CN111967210B - 一种针对导航下行信号功能中断的phm设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，第一步，建立导航下行信号功能中断故障树是分析和计算的前提，通过对导航卫星下行信号功能的分析，得到引起功能中断的单机和故障模式。第二步，建立故障树后，要针对故障树的底事件进行PHM初步设计，确保导航下行信号功能中断发生后能够及时恢复，降低中断对导航服务的影响。第三步，根据PHM设计，建立导航下行信号功能中断模型，收集基础数据，进行中断概率和恢复时间计算，判断整星设计是否满足要求。第四步，当整星设计不满足要求时，对故障底事件按顺序进行软件或硬件改进，完成最终的PHM设计。

Description

一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法
技术领域
本发明涉及一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，属于导航系统服务性能评估领域。
背景技术
北斗卫星导航系统是我国自主研制、独立运行的全球卫星导航系统，需要为广大用户提供全天时、全天候、不间断的导航服务。单粒子软错误是航天器在轨运行中常见的空间辐射效应之一，为满足导航信号和信息处理要求，现有北斗导航卫星的载荷设计中大量采用DSP、FPGA、单片机、处理器、I/O及总线控制器等器件，由于这些器件的固有特性，易受单粒子效应的影响，存在因单粒子事件导致北斗导航卫星导航下行信号功能中断影响系统不间断连续稳定服务。为了保障北斗导航系统服务指标要求，在北斗系统设计中，对每颗卫星导航下行信号功能中断的次数和中断后恢复时间提出了定量要求。
以往下行信号功能中断主要靠定性分析保证，这种分析难以对定量的指标要求进行评估。为了检验导航卫星设计满足下行信号指标要求，必须研究定量分析和计算方法，更好的指导和优化北斗卫星系统层面设计，提升我国导航卫星在轨连续服务的能力。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，第一步，建立导航下行信号功能中断故障树是分析和计算的前提，通过对导航卫星下行信号功能的分析，得到引起功能中断的单机和故障模式。第二步，建立故障树后，要针对故障树的底事件进行PHM初步设计，确保导航下行信号功能中断发生后能够及时恢复，降低中断对导航服务的影响。第三步，根据PHM设计，建立导航下行信号功能中断模型，收集基础数据，进行中断概率和恢复时间计算，判断整星设计是否满足要求。第四步，当整星设计不满足要求时，对故障底事件按顺序进行软件或硬件改进，完成最终的PHM设计。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，包括如下步骤：
S1、建立导航下行信号功能中断故障树，确定故障树的底事件，包括工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障；
S2、对导航下行信号功能中断故障，对工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障进行初步PHM设计；
S3、基于每个底事件的平均故障间隔时间，计算导航下行信号中断概率和中断平均恢复时间；
S4、如果S3中的导航下行信号中断概率不满足预设指标时，按照导航任务处理机软故障和基准频率合成器软故障的先后顺序，依次对一个故障底事件涉及的FPGA或DSP采取三模冗余和定时刷新方法，然后重新计算导航下行信号中断概率，当满足预设指标转入S7；
S5、如果S4中的导航下行信号中断概率不满足预设指标时，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障的先后顺序，依次对一个故障底事件涉及的单机，改为选用更高等级的元器件，然后重新计算导航下行信号中断概率，当满足预设指标转入S7；
S6、如果S3中的导航下行信号中断平均恢复时间不满足预设指标时，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障、导航任务处理机软故障、基准频率合成器软故障顺序，依次缩短对每个故障进行判断的轮询周期，当满足预设指标转入S7；
S7、针对导航下行信号功能中断的PHM设计结束。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对工作原子钟产品失效或性能异常进行初步PHM设计的方法为：
星上采用两台原子钟热备工作，两台原子钟同时给基准频率合成器提供10M频率源，基准频率合成器只使用当班原子钟的10M输入频率产生10.23M基准频率；基准频率合成器对当班原子钟的10M频率和相位进行实时监测，若发现频率或相位出现跳变，则自主切换到热备原子钟10M输入频率产生的10.23M基准频率，保持10.23M基准频率的时间和相位不变。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对导航任务处理机软故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测快变遥测的连续性，判断是否发生导航任务处理机软故障；当发生导航任务处理机软故障时，切换导航任务处理机。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对导航任务处理机硬故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测快变遥测的连续性，判断是否发生导航任务处理机硬故障；当发生导航任务处理机硬故障时，切换导航任务处理机。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对上变频器故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测上变频器的遥测参数，判断是否发生上变频器故障；当发生上变频器故障时，切换上变频器。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对功率放大器硬故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测功率放大器单机的遥测参数，判断是否发生功率放大器硬故障；当发生功率放大器硬故障时，切换功率放大器单机。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对基准频率合成器软故障进行初步PHM设计的方法为：利用PHM地面系统对基准频率合成器进行监控，判断是否发生基准频率合成器软故障；当发生基准频率合成器软故障时，首先对基准频率合成器进行复位，如复位后基准频率合成器软故障依然存在，则进行先关机再开机操作。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，针对基准频率合成器硬故障进行初步PHM设计的方法为：利用PHM地面系统对基准频率合成器进行监控，判断是否发生基准频率合成器硬故障；当发生基准频率合成器硬故障时，切换基准频率合成器。
上述针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，优选的，S4中，采取三模冗余和定时刷新方法，设定固定的刷新周期，然后将刷新周期三等分，在三个等分时刻依次对三模冗余中的一个进行刷新。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明根据我国北斗卫星导航下行的设计特点给出了基于产品故障重构的导航信号功能中断定量分析和计算的流程，流程中各步骤保持清晰的任务界面，能够满足下行信号功能中断定量分析要求。
(2)本发明中的定量分析方法需要的基础数据仅包括生成与播发导航下行信号相关单机的可靠性，相关软件配置项中断间隔时间，这些数据具有良好的可获得性，大大方便了分析和计算的过程。
(3)本发明的功能中断定量分析和计算方法具有通用性，可扩展到不同类型航天器功能中断的分析。
(4)采用等分时刻的定时刷新方法，刷新设计的存储容量要求低，时序要求更宽，减少了刷新设计对FPGA资源的要求，并使FPGA可工作在更高时钟频率下，刷新设计更加灵活。
附图说明
图1为本发明方法的步骤流程图；
图2为本发明导航下行信号功能中断分析思路示意图；
图3为本发明导航下行信号功能中断故障树。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，包括如下步骤：
S1、建立导航下行信号功能中断故障树，确定故障树的底事件，包括工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障；
S2、对导航下行信号功能中断故障，对工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障进行初步PHM设计；
S3、基于每个底事件的平均故障间隔时间，计算导航下行信号中断概率和中断平均恢复时间；
S4、如果S3中的导航下行信号中断概率不满足预设指标时，按照导航任务处理机软故障和基准频率合成器软故障的先后顺序，依次对一个故障底事件涉及的FPGA或DSP采取三模冗余和定时刷新方法(采取三模冗余和定时刷新方法，设定固定的刷新周期，然后将刷新周期三等分，在三个等分时刻依次对三模冗余中的一个进行刷新)，然后重新计算导航下行信号中断概率，当满足预设指标转入S7；
S5、如果S4中的导航下行信号中断概率不满足预设指标时，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障的先后顺序，依次对一个故障底事件涉及的单机，改为选用更高等级的元器件，然后重新计算导航下行信号中断概率，当满足预设指标转入S7；
S6、如果S3中的导航下行信号中断平均恢复时间不满足预设指标时，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障、导航任务处理机软故障、基准频率合成器软故障顺序，依次缩短对每个故障进行判断的轮询周期，当满足预设指标转入S7；
S7、针对导航下行信号功能中断的PHM设计结束。
实施例：
一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，如图1所示，共包括4个步骤，建立导航下行信号功能中断故障树、导航下行信号功能中断PHM初步设计、导航下行信号功能中断概率计算和恢复时间计算、对导航信号功能中断进行改进PHM设计。第一步，建立导航下行信号功能中断故障树是分析和计算的前提，通过对导航卫星下行信号功能的分析，得到引起功能中断的单机和故障模式。第二步，建立故障树后，要针对故障树的底事件进行PHM初步设计，确保导航下行信号功能中断发生后能够及时恢复，降低中断对导航服务的影响。第三步，根据PHM设计，建立导航下行信号功能中断模型，收集基础数据，进行中断概率和恢复时间计算，判断整星设计是否满足要求。第四步，当整星设计不满足要求时，对故障底事件按顺序进行软件或硬件改进，完成最终的PHM设计。
1、建立导航下行信号功能中断故障树
根据导航卫星设计和在轨飞行经验，导致导航下行信号中断的原因包括：
1)使用了大规模FPGA、DSP、CPU等逻辑器件的单机，由于空间环境单粒子事件的影响，造成导航下行信号功能中断。通过系统、分系统、单机和器件单粒子防护设计可大幅降低这类问题的发生。通过卫星自主故障诊断和恢复设计，可大大缩短中断恢复时间。
2)生成与播发导航下行信号的单机由于硬故障切机导致导航下行信号功能中断，继而造成导航下行信号中断。
通过分析，与导航下行信号功能中断相关的子系统包括时频子系统、上行注入子系统、导航任务处理子系统和导航信号播放子系统，涉及原子钟、基准频率合成器、导航任务处理机、上变频器和功率放大器，如图2所示。
确定相关子系统和单机后，可以得到导航下行信号功能中断故障树，底事件包括X1～X7。即工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障，如图3所示。
2、导航下行信号功能中断PHM初步设计
工作原子钟产品失效或性能异常：星上两台原子钟热备工作，两台原子钟同时给基准频率合成器提供10M频率源，基准频率合成器只使用当班原子钟的10M输入频率产生10.23M基准频率。基准频率合成器对当班原子钟的10M频率和相位进行实时监测，若发现频率或相位出现跳变，则由综合电子自主切换到热备原子钟10M输入频率产生的10.23M基准频率，保持10.23M基准频率的时间和相位不变。
导航任务处理机软故障：综合电子监测导航任务处理机的快变遥测的连续性，发生异常时进行切换操作。当星上无法判断时，由PHM地面系统进行综合判断和处理。
导航任务处理机硬故障：综合电子监测导航任务处理机的快变遥测的连续性，发生异常时进行切换操作。当星上无法判断时，由PHM地面系统进行综合判断和处理。
上变频器故障：综合电子对上变频器相关工程遥测进行判断，发生异常时进行切换操作。
功率放大器硬故障：综合电子对功率放大器单机相关工程遥测进行判断，发生异常时进行切换操作。
基准频率合成器软故障：由PHM地面系统进行监控，发生异常时首先进行复位处理，如复位不能解决问题，则考虑关机再开机。
基准频率合成器硬故障：由PHM地面系统进行监控，发生异常时进行切换操作。
3、导航下行信号功能中断模型建立和定量计算
根据导航卫星下行信号中断故障树及各底事件的基础数据，如表1，对下行信号短期非计划中断指标进行建模。
表1
Figure BDA0002569478870000081
根据卫星下行信号中断故障树，导航下行信号中断概率P可按下式计算：
Figure BDA0002569478870000082
根据上表，计算得到下行信号中断概率为：0.345次/年
导航下行信号中断平均恢复时间T按下式计算：
T＝(P1*t1+P2*t2+P3*t3+P4*t4+P5*t5+P6*t6)/P
经过计算得到导航下行信号中断平均恢复时间为6.16min。
从计算结果可知，导航信号功能中断概率和恢复时间满足指标要求。
4、如果不满足指标要求，进行PHM改进设计
1)首先考虑优化软件设计，针对影响卫星导航功能中断的底事件“导航任务处理机软故障”、“基准频率合成器软故障”顺序进行优化。可以在PHM设计时，对该软故障涉及的FPGA或DSP采取三模冗余和定时刷新措施。例如底事件“导航任务处理机软故障”和FPGA1、FPGA2、FPGA3相关，未采取三模冗余和定时刷新前，3个FPGA分别为70天、80天、90天发生1次由于单粒子事件引起的中断。采取三模冗余+定时刷新后中断间隔时间变长，效果可提升60倍左右。3个FPGA由于单粒子事件引起的中断分别为4200天、4800天、5400天，采用串联模型，得出底事件“导航任务处理机软故障”由于单粒子事件引起中断为1500天1次。
2)如优化软件设计后，导航信号功能中断概率仍不满足要求，则优化硬件设计，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障顺序进行优化。在PHM设计时，对该单机选用更高等级的元器件。例如，高等级元器件可靠性比低等级元器件要高出几个数量级，某单机选用较低等级元器件时可靠度为5000fit，改用高等级元器件后，可靠度变为1200fit，平均故障间隔时间缩短到原来的24％。
当恢复时间不满足指标要求时，需要改进PHM设计，一般采用如下手段：
1)首先考虑通过软件修改增加针对某底事件的自主故障判断和恢复功能。即在PHM设计时，利用星上自主手段替代原地面进行的故障判断和故障恢复，缩短平均检测和恢复时间，进而缩短中断平均恢复时间。
2)当影响卫星导航功能中断的所有底事件均利用星上自主手段进行故障判断和故障恢复时，考虑对某一底事件自主故障检测和恢复功能的时间参数进行修改，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障、导航任务处理机软故障、基准频率合成器软故障顺序进行优化。在PHM设计时，加快星载处理器对某故障判断的轮询周期；亦可以缩短故障恢复指令序列的间隔。最终可缩短该故障平均检测和恢复时间，进而缩短中断平均恢复时间。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、建立导航下行信号功能中断故障树，确定故障树的底事件，包括工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障；
S2、对导航下行信号功能中断故障，对工作原子钟产品失效或性能异常、导航任务处理机软故障、导航任务处理机硬故障、上变频器故障、功率放大器硬故障、基准频率合成器软故障、基准频率合成器硬故障进行初步PHM设计；
S3、基于每个底事件的平均故障间隔时间，计算导航下行信号中断概率和中断平均恢复时间；
S4、如果S3中的导航下行信号中断概率不满足预设指标时，按照导航任务处理机软故障和基准频率合成器软故障的先后顺序，依次对一个故障底事件涉及的FPGA或DSP采取三模冗余和定时刷新方法，然后重新计算导航下行信号中断概率，当满足预设指标转入S7；
S5、如果S4中的导航下行信号中断概率不满足预设指标时，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障的先后顺序，依次对一个故障底事件涉及的单机，改为选用更高等级的元器件，然后重新计算导航下行信号中断概率，当满足预设指标转入S7；
S6、如果S3中的导航下行信号中断平均恢复时间不满足预设指标时，按照基准频率合成器硬故障、上变频器故障、导航任务处理机硬故障、功率放大器硬故障、导航任务处理机软故障、基准频率合成器软故障顺序，依次缩短对每个故障进行判断的轮询周期，当满足预设指标转入S7；
S7、针对导航下行信号功能中断的PHM设计结束。
2.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对工作原子钟产品失效或性能异常进行初步PHM设计的方法为：
星上采用两台原子钟热备工作，两台原子钟同时给基准频率合成器提供10M频率源，基准频率合成器只使用当班原子钟的10M输入频率产生10.23M基准频率；基准频率合成器对当班原子钟的10M频率和相位进行实时监测，若发现频率或相位出现跳变，则自主切换到热备原子钟10M输入频率产生的10.23M基准频率，保持10.23M基准频率的时间和相位不变。
3.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对导航任务处理机软故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测快变遥测的连续性，判断是否发生导航任务处理机软故障；当发生导航任务处理机软故障时，切换导航任务处理机。
4.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对导航任务处理机硬故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测快变遥测的连续性，判断是否发生导航任务处理机硬故障；当发生导航任务处理机硬故障时，切换导航任务处理机。
5.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对上变频器故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测上变频器的遥测参数，判断是否发生上变频器故障；当发生上变频器故障时，切换上变频器。
6.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对功率放大器硬故障进行初步PHM设计的方法为：通过监测功率放大器单机的遥测参数，判断是否发生功率放大器硬故障；当发生功率放大器硬故障时，切换功率放大器单机。
7.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对基准频率合成器软故障进行初步PHM设计的方法为：利用PHM地面系统对基准频率合成器进行监控，判断是否发生基准频率合成器软故障；当发生基准频率合成器软故障时，首先对基准频率合成器进行复位，如复位后基准频率合成器软故障依然存在，则进行先关机再开机操作。
8.根据权利要求1所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，针对基准频率合成器硬故障进行初步PHM设计的方法为：利用PHM地面系统对基准频率合成器进行监控，判断是否发生基准频率合成器硬故障；当发生基准频率合成器硬故障时，切换基准频率合成器。
9.根据权利要求1～8之一所述的一种针对导航下行信号功能中断的PHM设计方法，其特征在于，S4中，采取三模冗余和定时刷新方法，设定固定的刷新周期，然后将刷新周期三等分，在三个等分时刻依次对三模冗余中的一个进行刷新。
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