一種基于半實(shí)物仿真平臺(tái)的衛(wèi)星故障注入測(cè)試研究

邵洪森，何旭，袁鉀光，蔣強(qiáng)

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院；2.沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110000；3.陸軍裝備部駐沈陽(yáng)地區(qū)軍事代表局駐大連地區(qū)軍事代表室，遼寧 大連 116033）

目前，各國(guó)大力發(fā)展航天航空事業(yè)，在軌衛(wèi)星數(shù)量不斷增加，衛(wèi)星的工作狀態(tài)與工作壽命，尤其是衛(wèi)星能源系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、姿軌控系統(tǒng)、綜合電子及載荷等系統(tǒng)的健康狀態(tài)與衛(wèi)星的正常運(yùn)行直接相關(guān)，因此衛(wèi)星狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷逐漸成為空間衛(wèi)星技術(shù)的主要關(guān)注點(diǎn)之一。故障預(yù)測(cè)與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)是解決這一關(guān)鍵問(wèn)題的主流技術(shù)，PHM技術(shù)具有預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)失效可能性以及采取適當(dāng)維護(hù)措施的能力。目前，PHM技術(shù)已在軍用和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，PHM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自主式保障，提高維修保障效率和任務(wù)成功率，有效降低維修費(fèi)用，縮短維修時(shí)間。

本文半實(shí)物仿真平臺(tái)是在PHM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上搭建的，通過(guò)數(shù)據(jù)仿真，為衛(wèi)星故障診斷及健康管理提供技術(shù)保障及數(shù)據(jù)支持，從而達(dá)到健康管理的目的。

1 半實(shí)物仿真平臺(tái)的構(gòu)成及工作原理

1.1 平臺(tái)組成

半實(shí)物仿真平臺(tái)主要由衛(wèi)星仿真平臺(tái)和姿控動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)組成。其中，衛(wèi)星仿真平臺(tái)由星載計(jì)算機(jī)模擬器和上位機(jī)組成，具有單機(jī)版工作模式，姿控動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)由姿態(tài)動(dòng)力學(xué)模擬器和上位機(jī)組成，2個(gè)平臺(tái)之間有數(shù)據(jù)的交換，同時(shí)各平臺(tái)的上位機(jī)系統(tǒng)與各模擬器之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互和指令傳輸。半實(shí)物仿真平臺(tái)的組成如圖1所示。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)組成

1.2 工作原理及流程

衛(wèi)星半實(shí)物仿真平臺(tái)具備特性修改功能，可在仿真時(shí)根據(jù)實(shí)際的衛(wèi)星姿態(tài)角信息、太陽(yáng)位置信息、衛(wèi)星軌道進(jìn)行更改，利用敏感器模型產(chǎn)生敏感器輸出的姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)給各模擬器，同時(shí)接收?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)的控制指令，利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型產(chǎn)生控制力矩來(lái)控制衛(wèi)星姿態(tài)和軌道。

姿軌控動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái)用以模擬衛(wèi)星在軌飛行狀態(tài)。模擬器上位機(jī)可以對(duì)姿軌控動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的初始閾值、開(kāi)關(guān)量、故障類型等參數(shù)實(shí)現(xiàn)修改，從而完成狀態(tài)的檢測(cè)，同時(shí)模擬故障狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障的模擬注入，注入期望的故障狀態(tài)。

系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 仿真平臺(tái)工作流程

1.3 故障注入上位機(jī)界面

圖3為單機(jī)模擬器主界面，其故障注入主要通過(guò)打開(kāi)/關(guān)閉串口模擬通信故障或設(shè)定開(kāi)環(huán)值，以注入期望的故障狀態(tài)。上位機(jī)界面包括衛(wèi)星中可能發(fā)生故障類型及相關(guān)的部件，主要有星敏感器、磁強(qiáng)計(jì)、反作用飛輪、太陽(yáng)敏感器、光纖陀螺、磁力矩器等。

圖3 單機(jī)模擬器主界面

故障的注入可以通過(guò)修改參數(shù)來(lái)設(shè)定，如圖4所示，通過(guò)手動(dòng)設(shè)置太敏輸出/電壓值、手動(dòng)設(shè)置磁強(qiáng)計(jì)A輸出電壓值、手動(dòng)設(shè)置陀螺角速度、星敏A手動(dòng)設(shè)置四元數(shù)Q值、手動(dòng)設(shè)置光纖陀螺A角速度、手動(dòng)設(shè)置飛輪轉(zhuǎn)速指令大小等來(lái)進(jìn)行故障注入。

圖4 單機(jī)模擬器故障注入操作界面

2 故障注入仿真測(cè)試

故障注入方式包括采用姿控動(dòng)力學(xué)模擬器進(jìn)行程控故障注入，以及上面提到的單機(jī)模擬器控制軟件手動(dòng)設(shè)置2種。前者主要注入各種算法類軟故障，后者主要是注入硬件接口故障和開(kāi)環(huán)故障。本文選取星敏感器和反作用飛輪的某個(gè)故障類型進(jìn)行故障注入測(cè)試。

2.1 星敏感器故障注入測(cè)試

對(duì)于星敏感器來(lái)說(shuō)，常出現(xiàn)的故障類型有串口通訊故障、星敏感器姿態(tài)數(shù)據(jù)失效故障、敏感器姿態(tài)數(shù)據(jù)偶爾失效故障等，由于故障類型比較多，本文以敏感器姿態(tài)數(shù)據(jù)偶爾失效模型進(jìn)行了測(cè)試。

在故障注入模擬器主界面，選取星敏感器故障注入，故障類型選擇偶爾失效故障。

表1 星敏感器故障偶爾失效模型注入?yún)?shù)設(shè)定

運(yùn)行結(jié)果如圖5所示：

圖5 敏感器姿態(tài)數(shù)據(jù)偶爾失效故障測(cè)試

測(cè)試結(jié)果：由于姿控系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，一個(gè)地方發(fā)生故障，其他的地方也會(huì)受到影響。圖像呈現(xiàn)的是注入故障后，星敏四元素的姿態(tài)曲線受到了故障的影響發(fā)生了輕微的變化，星敏感器的角速度不變，觀察動(dòng)力學(xué)星敏數(shù)學(xué)模型的星敏有效性標(biāo)志以10s周期切換，有效周期脈寬50%，故障注入成功。由于星載計(jì)算機(jī)星敏單機(jī)數(shù)據(jù)處理方法中，不判斷單機(jī)有效性，因此，衛(wèi)星姿態(tài)定姿依然使用串口校驗(yàn)有效的星敏感器數(shù)據(jù)，上位機(jī)遙測(cè)觀察星敏數(shù)據(jù)正常更新。

2.2 反作用飛輪的故障注入測(cè)試仿真

本文中只對(duì)一個(gè)或多個(gè)飛輪輸出力矩衰減進(jìn)行了測(cè)試。在故障注入模擬器主界面選取反作用飛輪故障注入，故障類型選擇飛輪輸出力矩衰減故障。

表2 飛輪輸出力矩衰減故障注入?yún)?shù)設(shè)定

運(yùn)行結(jié)果如圖6所示：

圖6 一個(gè)或多個(gè)飛輪輸出力矩衰減測(cè)試

故障注入成功后，通過(guò)修改該參數(shù)控制飛輪輸出力矩衰減，將輸入?yún)?shù)放大10倍，分別修改為0.0184/0.000434，故障選擇參數(shù)仍為1，觀察飛輪指令、轉(zhuǎn)速曲線、衛(wèi)星角速度曲線可知，飛輪轉(zhuǎn)速與指令出現(xiàn)波動(dòng)，反作用飛輪輸出力矩衰減，姿態(tài)變大，輸出力矩?cái)_動(dòng)增大，衛(wèi)星角速度出現(xiàn)大幅擾動(dòng)。

通過(guò)對(duì)星敏感器和反作用飛輪故障注入，經(jīng)過(guò)運(yùn)行，通過(guò)上位機(jī)均可觀測(cè)到預(yù)期的故障發(fā)生，可以得到預(yù)期的結(jié)果。

3 結(jié)語(yǔ)

半實(shí)物仿真平臺(tái)不僅可用來(lái)對(duì)系統(tǒng)接口進(jìn)行檢測(cè)和試驗(yàn)，還可對(duì)衛(wèi)星在軌可能出現(xiàn)的單機(jī)、元器件、系統(tǒng)等故障進(jìn)行模擬，驗(yàn)證系統(tǒng)重構(gòu)及安全保持等性能。系統(tǒng)具備姿軌控閉環(huán)仿真的能力及姿控單機(jī)常見(jiàn)故障類型模擬與注入，為衛(wèi)星自主健康管理提供仿真平臺(tái)。對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)故障的發(fā)生并盡可能避免，延長(zhǎng)衛(wèi)星的壽命，同時(shí)減輕地面衛(wèi)星管控壓力，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。