CN107861840B - 一种增强小卫星在轨可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

一种增强小卫星在轨可靠性的方法，涉及航天器在轨可靠性保障领域，解决现有小卫星在轨执行任务时易存在单机部件失控或整星失控进而导致可靠性差以及工作效率低等问题，利用中断来解决小卫星在通信异常的方法，通过星上软件自主解决RS422总线、CAN总线和PPS秒脉冲信号持续异常问题，当某一单机通信异常时，可通过不断进中断的方式，当进中断的次数达到预定的阈值之后，将该单机的通信接口屏蔽掉，将该单机部件进行重启。由于处理异常的方法是在应用软件中进行的，故可以达到快速响应并处理异常的效果。解决了卫星上天之后只能通过地面注入遥控指令来解决异常的问题，有效地提高小卫星在轨运行的可靠性和稳定性。

Description

一种增强小卫星在轨可靠性的方法

技术领域

本发明涉及航天器在轨可靠性保障领域，具体涉及一种增强小卫星在轨可靠性的方法。

背景技术

在工程实际应用过程中，国内的大多数小卫星采用方法是将遥测数据采集到地面之后，根据预先设定的故障解决方案，通过上行发送遥控指令，对发生异常的位置进行跟踪以及处理。因此不能对卫星在轨复杂的状况进行及时的判断以及维护。国内现有的技术中，对卫星健康状况的评估以及异常检测方面的技术尚未成熟。

现代小卫星重量轻，体积小，具有性能高、成本低的特点。现代小卫星的应用十分广泛。不但在通信、观测、农业、海洋、气象等领域发挥重要作用，还能满足军事上快速研制、并根据战时需要应急发射的特殊要求。未来我国航天卫星领域中微小卫星发射所占比例越来越大，市场对航天信息产品的需求日益增加。微小卫星作为未来航天产业发展的重要方向，发射周期短、数量多，卫星本身类型多、功能差异化大、方案和部件更是各不相同。

面对复杂的空间环境，小卫星在轨执行任务时可能会出现各种异常的情况，轻则单机部件失控，重则将导致整星失控，因此提高小卫星在轨运行的可靠性成为了限制小卫星发展的突出问题。

而在轨可靠性的维护成为小卫星发展的一项关键技术，我国的航天水平还处于发展阶段，同时相关技术的落后制约了小卫星的发展。而提高小卫星的在轨可靠性，有利于保证飞行任务的顺利进行，也有利于延长小卫星的在轨寿命。对于小卫星的发展和提高都有借鉴性的意义。

下面以一个典型的卫星故障处理方法来说明现有的技术方案。

卫星在轨进行飞行和实验任务时，通过下传遥测参数向地面反馈星上的状态以及实验数据。当星上某一系统发生故障时，传统的异常处理过程是依靠星地之间数据的互传。卫星在研制设计过程中会涉及到几百到上千个遥测参数，这些参数按照一定帧频下传到地面。地面卫星测控中心先对数据进行预处理，通过对数据的分析来实现状态监测报警。通过对故障模式的原因、性质研究，提出诊断方法、应对故障策略，建立故障模式以及对策库。根据不同的故障模式，相应地通过卫星测控中心上注遥控指令，对星上故障做出跟踪处理。传统解决卫星故障的方式，在故障检测和故障处置的过程中存在很多缺陷：

(1)故障检测

传统卫星在轨故障诊断方式为地面根据卫星在轨过程中发送回来的遥测数据，实时进行数据解析并判断遥测数据是否超过给定范围，超过范围后发生异常报警，根据发射前制定的故障预案进行自动处置或者联系卫星研制方进行处置。传统故障诊断方式以下方面的存在不足：

第一、接收卫星遥测参数依赖地面测控系统测站资源，故障诊断成本比较高；

第二、卫星在轨飞行中可用的测控时间有限，卫星诊断时间较短，不能在故障发生后及时作出诊断；

第三、在故障后遥测数据不刷新或没有遥测数据下传时，地面诊断系统缺少卫星遥测数据支持无法进行判断。

(2)故障处置

根据预先设定的故障方案，由地面发送遥控指令，对卫星出现的异常情况进行有效地处理。人为通过上注遥控指令进行故障处理，相较于本方法，存在两个显著的缺点：

第一、从诊断到卫星故障到上注指令进行处置，往往需要经过地面确认卫星状态，再申请测控系统测站资源对故障进行处置，消耗测控资源并且处置时间滞后。

第二、如果发生故障后卫星不再响应地面指令控制，地面处置将会失败。

发明内容

本发明为解决现有小卫星在轨执行任务时易存在单机部件失控或整星失控进而导致可靠性差以及工作效率低等问题，提供一种利用中断来解决小卫星在通信异常的方法，利用中断的方法可以实时快速地解决小卫星在轨通信异常的问题。

一种增强小卫星在轨可靠性的方法，通过星上软件自主解决RS422总线、CAN总线和PPS秒脉冲信号持续异常问题，该方法由以下步骤实现：

步骤一、中心机作为通信主机向单机部件发起通信后，单机部件响应中心机的通信请求，中心机采用中断接收方式接收数据；

步骤二、中心机执行中断服务函数；

步骤二一、关闭中断、更新累加响应次数；

步骤二二、判断中断响应次数是否超过中断响应次数的阈值，如果否，则中心机进行数据接收后开启中断后退出，执行步骤三；如果是，则直接退出中断服务函数，执行步骤三；

步骤三、中心机更新遥测参数，并对单机部件中断接收状态进行检测，如检测到中断状态开启后，执行步骤四；如检测到中断状态关闭后，进行步骤三一；

步骤三一、对主用单机部件进行断电，并记录所述单机部件的异常处理次数；

步骤三二、判断异常处理次数是否等于2；如果是，对主用单机进行加电操作，执行步骤三四；如果否，进行步骤三三；

步骤三三、判断异常处理次数是否等于3，如果是，将备用单机加电，执行步骤三四；如果否，执行步骤三四；

步骤三四、将中断端口打开，执行步骤五；

步骤四、判断单机部件的通信状态是否异常，如果否，执行步骤五；如果是，则进入异常处置函数，退出异常处置函数后，执行步骤五；

步骤五、中断响应计数清零，应用程序继续运行，看门狗定时器进行喂狗；一个星上自主处理异常的周期结束，返回步骤一，进行下一个周期的程序运行。

本发明的有益效果：

一、本发明提出了一种通过中断的方法来处理小卫星在轨时异常状况。当某一单机通信异常时，可通过不断进中断的方式，当进中断的次数达到预定的阈值之后，将该单机的通信接口屏蔽掉，将该单机部件进行重启。在该方法中，由于处理异常的方法是在应用软件中进行的，故可以达到快速响应并处理异常的效果。解决了卫星上天之后只能通过地面注入遥控指令来解决异常的问题，从而有效地提高了小卫星在轨运行的可靠性和稳定性。

二、本发明所述的方法中，当单机部件发生异常状况时，可以将其与中心机进行快速隔离。将发生异常的单机进行处理之后，有效地解决了异常单机发生的状况并对其他单机部件实现了自我保护。

三、本发明采用调用中断服务函数的方式来处理异常情况，可以保证卫星在轨过程中对异常状况的快速响应。当中断计数达到阈值时，将与之相连的单机屏蔽掉并进行重启操作，这也避免了异常状况的扩大化，进而威胁到整星的飞行安全以及在轨寿命。

四、本发明所述的方法中，在建立可靠性保证模型方面，也可以从其他角度来进行异常监测。在数据层方面，可以监测数据的状态标志。当数据超界运行，数据假死时，都可以在中断服务函数中监测出来。在通信层方面，可能会发生的状况有：通信不完整，数据乱码等。也可以通过监测手段来进行异常处理。

附图说明

图1为本发明所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法中中心机与外部单机通信原理图；

图2为本发明所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法中中心机应用程序流程图；

图3为本发明所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法中中心机中断服务函数流程图；

图4为本发明所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法中中心机程序正常运行状态时序图；

图5为本发明所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法中中心机程序受外部中断影响异常运行状态时序图；

图6为本发明所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法中中心机程序屏蔽外部中断后运行时序图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图6说明本实施方式，一种增强小卫星在轨可靠性的方法，在微小卫星整星设计中中心计算机与单机部件通信接口类型通常为RS422串行接口、CAN总线接口，常常有PPS秒脉冲信号进行时间同步，且为了保证对信息的及时处理采用中断方式进行。

步骤一、中心机作为通信主机向单机部件发起通信后，单机部件响应中心机的通信请求，中心机采用中断接收方式接收数据；

步骤二、中心机执行中断服务函数，

步骤二一、关闭中断、更新累加响应次数；

步骤二二、判断中断响应次数是否超过中断响应次数的阈值，阈值设定为200次，如果否，则中心机进行数据接收后开启中断后退出，执行步骤三；如果是，则直接退出中断服务函数，执行步骤三；

步骤三、中心机更新遥测参数，并对单机部件中断接收状态进行检测，如检测到中断状态开启后，执行步骤四；如检测到中断状态关闭后，进行步骤三一；

步骤三一、对主用单机部件进行断电，并记录所述单机部件的异常处理次数；每进入一次异常处理，异常处理次数加1。

步骤三二、判断异常处理次数是否等于2；如果是，对主用单机进行加电操作，执行步骤三四；如果否，进行步骤三三；

步骤三三、判断异常处理次数是否等于3，如果是，将备用单机加电，执行步骤三四；如果否，执行步骤三四；

步骤三四、将中断端口打开，执行步骤五；

步骤四、判断单机部件的工作状态是否异常，如果否，执行步骤五；如果是，则进入异常处置函数，退出异常处置函数后，执行步骤五；单机部件的工作状态可以为数据接收状态或工作状态。

步骤五、中断响应计数清零，应用程序继续运行，看门狗定时器进行喂狗；一个星上自主处理异常的周期结束，返回步骤一，进行下一个周期的程序运行。

本实施方式中，针对中心机端发生异常的安全设计，采用看门狗定时器方式，在程序正常运行时周期性进行看门狗喂狗操作，当程序发生异常时将触发复位电路复位，使中心机复位程序重新运行；针对单机端发生的安全设计，采用中心机对单机异常状态进行诊断和处置的策略，通过指令控制或者对其进行断电后重新上电处理，一般非设计性或物理性异常通过断电重启可恢复功能。中心机与外部单机部件通信原理图如图1所示。

若单机异常后直接导致中心机异常，如单机异常后持续造成中心机中断的异常，则以上策略将失效，进而导致整星失控，本实施方式的方法针对此种异常进行诊断和保护。

中心机端设计看门狗电路，应用软件定时喂狗；当单机部件发生异常时，导致中心机应用程序不断响应中断服务函数。设定中心机的应用程序运行周期为200ms；看门狗喂狗周期为200ms，看门狗定时复位时间为500ms；单机部件返回参数的理论时间为10ms；理论中断次数最多为100次；异常处理次数默认值为0。

本实施方式中，中断服务函数中记录当前的响应次数，通过比较响应次数和阈值判断通信是否异常。如中断服务函数响应阈值设为200次，每次中断服务后响应次数加1，当连续触发的200次中断后判定为故障；判定为故障后关闭中断接收功能，从而不会再次进入中断，保障应用程序连续运行。

在应用程序中，更新遥测参数，当检测到对应的中断功能被关闭后，首先进行单机断电操作；然后在接下来第一周期恢复中断接收功能；在接下来第二周期进行单机加电操作。

本实施方式中，若同一单机连续处理三次都无效后，判定部件损坏，进行部件断电后不再加电使用，隔离出系统。做出故障解决措施后，将中断标志清零，看门狗定时器喂狗，一个通过中断函数解决故障的周期结束，如此，循环往复进行。

具体实施方式二、结合图2至图6说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法的实施例：本实施方式以吉林一号视频01星在轨光纤陀螺异常为例做出说明：

一、中心机与光纤陀螺间采用RS422方式，通信中中心机的主机发起通信，光纤陀螺作为从机响应主机通信请求，采用中断接收方式。中心机应用程序运行周期为200ms,看门狗喂狗周期为200ms,定时周期为500ms，光纤陀螺返回参数的理论时间为10ms,理论中断次数100次，系统上电后运行时序图如图4所示。

二、此时光纤陀螺发送异常，导致RS422连续产生中断信号，此时系统运行时序图5所示，中心机应用程序不能得到连续运行，中心机处于不断复位状态，整星失去程序控制。

三、本方法应用程序如图2所示，中断服务函数处理流程如图3所示，设置光纤陀螺中断响应次数阈值为200次，当光纤陀螺发送数据时产生中断信号，中心机进入中断服务函数执行，首先关闭中断、累加响应次数；然后是判断中断响应次数是否超限，如果未超限，则进行数据接收后开中断，退出；如果已超限，则直接退出，此时中断功能处于关闭状态。

四、中断处理退出后，应用程序继续运行，进行中断接收状态的检测，如检测到中断关状态后，进行陀螺断电操作，如果光纤陀螺的异常处理次数小于3，则在第二个控制周期中进行光纤陀螺加电操作；若异常处理次数不小于3则不进行加电操作，备用单机通电运行。

五、本方法设置的光纤陀螺中断阈值时间理论上为正常状态下的2倍，当异常发生时，应用程序运行时序图6所示，中断持续时间理论上为20ms，在应用程序中存在20ms的无效中断响应操作，应用程序可在中断处置后继续运行，此时应用程序自动减少空闲时间以保证应用程序运行周期的稳定性，可在1秒时间内实现故障隔离。

Claims (5)

1.一种增强小卫星在轨可靠性的方法，通过星上软件自主解决RS422总线、CAN总线和PPS秒脉冲信号持续异常问题，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、中心机作为通信主机向单机部件发起通信后，单机部件响应中心机的通信请求，中心机采用中断接收方式接收数据；

步骤二、中心机执行中断服务函数；

步骤二一、关闭中断、更新累加响应次数；

步骤二二、判断中断响应次数是否超过中断响应次数的阈值，如果否，则中心机进行数据接收后开启中断后退出中断服务函数，执行步骤三；如果是，则直接退出中断服务函数，执行步骤三；

步骤三、中心机更新遥测参数，并对单机部件中断接收状态进行检测，如检测到中断状态开启后，执行步骤四；如检测到中断状态关闭后，进行步骤三一；

步骤三一、对主用单机部件进行断电，并记录所述单机部件的异常处理次数；

步骤三二、判断异常处理次数是否等于2；如果是，对主用单机进行加电操作，执行步骤三四；如果否，进行步骤三三；

步骤三三、判断异常处理次数是否等于3，如果是，将备用单机加电，执行步骤三四；如果否，执行步骤三四；

步骤三四、将中断端口打开，执行步骤五；

步骤四、判断单机部件的状态是否异常，如果否，执行步骤五；如果是，则进入异常处置函数，退出异常处置函数后，执行步骤五；

步骤五、中断响应计数清零，应用程序继续运行，看门狗定时器进行喂狗；一个星上自主处理异常的周期结束，返回步骤一，进行下一个周期的程序运行。

2.根据权利要求1所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法，其特征在于，步骤一中，还包括对中心机设置初始参数，具体包括：设定中心机的应用程序运行周期为200ms；看门狗喂狗周期为200ms，看门狗定时复位时间为500ms；单机部件返回参数的理论时间为10ms；理论中断次数最多为100次；异常处理次数默认值为0。

3.根据权利要求1所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法，其特征在于，中断响应次数的阈值设置为200次。

4.根据权利要求1所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法，其特征在于，中断响应次数设定为全局变量，在中断服务函数中进行计数操作，在应用程序运行中进行清零设置。

5.根据权利要求1所述的一种增强小卫星在轨可靠性的方法，其特征在于，步骤三一中，每进入一次异常处理，异常处理次数加1。

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