CN102681529A - 一种适应参数特征的航天器自主延时遥测方法 - Google Patents

Abstract

一种适应参数特征的航天器自主延时遥测方法，(1)根据遥测参数的特征对航天器遥测参数进行分类，共分为关键参数、普通参数、自主管理告警参数、指令参数、恒值参数、重点监视参数、科学试验数据；(2)对步骤(1)中的各类参数根据参数特性分别进行处理，以优化使用航天器的存储资源和下行信道资源；(3)星载计算机为各类延时遥测数据分别分配不同的存储区进行存储；(4)星载计算机根据地面测控站发送的遥控指令确定延时遥测下传方法，对延时遥测数据进行存储和下传。

Description

一种适应参数特征的航天器自主延时遥测方法

技术领域

本发明涉及一种航天器延时遥测的处理和下传方法，属于航天器遥测技术领域。

背景技术

航天器遥测是地面获取航天器工作状态和环境等参数的测量技术。实时遥测是将采集到的遥测数据立即向地面测控站发送的航天器遥测方式；延时遥测是将采集到的遥测数据存储在星上存储设备中，待航天器飞经地面测控站作用范围(可观测弧段)时发送的航天器遥测方式。

对于地球静止轨道航天器，其相对于地面测控站静止，地面测控站可以实时接收航天器遥测数据，监视航天器工作状态；而对于其它类型轨道的航天器(如太阳同步轨道、回归轨道等)存在地面测控站不可观测弧段，此时，地面测控站无法接收航天器遥测数据，从而无法监视航天器工作状态，这就要求星载计算机系统必须记录该时间段内的遥测数据，这些数据称为延时遥测数据，等待航天器进入地面测控站的可观测弧段后，将延时遥测数据下传地面，以便了解航天器在测控站不可观测弧段的工作状态。

在测控站可观测弧段内除了下传延时遥测数据外，还需要下传实时遥测数据。这就要求下传的延时遥测数据不但要满足地面监视的需求，而且数据量又不能太大。目前，航天器对不可观测弧段遥测参数采用重要遥测参数等间隔抽取、其它遥测参数丢弃的方式，以减小延时遥测的数据量，并获取不可观测弧段的重要遥测参数。但是，此方法的缺点在于：以大的比例进行抽取导致了抽取间隔间重要遥测参数的丢失，并且为减少延时遥测的数据量丢弃了大量遥测参数，从而，地面无法准确掌握航天器在不可观测弧段的工作状态，影响对故障的准确判断、快速定位和应对措施的制定。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种航天器延时遥测处理和下传方法，使得地面能够方便地获取所需的延时遥测数据，准确掌握航天器在不可观测弧段的工作状态。

本发明的技术解决方案是：一种适应参数特征的航天器自主延时遥测方法，步骤如下：

(1)根据遥测参数的特征对航天器遥测参数进行分类，共分为关键参数、普通参数、自主管理告警参数、指令参数、恒值参数、重点监视参数、科学试验数据；

(2)对步骤(1)中的各类参数根据参数特性分别进行处理，以优化使用航天器的存储资源和下行信道资源；

(3)星载计算机为各类延时遥测数据分别分配不同的存储区进行存储；

(4)星载计算机根据地面测控站发送的遥控指令确定延时遥测下传方法，对延时遥测数据进行存储和下传，当遥控指令为采用地面控制延时遥测下传时，由地面测控站发送遥控指令控制在航天器不可观测弧段存储延时遥测数据，在可观测弧段开始下传延时遥测数据；当遥控指令为采用星载计算机自主控制下传时，步骤如下：

(4.1)地面测控站向星载计算机注入遥控指令组，该遥控指令组包含一个观测周期内各次不可观测弧段起始时刻、可观测弧段起始时刻、各延时遥测数据包的使能/禁止状态、各可抽取类延时遥测数据包的抽取比例信息；

(4.2)星载计算机根据遥控指令组的内容，在不可观测弧段起始时刻自动开始存储所有延时遥测数据，在可观测弧段起始时刻自动下传遥控指令组中状态为使能的延时遥测数据包；上述自动下传根据遥控指令组中的可抽取类延时遥测数据包的抽取比例抽取后下传；

(4.3)星载计算机将指令组内的不可观测弧段起始时刻和可观测弧段起始时刻加上观测周期，自动获得下一观测周期的指令组，从而实现延时遥测数据下传控制的自主运行。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明根据遥测参数的特征分类处理，满足地面对不同类别遥测参数的不同监视需求；

(2)本发明可根据地面监视需要，选择任意参数组成新的延时遥测参数组，方便获取需要重点监视的遥测参数在不可监测弧段的信息；

(3)本发明对延时遥测参数采用密集存储，抽取下传、选取时间段下传方式，解决存储数据量大而下传时间短的矛盾；

(4)本发明星载计算机根据测控站注入的包含延时遥测控制信息的遥控指令组，自主控制延时遥测数据的存储和下传，实现延时遥测的自主管理，大大减少地面测控站的控制工作量。

附图说明

图1为本发明延时遥测处理流程；

图2为本发明延时遥测方法的三个方面；

图3为本发明延时遥测参数分类处理示意；

图4为本发明延时遥测存储流程；

图5为本发明延时遥测下传控制方式分类。

具体实施方式

航天器通常由供配电分系统、测控分系统、数据管理分系统(或星务分系统)、热控分系统、控制分系统、推进分系统、有效载荷分系统(根据不同的应用有不同的名称定义)、结构分系统(通常无遥测数据)等组成。

本发明提出了一种航天器延时遥测处理和下传方法，使得地面能够方便地获取所需的延时遥测数据，准确掌握航天器在不可观测弧段的工作状态。延时遥测的处理流程如图1所示，包括三个步骤：延时遥测参数分类，延时遥测存储，延时遥测下传。针对延时遥测处理的三个步骤，本发明给出了相应的三个方面的方法，如图2所示，下面结合本发明在某航天器上的具体应用对本发明的技术方案进行描述，步骤如下：

(1)根据遥测参数的特征对航天器遥测参数进行分类，共分为关键参数、普通参数、自主管理告警参数、指令参数、恒值参数、重点监视参数、科学试验数据；

(2)对步骤(1)中的各类参数根据参数特性分别进行处理，如图3所示，以优化使用航天器的存储资源和下行信道资源；

1)关键参数处理方法

关键参数是指其变化范围超出正常工作范围后对航天器有严重或灾难影响(大于或等于分系统的任一主要功能丧失或性能严重下降的影响)的参数。

对于关键参数，星载计算机预置每个参数的正常工作范围，如果变化超过正常工作范围则记录时间和相应的参数值。

示例：航天器供电的稳定是各设备工作的前提，主母线电压是反映供电的特征参数，其超过正常范围将影响设备的工作，因此“主母线电压”属于关键参数。在不可观测弧段，星载计算机每1秒将当前的“主母线电压”与其正常范围相比较，如果超出正常范围则记录时间和参数值。假设“主母线电压”正常工作范围为41V～43V，如果当前“主母线电压”为42V，那么无需记录；如果当前“主母线电压”为39V，那么需要记录当前的时间和“主母线电压”值。

2)普通参数处理方法

普通参数是指其变化范围超出正常工作范围后对航天器造成一般或轻微影响(小于或等于分系统主要功能下降或非主要功能丧失的影响)的参数。

对于普通参数，星载计算机对实时采集的参数按照预置的抽取比例进行抽取，获取存储数据，抽取比例可以由遥控指令更改。

示例1：供配电分系统的电源变换器输出电压等参数属于普通参数，实时遥测为8秒/次，按照4∶1的比例抽取，即32秒/次，生成供配电分系统延时遥测数据。如果地面需要获得更高频度的数据，可以发送遥控指令将抽取比例更改为2∶1，星载计算机收到指令后按照2∶1的比例抽取，即变更为16秒/次。

示例2：测控分系统的各设备供电电压、固放功率、固放电流等参数属于普通参数，实时遥测为8秒/次，按照4∶1的比例抽取，即32秒/次，生成测控分系统延时遥测数据。

示例3：数据管理分系统的各设备供电电压、校准电平等参数属于普通参数，实时遥测为8秒/次，按照4∶1的比例抽取，即32秒/次，生成数据管理分系统延时遥测数据。

示例4：热控分系统的各舱板温度、各热管温度、各设备壳温等参数属于普通参数，实时遥测为32秒/次，按照4∶1的比例抽取，即128秒/次，生成热控分系统延时遥测数据。

示例5：控制分系统的各设备供电电压、工作电流等参数属于普通参数，实时遥测为8秒/次，按照4∶1的比例抽取，即32秒/次，生成控制分系统延时遥测数据。

示例6：推进分系统的各设备供电电压、贮箱压力等参数属于普通参数，实时遥测为8秒/次，按照4∶1的比例抽取，即32秒/次，生成推进分系统延时遥测数据。

示例7：有效载荷分系统的各设备供电电压、行波管螺旋极电流、行波管控制阳极电压、行波管增益状态等参数属于普通参数，实时遥测为8秒/次，按照4∶1的比例抽取，即32秒/次，生成有效载荷分系统延时遥测数据。

3)自主管理告警参数处理方法

自主管理告警参数是指星载计算机进行自主热控管理、自主能源管理、自主健康管理等过程中出现异常情况时反映工作状态的参数。

当自主管理过程中出现异常时，星载计算机记录时间和自主管理告警参数信息。

示例1：自主热控过程中，星载计算机判断某热控回路温度超出高温阈值，自主发送指令断开该回路的加热器，指令发出后通过遥测判断该回路的加热器并未断开，说明由于某些原因指令未执行，此时，星载计算机记录当前航天器时间和该热控回路的相关参数(包括：回路号、回路高温阈值、回路低温阈值、回路当前使用的控温热敏电阻、回路当前温度、发送的指令、回路当前通断状态等)，这些参数属于自主管理告警参数。

示例2：自主能源管理过程中，蓄电池充电出现蓄电池温度超限、充电开关接通或断开指令不执行等异常情况时，星载计算机记录时间和相关参数(包括：蓄电池组温度、蓄电池组电压、蓄电池组压力、蓄电池组充电电流、充电开关状态等)，这些参数属于自主管理告警参数。

示例3：星载计算机通过特征遥测(供电电压、工作状态等)判断某设备的主机出现故障，自主发送指令关闭主机，开启备机工作，此时，星载计算机记录时间和相关遥测参数(包括：主机供电电压、主机工作状态、星载计算机发送的指令、备机供电电压、备机工作状态等)，这些参数属于自主管理告警参数。

4)指令参数处理方法

指令参数是指反映某一指令是否发生及发生时刻的参数。

星载计算机记录发出的每条指令，指令参数包含：指令发出时间、指令类型、指令发送标识、指令发送地址、指令代号等信息，以准确标识发出的指令。

示例：每条指令记录为7字节，如下：

a.5字节的时间码，记录发出指令的时间；

b.1字节的指令信息，记录指令类型、发送标识和指令终端地址；

c.1字节的指令代号。

5)恒值参数处理方法

恒值参数是指在无操作的情况下恒定不变的参数。

对于恒值参数，在地面测控站无任何操作的情况下，如果发生变化表明有异常情况发生。星载计算机实时监测恒值参数，一旦发生变化记录时间和相应的参数值。

示例：测控分系统的“锁定指示”、“遥控指令状态”等参数在无操作的情况下恒定不变，属于恒值参数。星载计算机每0.5s将采集到的这些参数值与上一次记录的参数值进行比较，如果发生变化则进行存储，如果未发生变化则不作处理，以记录发生变化的时刻和该时刻的参数值。

6)重点监视参数处理方法

重点监视参数是指在某个时段或某种情况下，地面较为关注，需要重点监视的参数。

地面确定需要重点监视的参数后，向航天器发送包含需要重点监视的参数和存储时间间隔的遥控指令，星载计算机根据遥控指令从整星参数中挑选出需要重点监视的参数组成1个参数组，并按照指定的存储时间间隔存储，为地面提供方便获取任何参数在不可观测弧段信息的手段。

示例：有效载荷分系统某台设备出现异常，此时地面需要监视为其供电的主母线电压(属于供配电分系统)、设备壳温(属于热控分系统)和该设备自身的工作状态(属于有效载荷分系统)，即地面需要监视分别属于三个分系统的参数。这种情况下，地面测控站可以向航天器发送遥控指令，选择将主母线电压、设备壳温和该设备自身的工作状态等参数按照4秒/次的时间间隔存储，由于参数数量少，可以保证在下一个可观测弧段将这些数据全部下传地面，为地面分析判断提供支持。

7)科学试验数据处理方法

科学试验数据是指航天器上搭载的用于科学试验的设备所产生的数据。

对于通过遥测通道下传的科学试验数据，完全存储，记录时间和参数信息。

示例：航天器上搭载的空间环境探测设备所获得的高能质子测量数据、辐射剂量测量数据等属于科学试验数据，在不可观测弧段生成的数据完全存储并记录时间。

(3)星载计算机为各类延时遥测数据分别分配不同的存储区进行存储；

延时遥测数据存储流程如图4所示，具体如下：

1)星载计算机为各类延时遥测数据分别分配不同的存储区，存储区的容量满足不可观测弧段延时遥测数据的存储并留有10％的余量；

2)星载计算机按照时间先后顺序分别存储各类延时遥测数据。

(4)星载计算机根据地面测控站发送的遥控指令确定延时遥测下传方法，如图5所示，对延时遥测数据进行存储和下传，当遥控指令为采用地面控制延时遥测下传时，由地面测控站发送遥控指令控制在航天器不可观测弧段存储延时遥测数据，在可观测弧段开始下传延时遥测数据；在任一种下传控制方式下均可对延时遥测数据采取抽取的方法。地面控制方式下需确保自主控制功能为禁止状态。通常在转移轨道段采用地面控制方式，在航天器进入工作轨道稳定运行后采用星载计算机自主控制方式。

a.延时遥测数据地面控制下传

地面测控站可发送遥控指令控制开始存储延时遥测数据和开始下传延时遥测数据。在采用分包遥测或AOS空间数据链路协议的情况下，还可发送遥控指令控制各类延时遥测数据包的下传使能、下传禁止以及可抽取类延时遥测数据包的抽取比例和抽取时间段，提供灵活的下传控制手段。

b.延时遥测数据自主控制下传

每个航天器相对于地面测控站有固定的不可观测弧段和可观测弧段，并按照观测周期循环。地面测控站可向星载计算机注入遥控指令组，该指令组包含一个观测周期内各次不可观测弧段起始时刻、可观测弧段起始时刻、各延时遥测数据包的使能/禁止状态、各可抽取类延时遥测数据包的抽取比例等信息。星载计算机根据指令组的要求在不可观测弧段起始时刻自动开始存储延时遥测数据，在可观测弧段起始时刻自动下传延时遥测数据。星载计算机将指令组内的不可观测弧段起始时刻和可观测弧段起始时刻加上观测周期，即可自动获得下一观测周期的指令组，从而实现延时遥测数据下传控制的自主运行。此外，地面测控站可通过遥控指令对观测周期进行设置。自主运行功能可以被遥控指令使能和禁止，确保可控性。具体步骤概括如下：

(4.1)地面测控站向星载计算机注入遥控指令组，该遥控指令组包含一个观测周期内各次不可观测弧段起始时刻、可观测弧段起始时刻、各延时遥测数据包的使能/禁止状态、各可抽取类延时遥测数据包的抽取比例信息；

(4.2)星载计算机根据遥控指令组的内容，在不可观测弧段起始时刻自动开始存储所有延时遥测数据，在可观测弧段起始时刻自动下传遥控指令组中状态为使能的延时遥测数据包；上述自动下传根据遥控指令组中的可抽取类延时遥测数据包的抽取比例抽取后下传；

(4.3)星载计算机将指令组内的不可观测弧段起始时刻和可观测弧段起始时刻加上观测周期，自动获得下一观测周期的指令组，从而实现延时遥测数据下传控制的自主运行。所述的观测周期可以为星上预先设定的周期，也可以由地面测控站通过遥控指令设置。

示例：某航天器的轨道周期为2天，2011年3月5日进入工作轨道，2011年3月6日0时不可观测，3月6日10时可观测，3月6日13时不可观测，3月6日22时可观测，3月7日9时不可观测，3月7日13时可观测，此后轨道周期内不可观测时间段和可观测时间段与上述相同。地面测控站可以在2011年3月5日发送遥控指令，将上述一个周期内的不可观测时刻和可观测时刻注入星载计算机，设置3月6日10时可观测时各延时遥测数据的下传要求，如：“主母线电压”超过正常工作范围时记录的延时数据(属于关键参数)全部下传，供配电分系统延时数据以5∶1抽取下传、测控分系统延时数据以10∶1抽取下传、数据管理分系统延时数据以10∶1抽取下传、热控分系统延时数据以20∶1抽取下传、控制分系统延时数据以5∶1抽取下传、推进分系统延时数据以5∶1抽取下传、有效载荷分系统延时数据以10∶1抽取下传(这些参数属于普通参数)，自主热控告警数据、自主能源管理告警数据、自主健康管理告警数据(属于自主管理告警参数)全部下传，指令参数全部下传，测控分系统状态变化记录的数据(属于恒值参数)全部下传，重点监视参数全部下传，空间环境探测延时数据(属于科学试验数据)全部下传。同样可设置3月6日22时和3月7日13时可观测时刻各类延时遥测数据的下传要求。普通参数的存储量大，设置其抽取比例时需考虑可观测弧段与前一不可观测弧段的时间比例关系，以保证所有类型延时遥测数据均能下传。

星载计算机预置该航天器的轨道周期为2天，当执行完一个周期内的指令后，自动将不可观测弧段起始时刻和可观测弧段起始时刻分别加上2天，生成下一周期的指令，即2011年3月8日0时不可观测，3月8日10时可观测，3月8日13时不可观测，3月8日22时可观测，3月9日9时不可观测，3月9日13时可观测。如此重复，即可实现航天器延时遥测数据处理和下传的自主运行。

c.延时遥测数据抽取方法

在采用分包遥测或AOS空间数据链路协议的情况下，由于延时遥测数据的采集与下传可以分离，所以可以对遥测参数密集抽取，存储较多的延时遥测数据，而下传时，根据实际需求和可观测弧段的时间，选择合适的抽取比例和抽取时间段对延时遥测数据进行抽取下传。在前述的7类参数中，普通参数具备抽取下传的功能。抽取比例可以灵活设置，每次航天器进入可观测弧段后根据关注程度和关注时间段，对不同的延时遥测按照不同的抽取比例和抽取时间段下传，解决存储数据量大而遥测下传速率和可观测弧段有限的矛盾，保证所关注的延时遥测数据完全下传。

进入可观测弧段后，如果实时遥测表明某分系统工作正常，那么该分系统上一个不可观测弧段延时遥测受关注程度较低，可以按照较大的抽取比例(如20∶1)下传其延时遥测数据，以节省下传时间；如果实时遥测表明该分系统工作异常，那么该分系统上一个不可观测弧段延时遥测受关注程度较高，按照较小的抽取比例(如2∶1)下传其延时遥测数据，并可对重点关注时间段的延时遥测采取1∶1的比例下传，从而获取完整的遥测信息，便于对异常原因的分析定位。

示例：热控分系统参数属于普通参数，参数数量为300个，每个参数占1个字节，在不可观测弧段每32秒存储1组热控分系统延时遥测数据，每组数据带有5字节的航天器时间标识。假设遥测码速率为2000bps，不可观测弧段为10小时，下一个可观测弧段为3小时，实时遥测与延时遥测下传时间分配关系为6∶1。那么可用于下传延时遥测的时间为25.71分钟，热控分系统延时遥测数据量为10×3600/32×(300+5)＝343125字节，热控分系统延时遥测数据全部下传所需时间为：343125×8/2000/60＝22.88分钟，几乎占用了全部的延时遥测数据下传时间，其它分系统的延时遥测数据将无法下传。

为解决存储数据量大而下传时间短的矛盾，通常情况下，对以32秒为间隔存储的热控分系统延时遥测数据以20∶1的比例抽取下传，即下传的每组热控分系统延时遥测数据时间间隔为640秒，此时下传完毕热控分系统延时数据所需时间为22.88分钟/20＝1.14分钟，在整个可用于下传延时遥测数据的时间中占用很小的比例，剩余时间可用于下传其它分系统的延时遥测数据，从而保证各分系统延时遥测数据都能下传。特殊情况下，如果进入可观测弧段后，地面发现热控分系统实时遥测数据异常，则说明在不可观测弧段热控分系统出现异常，此时迫切需要获取异常时刻的遥测数据，地面可以20∶1的比例抽取下传热控分系统延时遥测数据，如果第N组数据正常，第N+1组数据异常，可以确定在N和N+1之间的640秒时间段内发生了异常，640秒的延时遥测数据量为640/32×(300+5)＝6100字节，地面可以发送指令对该时间段内的数据以1∶1的比例下传，下传所需时间为：6100×8/2000/60＝0.41分钟，这样就可以在很短的时间内获取异常时刻的宝贵数据。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种适应参数特征的航天器自主延时遥测方法，其特征在于步骤如下：

(1)根据遥测参数的特征对航天器遥测参数进行分类，共分为关键参数、普通参数、自主管理告警参数、指令参数、恒值参数、重点监视参数、科学试验数据；

(2)对步骤(1)中的各类参数根据参数特性分别进行处理，以优化使用航天器的存储资源和下行信道资源；

(3)星载计算机为各类延时遥测数据分别分配不同的存储区进行存储；

(4)星载计算机根据地面测控站发送的遥控指令确定延时遥测下传方法，对延时遥测数据进行存储和下传，当遥控指令为采用地面控制延时遥测下传时，由地面测控站发送遥控指令控制在航天器不可观测弧段存储延时遥测数据，在可观测弧段开始下传延时遥测数据；当遥控指令为采用星载计算机自主控制下传时，步骤如下：

(4.1)地面测控站向星载计算机注入遥控指令组，该遥控指令组包含一个观测周期内各次不可观测弧段起始时刻、可观测弧段起始时刻、各延时遥测数据包的使能/禁止状态、各可抽取类延时遥测数据包的抽取比例信息；

(4.2)星载计算机根据遥控指令组的内容，在不可观测弧段起始时刻自动开始存储所有延时遥测数据，在可观测弧段起始时刻自动下传遥控指令组中状态为使能的延时遥测数据包；上述自动下传根据遥控指令组中的可抽取类延时遥测数据包的抽取比例抽取后下传；

(4.3)星载计算机将指令组内的不可观测弧段起始时刻和可观测弧段起始时刻加上观测周期，自动获得下一观测周期的指令组，从而实现延时遥测数据下传控制的自主运行。

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