CN103217974A - 一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构 - Google Patents

Abstract

一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，将航天器故障分为5级，每级故障采用不同的检测方法和恢复策略，形成了分级、分层次的健康管理架构。0级故障通过单机自身可靠性设计保证，平台载荷综合业务单元健康管理模块、控制综合业务单元健康管理模块、FDIR中心控制任务模块完成1级故障的健康管理，关联故障健康管理模块完成2级故障的健康管理，专用检测和模式控制模块完成3级、4级故障的健康管理。本发明体系结构基于通用的综合电子平台，具有通用性，可适应不同类型航天器的健康管理需求。

Description

一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构

技术领域

本发明涉及一种航天器自主健康管理体系结构，属于卫星自主健康管理技术领域。

背景技术

航天器自主健康管理是指在不依赖地面支持，独立、安全、可靠运行的能力。自主能力的大小反映了航天器健康管理对地面和操作人员的依赖程度的高低。自主健康管理技术能够提供航天器三个方面的能力：一是减少地面干预和地面系统的测控任务量，自主完成在轨正常运行的各项任务；二是根据航天器故障预报模型或可靠性模型预测系统部件工作状况和发展趋势，避免失效发生；三是在故障发生时，进行故障诊断，确定哪些部件未正常工作或性能下降，根据故障处理策略进行故障隔离、系统重构，使系统恢复到正常状态或降级使用。

从航天器发展趋势看，越来越强的高可靠和高自主性需求、诸多“自主运行”的任务要求、以及以星座长期管理为代表的任务模式都对发展航天器自主健康管理技术提出了迫切需求，而如何科学建立航天器自主健康管理的体系结构是自主健康管理技术的核心，也是实现高效可靠的管理目标的基础。

目前国外最新研制的航天器多数已具备自主健康管理能力，而国内航天器自主健康管理很大程度上还处于试验阶段，自主健康管理技术的优势还没有充分发挥，尤其缺少系统级体系架构的设计，分系统（单机）间关联信息未得到充分利用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，实现分级、分层次的航天器健康管理方式。

本发明的技术解决方案是：

一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，包括：专用检测和模式控制模块、中心处理器、平台载荷综合业务单元和控制综合业务单元，中心处理器中包括FDIR中心控制任务模块和关联故障健康管理模块，平台载荷综合业务单元包括平台载荷综合业务单元健康管理模块和遥测采集指令输出模块，控制综合业务单元包括控制推进遥测采集模块、外部报警接口模块和控制综合业务单元健康管理模块；

平台载荷综合业务单元中的遥测采集指令输出模块采集航天器上的非控制部件的遥测信息，并将所述遥测信息送入平台载荷综合业务单元健康管理模块中，平台载荷综合业务单元健康管理模块根据预设的非控制部件健康管理规则判断所述非控制部件的健康状态，之后将所述非控制部件的健康状态通过1553B总线发送到中心处理器，同时平台载荷综合业务单元健康管理模块还将所述平台载荷综合业务单元的健康状态通过1553B总线发送给中心处理器；

控制综合业务单元中的控制推进遥测采集模块采集航天器上的控制部件的遥测信息，并将所述控制部件的遥测信息送入控制综合业务单元健康管理模块中进行处理，控制综合业务单元健康管理模块根据预设的控制部件健康管理规则判断所述控制部件的健康状态，之后将所述控制部件的健康状态通过1553B总线发送到中心处理器，同时控制综合业务单元健康管理模块还将所述控制综合业务单元的健康状态通过1553B总线发送给中心处理器；外部报警接口模块将地球敏感器的健康状态发送给专用检测和模式控制模块，

专用检测和模式控制模块根据外部报警接口模块发送过来的地球敏感器的健康状态判断地球敏感器是否发生故障，若健康状态为地球敏感器信号丢失，即发生地球敏感器信号丢失故障，则专用检测和模式控制模块发送对日定向指令序列令航天器转入对日定向安全模式；

中心处理器中的FDIR中心控制任务模块根据1553B总线传输过来的信息和预设的健康管理规则判断平台载荷综合业务单元和控制综合业务单元的健康状态，如果发生故障，则通过1553B总线发送指令恢复序列给平台载荷综合业务单元或控制综合业务单元，对发生故障的单元进行重构，同时，FDIR中心控制任务模块还通过1553B总线和遥测采集指令输出模块发送非控制部件重组指令序列给发生故障的非控制部件，令其恢复正常，通过1553B总线和控制推进遥测采集模块发送控制部件重组指令序列给发生故障的控制部件，令其恢复正常；

中心处理器中的关联故障健康管理模块处理航天器能源和姿态的健康状态，若航天器能源发生故障，则发送指令序列对与航天器能源相关联的部件进行重组，令航天器能源恢复正常，若航天器姿态发生故障，则发送指令序列对与航天器姿态相关联的部件进行重组，令航天器姿态恢复正常；中心处理器将其自身的健康状态信息发送给专用检测和模式控制模块，若中心处理器发生故障，则专用检测和模式控制模块发送指令恢复序列令中心处理器恢复正常。

所述平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元和中心处理器中的FDIR中心控制任务模块处理航天器的一级故障，所述航天器的一级故障是指发生在航天器部件的一次独立故障。

所述中心处理器中的关联故障健康管理模块处理航天器的二级故障，所述二级故障是指与航天器能源或者姿态相关的关联性故障。

航天器的三级故障和四级故障通过专用检测和模式控制模块进行处理，所述三级故障是指中心处理器的硬件或者软件发生故障，四级故障是指航天器上地球敏感期信号丢失故障。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

（1）本发明中的基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构采用分级控制方式，该控制方式合理利用星上的计算资源由中心处理器和综合业务单元共同完成健康管理任务，具备良好的总体和局部控制性能。

（2）本发明根据我国航天器的设计特点将故障分为五级，每级故障采用不同的检测方法和恢复策略，形成了分级、分层次的健康管理架构。各级故障的检测方法和恢复策略充分利用航天器各对象之间的相关性，使完成健康管理的各个功能模块既能相互协作，又保持清晰的任务界面。

（3）本发明的自主健康管理体系结构基于通用的综合电子平台，具有通用性，可适应不同类型航天器的健康管理需求。

附图说明

图1为本发明系统架构示意图。

具体实施方式

1、故障分级

本发明根据我国航天器的设计特点将故障分为五级，每级故障采用不同的检测方法和恢复策略，形成了分级、分层次的健康管理架构。故障分级和各级故障的恢复方法如下：

第0级故障（level0）：可容忍错误，可自主对故障进行处理和恢复，无需综合电子软硬件干预。第0级故障发生后，对单机、分系统和整星的功能没有影响。

第1级故障（level1）：部件级独立故障，1级故障指发生在部件（含单机、单板、模块等）的一次独立故障。

1级故障又分为2个子等级：

1-a级故障：非控制部件以及综合业务单元发生故障。

1-b级故障：姿轨控分系统敏感器或执行机构发生故障。

第2级故障（level2）：关联性故障。第2级故障是指与航天器能源或者姿态相关的关联性故障，2级故障由关联故障健康管理模块对其进行检测和恢复，2级故障导致卫星相关功能链重组。

第3级故障（level3）：中心管理单元的硬件或软件发生故障。

第4级故障（level4）：最高级故障，4级故障是指航天器上地球敏感期信号丢失故障，此类故障无法由低级（0－3级）的故障机制进行检测和恢复。此类故障导致航天器进入对日定向安全模式，进入安全模式后，将等待地面的分析与处理。

以上5级故障的健康管理在综合电子平台下实现，由综合电子平台的中心处理器、平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元、专用检测和模式控制模块共同完成健康信息整合、故障诊断以及重构恢复。

2、自主健康管理体系结构和工作流程

本发明设计了基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，用于实现分级、分层次的航天器健康管理。如图1所示为本发明的系统组成，包括专用检测和模式控制模块、中心处理器、平台载荷综合业务单元和控制综合业务单元，中心处理器中包括FDIR中心控制任务模块和关联故障健康管理模块，平台载荷综合业务单元包括平台载荷综合业务单元健康管理模块和遥测采集指令输出模块，控制综合业务单元包括控制推进遥测采集模块、外部报警接口模块和控制综合业务单元健康管理模块；

平台载荷综合业务单元中的遥测采集指令输出模块采集航天器上的非控制部件的遥测信息，并将所述遥测信息送入平台载荷综合业务单元健康管理模块中，平台载荷综合业务单元健康管理模块根据预设的非控制部件健康管理规则判断所述非控制部件的健康状态，之后将所述非控制部件的健康状态通过1553B总线发送到中心处理器，同时平台载荷综合业务单元健康管理模块还将所述平台载荷综合业务单元的健康状态通过1553B总线发送给中心处理器；

控制综合业务单元中的控制推进遥测采集模块采集航天器上的控制部件的遥测信息，并将所述控制部件的遥测信息送入控制综合业务单元健康管理模块中进行处理，控制综合业务单元健康管理模块根据预设的控制部件健康管理规则判断所述控制部件的健康状态，之后将所述控制部件的健康状态通过1553B总线发送到中心处理器，同时控制综合业务单元健康管理模块还将所述控制综合业务单元的健康状态通过1553B总线发送给中心处理器；外部报警接口模块将地球敏感器的健康状态发送给专用检测和模式控制模块，

专用检测和模式控制模块根据外部报警接口模块发送过来的地球敏感器的健康状态判断地球敏感器是否发生故障，若健康状态为地球敏感器信号丢失，即发生地球敏感器信号丢失故障，则专用检测和模式控制模块发送对日定向指令序列令航天器转入对日定向安全模式；

中心处理器中的FDIR中心控制任务模块根据1553B总线传输过来的信息和预设的健康管理规则判断平台载荷综合业务单元和控制综合业务单元的健康状态，如果发生个故障，则通过1553B总线发送指令恢复序列给平台载荷综合业务单元或控制综合业务单元，令发生故障的单元进行重构，同时，FDIR中心控制任务模块还通过1553B总线和遥测采集指令输出模块发送非控制部件重组指令序列给发生故障的非控制部件，令其恢复正常，通过1553B总线和控制推进遥测采集模块发送控制部件重组指令序列给发生故障的控制部件，令其恢复正常；

中心处理器中的关联故障健康管理模块处理航天器能源和姿态的健康状态，若航天器能源发生故障，则发送指令序列对与航天器能源相关联的部件进行重组，令航天器能源恢复正常，若航天器姿态发生故障，则发送指令序列对与航天器姿态相关联的部件进行重组，令航天器姿态恢复正常；中心处理器将其自身的健康状态信息发送给专用检测和模式控制模块，若中心处理器发生故障，则专用检测和模式控制模块发送指令恢复序列令中心处理器恢复正常。

以上健康管理体系采用模块化分级设计的思想，该体系结构能够减少中心处理器的负担，利于适应复杂多变的工作环境，并具有较高的动态响应能力。

根据故障分级，各级故障的健康管理由不同模块完成：

第1级故障的健康管理通过平台载荷综合业务单元健康管理模块、控制综合业务单元健康管理模块、FDIR中心控制任务模块共同完成。

第2级故障的健康管理通过关联故障健康管理模块完成。

第3级故障、第4级故障的健康管理通过专用检测和模式控制模块完成。

下面对各组成模块分别进行介绍。

一、平台载荷综合业务单元健康管理模块

平台载荷综合业务单元健康管理模块根据预设的非控制部件健康管理规则给出所述非控制部件和自身的健康状态信息，其工作流程如下：

（1）平台载荷综合业务单元通过通用的遥测采集指令输出模块采集航天器上的非控制部件的遥测信息，并发送给平台载荷综合业务单元健康管理模块；

（2）平台载荷综合业务单元健康管理模块根据预设的非控制部件健康管理规则判断所述非控制部件的健康状态，并给出诊断的结果（即部件健康状态信息和自身健康状态信息）。其中，自身健康状态信息为平台载荷综合业务单元的健康状态信息。

（3）平台载荷综合业务单元健康管理模块通过1553B总线将非控制部件的健康状态和自身的健康状态信息发送给中心处理器。

二、控制综合业务单元健康管理模块

控制综合业务单元健康管理模块根据预设的控制部件健康管理规则给出所述控制部件和自身的健康状态信息，其工作流程如下：

（1）控制综合业务单元通过通用的控制遥测采集模块采集航天器上的控制部件的遥测信息，并发送给控制综合业务单元健康管理模块；

（2）控制综合业务单元健康管理模块根据预设的控制部件健康管理规则判断所述控制部件的健康状态，并给出诊断的结果（即部件健康状态信息和自身健康状态信息）。其中，自身健康状态信息为控制综合业务单元的健康状态信息。

（3）控制综合业务单元健康管理模块通过1553B总线将控制部件的健康状态和自身的健康状态信息发送给中心处理器。

（4）当诊断出地球敏感器信号丢失故障，控制综合业务单元健康管理模块将该信息送给外部报警接口模块，通过外部报警接口模块将信息发送给专用检测和模式控制模块。

三、FDIR中心控制任务模块

FDIR中心控制任务模块根据平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元提供的健康状态信息对各部件以及综合业务单元进行统一管理，其工作流程如下：

（1）中心处理器通过1553B总线接收平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元提供的健康状态信息；

（2）中心处理器中的FDIR中心控制任务模块对平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元提供的健康状态信息进行判断，如有异常，生成相应的恢复指令；

（3）FDIR中心控制任务模块的恢复指令通过1553B总线发送给综合业务单元，完成一级故障的恢复。

四、关联故障健康管理模块

关联故障健康管理模块对能源、姿态等航天器重要功能的异常进行判断，并生成相关的异常恢复指令序列，其工作流程如下：

（1）中心处理器通过1553B总线接收平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元提供的航天器能源和姿态的健康状态；

（2）中心处理器中的关联故障健康管理模块对航天器能源和姿态的健康状态进行判断，如有异常，生成相应的恢复指令序列；

（3）当航天器能源发生故障时，关联故障健康管理模块的恢复指令序列通过1553B总线发送给平台载荷综合业务单元，并输出指令，对与航天器能源相关联的部件进行重组，完成二级故障的恢复；

（4）当航天器姿态发生故障时，关联故障健康管理模块的恢复指令序列通过1553B总线发送给控制综合业务单元，并输出指令，对与航天器姿态相关联的部件进行重组，完成二级故障的恢复。

五、专用检测和模式控制模块

专用检测和模式控制模块负责卫星3级故障和4级故障的健康管理。

中心管理单元由A机、B机和应急计算机组成。对于3级故障，即中心管理单元自身的软件、硬件故障，由专用检测和模式控制模块完成复位、切机等动作，具体逻辑如下：

（1）专用检测和模式控制模块为中心管理单元的A机、B机和应急计算机设置“看门狗”电路，使用看门狗计数器监视A机、B机和应急计算机中当班机的工作状态。

（2）当中心管理单元工作正常时，会定期发出清狗信号（假设中心管理单元每隔M秒发出清狗信号）。如果看门狗计数器连续N个周期（M＊N秒）未收到来自中心管理单元的清狗信号，专用检测和模式控制模块将对中心管理单元的A机进行复位操作；

（3）中心管理单元A机复位后，专用检测和模式控制模块连续N个周期仍然未收到中心管理单元A机发出的清狗信号，则专用检测和模式控制模块检查允许切机标志。如果该标志为“允许切机”，则中心管理单元由A机切换到B机，同时将允许切机标志置为“禁止切机”；

（4）如果专用检测和模式控制模块连续2N个周期没有收到清狗信号，且允许切机标志为“禁止切机”，则专用检测和模式控制模块关闭中心管理单元的A机和B机，并开启应急计算机。

对于4级故障，其工作流程如下：

当控制综合业务单元的外部报警接口模块产生地球敏感器信号丢失故障报警时，专用检测和模式控制模块产生相应的指令序列，该指令序列使航天器进入对日定向安全模式，等待地面处理。

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 (4)

1.一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，其特征在于包括：专用检测和模式控制模块、中心处理器、平台载荷综合业务单元和控制综合业务单元，中心处理器中包括FDIR中心控制任务模块和关联故障健康管理模块，平台载荷综合业务单元包括平台载荷综合业务单元健康管理模块和遥测采集指令输出模块，控制综合业务单元包括控制推进遥测采集模块、外部报警接口模块和控制综合业务单元健康管理模块；

平台载荷综合业务单元中的遥测采集指令输出模块采集航天器上的非控制部件的遥测信息，并将所述遥测信息送入平台载荷综合业务单元健康管理模块中，平台载荷综合业务单元健康管理模块根据预设的非控制部件健康管理规则判断所述非控制部件的健康状态，之后将所述非控制部件的健康状态通过1553B总线发送到中心处理器，同时平台载荷综合业务单元健康管理模块还将所述平台载荷综合业务单元的健康状态通过1553B总线发送给中心处理器；

控制综合业务单元中的控制推进遥测采集模块采集航天器上的控制部件的遥测信息，并将所述控制部件的遥测信息送入控制综合业务单元健康管理模块中进行处理，控制综合业务单元健康管理模块根据预设的控制部件健康管理规则判断所述控制部件的健康状态，之后将所述控制部件的健康状态通过1553B总线发送到中心处理器，同时控制综合业务单元健康管理模块还将所述控制综合业务单元的健康状态通过1553B总线发送给中心处理器；外部报警接口模块将地球敏感器的健康状态发送给专用检测和模式控制模块，

专用检测和模式控制模块根据外部报警接口模块发送过来的地球敏感器的健康状态判断地球敏感器是否发生故障，若健康状态为地球敏感器信号丢失，即发生地球敏感器信号丢失故障，则专用检测和模式控制模块发送对日定向指令序列令航天器转入对日定向安全模式；

中心处理器中的FDIR中心控制任务模块根据1553B总线传输过来的信息和预设的健康管理规则判断平台载荷综合业务单元和控制综合业务单元的健康状态，如果发生故障，则通过1553B总线发送指令恢复序列给平台载荷综合业务单元或控制综合业务单元，对发生故障的单元进行重构，同时，FDIR中心控制任务模块还通过1553B总线和遥测采集指令输出模块发送非控制部件重组指令序列给发生故障的非控制部件，令其恢复正常，通过1553B总线和控制推进遥测采集模块发送控制部件重组指令序列给发生故障的控制部件，令其恢复正常；

中心处理器中的关联故障健康管理模块处理航天器能源和姿态的健康状态，若航天器能源发生故障，则发送指令序列对与航天器能源相关联的部件进行重组，令航天器能源恢复正常，若航天器姿态发生故障，则发送指令序列对与航天器姿态相关联的部件进行重组，令航天器姿态恢复正常；中心处理器将其自身的健康状态信息发送给专用检测和模式控制模块，若中心处理器发生故障，则专用检测和模式控制模块发送指令恢复序列令中心处理器恢复正常。

2.根据权利要求1所述的一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，其特征在于：所述平台载荷综合业务单元、控制综合业务单元和中心处理器中的FDIR中心控制任务模块处理航天器的一级故障，所述航天器的一级故障是指发生在航天器部件的一次独立故障。

3.根据权利要求1所述的一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，其特征在于：所述中心处理器中的关联故障健康管理模块处理航天器的二级故障，所述二级故障是指与航天器能源或者姿态相关的关联性故障。

4.根据权利要求1所述的一种基于综合电子平台的航天器自主健康管理体系结构，其特征在于：航天器的三级故障和四级故障通过专用检测和模式控制模块进行处理，所述三级故障是指中心处理器的硬件或者软件发生故障，四级故障是指航天器上地球敏感期信号丢失故障。

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