神舟飛船飛控任務(wù)故障診斷方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

楊海峰， 肖雪迪， 俞 進(jìn)

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部， 北京 100094）

1 引言

2022 年4 月16 日9 時(shí)56 分，隨著神舟十三號(hào)返回艙在東風(fēng)著陸場(chǎng)安全降落，標(biāo)志著中國(guó)空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段第二次載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)獲得圓滿成功。 神舟十三號(hào)在軌運(yùn)行180 d，創(chuàng)造了神舟飛船載人飛行任務(wù)時(shí)長(zhǎng)新紀(jì)錄。 隨著中國(guó)進(jìn)入空間站任務(wù)時(shí)代，神舟飛船發(fā)射頻率將顯著提高，天地往返運(yùn)輸任務(wù)將成為常態(tài)。

神舟十一號(hào)及以前在軌飛行任務(wù)時(shí)間均不超過(guò)30 d，飛行時(shí)間較短。 為確保航天員安全，隨時(shí)應(yīng)對(duì)應(yīng)急情況，飛控任務(wù)以地面人工監(jiān)控為主，對(duì)飛船狀態(tài)的故障診斷均通過(guò)人工完成。 在載人航天工程二期發(fā)射任務(wù)間隔時(shí)間長(zhǎng)、在軌飛行時(shí)間短的背景下是可行的。 隨著空間站任務(wù)階段一年發(fā)射2 艘載人飛船、單次任務(wù)持續(xù)180 d 成為常態(tài)，完全依靠人工判斷和故障診斷顯然不可行，必須借助于自動(dòng)化手段。

航天器故障診斷方法可以分為3 大類：基于規(guī)則、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和基于模型［1-4］。 NASA 已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些較為成熟的故障診斷工具， 如TEAMS-RT、Livingstone 等［5］。 基于規(guī)則的故障診斷方法通過(guò)對(duì)專家的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，描述故障現(xiàn)象，方法簡(jiǎn)單直觀，易于開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)；基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的故障診斷方法通過(guò)歷史數(shù)據(jù)或仿真學(xué)習(xí)，總結(jié)規(guī)律并診斷故障，分為基于統(tǒng)計(jì)分析的方法、基于信號(hào)處理的方法和基于人工智能的方法；基于模型的故障診斷方法通過(guò)建立計(jì)算模型進(jìn)行故障診斷，包括定性模型、定量模型和解析模型。其中，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法需要開(kāi)發(fā)具有自主學(xué)習(xí)能力的復(fù)雜故障診斷軟件，基于模型的方法需要建立整船復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，這2 種方法對(duì)神舟飛船來(lái)說(shuō)均難以實(shí)現(xiàn)，且設(shè)計(jì)師難以確定診斷結(jié)果的正確性，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法在關(guān)乎航天員生命安全的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)。

本文針對(duì)空間站任務(wù)階段神舟飛船在軌長(zhǎng)期飛行任務(wù)特點(diǎn)，開(kāi)展組合體停靠段故障診斷需求分析、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、規(guī)則設(shè)置分析，提出了基于規(guī)則的故障診斷方案，并在神舟十三號(hào)飛控任務(wù)中首次成功應(yīng)用。

2 任務(wù)特點(diǎn)分析

空間站任務(wù)神舟飛船的飛控任務(wù)階段主要包括：發(fā)射段、交會(huì)對(duì)接段、組合體停靠段、撤離及返回準(zhǔn)備段、返回再入段和回收著陸段。 其中發(fā)射及交會(huì)對(duì)接段、組合體分離后的返回段分別采用了快速交會(huì)對(duì)接、快速返回技術(shù)，均能夠在7 h 以內(nèi)完成交會(huì)對(duì)接和返回，典型任務(wù)剖面見(jiàn)圖1。這2 個(gè)任務(wù)段關(guān)鍵事件密集、模式轉(zhuǎn)換快、持續(xù)時(shí)間短，需要專業(yè)的飛控技術(shù)人員24 h 在崗，適合人工判讀及故障診斷。 而在組合體停靠段，神舟飛船具有以下特點(diǎn)：

圖1 空間站任務(wù)階段神舟飛船任務(wù)剖面示意圖Fig.1 The mission profile of Shenzhou spacecraft in the space station mission

1）飛船已有14 次在軌完整飛行試驗(yàn)經(jīng)歷，而組合體停靠任務(wù)則經(jīng)過(guò)了神舟八號(hào)至神舟十二號(hào)共計(jì)5 次飛行驗(yàn)證，有一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累。

2）飛船大部分設(shè)備處于斷電貯存模式，與衛(wèi)星型號(hào)長(zhǎng)期獨(dú)立工作狀態(tài)明顯不同。 如儀表、對(duì)接機(jī)構(gòu)、推進(jìn)、GNC、測(cè)控等處于完全或大部分?jǐn)嚯娰A存狀態(tài)，平臺(tái)設(shè)備狀態(tài)及工作模式相對(duì)穩(wěn)定。

3）飛船組批生產(chǎn)模式下技術(shù)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，一年2 次發(fā)射任務(wù)，在軌飛行試驗(yàn)的數(shù)據(jù)一致性較好，便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的持續(xù)積累和比對(duì)。

4）空間站飛行姿態(tài)及構(gòu)型有變化，會(huì)對(duì)飛船能源、外熱流產(chǎn)生影響，表現(xiàn)在飛船平臺(tái)設(shè)備熱控參數(shù)波動(dòng)劇烈、供配電模式變化。 大系統(tǒng)接口及影響也比較明確。

基于以上任務(wù)特點(diǎn)分析，采用基于規(guī)則的故障診斷方法比較適合神舟飛船組合體停靠段飛控任務(wù)，相對(duì)簡(jiǎn)單且短時(shí)間內(nèi)容易實(shí)現(xiàn)。 而數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、基于模型等故障診斷方法等對(duì)智能化、建模水平等要求很高［6-8］，更適用于起點(diǎn)高的新一代航天器［9-10］。

3 基于規(guī)則的故障診斷方案設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

神舟飛船組合體停靠段主要任務(wù)為等待停靠任務(wù)、正常結(jié)束實(shí)施返回任務(wù)、出現(xiàn)組合體失火失壓等緊急重大故障時(shí)，隨時(shí)待命應(yīng)急撤離。

停靠期間航天員主要在空間站艙段工作和生活，載人飛船一般故障均不會(huì)影響組合體安全及駐留任務(wù)。 此外設(shè)計(jì)了應(yīng)急救援飛船方案，最壞情況下，停靠的載人飛船發(fā)生故障不能實(shí)施返回任務(wù)時(shí)，還可以發(fā)射應(yīng)急救援飛船，以確保航天員安全返回。 因此故障診斷原則如下：

1）將直接影響空間站組合體安全的故障模式相關(guān)參數(shù)作為核心參數(shù)，加嚴(yán)判讀，包括推進(jìn)劑、并網(wǎng)供電電流等。

2）將直接影響飛船平臺(tái)及返回安全的故障模式相關(guān)參數(shù)作為核心或重要參數(shù)，視故障緊急情況加嚴(yán)判讀，包括消耗性資源、母線電壓和電流、充放電電流、放電深度等。

3）其他不影響組合體及飛船平臺(tái)安全的參數(shù)作為一般參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視。

根據(jù)以上故障診斷原則，設(shè)計(jì)神舟飛船故障診斷方案流程，見(jiàn)圖2。

圖2 神舟飛船故障診斷方案設(shè)計(jì)流程Fig.2 Design process of the fault diagnosis scheme for Shenzhou spacecraft

3.2 數(shù)據(jù)包絡(luò)分析

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的目的是識(shí)別所有平臺(tái)設(shè)備在特定任務(wù)階段、特定工作模式及特定外部環(huán)境條件下的參數(shù)邊界或狀態(tài)，是基于規(guī)則的故障診斷方法的重要工作內(nèi)容，直接決定著故障診斷的準(zhǔn)確性，本文特指神舟飛船組合體停靠階段關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析。

包絡(luò)分析的輸入包括歷史所有相同技術(shù)狀態(tài)型號(hào)的地面測(cè)試數(shù)據(jù)、地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)、地面仿真數(shù)據(jù)及在軌飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)等。 分析時(shí)，力求數(shù)據(jù)歸一化。 按照是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求、是否在成功包絡(luò)范圍內(nèi)分為4 類：合格／包絡(luò)、合格／不包絡(luò)、超差／包絡(luò)、超差／不包絡(luò)。對(duì)于超差／包絡(luò)、超差／不包絡(luò)情況，需復(fù)核是否為偶發(fā)狀態(tài)，是否影響任務(wù)實(shí)施，根據(jù)復(fù)核結(jié)果決定是否引入或剔除包絡(luò)。

3.3 規(guī)則設(shè)置

神舟飛船組合體停靠段關(guān)鍵參數(shù)按照設(shè)置規(guī)則包括門(mén)限類參數(shù)、狀態(tài)字參數(shù)及常值區(qū)間參數(shù)。

1）門(mén)限類參數(shù)。 門(mén)限類參數(shù)是神舟飛船中最普遍的參數(shù)，主要包括：溫度、濕度、總壓、氧分壓、壓強(qiáng)、轉(zhuǎn)速、電壓、電流、放電深度等。 這類參數(shù)的診斷規(guī)則為一個(gè)數(shù)值區(qū)間，其中表征電子產(chǎn)品狀態(tài)的電壓和電流參數(shù)、表征載人環(huán)境相關(guān)的總壓、氧分壓等參數(shù)與空間站組合體構(gòu)型、飛行姿態(tài)等無(wú)關(guān)，均可通過(guò)數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、技術(shù)指標(biāo)分析等制定相對(duì)準(zhǔn)確的門(mén)限；而溫度、加熱功耗等參數(shù)與空間站組合體構(gòu)型、飛行姿態(tài)引起的外熱流變化直接相關(guān)，且難以通過(guò)測(cè)試手段獲取，只能通過(guò)熱仿真、熱試驗(yàn)等作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)，再考慮仿真和試驗(yàn)偏差，作為門(mén)限制定的輸入，后續(xù)通過(guò)在軌驗(yàn)證再進(jìn)行迭代完善。

對(duì)于同一停靠任務(wù)段，因工況或工作模式發(fā)生變化導(dǎo)致門(mén)限變化，還需進(jìn)行關(guān)聯(lián)判斷，提高故障診斷的準(zhǔn)確度，避免漏判或誤判。 以載人飛船帆板全遮擋并網(wǎng)供電工況為例，并網(wǎng)供電工況下電池不放電，整船峰值功耗不高于1500 W，密封艙設(shè)備溫度水平相對(duì)非并網(wǎng)供電工況都會(huì)降低，需要針對(duì)并網(wǎng)工況和非并網(wǎng)工況單獨(dú)設(shè)置判斷門(mén)限，見(jiàn)表1。

表1 神舟飛船典型關(guān)聯(lián)參數(shù)門(mén)限規(guī)則示例Table 1 Example of the threshold rules for typical associated parameters of Shenzhou spacecraft

消耗性資源相關(guān)參數(shù)是典型的門(mén)限類參數(shù)，飛船轉(zhuǎn)停靠段后正常情況下所有資源均不消耗，相關(guān)參數(shù)應(yīng)為恒定值。 如推進(jìn)劑、應(yīng)急電池容量、氧氣瓶壓力、空氣瓶壓力等，考慮溫度波動(dòng)等引起的偏差后，應(yīng)加嚴(yán)判讀，每次轉(zhuǎn)組合體停靠任務(wù)后根據(jù)剩余量重新設(shè)置。

2）狀態(tài)字參數(shù)。 如果說(shuō)門(mén)限類參數(shù)規(guī)則是做區(qū)間判斷題，狀態(tài)字類參數(shù)則類似做狀態(tài)判斷題或選擇題，主要是對(duì)軟件的控制或工作模式進(jìn)行診斷，判斷軟件是否進(jìn)入了非預(yù)期的工作模式或發(fā)生了異常復(fù)位等，診斷規(guī)則實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，見(jiàn)表2。 根據(jù)設(shè)備工作特點(diǎn)，狀態(tài)字參數(shù)也可以設(shè)置關(guān)聯(lián)判據(jù)。

表2 神舟飛船狀態(tài)字參數(shù)診斷規(guī)則示例Table 2 Example of the diagnosis rules for the status parameters of Shenzhou spacecraft

3）常值區(qū)間參數(shù)。 常值區(qū)間類診斷主要是用于判斷連續(xù)計(jì)數(shù)類參數(shù)表征的軟件是否發(fā)生了死機(jī)、機(jī)構(gòu)是否發(fā)生了卡滯等故障模式。 根據(jù)設(shè)備工作特點(diǎn)，常值區(qū)間參數(shù)也可設(shè)置關(guān)聯(lián)判據(jù)。典型的常值區(qū)間參數(shù)診斷規(guī)則見(jiàn)表3。

表3 神舟飛船常值區(qū)間參數(shù)診斷規(guī)則示例Table 3 Example of the diagnosis rules for the constant interval parameters of Shenzhou spacecraft

4 應(yīng)用情況

4.1 故障診斷情況

神舟飛船按照以上故障診斷方案，依次完成了故障診斷需求分析、停靠段設(shè)備工作模式分析、停靠段參數(shù)包絡(luò)分析及診斷規(guī)則設(shè)置等工作，識(shí)別參數(shù)2400 個(gè)，其中核心參數(shù)為125 個(gè)，重要參數(shù)為700 個(gè)，一般參數(shù)為1575 個(gè)。 在所有準(zhǔn)備工作就緒后，經(jīng)過(guò)確認(rèn)、評(píng)審，將所有參數(shù)錄入診斷系統(tǒng)并在神舟飛船任務(wù)中試運(yùn)行一周，試運(yùn)行結(jié)束后，轉(zhuǎn)為正式執(zhí)行任務(wù)。

為了能夠及時(shí)處置報(bào)警信息，提升應(yīng)急處置能力水平，確保航天員乘組及空間站組合體安全，地面制定了應(yīng)急處置流程，并通過(guò)管理規(guī)范的形式明確各級(jí)責(zé)任，見(jiàn)圖3。

圖3 神舟飛船應(yīng)急響應(yīng)流程Fig.3 The emergency response process of Shenzhou spacecraft

從正式運(yùn)行到神舟飛船返回任務(wù)，故障診斷系統(tǒng)值班約6 個(gè)月，發(fā)生報(bào)警信息26 項(xiàng)，經(jīng)確認(rèn)均為虛警，對(duì)相關(guān)參數(shù)的診斷規(guī)則進(jìn)行了完善。從報(bào)警參數(shù)類型看，占比最高的為并網(wǎng)供電相關(guān)參數(shù)、管路壓強(qiáng)和溫度參數(shù)，總數(shù)占比86%。 主要由并網(wǎng)供電關(guān)聯(lián)參數(shù)的復(fù)雜性、溫度參數(shù)的不確定性導(dǎo)致難以準(zhǔn)確設(shè)置判讀門(mén)限引起，與預(yù)期一致。 見(jiàn)表4。

表4 報(bào)警信息按照參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 The alarm information counted according to the parameters

從報(bào)警信息發(fā)生的時(shí)間分布上看，運(yùn)行前2個(gè)月最多，占比86%，2 個(gè)月后報(bào)警信息明顯減少并趨于穩(wěn)定，見(jiàn)表5。 主要由于飛行2 個(gè)月后，神舟飛船徑向停靠的并網(wǎng)供電模式基本固化成熟，外熱流邊界、工作模式等基本覆蓋，參數(shù)完善后的故障診斷規(guī)則的設(shè)置更加合理，與預(yù)期一致。

表5 報(bào)警信息按照發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 5 The alarm information counted according to the occurrence time

為驗(yàn)證故障診斷方案的正確性，在神舟飛船定期巡檢期間（相對(duì)于停靠模式，設(shè)備工作模式、開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)等發(fā)生變化，相當(dāng)于模擬了真實(shí)故障），利用故障診斷系統(tǒng)對(duì)巡檢模式下靠的報(bào)警信息進(jìn)行了一一對(duì)比分析，報(bào)警信息準(zhǔn)確率100%，巡檢結(jié)束后，報(bào)警信息恢復(fù)為0。 以上驗(yàn)證了神舟飛船基于長(zhǎng)期停靠模式故障診斷方案設(shè)計(jì)的正確性。

4.2 改進(jìn)情況

神舟飛船推進(jìn)相關(guān)設(shè)備在停靠段不工作，出于安全考慮，推進(jìn)的氣、液管路閥門(mén)均處于關(guān)閉截止?fàn)顟B(tài)，防止管路泄漏或發(fā)動(dòng)機(jī)異常工作。 其中推進(jìn)劑密閉管路受外熱流影響會(huì)造成壓力持續(xù)波動(dòng)，當(dāng)預(yù)計(jì)超過(guò)2.8 MPa 安全上限時(shí)就需要地面發(fā)送指令，打開(kāi)上游的閥門(mén)進(jìn)行管路維護(hù)。

對(duì)神舟飛船診斷系統(tǒng)6 個(gè)月運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)的管路壓力參數(shù)超限后均能準(zhǔn)確報(bào)警，報(bào)警次數(shù)比較頻繁且對(duì)地面技術(shù)人員處置時(shí)效性要求非常高。 從出現(xiàn)報(bào)警信息到組織地面人員上行指令往往需要0.5 ～1 h，有時(shí)發(fā)送指令時(shí)發(fā)現(xiàn)已經(jīng)出測(cè)控區(qū)，極端情況下會(huì)出現(xiàn)約4.5 h不在測(cè)控區(qū)情況，不具備處置條件，導(dǎo)致管路壓力有超上限的風(fēng)險(xiǎn)。

經(jīng)過(guò)綜合分析，對(duì)神舟飛船數(shù)據(jù)管理軟件提出了技術(shù)狀態(tài)更改建議：后續(xù)停靠期間，推進(jìn)管路壓力由數(shù)管軟件自動(dòng)判斷，超過(guò)2.8 MPa 時(shí)，數(shù)管軟件自動(dòng)發(fā)送程控指令，打開(kāi)相關(guān)閥門(mén)進(jìn)行管路維護(hù)；維護(hù)后5 min 自動(dòng)關(guān)閉管路閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)船上自主健康管理，徹底解決地面應(yīng)急處置時(shí)效性不高的問(wèn)題，可有效降級(jí)故障處置風(fēng)險(xiǎn)，提高整船的安全性水平。

5 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)了神舟飛船在組合體停靠段的故障診斷方案，并在神舟十三號(hào)任務(wù)中首次成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了神舟飛船飛控任務(wù)從人工監(jiān)視到地面自動(dòng)故障診斷的歷史性跨越，極大地提高了故障診斷效率，解放了人力資源，為其他載人航天器故障診斷提供了參考；

2）采用基于規(guī)則的故障診斷方法更適合神舟飛船這種停靠段狀態(tài)固定、有較多歷史數(shù)據(jù)、任務(wù)重復(fù)性好的航天器，但是故障處置依賴于地面技術(shù)人員，需要制定明確的應(yīng)急故障處置規(guī)范，確保可實(shí)施；

3）長(zhǎng)期來(lái)看，針對(duì)成熟航天器的緊急重大故障，在不顯著增加研制成本和技術(shù)難度的情況下，適當(dāng)增加船／器上自主健康管理功能，可有效降低對(duì)地面處置的依賴程度，提升載人航天器安全性水平。