CN102789519A - 卫星控制系统部件的重要度确定方法 - Google Patents

Abstract

卫星控制系统部件的重要度确定方法，(1)构建卫星控制系统功能树，功能树的不同层次之间根据卫星控制系统的功能实现方式采用与门或或门进行连接；(2)根据功能树不同层次间的与或关系，采用下行法或者上行法确定功能树的割集族C，所述割集族中的元素为割集，割集为实现卫星控制系统功能的部件集合；(3)将步骤(2)中确定的割集族C进行吸收处理，得到功能树的最小割集族C_min，最小割集族C_min中的元素为最小割集c_min，最小割集c_min为实现卫星控制系统功能所需的最少部件的集合；(4)确定功能树中的每个部件的重要度。本发明克服FMEA技术只能给出单点故障的不足，能够为卫星的可靠性和可重构性设计提供依据。

Description

卫星控制系统部件的重要度确定方法

技术领域

本发明属航空航天领域，涉及一种基于功能树最小割集分析的卫星部件重要度计算方法。

背景技术

随着科技发展，卫星已在国防军事、通信、气象等各个领域发挥着不可替代的作用。为了确保卫星在轨安全与运行质量需要对重要部件进行识别，通过对重要部件加强可靠性设计、硬件冗余或功能冗余设计，从而保证尽可能地减小重要部件的在轨故障率，或使其一旦发生故障后能够实现切换或系统重构，将故障影响降至最低。

目前，在卫星研制过程中，主要依靠FMEA和设计人员的经验来确定部件的重要程度。上述方法一般只能给出单点故障，而不能对部件的重要性进行定量分析，由此得到的识别结果也存在较大的不确定性和随意性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服FMEA技术只能给出单点故障的不足，提供了一种卫星部件重要度的定量分析方法，从而为卫星的可靠性和可重构性设计提供依据。

本发明的技术解决方案是：卫星控制系统部件的重要度确定方法，步骤如下：

(1)构建卫星控制系统功能树，功能树的树根为卫星控制系统的总功能，总功能包括姿态控制、轨道控制、帆板控制三个功能，每个功能分为测量功能、控制器和执行机构三个子功能，子功能作为功能树的树干，实现子功能的部件作为功能树的树叶，功能树的不同层次之间根据卫星控制系统的功能实现方式采用与门或或门进行连接；

(2)根据功能树不同层次间的与或关系，采用下行法或者上行法确定功能树的割集族C，所述割集族C中的元素为割集，割集为实现卫星控制系统功能的部件集合；

(3)将步骤(2)中确定的割集族C进行吸收处理，得到功能树的最小割集族C_min；最小割集族C_min中的元素为最小割集c_min，最小割集c_min为实现卫星控制系统功能所需的最少部件的集合。所述的吸收处理为：

(3.1)选取割集族C中包含部件最少的割集c_min，并将c_min放入最小割集族C_min，判断其余割集中是否包含c_min中的所有部件，若包含所有部件，则从割集族C中剔除包含c_min所有部件的割集，若不包含，转步骤(3.2)；

(3.2)在割集族C中重新选取包含部件最少的割集c_min，从步骤(3.1)循环执行，直至割集族C变为空集；

(4)确定功能树中的每个部件的重要度，即

$I_M=\frac{N_M}{N_T}$

其中，I_M表示部件M的重要度，N_M表示该功能树的最小割集族C_min中包含部件M的最小割集的个数，N_T表示最小割集族中所有最小割集的个数。

所述步骤(2)中下行法确定功能树的割集族C步骤如下：

从系统的总功能开始，顺次将上层功能置换为下层子功能，遇到与门，将与门的输入横向写出，遇到或门则将或门的输入竖向串列写出，直到全部门都置换到最低层的部件为止。这样得到每个分支的部件集合为功能树的一个割集，所有割集组成的集合为功能树的割集族C。

所述步骤(2)中上行法确定功能树的割集族C步骤如下：

(2.1)确定功能树中最底层的每个子功能的割集，即如果子功能通过与门实现，则与门输入端的所有部件的集合为子功能的割集；如果子功能通过或门实现，则或门输入端的每个部件均为子功能的一个割集。

(2.2)利用功能树中上下层子功能之间的与门和或门关系确定上层子功能的割集。

对于或门的情况，上层子功能的割集族为或门所有输入端的子功能的割集组成的集合，即：

其中n为或门的输入端个数。

对于与门的情况，上层子功能的割集族为与门每个输入端子功能的任一割集相并组成的割集集合，即：

其中

为下层子功能i的第j个割集，

为与门输入端子功能1的第j₁个割集、子功能2的第.j₂个割集、...、子功能n的第j_n个割集相并组成的上层子功能的割集。n₁为下层子功能1的割集个数，n₂为下层子功能2的割集个数，n_n为下层子功能n的割集个数。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)目前，在卫星设计中主要依靠FMEA和设计师经验确定部件的重要程度。FMEA方法一般只能给出单点故障，而仅凭设计师经验得到的识别结果往往存在较大的不确定性和随意性。本发明通过将系统功能逐层分解形成功能树，利用功能树的最小割集给了部件重要程度的度量方法，并采用部件重要度I_M实现了定量评价。在卫星控制系统设计中，针对重要度高的部件需要增加硬件冗余或解析冗余，对于重要度低的部件，可以减少冗余备份，从而尽可能地减少系统重量和功耗。本发明不仅能够确定存在单点故障的部件，而且能够针对非单点情况为卫星控制系统设计提供依据。

(2)卫星控制系统实现的功能多，包含的部件多种多样，因此卫星控制系统的功能树往往比较复杂。本发明针对卫星控制系统的功能树，提出了求解其割集的下行法和上行法。两种方法各具特点：下行法简单易懂，适用于人工分析，可用于中小规模的功能树；上行法利用集合理论，适用于计算机编程实现，可以用于分析大规模的功能树。

(3)本发明提出的功能树易于构建，部件重要度指标物理意义明确，整个计算过程容易通过计算机编程实现，适用于工程设计。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为逻辑与门示意图；

图3为逻辑或门示意图；

图4为本发明姿态控制功能树示意图；

图5为本发明姿态测量功能树示意图；

图6为本发明姿态测量功能树割集分析示意图。

具体实施方式

图1为本发明方法的流程框图。本发明的步骤为：从卫星控制系统功能角度建立卫星控制系统的功能树；(2)针对步骤(1)建立的功能树，采用下行法或者上行法确定功能树的割集族C；(3)将步骤(2)中确定的割集族C进行简化吸收，得到功能树的最小割集族C_min；(4)根据步骤(3)得到的最小割集族C_min，确定计算部件的重要度，确定系统中的重要部件。

一、步骤(1)的实施方式：

构建卫星控制系统功能树，功能树的树根为卫星控制系统的总功能，总功能包括姿态控制、轨道控制、帆板控制三个功能，每个功能分为测量功能、控制器和执行机构三个子功能，每个子功能可根据不同实现方式进一步划分为下层子功能，子功能作为功能树的树干，实现子功能的部件作为功能树的树叶，功能树的不同层次之间根据卫星控制系统的功能实现方式采用与门或或门进行连接；

卫星控制系统功能树的具体构建步骤如下：

①针对待分析的问题，选择功能树的总功能(树根)。在对卫星控制系统的所有功能进行分析时，功能树的树根为系统总功能，包括姿态控制、轨道控制、帆板控制三个功能。在对卫星控制系统的部分功能进行分析时，功能树的树根为待分析的功能，例如，若分析控制系统的姿态控制功能的重构能力，则以姿态控制功能作为总功能。

②对总功能逐层分解，确定功能树的树干(子功能)。卫星控制系统的总功能包括姿态控制、轨道控制、帆板控制三个功能，每个功能分为测量功能、控制器和执行机构三个子功能，每个子功能可根据不同实现方式进一步划分为下层子功能，子功能作为功能树的树干。

③根据可重构性分析的最低层次，确定功能树的树叶(部件或功能模块)。如果最低研究层次为部件，则步骤②的最底层子功能划分到部件功能级别，根据最底层子功能分析实现子功能所需的部件，将其作为功能树的树叶。如果最低研究层次为功能模块，则步骤②的最底层子功能划分到模块功能级别，根据最底层子功能分析实现子功能所需的模块，将其作为功能树的树叶。

不同层次的功能树之间通过与门或或门进行连接：

①逻辑与门，如图2所示。设子功能为xi，上一层功能为Y，则所有子功能xi实现时，功能Y才实现，数学表达式为：

Y＝x₁∩x₂∩…∩x_n    (1)

②逻辑或门，如同3所示。设子功能为xi，上一层功能为Y，则任一子功能xi实现时，功能Y就能够实现，数学表达式为：

Y＝x₁∪x₂∪…∪x_n    (2)

功能树中的事件符号包括两类：

①矩形符号“□”表示功能树的总功能、子功能和部件(或功能模块)，在矩形框内标以功能的意义。

②三角形符号“△”表示功能的转移。在功能树构建中经常遇到功能完全相同或者同一个功能在不同位置出现，为了减少重复工作并简化树的内容，用该符号进行转移。在三角形内加上标号以示从某处转入某处。

二、步骤(2)的实施方式：

根据功能树不同层次间的与或关系，采用下行法或者上行法确定功能树的割集族C，所述割集族C中的元素为割集，割集为实现卫星控制系统功能的部件集合。

上述下行法确定功能树的割集族C步骤如下：

从系统的总功能开始，顺次将上层功能置换为下层子功能，遇到与门，将与门的输入横向写出，遇到或门则将或门的输入竖向串列写出，直到全部门都置换到最低层的部件为止。这样得到每个分支的部件集合为功能树的一个割集，所有割集组成的集合为功能树的割集族C。

上行法确定功能树的割集族C步骤如下：

(1)确定功能树中最底层的每个子功能的割集，即如果子功能通过与门实现，则与门输入端的所有部件的集合为子功能的割集；如果子功能通过或门实现，则或门输入端的每个部件均为子功能的一个割集。

(2)利用功能树中上下层子功能之间的与门和或门关系确定上层子功能的割集。

对于或门的情况，上层子功能的割集族为或门所有输入端的子功能的割集组成的集合，即：

其中n为或门的输入端个数。

对于与门的情况，上层子功能的割集族为与门每个输入端子功能的任一割集相并组成的割集集合，即：

其中为下层子功能i的第j个割集，为与门输入端子功能1的第j₁个割集、子功能2的第j₂个割集、...、子功能n的第j_n个割集相并组成的上层子功能的割集。n₁为下层子功能1的割集个数，n₂为下层子功能2的割集个数，n_n为下层子功能n的割集个数。

三、步骤(3)的实施方式：

将步骤(2)中确定的割集族C进行吸收处理，得到功能树的最小割集族C_min；最小割集族C_min中的元素为最小割集c_min，最小割集c_min为实现卫星控制系统功能所需的最少部件的集合；

①选取割集族C中包含部件最少的割集c_min，并将c_min放入最小割集族C_min，判断其余割集中是否包含c_min中的所有部件，若包含所有部件，则从割集族C中剔除包含c_min所有部件的割集，若不包含，转步骤②；

②在割集族C中重新选取包含部件最少的割集c_min，从步骤(3.1)循环执行，直至割集族C变为空集；

四、步骤(4)的实施方式：

部件(或功能模块)的重要度是指在所有最小割集中，某部件(或功能模块)功能失效将导致最小割集失效的个数占所有最小割集的比例，可用于描述为实现某一功能该部件(或功能模块)所起的重要程度，可利用下式进行计算：

$I_M=\frac{N_M}{N_T}---\left(\text{5}\right)$

其中，I_M表示部件(或功能模块)M的重要度，N_M表示该功能树的最小割集中包含部件(或功能模块)M的个数，N_T表示该功能树的所有最小割集的个数。

确定部件的重要度后，从两个方面指导卫星控制系统设计：(1)如果存在重要度为1的部件，说明该部件为系统的单点，该部件失效则系统失效，对于这种情况需尽可能的对部件进行硬件冗余或解析冗余设计，如果无法进行硬件冗余或解析冗余设计，则必须将该部件作为关键部件，在设计生成过程中进行严格质量管理。(2)针对重要度较高的部件，需要根据其功能进行硬件冗余或解析冗余设计；对于重要度低的部件，可以减少冗余备份，从而尽可能地减少系统重量和功耗。

实施例

以典型高轨卫星在轨采用喷气控制时的姿态控制功能为例，对本发明进行详细说明。在工程实际中，卫星控制系统组成多种多样，因此功能树也比较复杂，为了说明具体实施方式简单，此处对卫星控制系统的组成进行了简化，组成如下：

①2路地球敏感器(ES主和ES备)：正常情况下一个ES工作，另一个冷备份，如果需要也可两个ES同时工作。

②4路太阳敏感器(SS)：包括俯仰SS主、滚动SS主、俯仰SS备、滚动SS备。俯仰SS主和俯仰SS备互为主备份，滚动SS主和滚动SS备互为主备份。

③推进系统：推进系统包括多个10N推理器，为了说明方便，此处未展开分析各个推理器的功能，而是把推进系统作为一个整体进行处理。

④姿态与轨道控制计算机(AOCC)：采用两个计算机(OBC-A，OBC-B)冷备份的方式进行控制。

基于上述组成，卫星主要功能为姿态控制，因此所建功能树的树根为“姿态控制功能”。

(1)步骤一：构建卫星控制系统功能树；

基于上述组成，卫星总功能为姿态控制，确定功能树的树根为“姿态控制功能”，总功能可分为3个子功能(树干)，分别为“姿态测量功能”、“10N发动机执行功能”和“控制器功能”。其中，“姿态测量功能”可通过以下两种方式实现：

①地球敏感器测量滚动、俯仰角，偏航角由偏航观测器估计；

②地球敏感器测量滚动、俯仰角，偏航角由太阳敏感器(简称太敏)测量；因此，进一步将“姿态测量功能”细分为“地敏+观测器方式测量”和“地敏+太敏方式测量”，依此类推，可得到可重构性分析的最低层次(树叶)：“ES主”、“俯仰SS主”、“滚动SS主”、“俯仰SS备”、“滚动SS备”。

“控制器功能”可通过以下两种方式实现：

①A机(OBC-A)控制；

②B机(OBC-B)控制；

因此，“控制器功能”与“OBC-A”和“OBC-B”通过或门连接。

对于“10N发动机执行”功能，为了分析简单，将推进系统作为一个整体进行处理，未对其进一步分解。

依据步骤一的建树步骤和符号，可建立姿态控制功能的功能树如图4、5所示：

(2)步骤二：针对步骤(1)建立的功能树，采用下行法或者上行法确定功能树的割集族C。

首先利用下行法对图5给出的“姿态测量”T功能树进行分析，由功能“姿态测量”T遇到或门，置换为M1和M2；M1置换为“ES主”和“ES备”，M2置换为M3M4，以此类推，由图5得到图6，得到该功能树的割集族为：C(姿态测量T)＝{{ES主}；{ES备}；{ES主，滚动SS主，俯仰SS主}；{ES主，滚动SS主，俯仰SS备}；{ES主，滚动SS备，俯仰SS主}；{ES主，滚动SS备，俯仰SS备}；{ES备，滚动SS主，俯仰SS主}；{ES备，滚动SS主，俯仰SS备}；{ES备，滚动SS备，俯仰SS主}；{ES备，滚动SS备，俯仰SS备}}

                                                            (6)

同理，针对图4中的“10N发动机执行功能”和“控制器功能”，可得各子功能的割集族为

C(10N发动机执行A)＝{{10N发动机执行A}}                        (7)

C(控制器C)＝{{0BC-A}，{OBC-B}}                               (8)

由于“姿态测量功能”、“10N发动机执行功能”和“控制器功能”三个子功能相与，因此根据式(4)，可得姿态控制功能的路集为

C(姿态控制)＝{

{ES主，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES备，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES主，滚动SS主，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES主，滚动SS主，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES主，滚动SS备，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES主，滚动SS备，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES备，滚动SS主，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES备，滚动SS主，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES备，滚动SS备，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES备，滚动SS备，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-A}；

{ES主，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES备，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES主，滚动SS主，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES主，滚动SS主，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES主，滚动SS备，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES主，滚动SS备，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES备，滚动SS主，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES备，滚动SS主，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES备，滚动SS备，俯仰SS主，10N发动机执行A，OBC-B}；

{ES备，滚动SS备，俯仰SS备，10N发动机执行A，OBC-B}}

                                                  (9)

(3)步骤三：将步骤(2)中确定的割集族C进行简化吸收，得到功能树的最小割集族C_min；

根据对割集族C进行简化吸收的步骤对C(姿态控制)进行处理，可得最小路集族C_min为：

C_min(姿态测量T)＝{{ES主，10N发动机执行A，OBC-A}，

{ES备，10N发动机执行A，OBC-A}，

{ES主，10N发动机执行A，OBC-B}，

{ES备，10N发动机执行A，OBC-B}}                        (10)

(4)步骤四：根据步骤(3)得到的最小割集族，确定计算部件的重要度，确定系统中的重要部件。

图4给出的功能树的最小割集如式(10)所示，当“ES主”失效时，将导致最小割集{ES主，10N发动机执行A，OBC-A}和{ES主，10N发动机执行A，OBC-B}失效，因此“ES主”的重要度为

I_ES主＝2/4＝0.5                                            (11)

当“ES备”失效时，将导致最小割集{ES备，10N发动机执行A，OBC-A}和{ES备，10N发动机执行A，OBC-B}失效，因此“ES备”的重要度为

I_ES备＝2/4＝0.5                                            (12)

同理，“0BC-A”和“0BC-B”的重要度为

I_OBC-A＝I_OBC-B＝2/4＝0.5                                   (13)

当“10N发动机执行A”失效时，将导致所有最小割集失效，因此“10N发动机执行A”的重要度为

I_{10N发动机执行A}＝4/4＝1                                    (14)

针对图4给出姿态控制功能，在不考虑严酷度、失效概率、功能重要性等其他影响因素的情况，最重要的为“10N发动机执行A”，该功能失效将导致总功能失效，因此在系统设计时必须加强该部分的重构能力。

由上述具体实施方式可以看出，本发明通过将系统功能逐层分解形成功能树，利用功能树的最小割集给出了部件重要程度的度量方法，从而解决了目前在对卫星控制系统进行设计时存在的FMEA技术只能分析单点故障、凭借设计师经验得到的识别结果存在较大不确定性和随意性的问题，为系统设计中的部件配置提供了系统、合理的确定方法，从而指导卫星控制系统的技术设计。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.卫星控制系统部件的重要度确定方法，其特征在于步骤如下：

(1)构建卫星控制系统功能树，功能树的树根为卫星控制系统的总功能，总功能包括姿态控制、轨道控制、帆板控制三个功能，每个功能分为测量功能、控制器和执行机构三个子功能，子功能作为功能树的树干，实现子功能的部件作为功能树的树叶，功能树的不同层次之间根据卫星控制系统的功能实现方式采用与门或或门进行连接；

(2)根据功能树不同层次间的与或关系，采用下行法或者上行法确定功能树的割集族C，所述割集族C中的元素为割集，割集为实现卫星控制系统功能的部件集合；

(3)将步骤(2)中确定的割集族C进行吸收处理，得到功能树的最小割集族C_min；最小割集族C_min中的元素为最小割集c_min，最小割集c_min为实现卫星控制系统功能所需的最少部件的集合；所述的吸收处理为：

(3.1)选取割集族C中包含部件最少的割集c_min，并将c_min放入最小割集族C_min，判断其余割集中是否包含c_min中的所有部件，若包含所有部件，则从割集族C中剔除包含c_min所有部件的割集，若不包含，转步骤(3.2)；

(3.2)在割集族C中重新选取包含部件最少的割集c_min，从步骤(3.1)循环执行，直至割集族C变为空集；

(4)确定功能树中的每个部件的重要度，即

$I_M=\frac{N_M}{N_T}$

其中，I_M表示部件M的重要度，N_M表示该功能树的最小割集族C_min中包含部件M的最小割集的个数，N_T表示最小割集族中所有最小割集的个数。

2.根据权利要求1所述的卫星控制系统部件的重要度确定方法，其特征在于所述步骤(2)中下行法确定功能树的割集族C步骤如下：

从系统的总功能开始，顺次将上层功能置换为下层子功能，遇到与门，将与门的输入横向写出，遇到或门则将或门的输入竖向串列写出，直到全部门都置换到最低层的部件为止。这样得到每个分支的部件集合为功能树的一个割集，所有割集组成的集合为功能树的割集族C。

3.根据权利要求1所述的卫星控制系统部件的重要度确定方法，其特征在于所述步骤(2)中上行法确定功能树的割集族C步骤如下：

(2.1)确定功能树中最底层的每个子功能的割集，即如果子功能通过与门实现，则与门输入端的所有部件的集合为子功能的割集；如果子功能通过或门实现，则或门输入端的每个部件均为子功能的一个割集。

(2.2)利用功能树中上下层子功能之间的与门和或门关系确定上层子功能的割集。

对于或门的情况，上层子功能的割集族为或门所有输入端的子功能的割集组成的集合，即：

其中n为或门的输入端个数。

对于与门的情况，上层子功能的割集族为与门每个输入端子功能的任一割集相并组成的割集集合，即：

其中

为下层子功能i的第j个割集，

为与门输入端子功能1的第j₁个割集、子功能2的第j₂个割集、...、子功能n的第j_n个割集相并组成的上层子功能的割集。n₁为下层子功能1的割集个数，n₂为下层子功能2的割集个数，n_n为下层子功能n的割集个数。

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