。

圖5　狀態發生概率與工作時間關系

為了分析系統可靠度對調焦單元失效率的敏感性，對調焦單元的故障率從0.1×106h1到0.9×106h1進行調整，步進距為0.1×106h1，工作時間為1年至9年，同時加入無調焦單元的情況（即令其失效率為正無窮），得到如圖6所示的分析結果。從圖中可以看出，隨著調焦單元失效率的降低，系統的可靠度得到了提升。

圖6　可靠度仿真結果

其中取調焦單元失效率為0.5×106h1與無調焦兩種情況進行對比分析，各時間點上的可靠度之差如圖7所示。調焦單元的存在將系統可靠度平均提高12%，較大幅度的提高了系統的可靠度。在初始時系統處于正常狀態的概率較高；隨著時間的增加，退化逐漸發生，由于調焦單元的存在，對系統可靠度的提升逐漸增加；到壽命末期，隨著其他單元退化的加劇，調焦單元對其不產生作用，同時調焦單元也開始發生退化失效，所以對系統可靠度性能提升逐漸開始下降，仿真結果符合航天相機客觀變化規律。

圖7　可靠度差值

5 結　論

航天相機在使用過程中會出現多種狀態，并且隨著工作時間的增加，退化狀態發生概率逐漸增加，從而對圖像質量產生影響，通過調焦機構可以在一定范圍內對退化過程進行調整。本文構建了航天相機多狀態分析的仿真方法，可根據各單元的特點進行調焦單元可靠性參數確定的分析和優化，為工程分析和應用提供了一條可行的途徑。

但目前航天相機退化數據收集較少，在今后的使用和維護過程中注意對數據的收集將會其退化過程的分析和建模起到重要作用。

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Multi-state reliability modeling method for Tianwen-1 high-resolution camera

WANG Yan， SUN Tianyu， LUO Quanquan， LI Yang， LI Xiaobo*

（，，，，130033，），：104163

In order to solve the problems of multi-state impact on camera performance and to maximize efficiency， multi-states and their transition models were investigated. First， the origin of multi-state was identified， and the effect of deterioration of each function unit was analyzed. Then， a model containing multi-state transition was established. Finally， a simulation method is put forward. A brief case study indicated that considering multi-states would improve the accuracy and reliability of prediction， and that sensitivity analysis will help in balancing the system reliability requirement and system reliability. The multi-state reliability simulation method can be a more accurate method for predicting the reliability of space cameras and provides a practicable engineering solution.

mutil-state； degradation； relialibity modeling； simulation

TP394.1；TH691.9

A

10.37188/OPE.20223002.0137

王嚴（1985），男，吉林長春人，碩士，助理研究員，2012年于北京航空航天大學獲得碩士學位，主要從事產品可靠性研究。E-mail： wangyan@ciomp.ac.cn

李曉波（1987），男，陜西寶雞人，碩士，助理研究員，2014年于西北工業大學獲得碩士學位，主要從事光機系統集成仿真與優化方面的研究。E-mail： lixiaobo104@163.com

1004-924X（2022）02-0137-06

2020-09-25；

2020-11-19.

國家自然科學基金青年科學基金項目（No.61805001）