CN103970034A - 一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统 - Google Patents

Abstract

一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统，对获取的控制分系统遥测数据和地面动力学仿真数据预处理和衍生计算后，从判据测试库中自动调用测试判据，对控制分系统的测试数据实时判读，判断卫星控制分系统工作状态是否正常、遥测数据是否超差，实时自动监视卫星控制分系统测试的正确性和安全性。本发明改变了目前遥测参数自动化监视工具软件仅根据定义的参数范围进行数据判读的现状，解决了实时动态变化的控制分系统姿态敏感器姿态测量数据不能精确判读的问题，提高了测试质量和效率，并将地面动力学仿真数据引入测试数据判读，增加了数据判读工作的准确性和有效性，能够及时发现、定位测试中出现的问题，提高了卫星测试系统故障预警诊断能力。

Description

一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统

技术领域

本发明涉及一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统，属于卫星测试技术领域。

背景技术

卫星综合测试系统的集成度、自动化程度和测试效率反映了卫星测试的技术水准。目前，我国卫星综合测试系统基本使用分散式测试设备，测试数据和结果也主要由人工判断。这种测试模式的缺点是：需要的测试人员和操作岗位较多；人工监视数据可能漏过瞬态突发故障，且存在误判和未及时判现象；难以实现各测试数据的时间同步，这在故障定位和分析时尤为突出；测试效率较低；测试人员的工作强度较大。随着卫星应用需求的不断增大，卫星自动测试技术愈显重要。提高卫星测试系统的智能化和自动化测试水准，不仅能满足快速测试的需要，而且可提高资源利用率。

小卫星控制分系统测试数据量庞大、信号类型复杂、数据实时性、一致性和可靠性要求高、数据随环境变化快，因此对控制分系统的测试数据判读和处理等均提出很高要求，传统手工数据判读方法无法满足卫星测试需求。为解决上述问题，目前主要使用遥测参数自动化监视工具软件，能够自动根据定义的参数范围进行数据判读，参数越界时发出报警提示，但是对于实时动态变化的控制分系统姿态敏感器姿态测量数据，仅根据参数范围判读是难于发现测试问题的，且遥测参数自动化监视工具软件未引入地面动力学仿真数据的判读。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统，对获取的控制分系统遥测数据和地面动力学仿真数据进行数据预处理和衍生计算后，从判据测试库中自动调用测试判据，对控制分系统的测试数据进行实时判读，判断卫星控制分系统的工作状态是否正常、遥测数据是否超差等信息，实时自动监视卫星控制分系统测试的正确性和安全性。

本发明的技术解决方案是：一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统，包括数据获取模块、数据预处理模块、衍生计算模块、数据判读模块、异常报警和图形化显示模块：

数据获取模块将测试数据库中的卫星控制分系统遥测数据源码和地面动力学仿真数据源码取出，进行源码识别处理，得到遥测数据工程值和地面动力学仿真数据工程值，传送至数据预处理模块；

数据预处理模块去除遥测数据工程值中存在的不连续、跳码这两种非平稳数据，选择有效的遥测数据工程值(有效的遥测数据工程值为去除遥测数据工程值中存在的不连续、跳码这两种非平稳数据后的数据)，并且对有效的遥测数据工程值的产生时间进行分析，判断数据的产生时间是否正确，当数据的产生时间不正确时，将产生时间不正确的有效的遥测数据工程值通过异常报警和图形化显示模块进行显示，数据预处理模块将地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值传送至衍生计算模块；

衍生计算模块对数据预处理模块送来的需要进行衍生计算的有效的遥测数据工程值进行衍生计算，需要进行衍生计算的遥测数据包括实时动态变化的姿态敏感器姿态测量数据，将衍生计算结果通过异常报警和图形化显示模块进行显示，衍生计算模块将衍生计算结果、有效的遥测数据工程值、地面动力学仿真数据工程值传送至数据判读模块；

数据判读模块自动调取判据测试库的测试判据，根据测试判据对衍生计算模块送来的衍生计算结果、有效的遥测数据工程值进行正确性判读，根据测试判据对地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值进行一致性比对判读，判断卫星控制分系统工作状态是否正常，将与测试判据不符的地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值通过异常报警和图形化显示模块进行显示；

异常报警和图形化显示模块将与测试判据不符的地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值进行异常报警。

本发明与现有技术相比的优点是：

(1)本发明针对控制分系统测试数据量庞大、信号类型复杂、数据实时性、一致性和可靠性要求高、数据随环境变化快的特点，改变了目前遥测参数自动化监视工具软件仅根据定义的参数范围进行数据判读的现状，解决了实时动态变化的控制分系统姿态敏感器姿态测量数据不能精确判读的问题，降低了测试人员的工作强度，提高了测试质量和测试效率。

(2)本发明将地面动力学仿真数据引入测试数据判读，增加了数据判读工作的准确性和有效性，改变了目前故障诊断技术水平低、测试时间长、测试期间故障分析和隔离主要依靠专家经验、缺少故障分析手段的现状，能够及时发现、定位测试中出现的问题，提高了卫星测试系统故障预警诊断能力。

附图说明

图1为本发明的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述：

如图1所示，本发明按照功能模块划分可分为数据获取模块、数据预处理模块、衍生计算模块、数据判读模块、异常报警和图形化显示模块；

数据获取模块将测试数据库中的卫星控制分系统遥测数据源码和地面动力学仿真数据源码取出，进行源码识别处理，得到遥测数据工程值和地面动力学仿真数据工程值，传送至数据预处理模块。遥测数据是指通过星地测控链路下传的卫星实时遥测数据，为便于判读，将控制分系统遥测数据划分为三类：实时动态变化的姿态敏感器姿态测量数据和执行机构工作信息数据、部件数据有效性标志和故障诊断标志及通讯情况标志的数字量遥测、反映部件工作情况的模拟量遥测。地面动力学仿真数据包括动力学仿真姿态数据、动力学仿真轨道数据、动力学仿真程序输出的姿态敏感器姿态数据、动力学仿真程序采集的执行机构工作信息数据。

例如，某卫星配置三个星敏感器。对星敏感器进行数据判读，按照上述遥测数据分类方法进行分类，实时动态变化的姿态敏感器姿态测量数据指的是星敏感器1/2/3得到的姿态四元数；数字量遥测包括加断电状态、自主诊断状态、星敏感器1/2/3数据有效性、星敏感器1/2/3使用状态、星敏感器1/2/3状态信息、星敏感器工作状态、星敏感器致冷器状态、AOCC与星敏感器1/2/3通信状态、星敏感器同步控制状态、星敏感器1/2/3故障状态；反映部件工作情况的模拟量遥测包括三个星敏感器连续无姿态输出时间、星敏感器1/2/3的CCD温度、星敏感器1/2/3的头部温度、星敏感器1/2/3重启次数、星敏感器1/2/3同步脉冲计数器、AOCC与星敏感器1/2/3连续通讯故障次数、AOCC与星敏感器1/2/3通讯累计故障次数。地面动力学仿真数据包括动力学仿真姿态数据、动力学仿真轨道数据、动力学仿真程序输出的姿态敏感器姿态数据，动力学仿真姿态数据指的是地面滚动角、地面俯仰角、地面偏航角、地面滚动角速度、地面俯仰角速度、地面偏航角速度，动力学仿真轨道数据指的是地面轨道六根数(轨道六根数指半长轴a、偏心率e、轨道倾角i、升交点赤经Ω、平近点角λ、纬度幅角u)，动力学仿真程序输出的姿态敏感器姿态数据指的是星敏感器姿态四元数，从理论上说，应该与星敏感器1/2/3得到的姿态四元数一致，由于星地时延和数据处理的精度等原因，地面动力学仿真数据和对应的遥测数据比对时应设置允许的阈值范围。

数据预处理模块去除遥测数据工程值中存在的不连续、跳码这两种非平稳数据，选择有效的遥测数据工程值，并且对有效的遥测数据工程值的产生时间进行分析，判断数据的产生时间是否正确，当数据的产生时间不正确时，将产生时间不正确的有效的遥测数据工程值通过异常报警和图形化显示模块进行显示，数据预处理模块将地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值传送至衍生计算模块。卫星实时下传的遥测数据可能存在着不连续、跳码等非平稳现象，预处理模块要对遥测数据进行处理，从中选择有效的数据。另外，由于星上设备通常是自主运行的，并且数据产生具有一定的时间特性(如按采集周期产生)，因此需要对数据的产生时间进行分析，判断该数据的产生时间是否正确。

衍生计算模块对数据预处理模块送来的需要进行衍生计算的有效的遥测数据工程值进行衍生计算，需要进行衍生计算的有效的遥测数据包括实时动态变化的姿态敏感器姿态测量数据，将衍生计算结果通过异常报警和图形化显示模块进行显示，衍生计算模块将衍生计算结果、有效的遥测数据工程值、地面动力学仿真数据工程值传送至数据判读模块。

例如，星敏感器数据中，需要进行衍生计算的数据是实时动态变化的姿态测量数据，即星敏感器1/2/3得到的姿态四元数。该姿态四元数为星敏感器测量坐标系相对于地心赤道惯性坐标系的姿态，即惯性姿态，姿态四元数随卫星姿态和位置发生变化，以轨道周期按照一定的规律变化，仅根据定义的参数范围无法进行准确判读。某卫星在地面整星综合测试阶段，由于上注轨道参数设置不正确，星载控制计算机程序并没有使用上注轨道，而使用程序默认轨道，但是地面动力学仿真程序在设置输出星敏感器姿态数据时使用轨道参数与上注轨道参数一致，这就导致了星地轨道的不同。星载控制计算机程序接收星敏感器姿态数据后，判定为数据无效，遥测参数“三个星敏感器连续无姿态输出时间”持续增加，最终造成星敏感器定姿失败，控制分系统自主转为红外定姿。对星敏感器姿态四元数进行衍生计算，即为将惯性姿态数据转换为可以直观判读的对地姿态数据，首先需要将星敏感器惯性姿态四元数转换为卫星本体坐标系在轨道坐标系中的对地姿态矩阵，然后计算出可直观判读的卫星对地三轴姿态数据。对地姿态矩阵转换过程中需要用到的姿态矩阵包括卫星本体坐标系在星敏感器测量坐标系中的姿态矩阵(可由星敏感器的安装矩阵求得)、星敏感器测量坐标系在惯性坐标系中的姿态矩阵(可根据星敏感器实时姿态测量数据计算)、惯性坐标系在轨道坐标系中的姿态矩阵(可根据实时轨道数据计算)，再由对地姿态矩阵求得对地姿态四元数，考虑控制分系统在不同的工作模式下采用的转序，进行三次欧拉转动，得到卫星本体坐标系相对轨道坐标系的对地三轴姿态数据。

数据判读模块自动调取判据测试库的测试判据，根据测试判据对衍生计算模块送来的衍生计算结果、有效的遥测数据工程值进行正确性判读，根据测试判据对地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值进行一致性比对判读，判断卫星控制分系统工作状态是否正常，将与测试判据不符的地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值通过异常报警和图形化显示模块进行显示。所述的判据测试库保存测试数据的正常值(控制分系统正常工作的数据范围)、报警值(正常工作值的下限和上限)、控制分系统开机值(设备初始加电的工作值)、相关遥测(用于多个测试数据联合判读)、地面动力学仿真数据和遥测数据一致性比对判读所允许的阈值范围、衍生计算结果判读所允许的阈值范围、测试指令判据(指测试过程中在测试指令发送前后根据遥测数据进行指令执行正确性判断的依据)、测试中允许的卫星控制分系统状态等测试判据。

例如，星敏感器姿态四元数衍生计算结果判据可设置为姿态指向精度指标数据，某卫星姿态指向精度指标为≤0.1°(三轴，3σ)。使用一个星敏感器实时姿态测量数据和轨道数据进行计算，得到卫星本体坐标系相对轨道坐标系的对地三轴姿态数据的最大值为0.03°左右，说明测试判据的设置是合理的。数字量遥测的测试判据设置如下：加断电状态与“星敏感器加断电”测试指令相关，自主诊断状态与“允许星敏感器自主诊断”测试指令相关，星敏感器1/2/3数据有效性正常值为“星敏感器1/2/3数据有效”，星敏感器1/2/3使用状态正常值为“星敏感器1/2使用、星敏感器3不使用”(控制分系统设计如此)，星敏感器1/2/3状态信息正常值为“星敏感器1/2/3工作于C模式”(窗口跟踪模式)，星敏感器工作状态正常值为“三个星敏感器处于工作状态且中断打开”，星敏感器致冷器状态与“星敏感器致冷器开关机”测试指令相关，AOCC与星敏感器1/2/3通信状态正常值为“第一次通信正常、第二次通信正常”，星敏感器同步控制状态与“星敏感器同步信号设置”测试指令相关，星敏感器1/2/3故障状态正常值为“星敏感器1/2/3正常”。反映部件工作情况的模拟量遥测的测试判据设置如下：三个星敏感器连续无姿态输出时间正常值为“0”，星敏感器1/2/3的CCD温度正常值为“小于29℃”，星敏感器1/2/3的头部温度正常值为“与环境温度相关”(环境温度参考热控分系统采集的温度值，需设置温度差值的阈值范围)，星敏感器1/2/3重启次数正常值为“0”，星敏感器1/2/3同步脉冲计数器正常值为“每秒累加1次且三个星敏感器相同时间内增加的个数相同”，AOCC与星敏感器1/2/3连续通讯故障次数正常值为“0”，AOCC与星敏感器1/2/3通讯累计故障次数正常值为“0”。

地面动力学仿真数据和遥测数据进行比对，需要比对动力学仿真姿态数据、动力学仿真轨道数据、动力学仿真程序输出的姿态敏感器姿态数据和对应的遥测数据的差值是否在允许的阈值范围之内。动力学仿真姿态数据需要和卫星滚动角估值、俯仰角估值、偏航角估值、滚动角速度估值、俯仰角速度估值、偏航角速度估值进行比对，动力学仿真轨道数据需要和星上轨道六根数进行比对，动力学仿真程序输出的星敏感器姿态四元数需要和星敏感器得到的姿态四元数进行比对。

另外，还需要比对动力学仿真程序采集的执行机构工作信息数据和对应的遥测数据的差值是否在允许的阈值范围之内。小卫星配置的执行机构一般包括飞轮、帆板驱动装置、磁力矩器、推进子系统，反作用飞轮的工作信息数据为“控制电压”、“转速脉冲”、“转向”，帆板驱动装置的工作信息数据为“步进频率脉冲”、“电机转向”、“零位信号”，磁力矩器的工作信息数据为“磁力矩器脉宽信号”，推进子系统的工作信息数据为“姿控推力器喷气脉宽信号”、“轨控推力器喷气脉宽信号”、“自锁阀开/关状态”。

异常报警和图形化显示模块将与测试判据不符的地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值进行异常报警。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种小卫星控制分系统工作状态自动判读系统，其特征在于：包括数据获取模块、数据预处理模块、衍生计算模块、数据判读模块、异常报警和图形化显示模块：

数据获取模块将测试数据库中的卫星控制分系统遥测数据源码和地面动力学仿真数据源码取出，进行源码识别处理，得到遥测数据工程值和地面动力学仿真数据工程值，传送至数据预处理模块；

数据预处理模块去除遥测数据工程值中存在的不连续、跳码这两种非平稳数据，选择有效的遥测数据工程值，并且对有效的遥测数据工程值的产生时间进行分析，判断数据的产生时间是否正确，当数据的产生时间不正确时，将产生时间不正确的有效的遥测数据工程值通过异常报警和图形化显示模块进行显示，数据预处理模块将地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值传送至衍生计算模块；

衍生计算模块对数据预处理模块送来的需要进行衍生计算的有效的遥测数据工程值进行衍生计算，需要进行衍生计算的遥测数据包括实时动态变化的姿态敏感器姿态测量数据，将衍生计算结果通过异常报警和图形化显示模块进行显示，衍生计算模块将衍生计算结果、有效的遥测数据工程值、地面动力学仿真数据工程值传送至数据判读模块；

数据判读模块自动调取判据测试库的测试判据，根据测试判据对衍生计算模块送来的衍生计算结果、有效的遥测数据工程值进行正确性判读，根据测试判据对地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值进行一致性比对判读，判断卫星控制分系统工作状态是否正常，将与测试判据不符的地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值通过异常报警和图形化显示模块进行显示；

异常报警和图形化显示模块将与测试判据不符的地面动力学仿真数据工程值和有效的遥测数据工程值进行异常报警。