CN114018283A - 一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法 - Google Patents

一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，属于航天器姿态控制领域；步骤一、对星敏感器线路进行通讯故障检测；步骤二、对星敏感器线路进行通讯故障处理；步骤三、对星敏感器进行星图处理故障检测；步骤四、对星敏感器进行星图处理故障处理；步骤五、对星敏感器四元素数据进行故障检测；步骤六、对星敏感器进行四元素数据进行故障处理；本发明实现不同位置发生的不同故障均能得到及时诊断与处理，故障处置范围控制在合理范围，对系统的影响小。

Description

一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法
技术领域
本发明属于航天器姿态控制领域，涉及一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法。
背景技术
星敏感器是目前各类航天器上精度最高的姿态测量器件，是卫星完成正常功能的重要基石。传统星敏感器通常采用单个探头对应单个处理器的结构，因此单个探头或对应处理器发生异常后，作为冗余备份的星敏感器仍能正常工作，因而对卫星功能性能基本没有影响。
多探头星敏感器利用单处理器线路处理来自多个探头的图像信息，通过星图融合算法获取更高的姿态确定精度、更好的可靠性和更优的动态性能的同时，其成本、重量和功耗并没有显著增加，因此在单机的性能指标上具有一定的优势。
但多探头星敏感器采用主/备份线路+3个独立探头的方式，每个线路均可处理3个探头的星图数据。该体系架构决定了作为公共环节的单处理器发生异常时，会导致多个探头无法正常工作，因此处理线路通常采用主/备份的冷备份架构，因此系统上需对多探头星敏感器探头及/线路的故障诊断及修复策略进行专门的设计。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，实现不同位置发生的不同故障均能得到及时诊断与处理，故障处置范围控制在合理范围，对系统的影响小。
本发明解决技术的方案是：
一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，星敏感器内部设置主份线路和备份线路；星敏感器与3个探头对接，且主份线路和备份线路均与3个探头连接；故障诊断与修复包括如下步骤：
步骤一、对星敏感器线路进行通讯故障检测；
步骤二、对星敏感器线路进行通讯故障处理；
步骤三、对星敏感器进行星图处理故障检测；
步骤四、对星敏感器进行星图处理故障处理；
步骤五、对星敏感器四元素数据进行故障检测；
步骤六、对星敏感器进行四元素数据进行故障处理。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤一中，星敏感器的通信帧的属性为：
通信帧的长度为固定值Frame_Length，Frame_Length的选取无特殊限制；
通信帧包括帧头码Frame_Code，帧头码长度为1-4字节；
通讯帧中设置有帧号；帧号在每个通讯周期加1，帧号长度为1字节；
通讯帧中设置有校验码Checking_Code；校验码的校验算法采用异或校验、循环冗余校验、累加校验或纵向冗余校验；通讯帧中除校验码以外的所有字节均参与校验和计算；
通讯帧中包括星敏感器的当前工作模式；工作模式分为启动模式、全天球捕获模式、局部天区捕获模式、局部天区跟踪模式；其中局部天区跟踪模式为高精度输出的模式；
通讯帧中包括星敏感器数据有效标志；当星敏感器对采集星图处理后能够得到有效的姿态四元素，则将该标志置为有效；否则置为无效；
通讯帧中包括星敏感器输出姿态四元素对应的时间；
通讯帧中包括见强光标志；见强光标志根据星图的背景均值和阈值得到；当背景均值大于设定阈值时，设置为见强光，否则置为未见强光。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤一中，对星敏感器线路进行通讯故障检测的方法为：
S11、星敏感器线路返回数据的长度满足约定的Frame_Length；
S12、星敏感器线路返回数据的帧头与约定的Frame_Code一致；
S13、星敏感器线路返回数据的帧号与上一次通讯的帧号不同；
S14、星敏感器线路返回数据的校验码与约定的Checking_Code一致；
当S11、S12、S13、S14均满足时，判断通讯误故障，将连续通讯故障次数清零；否则，判断通讯故障，将连续通讯故障次数加1。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤二中，对星敏感器线路进行通讯故障处理的具体方法为：
S21、设置是否允许线路主/备份切换的标志，该标志默认为允许线路主/备份切换的标志；
S22、在连续通讯故障大于等于设定值N时，对线路进行断电再加电操作；
S23、在连续通讯故障大于等于设定值2N时，在允许线路主/备份切换的标志为允许的状态下切换至备份线路，并同时将允许线路主/备份切换的标志置为禁止。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，N的取值由通讯周期tperiod星敏感器看门狗时间tWDT和复位后恢复正常的时间treset确定，即N>(tWDT+treset)/tperiod。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤三中，上位机在通讯成功的基础上，对多探头星敏感器中每个单探头i进行星图处理故障检测：
S31、设定针对单探头i的星敏感器工作模式为集合M1；为保证星敏感器的输出数据可信度，集合M1仅为局部天区跟踪模式；
S32、单探头i的星敏感器数据有效标志为有效；
S33、单探头i的姿态四元素的时间与当前时间之差小于1秒；
S34、单探头i的星敏感器数据标志为未见强光；
当S31、S32、S33、S34均满足，则判断单探头i星图处理未出现故障，将连续故障次数清0；否则，判断单探头i星图处理出现故障，将单探头i连续星图故障次数加1。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤四中，对星敏感器进行星图处理故障处理的方法为：
S41、设置2个阈值K1和K2；
S42、当单探头i连续星图故障次数>K1时，对单探头i进行断电、重新加电操作；
S43、当所有单探头i连续星图故障次数>K2时，对主份线路进行断电再加电操作；
S44、在连续通讯故障大于等于2*K2时，在允许线路主/备份切换的标志为允许的情况下切换至备份线路，并将允许线路主/备份切换的标志置为禁止。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述阈值K1取值由通讯周期tperiod、在轨星敏感器见太阳或地球的最长时间tsun_earth和星敏感器全天球捕获时间tcatch确定，K1>(tsun_earth+tcatch)/tperiod；
所述阈值K2取值由通讯周期tperiod、星敏感器看门狗时间tWDT、复位后恢复正常的时间treset和星敏感器全天球捕获时间tcatch确定，即K2>(tWDT+treset+tcatch)/tperiod。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤五中，对星敏感器四元素数据进行故障检测的方法为：
上位机在通讯成功的基础上，对星敏感器线路返回的每个单探头i的四元素数据进行常值判断，即判断单探头i的星敏感器四元素数据与上一个周期数据是否完全一致；当不完全一致时，则判断单探头i四元素数据故障，并对单探头i连续四元素数据故障次数加1；否则，判断单探头i四元素数据正常，对进行清0操作。
在上述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，所述步骤六中，对星敏感器进行四元素数据进行故障处理的方法为：
S61、设置2个阈值M1和M2；
S62、当连续常值故障次数>M1后，将单探头i的数据置为无效；
S63、当连续常值故障次数>M2后，对单探头i进行断电/重新加电操作；
M1取值为1～5s，M2为50～2000s，根据系统其他敏感器的工作状态确定。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明从系统层面对多探头星敏感器的故障诊断及恢复策略进行设计；
(2)本发明从处理器的通讯故障到软件故障、再到探头故障进行了分级、分类、分时处理，实现不同位置发生的不同故障均能得到及时诊断与处理，故障处置范围控制在合理范围，对系统的影响小。
附图说明
图1为本发明多探头星敏感器系统示意图；
图2为本发明多探头星敏感器故障诊断与修复流程图；
图3为本发明通讯故障处理流程图；
图4为本发明星图处理故障流程图；
图5为本发明四元素数据故障处理流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明提供一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，从处理器的通讯故障到软件故障、再到探头故障进行了分级、分类、分时处理，实现不同位置发生的故障均能得到及时诊断与处理，故障处置范围控制在合理范围，对系统的影响小。
星敏感器内部设置主份线路和备份线路；星敏感器与3个探头对接，且主份线路和备份线路均与3个探头连接，如图1所示。
针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，如图2所示，具体包括如下步骤：
步骤一、对星敏感器线路进行通讯故障检测；星敏感器的通信帧的属性为：
通信帧的长度为固定值Frame_Length，Frame_Length的选取无特殊限制；
通信帧包括帧头码Frame_Code，帧头码长度为1-4字节；
通讯帧中设置有帧号；帧号在每个通讯周期加1，帧号长度为1字节；
通讯帧中设置有校验码Checking_Code；校验码的校验算法采用异或校验、循环冗余校验、累加校验或纵向冗余校验；通讯帧中除校验码以外的所有字节均参与校验和计算；
通讯帧中包括星敏感器的当前工作模式；工作模式分为启动模式、全天球捕获模式、局部天区捕获模式、局部天区跟踪模式；其中局部天区跟踪模式为高精度输出的模式；
通讯帧中包括星敏感器数据有效标志；当星敏感器对采集星图处理后能够得到有效的姿态四元素，则将该标志置为有效；否则置为无效；
通讯帧中包括星敏感器输出姿态四元素对应的时间；
通讯帧中包括见强光标志；见强光标志根据星图的背景均值和阈值得到；当背景均值大于设定阈值时，设置为见强光，否则置为未见强光。
对星敏感器线路进行通讯故障检测的方法为：
S11、星敏感器线路返回数据的长度满足约定的Frame_Length；
S12、星敏感器线路返回数据的帧头与约定的Frame_Code一致；
S13、星敏感器线路返回数据的帧号与上一次通讯的帧号不同；
S14、星敏感器线路返回数据的校验码与约定的Checking_Code一致；
当S11、S12、S13、S14均满足时，判断通讯误故障，将连续通讯故障次数清零；否则，判断通讯故障，将连续通讯故障次数加1。
步骤二、对星敏感器线路进行通讯故障处理；对星敏感器线路进行通讯故障处理的具体方法为：
S21、设置是否允许线路主/备份切换的标志，该标志默认为允许线路主/备份切换的标志；
S22、在连续通讯故障大于等于设定值N时，对线路进行断电再加电操作；
S23、在连续通讯故障大于等于设定值2N时，在允许线路主/备份切换的标志为允许的状态下切换至备份线路，并同时将允许线路主/备份切换的标志置为禁止。
N的取值由通讯周期tperiod星敏感器看门狗时间tWDT和复位后恢复正常的时间treset确定，即N>(tWDT+treset)/tperiod。
步骤三、对星敏感器进行星图处理故障检测；上位机在通讯成功的基础上，对多探头星敏感器中每个单探头i进行星图处理故障检测：
S31、设定针对单探头i的星敏感器工作模式为集合M1；为保证星敏感器的输出数据可信度，集合M1仅为局部天区跟踪模式；
S32、单探头i的星敏感器数据有效标志为有效；
S33、单探头i的姿态四元素的时间与当前时间之差小于1秒；
S34、单探头i的星敏感器数据标志为未见强光；
当S31、S32、S33、S34均满足，则判断单探头i星图处理未出现故障，将连续故障次数清0；否则，判断单探头i星图处理出现故障，将单探头i连续星图故障次数加1。
步骤四、对星敏感器进行星图处理故障处理；S41、设置2个阈值K1和K2；
S42、当单探头i连续星图故障次数>K1时，对单探头i进行断电、重新加电操作；
S43、当所有单探头i连续星图故障次数>K2时，对主份线路进行断电再加电操作；
S44、在连续通讯故障大于等于2*K2时，在允许线路主/备份切换的标志为允许的情况下切换至备份线路，并将允许线路主/备份切换的标志置为禁止。
阈值K1取值由通讯周期tperiod、在轨星敏感器见太阳或地球的最长时间tsun_earth和星敏感器全天球捕获时间tcatch确定，K1>(tsun_earth+tcatch)/tperiod；
所述阈值K2取值由通讯周期tperiod、星敏感器看门狗时间tWDT、复位后恢复正常的时间treset和星敏感器全天球捕获时间tcatch确定，即K2>(tWDT+treset+tcatch)/tperiod。
步骤五、对星敏感器四元素数据进行故障检测；对星敏感器四元素数据进行故障检测的方法为：
上位机在通讯成功的基础上，对星敏感器线路返回的每个单探头i的四元素数据进行常值判断，即判断单探头i的星敏感器四元素数据与上一个周期数据是否完全一致；当不完全一致时，则判断单探头i四元素数据故障，并对单探头i连续四元素数据故障次数加1；否则，判断单探头i四元素数据正常，对进行清0操作。
步骤六、对星敏感器进行四元素数据进行故障处理。对星敏感器进行四元素数据进行故障处理的方法为：
S61、设置2个阈值M1和M2；
S62、当连续常值故障次数>M1后，将单探头i的数据置为无效；
S63、当连续常值故障次数>M2后，对单探头i进行断电/重新加电操作；
M1取值为1～5s，M2为50～2000s，根据系统其他敏感器的工作状态确定。
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 (10)

1.一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：星敏感器内部设置主份线路和备份线路；星敏感器与3个探头对接，且主份线路和备份线路均与3个探头连接；故障诊断与修复包括如下步骤：
步骤一、对星敏感器线路进行通讯故障检测；
步骤二、对星敏感器线路进行通讯故障处理；
步骤三、对星敏感器进行星图处理故障检测；
步骤四、对星敏感器进行星图处理故障处理；
步骤五、对星敏感器四元素数据进行故障检测；
步骤六、对星敏感器进行四元素数据进行故障处理。
2.根据权利要求1所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤一中，星敏感器的通信帧的属性为：
通信帧的长度为固定值Frame_Length，Frame_Length的选取无特殊限制；
通信帧包括帧头码Frame_Code，帧头码长度为1-4字节；
通讯帧中设置有帧号；帧号在每个通讯周期加1，帧号长度为1字节；
通讯帧中设置有校验码Checking_Code；校验码的校验算法采用异或校验、循环冗余校验、累加校验或纵向冗余校验；通讯帧中除校验码以外的所有字节均参与校验和计算；
通讯帧中包括星敏感器的当前工作模式；工作模式分为启动模式、全天球捕获模式、局部天区捕获模式、局部天区跟踪模式；其中局部天区跟踪模式为高精度输出的模式；
通讯帧中包括星敏感器数据有效标志；当星敏感器对采集星图处理后能够得到有效的姿态四元素，则将该标志置为有效；否则置为无效；
通讯帧中包括星敏感器输出姿态四元素对应的时间；
通讯帧中包括见强光标志；见强光标志根据星图的背景均值和阈值得到；当背景均值大于设定阈值时，设置为见强光，否则置为未见强光。
3.根据权利要求2所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤一中，对星敏感器线路进行通讯故障检测的方法为：
S11、星敏感器线路返回数据的长度满足约定的Frame_Length；
S12、星敏感器线路返回数据的帧头与约定的Frame_Code一致；
S13、星敏感器线路返回数据的帧号与上一次通讯的帧号不同；
S14、星敏感器线路返回数据的校验码与约定的Checking_Code一致；
当S11、S12、S13、S14均满足时，判断通讯误故障，将连续通讯故障次数清零；否则，判断通讯故障，将连续通讯故障次数加1。
4.根据权利要求3所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤二中，对星敏感器线路进行通讯故障处理的具体方法为：
S21、设置是否允许线路主/备份切换的标志，该标志默认为允许线路主/备份切换的标志；
S22、在连续通讯故障大于等于设定值N时，对线路进行断电再加电操作；
S23、在连续通讯故障大于等于设定值2N时，在允许线路主/备份切换的标志为允许的状态下切换至备份线路，并同时将允许线路主/备份切换的标志置为禁止。
5.根据权利要求4所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：N的取值由通讯周期tperiod星敏感器看门狗时间tWDT和复位后恢复正常的时间treset确定，即N>(tWDT+treset)/tperiod。
6.根据权利要求5所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤三中，上位机在通讯成功的基础上，对多探头星敏感器中每个单探头i进行星图处理故障检测：
S31、设定针对单探头i的星敏感器工作模式为集合M1；为保证星敏感器的输出数据可信度，集合M1仅为局部天区跟踪模式；
S32、单探头i的星敏感器数据有效标志为有效；
S33、单探头i的姿态四元素的时间与当前时间之差小于1秒；
S34、单探头i的星敏感器数据标志为未见强光；
当S31、S32、S33、S34均满足，则判断单探头i星图处理未出现故障，将连续故障次数清0；否则，判断单探头i星图处理出现故障，将单探头i连续星图故障次数加1。
7.根据权利要求6所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤四中，对星敏感器进行星图处理故障处理的方法为：
S41、设置2个阈值K1和K2；
S42、当单探头i连续星图故障次数>K1时，对单探头i进行断电、重新加电操作；
S43、当所有单探头i连续星图故障次数>K2时，对主份线路进行断电再加电操作；
S44、在连续通讯故障大于等于2*K2时，在允许线路主/备份切换的标志为允许的情况下切换至备份线路，并将允许线路主/备份切换的标志置为禁止。
8.根据权利要求7所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述阈值K1取值由通讯周期tperiod、在轨星敏感器见太阳或地球的最长时间tsun_earth和星敏感器全天球捕获时间tcatch确定，K1>(tsun_earth+tcatch)/tperiod；
所述阈值K2取值由通讯周期tperiod、星敏感器看门狗时间tWDT、复位后恢复正常的时间treset和星敏感器全天球捕获时间tcatch确定，即K2>(tWDT+treset+tcatch)/tperiod。
9.根据权利要求8所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤五中，对星敏感器四元素数据进行故障检测的方法为：
上位机在通讯成功的基础上，对星敏感器线路返回的每个单探头i的四元素数据进行常值判断，即判断单探头i的星敏感器四元素数据与上一个周期数据是否完全一致；当不完全一致时，则判断单探头i四元素数据故障，并对单探头i连续四元素数据故障次数加1；否则，判断单探头i四元素数据正常，对进行清0操作。
10.根据权利要求9所述的一种针对多探头星敏感器的系统故障诊断与修复方法，其特征在于：所述步骤六中，对星敏感器进行四元素数据进行故障处理的方法为：
S61、设置2个阈值M1和M2；
S62、当连续常值故障次数>M1后，将单探头i的数据置为无效；
S63、当连续常值故障次数>M2后，对单探头i进行断电/重新加电操作；
M1取值为1～5s，M2为50～2000s，根据系统其他敏感器的工作状态确定。
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