CN113377561B - 一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法，包括：设计需要在星上自主执行的故障恢复程控指令内容；明确卫星在轨任务受单粒子影响的经纬度范围；设定程控指令执行的约束条件；利用程控指令内容和程控指令执行约束条件，得出程控指令时间序列，并上注到卫星上。本发明基于卫星在轨任务单粒子影响的经纬度范围，结合程控指令内容及其执行约束条件，可以快速实现卫星受单粒子影响后的自主故障恢复，有效避免卫星在轨任务受单粒子影响。
Description
技术领域
本发明属于卫星在轨维护领域，涉及一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法。
背景技术
卫星在轨道上飞行时，会受到宇宙空间高能单粒子事件的影响，导致星上产品发生切机、复位、断电等异常，进而影响卫星在轨任务的正常执行。异常发生后，需要卫星地面设计人员和操作人员进行故障分析与定位，然后再采取相应措施将卫星状态恢复正常，以继续执行在轨任务。
不过，单粒子的影响一般仅发生在瞬间，很多在轨实践案例表明，单粒子导致的星上产品发生切机、复位、断电等异常情况并非一定会对星上产品造成永久性的不可逆损害。对于具体的某台星上产品所受到的单粒子影响，将其从故障状态恢复为正常状态的操作方法和措施也相对固定。
但是，如果由地面人员来进行卫星故障恢复操作，必须要卫星在地面测控站可视范围内才能执行。对于轨道高度较低的卫星，其一天中处于我国地面测控站可视范围内的时间一般不足60分钟，大大限制了针对在轨一般性常规故障的快速恢复能力。且受故障恢复措施的操作约束条件限制，即便卫星飞过地面测控站，也可能存在恢复措施无法执行的特殊情况，从而耽误卫星恢复正常状态、影响执行后续任务。
当前，在轨卫星普遍采用星上自主判断技术，在故障发生后星上计算机可以第一时间进行自主故障隔离操作。而在星上故障问题定位准确和恢复措施明确的前提下，可以更进一步，跨过故障隔离的步骤，直接进行自主故障恢复的操作。通过星上自主执行的方式，不需要地面人员参与，尽快将星上状态从故障恢复为正常，从而实现降低甚至避免在轨主任务受到影响的目标。
一般的星上自主动作都采用条件判断触发方式。而本发明所要面对的场景，对卫星所处的经纬度更为敏感，表现为：1)单粒子发生的区域的经纬度相对固定；2)自主故障恢复措施所要考虑的约束条件与经纬度密切相关。因此，将经纬度信息作为受单粒子影响后自主故障恢复的主要考虑因素。
程控指令是一种在当前卫星上广泛使用的技术，其基本原理如下：程控指令由指令执行时间和指令执行内容两部分组成，由地面运控系统按照需要编排好后，提前上注到星上任务存储区中。当星上时钟运行到程控指令对应的指令执行时间时，程控指令内容在星上计算机的调度下自动执行，完成卫星星上任务动作。程控指令最大的优势在于让卫星具备了在地面测控站可视范围以外执行任务的能力，且严格按照指令执行时间精确执行，保证了卫星星上任务动作的时间准确性。同时，程控指令仅按时间执行，不需要在星上进行条件判断，仅占用星上任务存储区，不占用星上计算机宝贵的机时资源，将原本需要在星上处理的自主判断内容移到地面系统中来完成，可以通过地面系统进行灵活修改，具备强大的任务适应性和可扩展性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：
克服现有技术的不足，提供一种非常方便灵活的方式，通过界定单粒子事件的经纬度范围和自主故障恢复措施所要考虑的经纬度约束条件，采用星上程控指令执行的方式，来实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复，有效地降低甚至避免卫星在轨任务受单粒子事件的影响。
本发明的技术方案是：一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法，步骤如下：
步骤1，设计在星上自主执行的故障恢复程控指令内容；
步骤2，划定空间单粒子事件高发生区域；
步骤3，设定星上故障恢复程控指令执行的约束条件；
步骤4，根据程控指令内容和执行约束条件，生成程控指令时间序列。
步骤1的具体过程为：
根据卫星设计机理、故障现象定位、故障原因，确定需要通过执行哪些程控指令，来实现卫星在轨任务受单粒子影响后能够自主故障恢复的目标。
步骤2的具体过程为：根据文献资料、同类单粒子故障发生的记录、空间环境监测数据，得到卫星在轨任务可能会受到单粒子影响的经纬度范围，即，明确卫星在多少纬度范围之内、多少经度范围之内可能受到宇宙空间单粒子的影响；并规定在该经纬度范围之内，不能执行故障恢复程控指令。
步骤3的具体过程为：
步骤3-1：明确步骤1中的程控指令，在哪些条件下可以执行，哪些条件下禁止执行，得到程控指令执行的约束条件；
步骤3-2：将步骤3-1中确定的程控指令执行的约束条件，统一转化为以经纬度范围来表征的约束条件，即明确：在在多少纬度范围之内、多少经度范围之内，可以执行故障恢复程控指令；
步骤3-3：将步骤2中明确的不能执行故障恢复程控的经纬度范围，和步骤3-2中明确的可以执行故障恢复程控指令的经纬度范围结合，给出最终总的可以执行故障恢复程控指令的经纬度范围；
步骤3-4：在步骤3-3中确定的经纬度范围里，任意选定一个具体的经纬度位置来执行故障恢复程控指令。
步骤4的具体过程为：
将步骤1中明确的程控指令内容和步骤3中明确的程控指令执行约束条件，输入卫星地面运控系统，即得到卫星在当前轨道上所对应的故障恢复程控指令时间序列。
步骤4后，若卫星本身还有其它正常任务程控指令时间序列，则将故障恢复程控指令时间序列与正常任务程控指令时间序列按照时间顺序混编，形成完整的程控指令时间序列，并上注到卫星上。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1)采用程控指令不需要占用星上计算机机时资源，且调整灵活方便
星上自主执行故障恢复，目前在轨一般采用如下方式：根据一定的故障条件，由星上计算机自主判断并执行故障恢复措施。这种方式的局限在于：要判断的故障条件和要执行的恢复措施必须在发射前事先设置好并写入星上计算机软件中。一旦卫星在轨出现新的故障条件，或者需要完善故障恢复措施，则需要通过上注方式修改星上计算机软件代码，无论从技术上还是管理上都较为麻烦。同时，上述方式需要星上计算机不停地查询和判断故障条件是否满足，将占用星上计算机宝贵的机时运行资源和代码空间资源，代价不小。
本发明中采用的方法，则不需要星上计算机进行任何条件判断，一切计算性质的工作全部由地面系统实现。鉴于地面系统强大的软硬件配置，可以认为无需考虑计算机资源限制，且故障恢复措施对应的程控指令内容和时间均可在地面系统中进行调整，远比修改星上软件代码更为灵活方便。星上计算机需要做的工作，就是接收地面上注的程控指令，然后按照程控指令中的时间，到点执行程控指令内容即可。由于星上正常任务的执行也是通过程控指令方式来执行，因此增加故障恢复的程控指令并不会增加星上计算机的负担。
2)利用经纬度作为判断条件对空间单粒子事件具有针对性
同时，本发明利用经纬度作为判断条件，其理论基础是国内外长期以来对空间环境的研究成果和以往大量航天器在轨受单粒子影响所积累的经验教训。空间单粒子事件的高发生区域每年都可能不同，其经纬度范围可以通过空间环境监测的方式获得。用经纬度作为判断条件，可以灵活地修改故障恢复措施对应的星上程控指令对应的执行时间，方便根据空间环境实际情况进行调整，使得本发明所采用的方法更有针对性。
3)将经纬度作为自主故障恢复措施所要考虑的约束条件
本发明利用经纬度作为判断条件，除了可以将单粒子事件的高发生区域作为判断要素之外，还可以将卫星经纬度对故障恢复措施执行自身的限制条件也加入进来。加入更多的约束条件，则在设计和选择故障恢复措施程控指令所对应的时间时，考虑会更加全面充分。
4)故障恢复为星上全自主执行，减少卫星任务中断时间
最后，也是最重要的一点，本发明所采用的方法，所有的故障恢复措施对应的程控指令上注到星上后，无论卫星在轨是否发生故障，到了对应的程控指令时间点都会由星上自动执行。如果没有发生故障，则执行故障恢复措施不会对星上正常任务不会产生任何影响；万一发生了故障，执行故障恢复措施可以在卫星重新进入地面测控站之前、在无需地面人员参与的情况下，尽早地将卫星恢复为正常状态，减少卫星异常状态持续的时间，减轻对后续正常任务的影响。这一点，对于提高在轨故障恢复速度、减少在轨卫星任务中断时间、保证在轨卫星任务连续、以及减轻地面操作人员在故障发生后的工作负担都具有举足轻重的意义。
附图说明
图1是本发明实施例中一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法的步骤流程图。
具体实施方式
如图1所示为本发明流程图，为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面以某卫星在轨故障处理的真实案例为例，对本发明公开的实施方式做进一步详细描述。
步骤1，设计在星上自主执行的故障恢复程控指令内容
在本实施案例中，卫星在轨发生了长加电设备——数传行放电源在轨自主断电故障。经过前期故障定位和分析，确认数传行放电源在轨自主断电故障是数传行放电源产品受单粒子影响后自身电路采取的断电保护措施，且该断电保护措施对数传行放电源产品自身不会产生永久性的不可逆损害。故障恢复措施只需要发送一条“数传行放电源开”指令即可，且从数传行放电源自主断电保护到根据“数传行放电源开”指令重新加电不需要任何额外条件。同时，根据产品特性分析确认，在数传行放电源正常工作时，发送一条“数传行放电源开”指令不会对其有任何影响。
因此，确认需要在星上执行的故障恢复程控指令内容为：一条“数传行放电源开”指令。
步骤2，划定空间单粒子事件高发生区域
在本实施案例中，卫星位于轨道高度为520km的太阳同步轨道上，数传行放电源为在轨长加电设备。发射后的一年半内，在轨共发生了4次数传行放电源在轨自主断电故障。经分析，4次数传行放电源在轨自主断电故障发生时，卫星均位于南纬40°以南区域，最东侧一次故障发生于非洲大陆，最西侧一次故障发生于智利以西，东西跨度达到约90度经度，即约四分之一个地球经线范围。该区域处于“南大西洋辐射带”范围，有较大的概率产生较高强度的单粒子轰击，并对星上产品造成单粒子事件影响。
考虑一定裕度，将上述已经发生故障的经纬度范围进行一定扩展，将空间单粒子事件高发生区域划定为：
纬度：南纬30°以南
经度：西经90°～东经30°
步骤3，设定星上故障恢复程控指令执行的约束条件
步骤3-1：明确步骤1中的程控指令执行的约束条件
在本实施案例中，从步骤1中已经得知，故障恢复程控指令为一条“数传行放电源开”指令。
虽然“数传行放电源开”指令本身不需要任何额外条件即可执行，但是数传行放电源开后，需要4分钟的预热时间，才能使内部灯丝达到额定的工作温度，执行数传任务。换言之，“数传行放电源开”这个动作需要4分钟的时间才能执行完毕。因此星上故障恢复程控指令执行的约束条件设定为：从发送“数传行放电源开”指令到开始执行数传任务，间隔至少为4分钟。
步骤3-2：将步骤3-1中的约束条件统一转换为以经纬度范围来表征的约束条件
进一步分析本卫星所使用的地面数传站，分别是位于中国的牡丹江站、北京站、陵水站、位于加拿大的Inuvik站和位于瑞典的Kiruna站。这5个地面数传站的经纬度信息分别为：
表1地面站经纬度信息
| 地面站名称 | 经度 | 纬度 |
| 牡丹江站 | 东经129.543° | 北纬44.589° |
| 昌平站 | 东经116.106° | 北纬40.198° |
| 陵水站 | 东经109.932° | 北纬18.491° |
| 加拿大Inuvik站 | 西经133.7122° | 北纬68.3581° |
| 瑞典Kiruna站 | 东经20.3036° | 北纬67.8564° |
卫星轨道高度为520km，轨道倾角约为97.5°。通过轨道分析可以看出，当卫星位于南纬20°以南区域时，距离上述任何一个地面数传站的飞行时间都在4分钟以上。
因此，星上故障恢复程控指令执行的约束条件可以转化为：发送“数传行放电源开”指令的区域为：卫星位于南纬20°以南区域时。
步骤3-3：将步骤2和步骤3-2中的经纬度范围结合，给出最终总的可以执行故障恢复程控指令的经纬度范围
在此基础上，结合步骤2，可以进行进一步分析：
已知步骤2中得到了空间单粒子事件高发生区域(纬度：南纬30°以南；经度：西经90°～东经30°)；
由于本案例中卫星所用的地面数传站全部位于北半球，数传行放电源在南半球所有经度的位置均无使用需求，因此步骤2中得到的空间单粒子事件高发生区域可以放宽到：南纬30°以南。
显然，卫星只有在“离开空间单粒子事件高发生区域”后再发送“数传行放电源开”指令，才具有实际的故障恢复的意义。若在“进入空间单粒子事件高发生区域”前发送“数传行放电源开”指令，则有可能出现先“执行故障恢复操作”再“发生故障”的现象。
对于当前所界定的“南纬30°以南”区域，卫星每次飞行都是在降轨段从北往南“进入该区域”，在升轨段从南往北“离开该区域”。因此要求卫星发送“数传行放电源开”程控指令的范围为：卫星飞行在升轨段，位于南纬30°以北。
因此，可以得到执行“数传行放电源开”程控指令的约束条件为：卫星飞行在升轨段，位于南纬20°以南、南纬30°以北的区域内。
步骤3-4：在步骤3-3中确定的经纬度范围里，选定一个具体的经纬度位置来执行故障恢复程控指令
上述约束条件对应的是一个范围。在实际使用中，我们不需要在这个范围内反复执行程控指令，而是在卫星飞行到达这个范围内的某个纬度值时执行一次即可。在本案例中，我们选定南纬30°。
最终，可以得到执行“数传行放电源开”程控指令的约束条件为：卫星飞行在升轨段，飞过南纬30°时，执行一次“数传行放电源开”程控指令。
步骤4，根据程控指令内容和执行约束条件，生成程控指令时间序列步骤4-1：得出故障恢复程控指令时间序列
利用步骤1得到的程控指令内容和步骤3得到的执行程控指令约束条件，即可算出用于执行数传行放电源单粒子故障恢复的程控指令时间序列，如表2所示。具体的生成过程不属于本发明的内容，为地面系统成熟设计，在此不再赘述。
表2故障恢复程控指令时间序列
从表2中可以看到，每条“数传行放电源开”指令间隔均为95分01秒～95分02秒，与卫星在520km轨道高度上的轨道周期95分钟相符。利用stk等商业软件进行检查，每次指令执行的时刻均为卫星升轨飞过南纬30°的时刻，说明程控指令时间序列生成正确。
步骤4-2：将故障恢复程控指令时间序列与正常任务程控指令时间序列混编，形成完整的程控指令时间序列，并上注到卫星上
将表2中执行数传行放电源单粒子故障恢复的程控指令与正常的数传任务程控指令(正常数传任务程控指令内容为：启动相对程控指令)混编，形成完整的程控指令时间序列。表3为正常的数传任务程控指令时间序列。表4为表2和表3混编后的完整的程控指令时间序列。
表3正常的数传任务程控指令时间序列
表4混编后的完整的程控指令时间序列
| 日期 | 时间 | 程控指令内容 |
| 2020.04.16 | 00:05:30 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 01:08:58 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 01:38:16 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 02:43:59 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 03:12:08 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 04:19:01 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 04:47:40 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 05:54:03 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 06:33:30 | 对Kiruna站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 07:29:04 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 08:07:41 | 对Kiruna站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 09:04:06 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 09:27:48 | 对牡丹江站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 09:41:36 | 对Kiruna站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 10:39:07 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 10:56:48 | 对Kiruna站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 11:14:56 | 对Kiruna站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 12:14:09 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 12:47:30 | 对Kiruna站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 13:49:11 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 14:29:51 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 15:24:12 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 15:52:51 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 16:59:14 | 数传行放电源开 |
| 2020.04.16 | 17:27:14 | 对Inuvik站进行数传回放 |
| 2020.04.16 | 18:34:15 | 数传行放电源开 |
从表4中可以看到，每条“数传行放电源开”指令执行后，与后面正常的数传任务程控指令(正常数传任务程控指令内容为：启动相对程控指令)间隔时间都大于4分钟，满足“数传行放电源开”指令需要4分钟的预热时间的约束条件，说明程控指令时间序列生成正确。
表4中完整的程控指令时间序列生成完毕后，即可上注到星上任务存储区中。
以上实施案例中的内容均为真正在轨使用的方案，表4中生成的程控指令时间序列也是真正上注到星上任务存储区的程控指令时间序列。在采用本发明方法之前，卫星在轨共计发生4次数传行放电源断电故障，每次故障后均需等到卫星飞过地面测控站可视弧段时由地面人员手动发送“数传行放电源开”指令进行故障恢复，每次故障造成的数传任务中断均在12小时以上。采用本发明方法之后，某日卫星在轨再次发生了数传行放电源断电故障，故障发生时卫星处于降轨段。约20分钟后当卫星升轨飞过南纬30°时，数传行放电源在程控指令的作用下重新加电，经过4分钟预热后，又飞行约30分钟到达地面数传站可视弧段并成功完成数传任务。上述整个过程都在地面测控站可视弧段范围以外，所有操作均为星上自主完成，无地面人员参与，对卫星正常的数传任务未造成任何中断。这次在轨自主故障恢复的成功，证明了本发明方法设计的正确性和有效性。
本发明方法可在近地轨道卫星中推广应用。
本发明方法可适用的卫星在轨故障其实不限于单粒子事件。但单粒子是造成近地卫星在轨故障的最主要原因之一，且其故障发生现象与卫星所处的经纬度具备典型的关联性，因此本发明方法非常适用于处理单粒子事件引发的卫星在轨故障。
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。
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 (2)
1.一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1，设计在星上自主执行的故障恢复程控指令内容；
步骤2，划定空间单粒子事件高发生区域；
步骤3，设定星上故障恢复程控指令执行的约束条件；
步骤4，根据程控指令内容和执行约束条件，生成程控指令时间序列；
步骤1的具体过程为：
根据卫星设计机理、故障现象定位、故障原因，确定需要通过执行哪些程控指令，来实现卫星在轨任务受单粒子影响后能够自主故障恢复的目标；
步骤2的具体过程为：根据文献资料、同类单粒子故障发生的记录、空间环境监测数据，得到卫星在轨任务可能会受到单粒子影响的经纬度范围，即，明确卫星在多少纬度范围之内、多少经度范围之内可能受到宇宙空间单粒子的影响；并规定在该经纬度范围之内，不能执行故障恢复程控指令；
步骤3的具体过程为：
步骤3-1：明确步骤1中的程控指令，在哪些条件下可以执行，哪些条件下禁止执行，得到程控指令执行的约束条件；
步骤3-2：将步骤3-1中确定的程控指令执行的约束条件，统一转化为以经纬度范围来表征的约束条件，即明确：在多少纬度范围之内、多少经度范围之内，可以执行故障恢复程控指令；
步骤3-3：将步骤2中明确的不能执行故障恢复程控的经纬度范围，和步骤3-2中明确的可以执行故障恢复程控指令的经纬度范围结合，给出最终总的可以执行故障恢复程控指令的经纬度范围；
步骤3-4：在步骤3-3中确定的经纬度范围里，任意选定一个具体的经纬度位置来执行故障恢复程控指令；
步骤4的具体过程为：
将步骤1中明确的程控指令内容和步骤3中明确的程控指令执行约束条件，输入卫星地面运控系统，即得到卫星在当前轨道上所对应的故障恢复程控指令时间序列。
2.根据权利要求1所述的一种实现卫星受单粒子影响后自主故障恢复的方法，其特征在于：步骤4后，若卫星本身还有其它正常任务程控指令时间序列，则将故障恢复程控指令时间序列与正常任务程控指令时间序列按照时间顺序混编，形成完整的程控指令时间序列，并上注到卫星上。
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