CN105259759B - 一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法 - Google Patents

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一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，主控模块、各功能模块以及功能模块的备用模块通过即插即用标准接口进行连接，形成飞行器可重构电气系统，主控模块通过智能化算法根据空间飞行器执行任务选择需要的功能模块，按照可重构算法对功能模块进行激活，构成执行相应任务的电气系统，通过故障诊断算法对电气系统的功能模块进行检查，当某个功能模块存在故障时，隔离该功能模块并激活其备用模块，重构执行该任务的电气系统，完成任务操作。本发明可以有效满足空间飞行器多任务输入要求，降低飞行器执行任务的成本。

Description

一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法
技术领域
本发明涉及一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，属于综合电子技术领域。
背景技术
随着人类在科学试验、深空探测、商业服务及太空军事应用方面的航天活动日益频繁，航天器电子系统需要满足空间运输、空间碎片清除、在轨服务和维修等多种任务的不同功能需求。从总体趋势上看，未来空间飞行器的电气系统需要承担更多的空间任务，传统的电气系统通过高可靠性和高冗余保证电子系统正常工作，并通过增加硬件设备和软件设备实现空间飞行器任务功能。这一设计方式已经面临着巨大的压力和不断上升的成本。因此未来在设计空间飞行器电气系统时，需要跳出传统设计思路，在航天领域，随着智能化技术、功能模块规范设计、即插即用等技术取得重大突破，美国已经在卫星多任务设计过程中建立了顶层即插即用设计规范，并在地面生产过程中研究特定功能模块，在地面上通过设计人员编程并改变硬件电路实现执行多任务卫星的可重构和快速生产。其缺陷是每一次重构都需要地面人员参与，每次可重构后都需要运载工具发射到指定轨道执行相应任务，虽然较传统手段前进了一些，但是实现过程仍然很复杂，且成本仍然较高。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，满足空间飞行器多任务输入要求，降低飞行器执行任务的成本。
本发明的技术解决方案是：一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，步骤如下：
(1)设计主控模块，将飞行器电气系统各功能模块的控制功能集成到主控模块中，各功能模块以及功能模块的备用模块只保留执行功能；
(2)为主控模块、各功能模块以及功能模块的备用模块设计即插即用标准接口，通过所述即插即用标准接口将主控模块、各种功能模块以及功能模块的备用模块进行连接，形成飞行器可重构电气系统，进入步骤(3)；
(3)当空间飞行器运行到在轨指定区域时，主控模块根据空间飞行器要执行的任务，利用智能化算法从可重构电气系统中选中相应的功能模块，并按照可重构算法对功能模块进行激活，形成执行相应任务的电气系统，进入步骤(4)；
(4)主控模块根据故障诊断算法对步骤(2)选中的功能模块进行故障检测，当步骤(3)选中的功能模块没有故障时，进入步骤(5)；当检测出某个功能模块有故障时，主控模块确定故障功能模块后，锁定功能模块接口并对故障功能模块进行断电隔离，然后激活故障功能模块的备用功能模块，对步骤(3)执行相应任务的电气系统进行重构，进入步骤(5)；
(5)利用得到的电气系统执行相关任务操作，完成后主控模块发出指令为参与任务操作的功能模块和备用功能模块断电，然后返回步骤(3)执行下一任务，直到完成所有任务为止。。
所述智能化算法包括以下步骤：
(2.1)主控模块判断空间飞行器要执行的任务是固定任务还是临时任务，如果要执行任务的任务时序和任务指令与主控模块预先写入的任务时序和任务指令相同，则该任务为固定任务，进入步骤(2.2)，否则为临时任务，进入步骤(2.3)；
(2.2)主控模块根据预先写入的任务指令从可重构电气系统中选中需要的功能模块以及电源功能模块；
(2.3)主控模块接收地面上传的任务指令，根据接收的任务指令从可重构电气系统中选中需要的功能模块以及电源功能模块；
所述任务指令包括要执行的功能以及需要的功能模块。
所述可重构算法包括以下步骤：
(3.1)定义选中的功能模块即插即用接口的数据传输方式，所述数据传输方式为SPA-U数据传输方式或SPA-S数据传输方式，所述SPA-U数据传输方式支持低数据传输率，SPA-S数据传输方式支持高数据传输率；
(3.2)根据要执行的任务时序表确定功能模块的数据传输顺序；
(3.3)利用可编程逻辑器件对电气系统硬件电路进行控制，对未被选中的功能模块进行隔离并锁定；
(3.4)并控制电源功能模块为选中的功能模块上电，实现对功能模块的激活。
所述故障诊断算法包括以下步骤：
(4.1)在所重构的电气系统中，主控模块通过即插即用标准接口接收各功能模块输出的数据；
(4.2)应用3层BP神经网络算法实时计算第i个功能模块的输出数据与预先写入的该功能模块的故障征兆集合X的聚类中心长度d，所述3层BP神经网络算法的1层为隐层，输入层单元数Nin和输出层单元数Nout根据情况给定，隐层单元数为8；i为自然数，i＝1，2，……，所重构电气系统中功能模块个数；
(4.3)将聚类中心长度d与预先写入的第i个功能模块的故障原因集合Y进行匹配，在马尔科夫判断算法的约束条件下采用高斯模糊算法实时计算出相似度，在预先设定的时间范围内，如果相似度大于0.3，认为第i个功能模块出现故障，否则，认为第i个功能模块没有故障；
(4.4)在不同i的取值下，重复执行步骤(4.2)—(4.3)，完成所重构的电气系统中各个功能模块的故障检测。
所述马尔科夫判断算法是指故障是独立的、无后效性的事件。
所述即插即用标准接口是能够通过电缆连接的标准USB接口，即插即用接口通过电流信号和频率传递信息，主控模块通过即插即用接口变换电流信号和电流频率来控制各个功能模块动作。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明给出了空间飞行器在多任务要求条件下电气系统完成各种不同任务的实现方法。该方法打破了传统分系统分工，将各系统的控制功能集成到一个主控模块上，通过智能化算法和即插即用功能，实现电气系统的可重构，从而满足未来空间飞行器在轨工作的多任务要求，降低了飞行器执行任务的成本，有利于促进我国航天电子技术的持续发展。
(2)本发明采用可重构算法实现针对特定任务的系统重构。通过可编程逻辑器件从硬件层次改变电路结构，对不参与工作的功能模块进行隔离并锁定，从而防止不参与工作的功能模块误响应，影响电气系统在空间中的任务执行，在通过重构满足在轨多任务要求的同时，确保了可重构电气系统工作的可靠性。
(3)本发明通过设计即插即用标准接口规范电气系统各个功能模块和主控模块的接口。如果采用传统的电气系统接口，则在实现可重构电气系统时，各类接口之间频繁存在数据传输方式的不断转换，系统设计庞大且容易出错，本发明避免了传统电气系统不同类型接口之间传输方式的转换，简化了设计，将数据转换的差错率降到最低，提高了可重构电气系统工作的准确性和可靠性，降低了执行空间任务的成本。
(4)本发明在电气系统执行任务前采集电气系统各功能模块状态信息，利用故障诊断算法对系统的功能模块进行监测和诊断，发现故障模块并定位，然后锁定故障模块接口并断电隔离，能够自动检查功能模块并隔离，提高了飞行器可重构电气系统工作的可靠性，确保了电气系统任务的准确执行。
附图说明
图1为智能化即插即用的可重构电气系统工作流程图；
图2为智能化即插即用的可重构电气系统方案设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
随着人类在科学试验、深空探测、商业服务及太空军事应用方面的航天活动日益频繁，航天器电子系统需要满足空间运输、空间碎片清除、在轨服务和维修等多种任务的不同功能需求。传统的电气系统已经不能满足空间飞行器多任务要求，因此需要研究新型的可重构电气系统来满足空间飞行器的多任务要求。
本发明用于根据未来空间任务的多样化要求，解决传统电气系统配置多套软硬件资源满足不同任务模式的问题，从而达到精简设备和降低成本的目的。利用电气系统的可重用资源并根据空间实际任务要求重新构建系统。可重构电气系统通过智能化算法实现对空间飞行器任务判断，通过任务需求选择功能模块利用可重构算法实现重构，通过故障检测算法对故障模块的信息进行收集和再处理，并对故障模块进行隔离，将安全的功能模块重新配置到系统中；通过即插即用功能实现电子系统各个功能模块与主控模块的有机结合。
因此，引入智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，根据空间飞行器的多任务要求，设计相关功能模块，并将传统的功能模块控制功能集成到电气系统主控模块中，实现电气系统结构设计的简单化和高效化。主控模块、各功能模块以及功能模块的备用模块通过即插即用标准接口进行连接，形成飞行器可重构电气系统，主控模块通过智能化算法根据空间飞行器执行任务选择需要的功能模块，按照可重构算法对功能模块进行激活，构成执行相应任务的电气系统，通过故障诊断算法对电气系统的功能模块进行检查。当某个功能模块存在故障时，隔离该功能模块并激活其备用模块，重构执行该任务的电气系统，完成任务操作。本发明可以有效满足空间飞行器多任务输入要求，降低飞行器执行任务的成本，并带动相关技术取得突破。
如图1所示，本发明具体实施步骤如下：
(1)设计主控模块，将飞行器电气系统各种功能模块的控制功能集成到主控模块中，各功能模块以及功能模块的备用模块只保留执行功能；
(2)为主控模块、各功能模块以及功能模块的备用模块设计即插即用标准接口，通过所述即插即用标准接口将主控模块、各功能模块以及功能模块的备用模块在地面完成连接，形成飞行器可重构电气系统，然后将空间飞行器发射到相关轨道上后，进入步骤(3)；所述即插即用标准接口是能够通过电缆连接的标准USB接口，即插即用接口通过电流信号和频率传递信息，主控模块通过即插即用接口变换电流信号和电流频率来控制各个功能模块动作。
(3)当空间飞行器运行到在轨指定区域时，主控模块根据空间飞行器要执行的任务，利用智能化算法从可重构电气系统中选中相应的功能模块，并按照可重构算法对功能模块进行激活，形成执行相应任务的电气系统，进入步骤(4)；
智能化算法包括以下步骤：
(2.1)主控模块判断空间飞行器要执行的任务是固定任务还是临时任务，如果要执行任务的任务时序和任务指令与主控模块预先写入的任务时序和任务指令相同，则该任务为固定任务，进入步骤(2.2)，否则为临时任务，进入步骤(2.3)；
(2.2)主控模块根据预先写入的任务指令从可重构电气系统中选中需要的功能模块以及电源功能模块；
(2.3)主控模块接收地面上传的任务指令，根据接收的任务指令从可重构电气系统中选中需要的功能模块以及电源功能模块；
所述任务指令包括要执行的功能以及需要的功能模块。
可重构算法包括以下步骤：
(3.1)定义选中的功能模块即插即用接口的数据传输方式；
(3.2)根据要执行的任务时序表确定功能模块的数据传输顺序；
(3.3)利用可编程逻辑器件对电气系统硬件电路进行控制，对未被选中的功能模块进行隔离并锁定；
(3.4)启动选中功能模块的即插即用接口，并控制电源功能模块为选中的功能模块上电，实现对功能模块的激活。
(4)采用本发明中的故障诊断算法对电气系统选中的功能模块进行故障诊断，当步骤(3)形成的电气系统所有功能模块正常工作时，系统按正常程序进行工作；当发现功能模块故障时，电气系统主控模块控制电源功能模块将对故障模块进行断电隔离，并将激活备用功能模块引入电气系统中，对步骤(3)执行相应任务的电气系统进行重构，进入步骤(5)；
故障诊断算法包括以下步骤：
(4.1)在所重构的电气系统中，主控模块通过即插即用标准接口接收各功能模块输出的数据；
(4.2)应用3层BP神经网络算法计算第i个功能模块的输出数据与预先写入的该功能模块的故障征兆集合X的聚类中心长度d，所述3层BP神经网络算法的1层为隐层，输入层单元数Nin和输出层单元数Nout根据情况给定，隐层单元数为8；i为自然数，i＝1，2，……，所重构电气系统中功能模块个数；
(4.3)将聚类中心长度d与预先写入的第i个功能模块的故障原因集合Y进行匹配，采用高斯模糊算法，在马尔科夫判断算法(故障是独立的、无后效性的事件)的约束条件下计算出相似度，当相似度大于0.3时，认为第i个功能模块出现故障，否则，认为第i个功能模块没有故障；
(4.4)在不同i的取值下，重复执行步骤(4.2)—(4.3)，完成所重构的电气系统中各个功能模块的故障检测。
(5)确认电气系统正常工作后，完成当前任务，主控模块发出指令为参与任务操作的功能模块和备用功能模块(当有功能模块故障时，形成的电气系统就包含备用功能模块)断电，然后返回步骤(3)执行下一任务，直到完成所有任务为止。
实施例：
以卫星在太空执行多任务为例，卫星的电气系统包括测量通信、电源、GNC、数据管理、温度控制等功能模块。
根据本发明的电气系统可重构电气系统方法实现相关功能，举例如下：
(1)设计卫星电气系统的主控模块，将飞行器电气系统各种功能模块的控制功能集成到主控模块中，各功能模块以及功能模块的备用模块只保留执行功能，如测量通信功能模块、电源功能模块、GNC功能模块、数据管理功能模块。
(2)为主控模块、各种功能模块以及功能模块的备用模块设计即插即用标准接口，通过即插即用标准接口将主控模块和各种功能模块以及功能模块的备用模块进行连接，形成飞行器可重构电气系统，运载工具将卫星运送到指定轨道，进入步骤(3)。
(3)当空间飞行器运行到在轨指定区域时，根据空间飞行器要执行的任务，利用智能化算法从可重构电气系统中选中相应的功能模块，并按照可重构算法对功能模块进行激活，形成执行相应任务的电气系统，进入步骤(4)；
在本实施例中，空间飞行器执行第一个任务为通信工作。智能化算法经过判断得出该任务为固定任务，因此主控模块根据预先写入的任务指令从可重构电气系统中选中测量通信功能模块、电源功能模块、数据管理功能模块。
主控模块按照可重构算法对功能模块进行激活，步骤为：
(3.1)定义选中的功能模块即插即用接口的数据传输方式为SPA-U数据传输方式；
(3.2)根据通信工作的任务时序表确定功能模块的数据传输顺序为电源功能模块、测量通信功能模块和数据管理功能模块：
(3.3)利用可编程逻辑器件对电气系统硬件电路进行控制，对GNC功能模块进行隔离并锁定；
(3.4)控制电源功能模块为选中的功能模块上电，实现对功能模块的激活。
(4)主控模块根据故障诊断算法对测量通信功能模块、电源功能模块、数据管理功能模块进行故障检测，
检测方法为：首先主控模块通过即插即用标准接口接收测量通信功能模块、电源功能模块、数据管理功能模块输出的数据。以检测测量通信功能模块为例，应用3层BP神经网络算法实时计算测量通信功能模块的输出数据与预先写入的测量通信功能模块的故障征兆集合X的聚类中心长度d，隐层单元数按经验计算设为8，根据卫星执行通信任务时发生的故障种类，设输入层单元数Nin的数值为6，输出层单元数Nout的数值为5。最后将聚类中心长度d与预先写入的测量通信功能模块的故障原因集合Y进行匹配，根据马尔科夫判断算法约束，故障是独立的、无后效性的事件。采用高斯模糊算法实时相似度s，计算公式如方程组(1)所示，初始相似度设为0。在预先设定的时间范围内，当测量通信功能模块相似度大于0.3时，认为测量通信功能模块出现故障，反之认为测量通信功能模块没有出现故障。
公式(1)中，sl表示的是第l次的相似度，Y表示故障原因集，kl表示第l次的距离相似度系数，fl表示第l次的模糊相似度系数，U是故障概率划分集合，ul是第l次中由故障原因yl引起的故障概率，k(sl,ul)表示在第l次产生的相似度条件下，由故障ul的发生概率，d是第l次实时计算的聚类中心长度，d是前l次聚类中心长度的平均值。
利用高斯模糊算法实时计算的好处是在预先设定的时间范围内，能够实时判断功能模块是否发生故障，提高了故障检测的实时性和可靠性。
按照上述方法完成电源功能模块、数据管理功能模块的故障检测，当3个功能模块经过检查没有故障问题时，进入步骤(5)。当发现某功能模块出现问题后，假设数据管理功能模块出现问题，主控模块确定数据管理功能模块，锁定其接口，通过控制电源功能模块对数据管理功能模块进行断电隔离，然后激活备用的数据管理功能模块，备用的数据管理功能模块与主控模块、电源功能模块和测量通信功能模块根据通信任务要求进行系统重构，进入步骤(5)。
(5)当测量通信功能模块、电源功能模块、数据管理功能模块均没有故障时，主控模块和这3个模块组成的电气系统根据通信任务要求执行通信任务操作，卫星完成通信任务后，主控模块向电源功能模块发送指令为测量通信功能模块和数据管理功能模块断电，当某功能模块出现问题后(数据管理功能模块故障)，主控模块、测量通信功能模块、电源功能模块、备用的数据管理功能模块组成的电气系统根据通信任务要求执行通信任务操作，完成通信任务后，主控模块向电源功能模块发送指令为测量通信功能模块和备用的数据管理功能模块断电，
然后返回步骤(3)，根据要执行的下一个任务按照上述完成通信任务的方法重新从可重构电气系统中选中新任务需要的功能模块，进行故障检测后执行相应的任务。直到完成所有任务为止。
本发明的设计特点是根据电气系统功能模块的不同作用，实现短时间内电气系统的快速构建和灵活变换。
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 (5)

1.一种智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，其特征在于步骤如下：
(1)设计主控模块，将飞行器电气系统各功能模块的控制功能集成到主控模块中，各功能模块以及功能模块的备用模块只保留执行功能；
(2)为主控模块、各功能模块以及功能模块的备用模块设计即插即用标准接口，通过所述即插即用标准接口将主控模块、各种功能模块以及功能模块的备用模块进行连接，形成飞行器可重构电气系统，进入步骤(3)；
(3)当空间飞行器运行到在轨指定区域时，主控模块根据空间飞行器要执行的任务，利用智能化算法从可重构电气系统中选中相应的功能模块，并按照可重构算法对功能模块进行激活，形成执行相应任务的电气系统，进入步骤(4)；
所述智能化算法包括以下步骤：
(2.1)主控模块判断空间飞行器要执行的任务是固定任务还是临时任务，如果要执行任务的任务时序和任务指令与主控模块预先写入的任务时序和任务指令相同，则该任务为固定任务，进入步骤(2.2)，否则为临时任务，进入步骤(2.3)；
(2.2)主控模块根据预先写入的任务指令从可重构电气系统中选中需要的功能模块以及电源功能模块；
(2.3)主控模块接收地面上传的任务指令，根据接收的任务指令从可重构电气系统中选中需要的功能模块以及电源功能模块；
所述任务指令包括要执行的功能以及需要的功能模块；
(4)主控模块根据故障诊断算法对步骤(2)选中的功能模块进行故障检测，当步骤(3)选中的功能模块没有故障时，进入步骤(5)；当检测出某个功能模块有故障时，主控模块确定故障功能模块后，锁定功能模块接口并对故障功能模块进行断电隔离，然后激活故障功能模块的备用功能模块，对步骤(3)执行相应任务的电气系统进行重构，进入步骤(5)；
(5)利用得到的电气系统执行相关任务操作，完成后主控模块发出指令为参与任务操作的功能模块和备用功能模块断电，然后返回步骤(3)执行下一任务，直到完成所有任务为止。
2.根据权利要求1所述的智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，其特征在于：所述可重构算法包括以下步骤：
(3.1)定义选中的功能模块即插即用接口的数据传输方式，所述数据传输方式为SPA-U数据传输方式或SPA-S数据传输方式，所述SPA-U数据传输方式支持低数据传输率，SPA-S数据传输方式支持高数据传输率；
(3.2)根据要执行的任务时序表确定功能模块的数据传输顺序；
(3.3)利用可编程逻辑器件对电气系统硬件电路进行控制，对未被选中的功能模块进行隔离并锁定；
(3.4)并控制电源功能模块为选中的功能模块上电，实现对功能模块的激活。
3.根据权利要求1所述的智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，其特征在于：所述故障诊断算法包括以下步骤：
(4.1)在所重构的电气系统中，主控模块通过即插即用标准接口接收各功能模块输出的数据；
(4.2)应用3层BP神经网络算法实时计算第i个功能模块的输出数据与预先写入的该功能模块的故障征兆集合X的聚类中心长度d，所述3层BP神经网络算法的1层为隐层，输入层单元数Nin和输出层单元数Nout根据情况给定，隐层单元数为8；i为自然数，i＝1，2，……，N，N为功能模块个数；
(4.3)将聚类中心长度d与预先写入的第i个功能模块的故障原因集合Y进行匹配，在马尔科夫判断算法的约束条件下采用高斯模糊算法实时计算出相似度，在预先设定的时间范围内，如果相似度大于0.3，认为第i个功能模块出现故障，否则，认为第i个功能模块没有故障；
(4.4)在不同i的取值下，重复执行步骤(4.2)—(4.3)，完成所重构的电气系统中各个功能模块的故障检测。
4.根据权利要求3所述的智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，其特征在于：所述马尔科夫判断算法针对的故障是独立的、无后效性的事件。
5.根据权利要求1所述的智能化即插即用的飞行器电气系统可重构方法，其特征在于：所述即插即用标准接口是能够通过电缆连接的标准USB接口，即插即用接口通过电流信号和频率传递信息，主控模块通过即插即用接口变换电流信号和电流频率来控制各个功能模块动作。
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