CN103017789B - 一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，首先按照真实的红外地球敏感器进行功能模块划分，对每一功能模块的正常运行过程进行建模，在正常运行模型的基础上根据故障模式分析结果，叠加非线性函数和相应开关，模拟各种故障表现，把每个功能模块的故障模型串联即可得到摆动式红外地球敏感器的整机的故障模拟器。故障模拟器可以根据需要，输入故障置参数模拟各种故障，在卫星控制系统方案设计、数学仿真及分系统试验中可以应用，检验卫星控制系统故障诊断、故障重构设计及实现的正确性。

Description

一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法

技术领域

本发明涉及一种摆动式红外地球敏感器的模拟器，可应用于航天器控制系统各种试验中，也可以应用在控制分系统桌面联试、数学仿真、软件测试以及卫星模拟器中。

背景技术

摆动式红外地球敏感器以其优良的性能在地球同步轨道三轴稳定卫星上有很广泛的应用。我国已研制的地球同步轨道卫星测试中所使用的红外地球敏感器模拟器中，基本上直接使用姿态数据构造红外地球敏感器的输出，这种方法可以满足系统测试和数学仿真的使用，但其未能完全反应红外地球敏感器的物理特性。

摆动式数字地球敏感器研制成功后，已广泛地应用于我国新一代同步轨道通信卫星。其EP逻辑、测量输出与探头禁止状态及受日月干扰情况有关。摆动式数字地球敏感器在卫星本体中安装位置一定的情况下，对于不同的轨道位置、姿态大小、探头禁止状态、日月干扰状态其输出不同。因此研制与实际部件物理特性、输入输出接口完全一致的模型，对于保证控制系统测试、仿真的正确性非常重要。

目前尚未发现有关摆动式数字地球敏感器故障模拟方面的公开资料。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，根据摆动扫描式红外地球敏感器的物理特性，基于功能划分进行模块故障建模，建立功能完善的覆盖正常工作状态和故障状态的动扫描式红外地球敏感器的模拟器，可以在卫星控制系统测试、数学仿真和卫星模拟器中使用，验证卫星控制系统的故障处理设计和在轨故障应急预案的正确性。

本发明的技术解决方案是：一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，采用二次电源、复合视场地球探头、四路模拟通道、扫描轴系及驱动电路、扫描角读出电路、俯仰和滚动角逻辑计算单元、接口电路七个功能模块分别进行模拟，每一个功能模块均采用正常和故障两种情况分别进行模拟，

对于二次电源：采用一个标志位β11表示二次电源的外部一次电压输入情况，采用四个标志位Power32、Power15、Power5、Power11p5分别表示二次电源输出的32V、15V、5V和11.5V电压情况，当相应标志位为逻辑1时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压正常，当相应标志位为逻辑0时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压故障；

对于复合视场地球探头：正常情况下，若cos^-1(BoVec[2])＜α，则探测器输出0.14mV，否则探测器输出0mV，探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到复合视场地球探头的输出，其中地球半张角α＝sin^-1(6400/DisFromECenToSat)，DisFromECenToSat为探测器的高度， 为探测器的方向余弦阵的转置，BoVec[2]为探测器在轨道坐标系Z轴上的投影，BbVec为探测器在地球敏感器坐标系中的坐标；故障情况下，通过在复合视场地球探头正常输出上叠加噪声发生函数模拟输出异常，通过将复合视场地球探头输出置0模拟无输出；

对于四路模拟通道：正常情况下，以探测器电平为输入信号，依次经过时间常数1s的微分200倍预放大环节、时间常数为470ms的微分5倍放大环节、时间常数为3.3ms的实际微分25倍放大环节得到四路探测器输出的微分信号，所述微分信号经过充电时间常数为2.2ms的滤波环节得到地弦信号EC，所述微分信号经过放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC的非信号N_EC，所述微分信号经过整形处理得到穿越脉冲信号S/E、E/S信号；故障情况下，地弦信号EC及地弦信号非信号N_EC通过置1操作或者置0操作模拟有无输出，穿越脉冲信号S/E和E/S通过叠加噪声发生函数或者置0操作模拟异常或者无输出；

对于扫描轴系及驱动电路：正常情况下，由正弦振荡器产生驱动信号，驱动信号叠加扫描角读出电路的输出信号后依次通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号，由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以驱动信号的频率沿俯仰轴方向扫描，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化；故障情况下，通过叠加反映扫描速度的脉冲噪声发生函数或者置0操作模拟扫描轴速度异常或无扫描；

对于扫描角读出电路：正常情况下，利用两路光敏三极管敏感透过光栅速度反馈电路中光栅的发光信号，根据光栅的图案配置得到两路不同的时序信号，通过这两路时序信号得到扫描方向、基准脉冲以及光栅摆动速度输出；在故障情况下，通过置1操作或者置0操作模拟扫描方向、基准脉冲及光栅摆动速度测量有无输出，通过设置乘积参数设置输出的转动角度输出脉冲为多脉冲、少脉冲或无脉冲输出；

对于俯仰和滚动角逻辑计算单元：正常情况下，根据探头宽窄扫、探头禁止信号、地弦信号、方向信号、基准方波信号及穿越脉冲，求出四路探测器的弦宽信号，由探头宽窄扫标志和地弦信号求出EP电平输出；根据EP电平信号、探头宽窄扫标志和四路弦宽信号确定出地球敏感器姿态输出；故障情况下可以采用叠加噪声函数以及置0操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出；

对于接口电路：正常情况下，接口电路接收外部指令，送给俯仰和滚动角逻辑计算单元；接收遥测数据时钟，根据俯仰和滚动角逻辑计算单元计算给出的姿态信息以及EP信号，通过驱动电路将姿态角、EP信号以及自身的探头禁止信息送给外部；故障情况下，通过叠加噪声函数以及置0操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出，模拟探头禁止信号及宽窄扫输出不稳或无输出。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法按照真实的红外地球敏感器进行功能模块划分，对每一功能模块的正常运行过程进行建模，在正常运行模型的基础上根据故障模式分析结果，叠加非线性函数和相应开关，模拟各种故障表现，把每个功能模块的故障模型串联即可得到摆动式红外地球敏感器的整机的故障模拟器。采用本发明方法得到的红外地球敏感器模拟器可以涵盖已有的正常工作的各种模型，同时对于各种故障模式进行了理论建模，可以百分百覆盖已知故障，在验证卫星控制系统故障处理设计的正确性和在轨飞控预案处理的正确性方面，可以发挥重要作用。

附图说明

图1为GEO摆动式红外地球敏感器基于功能的模拟模块划分图；

图2为GEO摆动式红外地球敏感器的信息流图；

图3为GEO摆动式红外地球敏感器的二次电源模块对外接口关系及信息流图；

图4为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头模块对外接口关系及信息流图；

图5为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道电路模块对外接口关系及信息流图；

图6为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路模块对外接口关系及信息流图；

图7为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描角读出电路模块对外接口关系及信息流图；

图8为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图；

图9为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图；

图10为GEO摆动式红外地球敏感器的二次电源模块模拟图；

图11为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头正常模拟图；

图12为GEO摆动式红外地球敏感器的复合视场地球探头故障模拟图；

图13为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道模块正常模拟图；

图14为GEO摆动式红外地球敏感器的四路模拟通道模块故障模拟图；

图15为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路正常模拟图；

图16为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描轴系及驱动电路故障模拟图；

图17为GEO摆动式红外地球敏感器的扫描角读出电路故障模拟图；

图18为GEO摆动式红外地球敏感器的滚动和俯仰逻辑处理单元故障模拟图；

图19为GEO摆动式红外地球敏感器的接口电路故障模拟图；

图20为GEO摆动式红外地球敏感器的模拟图。

具体实施方式

本发明方法针对某一体式摆动红外地球敏感器的故障模式，基于功能对该产品进行了模块划分，分析了该类型产品所有的输入信号，输出信号，分析了各个模块的输入、输出信息流，建立了模块级故障对其它各模块的功能影响及对整个产品输出测点的影响。由此针对每一个功能模块进行了故障建模，根据其工作原理，形成了这类敏感器的故障模拟器，故障模拟器对于控制系统设计仿真，验证设计的正确性具有重要的作用。

本发明方法的思路是，首先只考虑摆动式红外地球敏感器的工作原理，根据外部的输入，得到该部件的理论信号输出，建立基于物理原理的数学模型。其次，对每一个功能模块进行输入输出建模，再通过附加增益模块和非线性模块对正常模型进行故障模型叠加，得到每一个模块的故障模型。最后，根据各个模块的输入输出相互影响，把数学模型、各模块故障模型有机综合，得到完整的部件故障模拟器。

一、基于功能进行模拟功能模块划分

GEO红外地球敏感器为光、机、电一体化结构。整个敏感器主要由以下几个部分组成：

复合视场地球探头(含偏置电源)

四路模拟通道

扫描轴系及驱动电路

扫描角读出装置

俯仰和滚动逻辑计算单元

命令和数据接口电路

二次电源

据此，可以把GEO红外地球敏感器分为如图1所示的7个功能模拟模块。在图1的基础上，对各个模块进行信息流分析，可以得到如图2所示的GEO红外地球敏感器信息流向图。

在图2的基础上，结合各个模块的对内对外接口情况，可以得到各功能模块详细的信息流图分别如图3～图9所示，其中图3为二次电源模块的对外接口关系及信息流图，图4为复合视场地球探头模块对外接口关系及信息流图，图5为四路模拟通道电路模块对外接口关系及信息流图，图6为扫描轴系及驱动电路模块对外接口关系及信息流图，图7为扫描角读出电路模块对外接口关系及信息流图，图8为滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图，图9为滚动和俯仰逻辑处理单元模块对外接口关系及信息流图。

二、对每个功能模块进行故障建模

针对所有模块，分析其故障对该模块输出的影响，进而分析对整机输出的影响，采用加入增益模块，非线性模块，模拟各种故障形式，这些故障设置可以作为模型输入信号进行设置，达到根据需要模拟各种故障的应用要求。

根据故障模式分析建立各个模块故障模型：

1、二次电源模块

二次电源正常模型为：SecondPowerSim()；

二次电源正常模型接收一次电源输入和指令，输出各个模块电源的电压值，在正常建模中用不同的标志是0或1表示各类电压是否输出正常，用如下逻辑表示。

若指令加电

则Power32＝1；Power15＝1；Power5＝1；Power11p5＝1；

否则Power32＝0；Power15＝0；Power5＝0；Power11p5＝0；

建立故障模型ESecondPowerSim()如图10所示，其中：

β11表示一次电源故障选择标志，若一次电源无输入，β11＝0，否则为1；

β12为±32V是否有输出，若无输出可设β12＝0，否则设为1；

β13为±15V是否有输出，若无输出可设β13＝0，否则设为1；

β14为+5V是否有输出，若无输出可设β14＝0，否则设为1；

β15为±11.5V是否有输出，若无输出可设β15＝0，否则设为1；

2、复合视场地球探头

复合视场地球探头的正常模型为：BolometerSim()

如图11所示，正常模型中第一个方块的探测器电平信号输出可以计算得到，如下所述：

输入：探测器在地球敏感器坐标系中的坐标BbVec[3](等价于扫描角度)，高度信息DisfromECenToSat，方向余弦阵Cbo[3][3]；

红外地球敏感器含有四个探测器，定义红外地球敏感器坐标与卫星本体坐标系三个轴重合，实际在轨也是这样安装的，每个探测器在地敏坐标系中是摆动的，摆动的规律是已知的，探测器在卫星本体系中的坐标为BoVec(时刻在变，100ms扫描一个周期)，三个元素分别为(BoVec[0]，BoVec[1]，BoVec[2])；

则 $\mathrm{BoVec}=C_{\mathrm{bo}}^T*\mathrm{BbVec},$ 上标T表示转置；

地球半张角α＝sin^-1(6400/DisFromECenToSat)

若cos^-1(BoVec[2])＜α，则探测器输出0.14mV，否则探测器输出0mV。

探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到真正的探测器输出。

上述计算中，用到了轨道坐标系、本体坐标系及地球敏感器坐标系，地球敏感器坐标系与卫星本体坐标系三轴一致，原点在卫星质心，沿卫星东面为X轴，沿对地面方向为Z轴，Y轴可由右手螺旋法则得到。轨道坐标系原点在卫星质心，沿轨道前进方向为x轴，指向地心方向为z轴，y轴沿轨道面负方向，本体坐标系相对于轨道坐标系的方向余弦阵为C_bo。

根据故障模式分析建立故障模型EBolometerSim()如图12所示，其中：

β21表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β21＝0，否则为1；

β22表示探测器电平输出选择，如果无输出置0，若正常则置1；

β23表示外加噪声选择，若选择β23＝1，则噪声发生函数G1(t)叠加给探测器输出，若选择β23＝0，噪声函数不起作用。

3、四路模拟通道

四路模拟通道模块的正常模型为：FourAnalogSim()

如图13所示，正常模型中，以探测器电平为输入信号，经过时间常数1s的微分200倍预放大环节，再经过时间常数为470ms的微分5倍(实际电路可调)放大环节，由于地球波频率高于10Hz，因此前述环节的微分效应明显，主要是放大倍数起作用，最后经过时间常数为3.3ms的实际微分25倍放大得到四路探测器输出的微分信号，该环节真正实现了地球波的微分；微分信号分别经过充电时间常数为2.2ms，放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC及N EC(EC的非信号)，通过整形处理得到S/E、E/S信号，这几路信号送给滚动、俯仰逻辑处理单元进行处理计算。

根据故障模式分析建立故障模型EFourAnalogSim()如图14所示，其中，

β31表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β31＝0，否则为1；

β32表示地弦电平输出选择，如果无输出置0，若正常则置1；

β33表示有无地/空穿越脉冲信号；如果无脉冲输出置0，否则置1；

β34表示是否有地/空穿越信号多脉冲产生，G1(t)为多脉冲产生函数，该函数由随机噪声函数发生器产生；

β35表示有无空/地穿越脉冲信号；如果无输出置0，否则置1；

β36表示是否有空/地穿越信号多脉冲产生，G2(t)为多脉冲产生函数，该函数由随机噪声函数发生器产生。

4、扫描轴系及驱动电路

扫描轴系及驱动电路的正常模型为：ScanMotorSim()

如图15所示，正常模型中，由10Hz正弦振荡器产生驱动信号，通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号。由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以10Hz的扫描频率沿俯仰轴方向扫描。根据窄、宽扫描状态，扫描幅度分别为土6°和土11°。扫描轴系带动光栅转动，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化。图15中，各参数如下：

K_e是反电势系数，大小为0.058v/(rad/s)；

τ_j是电机系统机电时间常数，

I_s：电机转子转动惯量，I_s＝2.9×10^-6kg·m²；

R_a：定子绕组电阻，R_a＝65Ω；

K_m：电机力矩系数，K_m＝0.058Nm/A

K_f：设计的角速度反馈系数

C_t：角速度与脉冲速度的转换系数

ω_sen：是从扫描角读出电路模块得到的转速测量信号；

u_a：是本模块正弦振荡电路产生的正弦波，相当于指令转速；

模型中由于电磁时间常数远小于机电时间常数，忽略不计。

根据故障模式分析建立故障模型EScanMotorSim()如图16所示，其中，

β41表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β41＝0，否则为1；

β42表示扫描角速度输出选择，如果无输出置0，若正常则置1；

β43表示扫描速度是否正常，若正常，β43＝0，否则β43＝1。g41(t)扫描速度叠加函数，可以利用该函数设置扫描速度故障变化规律；

5、扫描角读出电路

扫描角读出电路的正常模型为：IRESSCANAngleReadSim()

定义输入的扫描转动速度为VScan，输出的方向信号为SD，基准信号为RefOut，转速输出信号VOut，转动角度输出为AnglePulseOut，建模如下：

扫描角读出电路使用的二次电源的±15V输出信号，可以把二次电源作为一个串联环节，有电时为1，无电时为0。

扫描角读出电路实际上是逻辑处理电路，主要包括以下功能：

在扫描轴系带动光栅转动时，两路发光二极管通过光栅图案后由两个光敏三极管敏感出时钟周期相差90度的两路脉冲，脉冲周期对应的空间角度为0.02度，经过四分频电路处理后，每个脉冲为0.005度，该路信号送给滚动、俯仰逻辑计算模块；

根据两路光栅时钟脉冲，经过电路处理后得到代表扫描方向SD的电平信号；

根据光栅图案和相应的光敏三极管输出信号，得到代表基准Ref的电平信号；

根据单位时间内的脉冲多少，通过积分电路给出扫描轴的转动速度信号VOut，反馈给扫描轴驱动控制电路；

根据上述功能分析，可以得到扫描角读出电路的模拟器，主要利用逻辑判断给出，模拟步长为0.01ms。

根据故障模式分析建立故障模型EIRESSCANAngleReadSim()如图17所示，其中，

β51表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β51＝0，否则为1；

β52为方向信号是否正常，若不正常可设β52＝0，否则设为1；

β53为基准波是否正常，若不正常可设β53＝0，否则设为1；

β54为扫描电机转速测量是否正常，若不正常可设β54＝0，否则设为1；

β54为转动角度脉冲输出是否正常，可在0～2之间设置，即无角度脉冲输出，或者多脉冲、少脉冲输出。

6、俯仰和滚动角计算逻辑

俯仰和滚动角计算逻辑的正常模型为：AttitudeCalSim()，主要包括以下几个部分：工作模式及EP信号输出计算；穿越信号重建；弦宽信号计算，滚动俯仰姿态计算；

a)工作模式及EP信号

工作模式逻辑如下：

若被禁止探头为2个或以上

则模式为弦宽模式；

否则模式为姿态输出模式；

EP信号输出逻辑如下：

只要有一个或以上探头禁止，不管是宽扫还时窄扫模式，那么未被禁止的探头均要敏感到地球，即地弦信号为1，EP输出才为1，否则为0；

如果没有探头被禁止，那么对于宽扫来说，至少一个探头敏感到地球，EP为1，否则为0；对于窄扫来说，要三个以上的探头敏感到地球，EP输出才为1，否则为0；

b)穿越信号重建

若在正向扫描段

则若探头1、2只有S/E信号或3、4只有E/S信号

则探头为正穿越

否则若探头1、2只有E/S信号或3、4只有S/E信号

则探头为反穿越

否则探头为双向穿越；

c)弦宽信号计算，滚动俯仰姿态计算；

若EP＝0

则滚动俯仰姿态输出0

如果EP不为0

设四个探测器扫描到的弦宽为d1，d2，d3，d4，滚动角为r1，俯仰角为p1；

●对于窄扫来说，

窄扫状态探头没有禁止时，姿态计算如下表：

禁止1个或2个探头时

●对于窄扫来说，

对于宽扫，如果有探头禁止时，其姿态计算逻辑与窄扫一致，区别在于无探头禁止时的工况，输出如下表所示：

宽扫状态探头没有禁止时，姿态计算如下表：

根据故障模式分析建立故障模型EAttitudeCalSim()如图18所示，其中，

β61表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β61＝0，否则为1；

β62为姿态输出是否正常，若不正常可设β62＝0，否则设为1；

β63为噪声输入设置标志，若噪声信号异常设β63＝1，否则设为0；

g61(t)为白噪声信号；

β64为扫描是否有EP信号是否正常，若无输出β64＝0，若正常设为1；

β65EP信号是否正常输出，若输出跳变则设；β65＝1，否则为0；

g62(t)为0，1随机信号函数；

7、接口电路

接口电路模块的正常模型为：DatalOSim()

定义：EPIn为EP输入信号；EPOut为EP输出信号；DataIn[32]为32位输入信号；DataOut[32]为32位输出信号；Command[8]为指令信号；BolometerProhibit[4]，该变量表示探头禁止状态，由指令设置；SS为宽窄扫标志，由指令设置；

Command[8]指令定义如下：

控制命令	位	功能
			Command[0]	D0	1-ES窄扫描；0-ES宽扫描
Command[1]	D1	禁止探头1：1禁止，0不禁止
			Command[2]	D2	禁止探头2：1禁止，0不禁止

Command[3]	D3	禁止探头3：1禁止，0不禁止
			Command[4]	D4	禁止探头4：1禁止，0不禁止
Command[5]	D5	置1
			Command[6]	D6	置1-50％地球信号门限
Command[7]	D7	奇校验

模型计算如下：

EPOut＝EPIn；

DataOut＝DataIn；

若有指令输入Command[8]；

则若奇校验对

则SS＝Command[0]；

BolometerProhibit[0]＝Command[1]；

BolometerProhibit[1]＝Command[2]；

BolometerProhibit[2]＝Command[3]；

BolometerProhibit[3]＝Command[4]；

根据故障模式分析建立故障模型EDatalOSim()如图19所示，其中

β71表示二次电源故障选择标志，若二次电源故障，β71＝0，否则为1；

β72为姿态输出是否正常，若不正常可设β72＝0，否则设为1；

β73为姿态跳变输入设置标志，若跳变设β73＝1，否则设为0；

g71(t)为多脉冲随机函数；

β74为扫描是否有EP信号是否正常，若无输出β74＝0，若正常设为1；

β75为EP信号是否正常输出，若输出跳变则设；β75＝1，否则为0；

g72(t)为0，1随机信号函数；

β76为扫描指令信号是否正常，若指令无效β76＝0，若正常设为1；

β77为多脉冲输入设置标志，若多脉冲则设；β77＝1，否则为0；

g73(t)为指令多脉冲随机函数；

三、得到完整的部件故障模拟器

根据上述各个模块的故障建模，可以得到红外整机的故障模型结构如图20所示。

模拟器的输入参数为串行指令和离散开关指令，本体坐标系相对于轨道坐标系方向余弦阵和轨道高度，同时可以根据故障仿真需要输入各模块的故障设置标志；模型的输出量是32位遥测数据，EP信号，探测器组件温度和地敏加电状态模拟量。

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)

1.一种摆动式红外地球敏感器的故障模拟方法，其特征在于：采用二次电源、复合视场地球探头、四路模拟通道、扫描轴系及驱动电路、扫描角读出电路、俯仰和滚动角逻辑计算单元、接口电路七个功能模块分别进行模拟，每一个功能模块均采用正常和故障两种情况分别进行模拟，

对于二次电源：采用一个标志位β11表示二次电源的外部一次电压输入情况，采用四个标志位Power32、Power15、Power5、Power11p5分别表示二次电源输出的32V、15V、5V和11.5V电压情况，当相应标志位为逻辑1时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压正常，当相应标志位为逻辑0时表示对应的二次电源输入电压或者输出电压故障；

对于复合视场地球探头：正常情况下，若cos^-1(BoVec[2])＜α，则探测器输出0.14mV，否则探测器输出0mV，探测器输出电压值经过时间常数为2ms的一阶环节得到复合视场地球探头的输出，其中地球半张角α＝sin^-1(6400/DisFromECenToSat)，DisFromECenToSat为探测器的高度， 为探测器的方向余弦阵的转置，BoVec[2]为探测器在轨道坐标系Z轴上的投影，BbVec为探测器在地球敏感器坐标系中的坐标；故障情况下，通过在复合视场地球探头正常输出上叠加噪声发生函数模拟输出异常，通过将复合视场地球探头输出置0模拟无输出；

对于四路模拟通道：正常情况下，以探测器电平为输入信号，依次经过时间常数1s的微分200倍预放大环节、时间常数为470ms的微分5倍放大环节、时间常数为3.3ms的实际微分25倍放大环节得到四路探测器输出的微分信号，所述微分信号经过充电时间常数为2.2ms的滤波环节得到地弦信号EC，所述微分信号经过放电时间常数为330ms的滤波环节得到地弦信号EC的非信号N_EC，所述微分信号经过整形处理得到穿越脉冲信号S/E、E/S信号；故障情况下，地弦信号EC及地弦信号非信号N_EC通过置1操作或者置0操作模拟有无输出，穿越脉冲信号S/E和E/S通过叠加噪声发生函数或者置0操作模拟异常或者无输出；

对于扫描轴系及驱动电路：正常情况下，由正弦振荡器产生驱动信号，驱动信号叠加扫描角读出电路的输出信号后依次通过功率放大和光栅速度反馈电路形成扫描电机驱动信号，由扫描电机驱动扫描镜使得复合视场以驱动信号的频率沿俯仰轴方向扫描，使得扫描角读出电路能够敏感到光脉冲的变化；故障情况下，通过叠加反映扫描速度的脉冲噪声发生函数或者置0操作模拟扫描轴速度异常或无扫描；

对于扫描角读出电路：正常情况下，利用两路光敏三极管敏感透过光栅速度反馈电路中光栅的发光信号，根据光栅的图案配置得到两路不同的时序信号，通过这两路时序信号得到扫描方向、基准脉冲以及光栅摆动速度输出；在故障情况下，通过置1操作或者置0操作模拟扫描方向、基准脉冲及光栅摆动速度测量有无输出，通过设置乘积参数设置输出的转动角度输出脉冲为多脉冲、少脉冲或无脉冲输出；

对于俯仰和滚动角逻辑计算单元：正常情况下，根据探头宽窄扫、探头禁止信号、地弦信号、方向信号、基准方波信号及穿越脉冲，求出四路探测器的弦宽信号，由探头宽窄扫标志和地弦信号求出EP电平输出；根据EP电平信号、探头宽窄扫标志和四路弦宽信号确定出地球敏感器姿态输出；故障情况下采用叠加噪声函数以及置0操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出；

对于接口电路：正常情况下，接口电路接收外部指令，送给俯仰和滚动角逻辑计算单元；接收遥测数据时钟，根据俯仰和滚动角逻辑计算单元计算给出的姿态信息以及EP信号，通过驱动电路将姿态角、EP信号以及自身的探头禁止信息送给外部；故障情况下，通过叠加噪声函数以及置0操作，模拟姿态角输出噪声变大或无输出，模拟EP信号电平不稳或无输出，模拟探头禁止信号及宽窄扫输出不稳或无输出。