基于SysML的通信衛星故障分析方法研究

種婧宜，周昊澄，袁文強，陳余軍

(1. 中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部，北京 100094；2. 北京空間技術研制實驗中心，北京.100094；3. 杭州電子科技大學，浙江 杭州 310018)

1 引言

隨著我國航天技術的不斷發展，通信衛星系統呈現出復雜化、多功能化和高度集成化等特點，其系統設計過程日趨復雜。由于通信衛星所處的環境極其惡劣，并且現階段衛星在軌維修技術尚不成熟，因此對通信衛星的可靠性要求極高。目前，一般是通過保證軟硬件的高可靠性以及設計足夠的冗余度來提高衛星的可靠性[1]。為此，需要在研制過程中進行全面的可靠性分析，確保衛星在軌發生異常時能夠及時響應，采取有效措施，最大程度保證整星安全和任務的順利完成。經過多年的研究和實踐，通信衛星的常規可靠性分析手段如故障模式與影響分析(FMEA)、故障樹分析(FTA)等方法已經得到了廣泛的應用。

現階段的故障分析遵循傳統系統工程以文檔為中心的模式，在系統初步方案設計的基礎上，通過信息的整合分析，以文檔形式輸出，缺少數字化模型。隨著通信衛星系統復雜度的提升，傳統故障分析模式暴露出諸多缺陷，例如故障信息的歧義性，文檔維護困難、故障與其它模型元素相互獨立難以保證數據同源、設計更改成本高、信息重用性差以及難以實現設計早期的仿真驗證等[2]。

針對上述問題，本文創新性地提出一種面向通信衛星的基于SysML(Systems Modeling Language)的故障分析框架，并以姿態控制系統為例，重點闡述了其故障分析的模型化過程。

2 故障分析特點與現狀

現代通信衛星系統屬于典型的復雜系統，在現階段以文檔為中心的研制模式中，大量文檔以自然語言敘述為主，含有表格等非自然語言作為輔助說明，沒有系統模型的支撐。隨著系統的日益復雜化，這種模式存在的問題主要體現在以下幾方面。

1)信息解讀二義性

通信衛星由多個子系統構成，研制過程包含方案設計、初樣研制以及正樣研制等多個階段，涉及眾多來自不同單位和部門的工作人員。在故障分析過程中各分系統進行分析后以文檔形式由總體設計人員整合輸出。以文檔為中心的協同過程由于自然語言的非標準化與非形式化，極易因為不同人員對信息解讀的不一致而導致錯誤。

2)信息維護困難

在衛星研制過程中，不同設計階段、不同系統層級將產生眾多與故障分析相關的文檔，單純以手動方式維護龐大數量的文檔十分困難，增加了人力、時間成本，且難以保證不同文檔之間信息的一致性。

3)故障分析與系統設計融合度差

在傳統系統工程中，故障分析相對于系統設計存在一定的滯后性。在不斷迭代中，一旦發生設計更改，難以實時傳遞給故障分析，設計更改成本較高。同時故障信息與其它模型元素如功能、組件互相獨立，只能以人工形式進行檢索和關聯，無法實現故障的自動追溯。另外，現階段故障分析與故障處置的有效性與正確性需要在方案設計完成后通過測試與試驗進行驗證，難以進行早期的系統級仿真驗證。

4)信息重用性差

通信衛星產品具有平臺化、系列化的特點，繼承性強。以文檔為中心的研制模式下，已有項目的信息散落于大量文本中，難以建立基于系統模型的模型庫，后續項目研制過程無法高效地借鑒使用。

針對現階段衛星故障分析過程所面臨的問題，基于模型的系統工程(Model based systems engineering，MBSE)為通信衛星的故障分析提供了新的思路。MBSE是建模的形式化應用，以支持系統需求、設計、分析、驗證和確認活動，從概念設計階段開始，一直持續到開發和后期生命周期階段[3]。將MBSE與通信衛星故障分析過程相結合，可以有效解決系統復雜度增長為故障分析帶來的問題，提高衛星故障分析的有效性和可靠性設計水平。

目前，MBSE在航空、航天、武器裝備等領域得到了廣泛的研究與應用。美國NASA已將MBSE的研究擴展到可靠性分析領域，提出將可靠性分析納入系統架構設計中，保證分析模型的一致性和可追溯性，優化系統設計過程[4]。

3 故障分析總體框架

基于SysML的通信衛星故障分析框架主要包括故障信息表征、故障影響與追溯分析、故障處置行為建模三個部分，整體流程如圖1所示。該框架的基礎是基于SysML的故障信息表征，以實現對故障信息以及系統模型的統一規范表達。SysML是用于系統建模的通用標準化描述語言，可以支持多領域系統的描述、設計、分析與驗證。SysML是領域無關的，因此在本流程中首先基于衛星領域的語義特點對SysML進行擴展，定義面向衛星故障分析的領域元模型。然后基于所定義的元模型，可以對衛星的故障模式、系統功能、架構等信息進行可視化建模。接下來圍繞所建立的SysML系統模型，使用特定的關聯元素對故障模式、功能、架構等模型元素進行關聯，實現故障影響的動態追溯。在故障處置方面，利用SysML用例模型精化處理特定故障的用例場景，為衛星系統設計過程提供有效的指導。最后利用SysML的活動建模詳細展開故障處置行為過程，以活動圖的形式直觀表達故障處置過程并進行動態的仿真，在系統設計早期暴露不合理的邏輯，及時識別故障預案存在的問題。

圖1 基于

4 姿態控制系統故障信息表征

4.1 故障信息表證元模型

元模型的定義是對故障信息進行統一表征的基礎，元模型可以理解為“模型的模型”，是對模型元素的進一步抽象[5]。SysML本身就是一種通用元模型，對于小規模系統可直接使用，但是對于通信衛星這一大型特定系統，需要在SysML通用元模型的基礎上進行剪裁與拓展，定義適用于衛星故障分析的新構造型(stereotype)，便于設計人員理解和應用。

針對實際建模所研究的問題，需要規范表達通信衛星的故障模式，因此定義新的元類型《故障模式》，它的基類為Class，用于對所有故障模式的建模。在功能層面，由于功能的本質可以理解為系統一種動態的行為過程，因此基于SysML中的Activity基類擴展定義了《功能》這一新類型，用于對通信衛星系統功能的建模。在模型元素關聯方面，為了清晰表達故障模式影響的功能范圍以及和組件失效之間的追溯關聯，這里基于Dependency基類定義了《歸因于》、《違背》和《關聯》三種新類型。具體定義的通信衛星故障信息表征元模型如2所示。

圖2 通信衛星故障分析元模型

4.2 故障模式、系統架構與功能建模

在定義表征元模型的基礎上，可以進行衛星故障模式、系統功能、系統架構等內容的建模，進一步形成通信衛星的領域模型庫。該過程在實際工程應用中需要以本領域的專業知識為基礎，同時結合SysML的語義特點，初步構建一般需要花費較多的工作量。但是由于模型具有良好的重用性，后續研制過程可以高效復用，大大縮短研制周期。

在故障模式的建模中，利用《故障模式》元類型對通信衛星的故障模式進行表征，形成典型故障模式庫。以姿態控制系統為例，根據文獻[1，6，7]可以定義姿態控制系統常見的故障模式如圖3所示，這里利用SysML中的塊定義圖表示故障模式及其層次關系，故障模式的父類和子類之間用composite表示其包含關系。為了更加清晰直觀，姿態控制系統的故障模式從兩個角度進行建模，分別對應系統功能角度和組件功能角度。

圖3 基于元模型的姿態控制系統故障模式

實現衛星故障模式功能影響范圍的分析與自動追溯，需利用元模型中的《功能》類型創建系統功能的SysML模型。根據文獻[7]可以梳理出姿態控制系統的功能及其分解關系，建立如圖4所示的功能模型，父功能和子功能之間通過composite關聯表示其分解關系。這里通過塊定義圖表達的不同層級功能之間的關系，可以在功能影響追溯中表示故障影響在不同層級之間的傳遞。

圖4 姿態控制系統功能

在故障分析中，故障一般和組件失效相關聯，因此有必要對系統架構組成進行建模。在SysML中，可以直接用Blocks定義不同的組件。在姿態控制系統中，組件主要包括敏感器、控制器和執行機構三大類，每類包含多種組件，因此這里用composite表示其結構上的關聯組成關系，如圖5所示。

圖5 姿態控制系統架構

5 故障影響與追溯分析

通過基于SysML的故障信息表征，已經初步建立了衛星的故障模式、系統功能以及架構組成的模型，為了進一步開展故障影響分析，需要利用SysML特定的關聯元素建立上述模型之間的關聯。

5.1 故障的功能影響范圍分析

以姿態控制系統為例，對應于4.2節創建的故障模式和系統功能模型，這里仍從兩個角度展開故障模式與功能的追溯影響分析。如圖6所示，上部分表示系統角度故障對功能的影響，下部分表示組件角度故障對功能的影響。這里利用元模型定義的新類型《違背》來表達故障對功能的影響，同時通過composite關聯來描述功能層級的追溯，表達功能影響從底層向更高層級的傳遞。

圖6 故障與功能的追溯關系

在SysML建模中，還可以以追溯矩陣的形式表達故障與功能的追溯關系，如圖7所示。矩陣縱向表示故障模式，橫向表示系統功能，矩陣中的箭頭表示故障將追溯到該功能，左邊的數字統計了該故障所影響的功能數量。以姿態測量故障為例，該故障將違背衛星姿態測量與確定、姿態捕獲、姿態機動、姿態穩定這四個功能。通過追溯矩陣，可以更加清晰地表達故障與功能之間的追溯與關聯關系，準確快速地定位特定故障模式所影響的功能范圍。

圖7 故障對功能影響的追溯矩陣

5.2 故障與組件失效的關聯分析

衛星姿態控制系統的功能由敏感器、控制器和執行機構等組件共同實現，每個潛在的故障都和一定的組件失效相關聯。這里利用元模型中定義的新類型《關聯》構建故障和組件失效的關系，如圖8所示。同樣，可以采用追溯矩陣的形式表達故障和組件失效的追溯關系，如圖9所示。

圖8 故障與組件失效的關聯關系

圖9 故障與組件失效追溯矩陣

通過故障與功能以及組件之間的追溯和關聯分析，可以快速定位故障所影響的功能范圍以及相關聯的失效組件。相比于傳統的文檔形式描述，追溯矩陣的表達形式更加直觀清晰，同時由于模型的唯一性，一旦發生設計更改，所有相關的追溯關系將會實時同步，實現自動的動態追溯與數據維護，相比傳統的手動修改與維護方式可以節省成本，同時保證信息的正確性。

6 故障處置行為建模與仿真

6.1 故障處置一般流程

為了提高衛星在軌運行的可靠性，在系統設計過程中需要針對所有可能的故障模式設計完整的故障預案，詳細展開故障處置的過程。

根據MBSE的方法論，首先應明確整個衛星故障分析與故障處理過程涉及的利益相關方并進行規范的建模表達。衛星故障處置的一般過程是先由飛控中心數據判讀人員根據遙測數據發現故障，并上報飛控指揮人員以及總體研制單位，然后總體研制單位和相關分系統的設計人員進行故障分析并選擇處置預案，最后通過飛控中心發送上行指令至衛星進行故障處置與系統重構。根據SysML建模規范，以用例圖的形式對故障處置過程的利益相關方進行定義與表達，如圖10所示。利益相關方模型將和故障處置行為模型相關聯，利用SysML中帶泳道的活動圖可以直觀描述故障處置過程中不同利益相關方之間的動作、信號流動以及交互過程，如圖11所示。

圖10 故障處置利益相關方模型

圖11 故障處置一般流程

6.2 精化用例場景

處理特定的故障模式，可以認為是系統的一種特殊需求，因此可以利用SysML的用例模型精化用例場景。以姿態超差這一故障模式為例，可以精化出處理姿態超差故障的用例，針對此用例場景，在對衛星系統功能行為進行設計時，需要為其分配相應的行為，如圖12所示。這里還通過元模型定義中的《歸因于》這一關聯元素構建了故障模式之間的追溯關系。姿態超差這一故障模式可以追溯到執行機構故障、敏感器故障以及控制器故障三個故障模式，同時其違背了姿態捕獲、姿態機動以及姿態穩定這三個系統功能，進一步將間接影響到衛星的姿態控制功能，最終可能影響整個飛行任務的順利完成。因此，通過特定關聯元素可以完整、清楚地表達故障分析的整個過程。

圖12 針對特定故障模式精化用例場景

6.3 故障處置行為建模與仿真

接下來，可以對故障處置過程展開詳細的行為建模，如圖13(1)活動圖所示為姿態超差故障的處置預案，包括星上自主處理和地面發送上行指令進行系統狀態重構兩個過程，同時需要根據遙測數據實時記錄衛星狀態。其中星上自主處理階段的行為過程可以進一步展開，圖13(2)和(3)的活動圖分別為星上自主處置過程的一級和二級展開模型，一級展開行為模型可以直觀清晰的表示出從OBC判斷姿態超差故障到衛星對地搜索成功的一系列行為，而二級展開行為模型可以進一步表達出重要部件切換過程及狀態變化。整個故障處置過程可以通過上述行為模型進行初步的仿真驗證，圖13為其運行的某個瞬間。在運行的過程中，通過活動圖模型元素邊框的顏色變化可以直觀顯示出信號的流動以及動作的交互狀態，動態展示故障處置的整個運行過程，驗證邏輯動作的合理性與正確性，在系統設計早期及時識別故障處置方案的潛在問題，保證故障預案的正確性與有效性，為衛星的系統設計提供重要指導。

圖13 姿態超差故障處置行為建模

7 結論

本文將MBSE與通信衛星故障分析過程相結合，系統性闡述了基于模型的通信衛星故障分析方法。提出了基于SysML的衛星故障分析整體框架，將傳統基于文檔的故障分析過程通過模型的形式進行表達與分析，實現了基于SysML的故障建模與仿真驗證，驗證了本方法對于通信衛星姿態控制故障表征、邏輯描述和影響分析的有效性和直觀性。