CN110567485B - 一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，属于卫星姿态控制技术领域。该多探头星敏感器基于多个探头视场内星点信息进行信息融合处理，以进一步提升产品精度，其多个探头融合后实现指标优于0.6″(3σ)，单个探头实现指标优于1″(3σ)，其技术特点为甚高精度、高动态和高动态性能，主要应用于遥感卫星及高分辨对地观测卫星；该方法针对产品在轨单个探头、多个探头不同故障模式设计了基于软件的自主故障诊断与修复方法；同时对于产品硬件设计中供配电单点问题，提高了单机及系统容错能力；同时可对产品在轨多个不同故障进行实时诊断与处理，有效提升了星敏感器产品的可靠性。

Description

一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法

技术领域

本发明涉及一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，属于卫星姿态控制技术领域。

背景技术

星敏感器是目前航天应用中测量精度最高的一种姿态测量敏感器，它以天球中精确定位的恒星作为绝对参照系，通过探测天球上不同位置的恒星来确定飞行器姿态，提供飞行器相对于惯性坐标系的三轴姿态。具有精度高、无漂移、可靠性高等优点，是卫星姿态测量的关键部件。

星敏感器是集光、机、电为一体的多个部件组成的复杂系统，它的工作环境特殊，必须具有长时间运行的高可靠性和安全性。星敏感器系统在长达几年连续不间断工作中出现故障是难免的，故障诊断是保障星敏感器在轨可靠运行，提高空间生存能力的一项重要工作。

目前针对星敏感器产品在轨故障诊断，主要是通过两种方式进行实现：一种是在卫星控制分系统层面通过星敏感器的冗余备份并结合星上其它敏感器信息，对星敏感器进行故障诊断；另一种是在星敏感器产品自身设计实现层面，在星敏感器设计实现过程中，充分分析星敏感器故障原因和故障表现特征，当产品出现故障时，能够迅速确定故障原因和故障部位，并采取有效措施和手段，使产品的工作状态恢复正常。下面分别对这两种实现方式下在轨故障诊断方法进行说明。

卫星控制分系统层面的星敏感器在轨诊断方法，主要是通过星敏感器相关冗余信息进行故障诊断，该方式是识别星敏感器故障最准确和最有效的途径。冗余信息包括直接冗余和分析冗余。其中直接冗余主要是利用星上配置的多个星敏感器，对多个星敏感器输出姿态数据进行比对分析，识别出故障星敏感器。分析冗余主要是以卫星姿态运动学关系为基础，利用陀螺测量信息与星敏感器的矢量观测信息，并考虑系统噪声的影响，研究星敏感器的故障诊断问题。如根据由陀螺测得的角速度值，和星敏感器测量值，并联合二者之间的解析冗余关系式，设计残差生成器，获得仅包含星敏感器故障信息的残差.再将残差评价值与设定的阈值进行对比，以确定星敏感器是否发生故障。

星敏感器产品设计实现层面的在轨故障诊断方法，主要是根据产品输出的各种测量数据，如外部输出的参数和状态、硬件输出参量的直接测量值，或这些测量值经过某些处理后的得到的状态或参数，对该信息进行在线的实时自动检测，并对系统输入输出数据、状态和参数可靠性进行实时分析、判定，从而达到及时检测，将故障产品产生的影响减至最小。星敏感器在轨故障诊断通常包括以下三个主要步骤：

(1)首先进行实时数据测量和处理，以及检测表征系统状态的各种特征参数、状态；

(2)所检测的特征信号经过分析处理，识别系统的异常状态，对故障进行判断、定位；

(3)根据前面的故障检测和定位结果，若发现异常及时给出报警信息。

目前星敏感器产品在轨故障诊断方法包括如下几个方面：

第一，通讯故障诊断

星敏感器与外部计算机通讯过程中，其通讯数据按规定协议顺序进行传输。两者之间通过通讯电缆线相连，这是星敏感器与卫星系统数据交换的唯一通道，因此数据通讯的出错是必须严格控制的。星敏感器由于硬件故障或通信线路受到电磁干扰，可能产生的通讯故障包括：接收不到数据，或接收到不完整的失码，或有误码、错码。

在星敏感器加电启动进入正常工作模式之前，可根据星敏感器通信内容和通讯工作状态，对产品通信功能进行开机自检测，测试接收到的数据是否与约定的协议一致和完整，通信功能是否具有可持续性。检测程序以连续N次检测的结果为依据，若N次发送和接收选定的测试数据都正常，则认为该通讯功能，否则将该产品的通讯状态纪录为故障状态。产品正常工作过程中，也可采用类似方式定期对产品通讯功能进行检测。

第二，成像探测器故障

星敏感器是以恒星星光作为非电量测量对象，其成像探测器为产品的核心敏感元件，若该器件相关功能出现故障，整个星敏感器姿态测量功能就会彻底丧失，表现为星敏感器完全故障状态。成像探测器是一个电子元器件，它单独不能独立工作，需要外围辅助支持电路协同工作。辅助电路包括驱动电路、工作时序信号发生电路、信号的检出、视频信号的整形、数据转移和存储电路。这其中任何一部分出现问题，都有可能导致产品成像功能异常。

成像探测器故障主要表现为：辅助驱动或时序电路故障，导致探测器控制信号出错或不起作用，使得探测器输出信号错误或信号噪声增大，导致星敏感器不能正常工作或产品姿态测量精度下降；同时成像探测器本身由于环境干扰或损坏等原因造成成像功能彻底失效。对于前者，可以检测控制电路一些重要信号，查看它们工作点是否正常；对后面情况，在排除辅助电路工作正常情况下，采用检验被测器件的功能特性的功能测试方法，即通过下传产品在轨拍摄星图，考察星敏感器长时间姿态测量输出数据的有效性和连续性，分析成像探测器功能是否正常。

第三，存储器故障

存储器的故障一方面是由于存储器内部单元阵列密集，相互之间可能存在数据间的扰动，包括行、列和单元间的数据相互影响；另一方面，在卫星飞行过程中，星敏感器信号处理电路内部如静态随机存储器对空问辐射比较敏感，容易出现单粒子现象，引起指令寄存器位翻转、堆栈指针寄存器位翻转，以及中断矢量表和连接指针的位翻转等，导致产品软件运行紊乱。由于在存储器中存储的是计算机程序的操作码和操作数据，因此根据故障发生的位置不同，可能会导致产品程序运行出现两种结果：一是改变操作码，造成程序跑飞或执行错误运算；二是改变操作数，产生错误运行结果。

其中针对第一种情况，当跑飞程序进入非程序区时，可以设定软件陷阱，将其迅速引向一个指定位置，在指定位置设置程序运行出错的程序，使程序运行得以恢复正常；同时可在每个软件功能模块入口和出口进行执行流程路径检查，防止程序跑飞或运行错误影响其它软件模块。对于第二种情况，为防止存储器中的数据出错，采用冗余表决方法，即数据的三取二表决，将重要的系统参数和变量放在物理上分开的三个区中，采用三中取二的办法防止瞬时错误，并校正出错信息。

上述星敏感器故障诊断方法中，基于卫星控分系统层面的故障诊断仅能对星敏感器是否故障进行一定程度上诊断，无法采取有效措施对产品进行修复；基于星敏感器产品自身的故障诊断方法，可对产品各种故障进行深入全面诊断，基于产品软硬件工作状态进行故障定位，采取适当的修复措施使产品工作状态恢复正常。

星敏感器产品是由光、机、电等多个部件组成的复杂系统，实现在轨故障诊断与修复难度相对较大。对于多探头星敏感器，其硬件架构设计、软件实现流程及实现功能相对于单头星敏感器更复杂，产品整机故障分析、设计及实现难度更大，需对产品在轨单个探头、多个探头不同故障进行分析并给出相应解决措施，提高产品在轨可靠性。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，针对多探头星敏感器产品多个探头在轨可能出现故障，给出故障诊断与修复方法，同时对该项目中多探头星敏感器供配电设计存在单点问题，提出了相应故障诊断与修复方法。

本发明的技术解决方案是：

一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，该多探头星敏感器基于多个探头视场内星点信息进行信息融合处理，以进一步提升产品精度，其多个探头融合后实现指标优于0.6″(3σ)，单个探头实现指标优于1″(3σ)，其技术特点为甚高精度、高动态和高动态性能，主要应用于遥感卫星及高分辨对地观测卫星；该方法针对产品在轨单个探头、多个探头不同故障模式设计了基于软件的自主故障诊断与修复方法；同时对于产品硬件设计中供配电单点问题，提出了一种在轨产品短路后故障修复方法，有效提升了产品在轨可靠性；产品即为多探头星敏感器；

该方法用于诊断探头的输出图像状态和探头的供电短路状态，该方法中诊断探头的输出图像状态的步骤包括：

(1)根据产品输出遥测数据中探头图像就绪标志、探头图像可用标志对各探头输出图像状态进行诊断；

(2)在诊断到单个探头或者两个探头不能实时输出图像数据时，对故障探头进行断电后加电(该过程中对产品其它探头工作状态无影响)，以修复探头故障状态，加电后重新配置故障探头的探测器及ASIC/FPGA相关寄存器，进行对应探头硬件初始化后再次诊断探头工作状态，若某探头连续进行3次断电后加电后仍不能实时输出图像数据，则置该探头工作状态为异常后对该探头进行断电操作；若探头重新加电后其工作状态恢复正常，则置该探头工作状态为正常状态；

在诊断到所有探头均不能实时输出图像数据时，即产品无法输出有效姿态数据，处于故障状态，则对产品进行复位操作，即对所有探头重新进行断电后加电操作，以恢复产品工作状态，在所有探头重新加电后，再次对所有探头工作状态进行实时诊断，若连续进行3次复位操作后产品所有探头仍无法实时输出图像数据，则将产品工作模式转入安全模式。

该方法中诊断探头的供电短路状态是指根据产品硬件供配电设计，产品在轨若某个探头供电部分中DC-DC模块所用接地电容发生短路，则会导致产品所有探头供电均短路，针对该问题，在不更改产品硬件设计状态下，提出了一种软件故障修复方法，其主要实现过程的步骤包括：

(1)对所有探头工作状态进行诊断，在诊断到所有探头供电电压均异常时，置产品整机工作状态为异常状态，进入到下一步，在诊断到至少有一个探头供电电压正常时，则置产品整机工作状态为正常状态，则诊断结束；

(2)对所有探头均进行断电操作；

(3)对探头1重新加电，若探头1电压状态仍异常，则置该探头1工作状态为异常后对该探头1断电，执行下一步骤；若该探头1工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(4)对探头2重新加电，若探头2电压状态仍异常，则置该探头2工作状态为异常后对该探头2断电，执行下一步骤；若该探头2工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(5)对探头3重新加电，若探头3电压状态仍异常，则置该探头3工作状态为异常后对该探头3断电，执行下一步骤；若该探头3工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(6)若产品有大于等于1个探头供电状态恢复正常，则产品正常运行，否则，重复执行步骤2)～6)，若重复执行3次后产品仍无法恢复正常工作，则将产品工作模式转入安全模式。

有益效果

本发明的产品在轨自主故障诊断与修复方法，可及时对产品在轨故障进行诊断与修复，不同于以往通过卫星控制系统对单机状态信息进行长时间诊断后再进行故障处理，提高了单机及系统容错能力；同时可对产品在轨多个不同故障进行实时诊断与处理，有效提升了星敏感器产品的可靠性。

附图说明

图1为本发明的星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法实现流程示意图。

具体实施方式

如附图1所示，本发明提出的在轨自主故障诊断与修复方法具体实施过程如下：

(1)产品上电，完成软硬件初始化；

(2)对产品所有探头均进行断电操作；

(3)对探头1加电，若探头1电压状态仍异常，则置该探头1工作状态为异常后对该探头1断电，执行下一步骤；若该探头1工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(4)对探头2加电，若探头2电压状态仍异常，则置该探头2工作状态为异常后对该探头2断电，执行下一步骤；若该探头2工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(5)对探头3加电，若探头3电压状态仍异常，则置该探头3工作状态为异常后对该探头3断电，执行下一步骤；若该探头3工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(6)若产品有大于等于1个探头供电状态恢复正常，则产品正常运行，执行下一步骤，否则，重复执行步骤2)～6)，若重复执行3次后产品仍无法恢复正常工作，则将产品工作模式转入安全模式。

(7)产品正常运行过程中每周期对所有探头输出图像状态进行监测，在诊断到某探头(单个探头或者两个探头)连续5秒未能输出图像数据时，则执行下一步操作；若所有探头连续5秒均无法输出图像数据时，则执行步骤(12)，否则，重复执行步骤(7)；

(8)对该故障探头进行断电操作；

(9)等待2秒后对该故障探头重新上电，并完成重新配置该探头的探测器及ASIC/FPGA相关寄存器；

(10)对该探头对应FPGA/ASIC重新进行初始化操作；

(11)再次对该探头输出图像状态进行诊断，若该探头仍无法输出图像数据，则重复执行步骤(8)～(11)，若重复执行3次后该探头仍无法输出图像数据，则置该探头工作状态为异常后对该探头进行断电；

(12)对产品进行复位操作；

(13)产品运行正常后，重复执行步骤(7)～(12)，若连续进行3次复位操作后产品所有探头仍无法实时输出图像数据，则将产品工作模式转入安全模式；

(14)产品正常运行过程中每周期对所有探头供电状态进行监测，在诊断到某探头(单个探头或者两个探头)供电电压连续5秒异常时，则执行下一步操作；若所有探头连续5秒均供电电压异常时，则执行步骤(19)，否则，重复执行步骤(14)；

(15)对该探头进行断电操作；

(16)对该探头重新加电，并对探头加电后供电状态进行诊断；

(17)若该探头电压状态仍异常，则置该探头工作状态为异常后对该探头断电，且后续软件自主加断电操作过程中不再对该探头进行加电操作；若该探头工作状态正常，则顺序执行下一步骤；

(18)重新配置该探头及ASIC/FPGA相关寄存器，对该探头对应FPGA/ASIC重新进行初始化操作后，执行步骤(7)；

(19)执行步骤(2)～(6)，对所有探头供电异常进行修复处理。

实施例1(上电过程中产品探头供电状态异常)

一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，该方法用于诊断探头的输出图像状态和探头的供电短路状态，该方法中诊断探头供电状态的步骤包括：

(1)产品上电，完成软硬件初始化；

(2)对产品所有探头均进行断电操作；

(3)对探头1加电，探头1电压状态正常，则探头1工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(4)对探头2加电，探头2电压状态正常，则探头2工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(5)对探头3加电，探头3电压状态异常，则置该探头3工作状态为异常后对该探头3断电，执行下一步骤；

(6)产品探头1与探头2供电状态恢复正常，则产品正常运行。

实施例2(产品工作过程中探头供电状态异常)

一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，该方法用于诊断探头的输出图像状态和探头的供电短路状态，该方法中诊断探头供电状态的步骤包括：

(1)对所有探头工作状态进行诊断，诊断到所有探头供电电压均异常，置产品整机工作状态为异常状态，执行下一步；

(2)对所有探头均进行断电操作；

(3)对探头1重新加电，探头1电压状态正常，探头1工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(4)对探头2重新加电，探头2电压状态异常，则置该探头2工作状态为异常后对该探头2断电，执行下一步骤；

(5)对探头3重新加电，探头3电压状态正常，探头3工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

(6)产品探头1与探头3探头供电状态恢复正常，则产品正常运行。

实施例3(产品工作过程中单个探头输出图像状态异常)

(1)产品正常运行过程中每周期对所有探头输出图像状态进行监测，诊断到探头2连续5秒未能输出图像数据，执行下一步操作；

(2)对探头2进行断电操作；

(3)等待2秒后对探头2重新上电，并完成重新配置该探头的探测器及ASIC/FPGA相关寄存器；

(4)对探头2对应FPGA/ASIC重新进行初始化操作；

(5)再次对探头2输出图像状态进行诊断，探头2仍无法输出图像数据，则重复执行步骤(1)～(5)，重复执行3次后探头2仍无法输出图像数据，置探头2工作状态为异常后对探头2进行断电。

实施例4(产品工作过程中所有探头输出图像状态异常)

(1)产品正常运行过程中每周期对所有探头输出图像状态进行监测，诊断到所有探头连续5秒均无法输出图像数据，则执行下一步骤；

(2)对产品进行复位操作；

(3)产品运行正常后，重复执行步骤(1)～(3)，产品复位1次后所有探头输出图像状态正常。

Claims (8)

1.一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：该方法用于诊断探头的输出图像状态和探头的供电短路状态，该方法中诊断探头的输出图像状态的步骤包括：

(1)根据产品输出遥测数据中探头图像就绪标志、探头图像可用标志对各探头输出图像状态进行诊断；

(2)在诊断到单个探头或者两个探头不能实时输出图像数据时，对故障探头进行断电后加电，以修复探头故障状态，加电后重新配置故障探头的探测器及ASIC/FPGA相关寄存器，进行对应探头硬件初始化后再次诊断探头工作状态，若某探头连续进行3次断电后加电后仍不能实时输出图像数据，则置该探头工作状态为异常后对该探头进行断电操作；若探头重新加电后其工作状态恢复正常，则置该探头工作状态为正常状态；

在诊断到所有探头均不能实时输出图像数据时，即产品无法输出有效姿态数据，处于故障状态，则对产品进行复位操作，即对所有探头重新进行断电后加电操作，以恢复产品工作状态，在所有探头重新加电后，再次对所有探头工作状态进行实时诊断，若连续进行3次复位操作后产品所有探头仍无法实时输出图像数据，则将产品工作模式转入安全模式；

该方法中诊断探头的供电短路状态是指根据产品硬件供配电设计，产品在轨若某个探头供电部分中DC-DC模块所用接地电容发生短路，则会导致产品所有探头供电均短路；

在不更改产品硬件设计状态下，产品所有探头供电均短路的故障修复方法为：

1)对所有探头工作状态进行诊断，在诊断到所有探头供电电压均异常时，置产品整机工作状态为异常状态，进入到下一步，在诊断到至少有一个探头供电电压正常时，则置产品整机工作状态为正常状态，则诊断结束；

2)对所有探头均进行断电操作；

3)对探头1重新加电，若探头1电压状态仍异常，则置该探头1工作状态为异常后对该探头1断电，执行下一步骤；若该探头1工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

4)对探头2重新加电，若探头2电压状态仍异常，则置该探头2工作状态为异常后对该探头2断电，执行下一步骤；若该探头2工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

5)对探头3重新加电，若探头3电压状态仍异常，则置该探头3工作状态为异常后对该探头3断电，执行下一步骤；若该探头3工作状态正常即不断电，执行下一步骤；

6)若产品有大于等于1个探头供电状态恢复正常，则产品正常运行，否则，重复执行步骤2)-6)，若重复执行3次后产品仍无法恢复正常工作，则将产品工作模式转入安全模式。

2.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：多探头星敏感器基于多个探头视场内星点信息进行信息融合处理。

3.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：多探头星敏感器的多个探头融合后实现指标优于0.6″。

4.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：多探头星敏感器的单个探头实现指标优于1″。

5.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：多探头星敏感器的应用于遥感卫星及高分辨对地观测卫星。

6.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：该方法为针对产品在轨单个探头、多个探头不同故障模式设计了基于软件的自主故障诊断与修复方法。

7.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：该方法对于产品硬件设计中供配电单点问题，提出了一种在轨产品短路后故障修复方法。

8.根据权利要求1所述的一种多探头星敏感器在轨自主故障诊断与修复方法，其特征在于：产品即为多探头星敏感器。

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