CN104821894B - 一种卫星在轨自主管理系统及自主管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星在轨自主管理系统及自主管理方法，通过创新引入总线数据监管单元，采用统一调度各星上分系统进行状态数据发布的方法，直接将状态信息汇总到总线数据监管单元，不需要星务中心计算机进行数据提取，总线数据监管单元直接联合相关信息形成报警信息，发送给星务中心计算机，节省了分时采集遥测的时间和状态信息数据提取的时间，为故障的及时处理争取了宝贵时间，提高了故障处理效率；使用分布式的数据管理方法，优化了星务中心计算机的工作流程，能够处理同时出现的多项故障报警，实现了按故障的危害程度、紧急程度排序处理的智能操作，能在多故障同时出现时最大程度地确保卫星能源和姿态等关键系统的状态得到及时恢复。

Description

一种卫星在轨自主管理系统及自主管理方法

技术领域

本发明涉及一种卫星在轨自主管理系统及自主管理方法，特别涉及一种利用星务中心计算机和总线数据监管单元对卫星健康及状态数据进行实时处理的方法，实现卫星的状态自监视和故障自处理。

背景技术

目前小卫星采用基于星务中心计算机的分层式自主管理方案，即底层自主管理(单机/系统级自主管理)和顶层自主管理(整星级自主管理)同时进行，实现整星的自主管理。底层自主管理依靠单机设备和单个分系统的能力，实现设备故障的自监测、自处理，将故障隔离在系统级。底层自主管理被实践证明是最基本的卫星在轨自主管理手段。顶层自主管理依托总线上的数据交换，由星务中心计算机采集各星上分系统的状态数据，对数据进行关联和分析后进行自主控制，在确保卫星能源、姿态安全的情况下对故障进行处理、对任务进行重新规划。这种分层式自主管理的逻辑如图1所示。顶层自主管理的关键是依托管理设备(星务中心计算机)对整星遥测数据的实时采集和对数据的运算处理，完成对各星上分系统状态的监视和管理。

随着小卫星在轨数量的增加，这种依托管理设备的分层式自主管理方案暴露了问题，即管理设备(星务中心计算机)的健康状态没有受到监视管理。一旦在轨卫星的星务中心计算机出现异常，不但基于星务中心计算机的分层式自主管理方案将失效，而且会造成用户任务的失败，若不能及时处理更会造成遥测遥控功能丢失，造成灾难性的后果。

因此设计一种能够监控星务中心计算机状态的卫星在轨自主管理方法，对提升卫星自主管理水平，提高卫星的可靠性有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种卫星在轨自主管理系统，创新引入总线数据监管单元，通过采用基于星上分系统状态数据发布和整星系统级分布式数据管理、形成自主控制策略的方法，解决了卫星在面对多项故障时不能按故障的危害程度、紧急程度排序处理的问题，解决了卫星没有针对星务中心计算机的在轨状态监控和自主管理方法的问题，提高了卫星在轨的自主管理水平，降低了卫星出现致命故障的风险。

本发明的另外一个目的在于提供一种卫星在轨自主管理方法。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种卫星在轨自主管理系统，包括星务中心计算机、总线数据监管单元和星上分系统，其中：

星务中心计算机：向各个星上分系统发送调度信息；按照设定的时间间隔或者在工作状态发生改变时将自身的健康信息、工作状态信息和卫星任务数据发送给总线数据监管单元；接收总线数据监管单元发送的星上分系统的故障判断结果，根据故障判断结果对星上分系统进行故障处理；

总线数据监管单元：通过总线接收各个星上分系统发送的工作状态信息，并按照预先设定的故障判断标准，判断各个星上分系统是否出现故障，并将故障判断结果发送给星务中心计算机；接收星务中心计算机发送的星务中心计算机自身健康信息、工作状态信息和卫星任务数据，并进行存储，当星务中心计算机出现故障并恢复时，将所述存储的数据中的工作状态信息和卫星任务数据返回给星务中心计算机；

星上分系统：接收到星务中心计算机发送的调度信息后，将工作状态信息通过总线发送给总线数据监管单元，在出现故障时，在星务中心计算机的控制下进行故障恢复。

在上述卫星在轨自主管理系统中，星务中心计算机的健康信息包括单双错计数信息、功能调度信息、广播调度信息和时间管理信息；所述星务中心计算机的工作状态信息包括总线管理信息、各星上分系统设备在离线管理信息和卫星在轨自主管理信息。

在上述卫星在轨自主管理系统中，星务中心计算机中存储故障处理对应表，故障处理对应表将星上分系统的故障进行分类，按照危害程度分为一级故障和二级故障，并在一级故障和二级故障中分别按照紧急程度进行优先级排序；星务中心计算机根据故障判断结果对星上分系统进行处理的方法如下：

(1)、若故障判断结果显示各个星上分系统均正常，则不作处理；

(2)、若故障判断结果显示为单项故障，则查找故障处理对应表，若为一级故障，则终止卫星当前任务，对故障进行处理，若为二级故障，则执行完卫星当前任务后，对故障进行处理；

(3)、若故障判断结果显示为多项故障，则查找故障处理对应表，并按照故障处理对应表中设定的优先级对多项故障进行排序，若有一级故障，则终止卫星当前任务，按照优先级顺序对故障进行逐一处理，处理完一级故障之后，处理二级故障；若仅有二级故障，则执行完卫星当前任务后，按照优先级顺序对故障进行逐一处理。

在上述卫星在轨自主管理系统中，星上分系统包括姿轨控分系统、能源分系统、时间分系统、载荷分系统和数传分系统。

一种卫星在轨自主管理方法，通过卫星在轨自主管理系统实现，所述卫星在轨自主管理系统包括星务中心计算机、总线数据监管单元和星上分系统，具体实现步骤如下：

(1)、星务中心计算机向各个星上分系统发送调度信息，星上分系统接收到星务中心计算机发送的调度信息后，将工作状态信息通过总线发送给总线数据监管单元；同时星务中心计算机按照设定的时间间隔或者在工作状态发生改变时将自身的健康信息、工作状态信息和卫星任务数据发送给总线数据监管单元；

(2)、总线数据监管单元通过总线接收各个星上分系统发送的工作状态信息，并按照预先设定的故障判断标准，判断各个星上分系统是否出现故障，并将故障判断结果发送给星务中心计算机，进入步骤(3)；总线数据监管单元接收星务中心计算机发送的星务中心计算机自身健康信息、工作状态信息和卫星任务数据，进行存储，进入步骤(4)；

(3)、星务中心计算机接收总线数据监管单元发送的星上分系统的故障判断结果，根据故障判断结果对星上分系统进行故障处理；具体方法如下：

(a)、若故障判断结果显示各个星上分系统均正常，则不作处理；

(b)、若故障判断结果显示为单项故障，则查找故障处理对应表，若为一级故障，则终止卫星当前任务，对故障进行处理，若为二级故障，则执行完卫星当前任务后，对故障进行处理；

(c)、若故障判断结果显示为多项故障，则查找故障处理对应表，并按照故障处理对应表中设定的优先级对多项故障进行排序，若有一级故障，则终止卫星当前任务，按照优先级顺序对故障进行逐一处理，处理完一级故障之后，处理二级故障；若仅有二级故障，则执行完卫星当前任务后，按照优先级顺序对故障进行逐一处理；

所述故障处理对应表存储在星务中心计算机中，将星上分系统故障进行分类，按照危害程度分为一级故障和二级故障，并在一级故障和二级故障中分别按照紧急程度进行优先级排序；

(4)、当星务中心计算机出现故障并恢复时，总线数据监管单元将存储的星务中心计算机工作状态信息和卫星任务数据返回给星务中心计算机。

在上述卫星在轨自主管理方法中，星务中心计算机的健康信息包括单双错计数信息、功能调度信息、广播调度信息和时间管理信息。星务中心计算机的工作状态信息包括总线管理信息、各下位机在离线管理信息和卫星在轨自主管理信息。

在上述卫星在轨自主管理方法中，星上分系统包括姿轨控分系统、能源分系统、时间分系统、载荷分系统和数传分系统。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)、与分层式自主管理方案相比，本发明通过在卫星在轨自主管理系统中创新引入总线数据监管单元，采用统一调度各星上分系统进行状态数据发布的方法，直接将状态信息汇总到总线数据监管单元，不再需要星务中心计算机进行数据提取，总线数据监管单元直接联合相关信息形成报警信息，发送给星务中心计算机，这种设计节省了分时采集遥测的时间和状态信息数据提取的时间，为故障的及时处理争取了宝贵时间，大大提高了故障处理效率；

(2)、与分层式自主管理方案的卫星按故障触发时间顺序进行处理的模式相比，本发明使用分布式的数据管理方法，优化了星务中心计算机的工作流程，使其能够处理同时出现的多项故障报警，实现了按故障的危害程度、紧急程度排序处理的智能操作，这种设计能够在多故障同时出现时最大程度地确保卫星能源和姿轨控等关键分系统的状态得到及时恢复；并且分布式的数据管理策略令总线数据监管单元承担了各星上分系统状态数据的提取和处理工作，星务中心计算机因此能够将宝贵的机时专注于卫星多系统故障的自主处理，这样更利于故障处理专家策略的固化；

(3)、与现有的卫星故障自主处理方案相比，本发明设计的卫星在轨自主管理方法解决了没有针对星务中心计算机的在轨状态监控和自主管理方法的问题，利用总线数据监管单元对星务中心计算机的工作状态进行监管，发现状态异常则能够自主地进行状态恢复和卫星任务的恢复，这种设计提高了卫星在轨的自主管理水平，降低了卫星出现致命故障的风险。

附图说明

图1为分层式自主管理方案逻辑示意图；

图2为本发明星上分系统向总线数据监管单元发送状态数据的通信协议示意图；

图3为本发明星务中心计算机向总线数据监管单元发送数据的通信协议示意图；

图4为本发明总线数据监管单元向星务中心计算机发送数据的通信协议示意图；

图5为本发明卫星在轨自主管理系统原理图；

图6为本发明星务中心计算机处理故障流程图。

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5所示为本发明卫星在轨自主管理系统原理图，本发明卫星在轨自主管理系统包括星务中心计算机、总线数据监管单元和星上分系统，各模块的功能如下：

星务中心计算机向各个星上分系统发送调度信息，按照设定的时间间隔或者在工作状态发生改变时(例如某星上分系统设备设置为离线状态)，将自身的健康信息、工作状态信息和卫星任务数据发送给总线数据监管单元；接收总线数据监管单元发送的星上分系统的故障判断结果，根据故障判断结果对星上分系统进行处理。其中星务中心计算机的健康信息包括单双错计数信息、功能调度信息、广播调度信息和时间管理信息等。星务中心计算机的工作状态信息包括总线管理信息、各星上分系统设备在离线管理信息和卫星在轨自主管理信息等。

总线数据监管单元通过总线接收各个星上分系统发送的工作状态信息，并按照预先设定的故障判断标准，判断各个星上分系统是否出现故障，并将故障判断结果发送给星务中心计算机；接收星务中心计算机发送的星务中心计算机自身健康信息、工作状态信息和卫星任务数据，并进行存储，当星务中心计算机出现故障并恢复时，将存储的数据中的工作状态信息和卫星任务数据返回给星务中心计算机。

星上分系统接收到星务中心计算机发送的调度信息后，将工作状态信息通过总线发送给总线数据监管单元，在出现故障时，在星务中心计算机的控制下进行故障恢复。星上分系统包括姿轨控分系统、能源分系统、时间分系统、载荷分系统和数传分系统等。

如图2所示为本发明星上分系统向总线数据监管单元发送状态数据的通信协议示意图；给星上每个星上分系统分配一个唯一的IP地址，星务中心计算机通过该IP识别数据总线上数据的来源。协议包括星上分系统的工作状态(可定义多个工作状态：1～X)；每个定义的工作状态由多字节组成(字节1～字节n,不同类型信息n取值不同)。星务中心计算机统一调度各星上分系统通过该协议将自身的工作状态打包发送到星上数据总线上。

如图3所示为本发明星务中心计算机向总线数据监管单元发送数据的通信协议示意图；图4所示为本发明总线数据监管单元向星务中心计算机发送数据的通信协议示意图。星务中心计算机的多组工作状态(1～Y组)和多项健康信息(1～X项)连同用户上注的卫星任务数据(可包含多个任务：1～Z个)按图3协议格式发送给总线数据监管单元。当某星上分系统出现故障需要恢复时，总线数据监管单元按图4协议格式，将故障判断结果发送给星务中心计算机。当星务中心计算机出现故障需要恢复时，总线数据监管单元按图4协议格式，将保存的星务中心计算机工作状态信息和卫星任务数据，发送给星务中心计算机。

如图6所示为本发明星务中心计算机处理故障流程图，本发明卫星在轨自主管理系统的实现方法，具体实现步骤如下：

(1)、星务中心计算机向各个星上分系统发送调度信息，星上分系统接收到星务中心计算机发送的调度信息后，将工作状态信息通过总线发送给总线数据监管单元；同时星务中心计算机按照设定的时间间隔或者在工作状态发生改变时将自身的健康信息、工作状态信息和卫星任务数据发送给总线数据监管单元。

(2)、总线数据监管单元通过总线接收各个星上分系统发送的工作状态信息，并按照预先设定的故障判断标准，判断各个星上分系统是否出现故障，并将故障判断结果发送给星务中心计算机，进入步骤(3)；

各个星上分系统采集自身工作状态，例如能源系统检查整星电流和电压；姿控系统检查当前工作模式、阳照情况、轨道情况；时间系统检查高低精度时间的准确度等，将状态数据按图2协议格式封装后发送给总线数据监管单元。总线数据监管单元更新存储这些状态数据的同时进行系统间数据的关联，依据事先制定的故障判断标准形成故障判断结果，并将此结果发送给星务中心计算机。例如，总线数据监管单元对照故障判断标准，在判断姿控系统工作模式正常、卫星轨道有效、且卫星处于阳照区后，进一步判断能源系统的载荷工作电流是否正常，一旦发现电流异常，超出于故障判断标准中的标准数据，则向星务中心计算机发出“阳照区载荷电流异常”的故障判断结果。

同时，总线数据监管单元接收星务中心计算机发送的星务中心计算机自身健康信息、工作状态信息和卫星任务数据，进行存储，进入步骤(4)。

(3)、星务中心计算机接收总线数据监管单元发送的星上分系统的故障判断结果，根据故障判断结果对星上分系统进行故障处理；实际处理时星务中心计算机根据故障危害程度、紧急程度和任务执行情况中进行综合判断，具体方法如下：

(a)、若故障判断结果显示各个星上分系统均正常，则不作处理；

(b)、若故障判断结果显示为单项故障，则查找故障处理对应表，若为一级故障，则终止卫星当前任务，对故障进行处理，若为二级故障，则执行完卫星当前任务后，对故障进行处理；

(c)、若故障判断结果显示为多项故障，则查找故障处理对应表，按照故障处理对应表中设定的优先级对多项故障进行排序，若有一级故障，则终止卫星当前任务，按照优先级顺序对故障进行逐一处理，处理完一级故障之后，处理二级故障；若仅有二级故障，则执行完卫星当前任务后，按照优先级顺序对故障进行逐一处理。

其中故障处理对应表将星上分系统故障进行分类，按照危害程度分为一级故障和二级故障，并在一级故障和二级故障中分别按照紧急程度进行优先级排序，故障处理对应表存储在星务中心计算机中。

例如，故障判断结果显示共有四个故障，分别为：阳照区载荷电流异常故障、姿控系统进入非期望控制模式故障、载荷舱温度高故障和高精度时间不连续故障；查找故障处理对应表，按照表中的优先级顺序排列如下：

一级：(11)姿控系统进入非期望控制模式故障、(12)阳照区载荷电流异常故障；

二级：(21)高精度时间不连续故障、(22)载荷舱温度高故障；

星务中心计算机首先终止卫星当前任务，再按照优先级顺序先处理姿控系统进入非期望控制模式故障，处理结束后，继续处理阳照区载荷电流异常故障；等一级故障处理完毕后，按优先级顺序先后处理高精度时间不连续故障和载荷舱温度高故障。

(4)、由于星务中心计算机负责卫星任务的存储和调度，因此需要实时监测任务存储情况，防止空间环境对任务数据造成破坏，必要时星务中心计算机对受损的任务数据进行恢复。因此当星务中心计算机出现故障并恢复时，总线数据监管单元将存储的星务中心计算机工作状态信息和卫星任务数据，返回给星务中心计算机。

总线数据监管单元对接收到的星务中心计算机工作状态信息和卫星任务数据进行三模冗余保存，确保这些重要数据不因空间环境等原因出错，同时通过星务中心计算机的健康信息判断其健康状态，当发现异常后立即按图4协议格式将工作状态信息和卫星任务数据发送给星务中心计算机，对故障进行处理，恢复星务中心计算机工作状态和卫星的任务数据。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种卫星在轨自主管理系统，其特征在于：包括星务中心计算机、总线数据监管单元和星上分系统，其中：

星务中心计算机：向各个星上分系统发送调度信息；按照设定的时间间隔或者在工作状态发生改变时将自身的健康信息、工作状态信息和卫星任务数据发送给总线数据监管单元；接收总线数据监管单元发送的星上分系统的故障判断结果，根据故障判断结果对星上分系统进行故障处理；

总线数据监管单元：通过总线接收各个星上分系统发送的工作状态信息，并按照预先设定的故障判断标准，判断各个星上分系统是否出现故障，并将故障判断结果发送给星务中心计算机；接收星务中心计算机发送的星务中心计算机自身健康信息、工作状态信息和卫星任务数据，并进行存储，当星务中心计算机出现故障并恢复时，将所述存储的数据中的工作状态信息和卫星任务数据返回给星务中心计算机；

星上分系统：接收到星务中心计算机发送的调度信息后，将工作状态信息通过总线发送给总线数据监管单元，在出现故障时，在星务中心计算机的控制下进行故障恢复；

所述星务中心计算机中存储故障处理对应表，故障处理对应表将星上分系统的故障进行分类，按照危害程度分为一级故障和二级故障，并在一级故障和二级故障中分别按照紧急程度进行优先级排序；星务中心计算机根据故障判断结果对星上分系统进行处理的方法如下：

(1)、若故障判断结果显示各个星上分系统均正常，则不作处理；

(2)、若故障判断结果显示为单项故障，则查找故障处理对应表，若为一级故障，则终止卫星当前任务，对故障进行处理，若为二级故障，则执行完卫星当前任务后，对故障进行处理；

(3)、若故障判断结果显示为多项故障，则查找故障处理对应表，并按照故障处理对应表中设定的优先级对多项故障进行排序，若有一级故障，则终止卫星当前任务，按照优先级顺序对故障进行逐一处理，处理完一级故障之后，处理二级故障；若仅有二级故障，则执行完卫星当前任务后，按照优先级顺序对故障进行逐一处理。

2.根据权利要求1所述的一种卫星在轨自主管理系统，其特征在于：所述星务中心计算机的健康信息包括单双错计数信息、功能调度信息、广播调度信息和时间管理信息；所述星务中心计算机的工作状态信息包括总线管理信息、各星上分系统设备在离线管理信息和卫星在轨自主管理信息。

3.根据权利要求1所述的一种卫星在轨自主管理系统，其特征在于：所述星上分系统包括姿轨控分系统、能源分系统、时间分系统、载荷分系统和数传分系统。

4.一种卫星在轨自主管理方法，其特征在于：通过卫星在轨自主管理系统实现，所述卫星在轨自主管理系统包括星务中心计算机、总线数据监管单元和星上分系统，具体实现步骤如下：

(1)、星务中心计算机向各个星上分系统发送调度信息，星上分系统接收到星务中心计算机发送的调度信息后，将工作状态信息通过总线发送给总线数据监管单元；同时星务中心计算机按照设定的时间间隔或者在工作状态发生改变时将自身的健康信息、工作状态信息和卫星任务数据发送给总线数据监管单元；

(2)、总线数据监管单元通过总线接收各个星上分系统发送的工作状态信息，并按照预先设定的故障判断标准，判断各个星上分系统是否出现故障，并将故障判断结果发送给星务中心计算机，进入步骤(3)；总线数据监管单元接收星务中心计算机发送的星务中心计算机自身健康信息、工作状态信息和卫星任务数据，进行存储，进入步骤(4)；

(3)、星务中心计算机接收总线数据监管单元发送的星上分系统的故障判断结果，根据故障判断结果对星上分系统进行故障处理；具体方法如下：

(a)、若故障判断结果显示各个星上分系统均正常，则不作处理；

(b)、若故障判断结果显示为单项故障，则查找故障处理对应表，若为一级故障，则终止卫星当前任务，对故障进行处理，若为二级故障，则执行完卫星当前任务后，对故障进行处理；

(c)、若故障判断结果显示为多项故障，则查找故障处理对应表，并按照故障处理对应表中设定的优先级对多项故障进行排序，若有一级故障，则终止卫星当前任务，按照优先级顺序对故障进行逐一处理，处理完一级故障之后，处理二级故障；若仅有二级故障，则执行完卫星当前任务后，按照优先级顺序对故障进行逐一处理；

所述故障处理对应表存储在星务中心计算机中，将星上分系统故障进行分类，按照危害程度分为一级故障和二级故障，并在一级故障和二级故障中分别按照紧急程度进行优先级排序；

(4)、当星务中心计算机出现故障并恢复时，总线数据监管单元将存储的星务中心计算机工作状态信息和卫星任务数据返回给星务中心计算机。

5.根据权利要求4所述的一种卫星在轨自主管理方法，其特征在于：所述星务中心计算机的健康信息包括单双错计数信息、功能调度信息、广播调度信息和时间管理信息， 星务中心计算机的工作状态信息包括总线管理信息、各下位机在离线管理信息和卫星在轨自主管理信息。

6.根据权利要求4所述的一种卫星在轨自主管理方法，其特征在于：所述星上分系统包括姿轨控分系统、能源分系统、时间分系统、载荷分系统和数传分系统。