一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構的製作方法
2023-05-31 01:21:06
專利名稱：一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種太空飛行器自主健康管理體系結構，屬於衛星自主健康管理技術領域。
背景技術：
太空飛行器自主健康管理是指在不依賴地面支持，獨立、安全、可靠運行的能力。自主能力的大小反映了太空飛行器健康管理對地面和操作人員的依賴程度的高低。自主健康管理技術能夠提供太空飛行器三個方面的能力:一是減少地面幹預和地面系統的測控任務量，自主完成在軌正常運行的各項任務；二是根據太空飛行器故障預報模型或可靠性模型預測系統部件工作狀況和發展趨勢，避免失效發生；三是在故障發生時，進行故障診斷，確定哪些部件未正常工作或性能下降，根據故障處理策略進行故障隔離、系統重構，使系統恢復到正常狀態或降級使用。從太空飛行器發展趨勢看，越來越強的高可靠和高自主性需求、諸多「自主運行」的任務要求、以及以星座長期管理為代表的任務模式都對發展太空飛行器自主健康管理技術提出了迫切需求，而如何科學建立太空飛行器自主健康管理的體系結構是自主健康管理技術的核心，也是實現高效可靠的管理目標的基礎。目前國外最新研製的太空飛行器多數已具備自主健康管理能力，而國內太空飛行器自主健康管理很大程度上還處於試驗階段，自主健康管理技術的優勢還沒有充分發揮，尤其缺少系統級體系架構的設計，分系統(單機)間關聯信息未得到充分利用。
發明內容
本發明的技術解決問題是:克服現有技術的不足，提出了一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，實現`分級、分層次的太空飛行器健康管理方式。本發明的技術解決方案是:—種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，包括:專用檢測和模式控制模塊、中心處理器、平臺載荷綜合業務單元和控制綜合業務單元，中心處理器中包括FDIR中心控制任務模塊和關聯故障健康管理模塊，平臺載荷綜合業務單元包括平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊和遙測採集指令輸出模塊，控制綜合業務單元包括控制推進遙測採集模塊、外部報警接口模塊和控制綜合業務單元健康管理模塊；平臺載荷綜合業務單元中的遙測採集指令輸出模塊採集太空飛行器上的非控制部件的遙測信息，並將所述遙測信息送入平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊中，平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊根據預設的非控制部件健康管理規則判斷所述非控制部件的健康狀態，之後將所述非控制部件的健康狀態通過1553B總線發送到中心處理器，同時平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊還將所述平臺載荷綜合業務單元的健康狀態通過1553B總線發送給中心處理器；控制綜合業務單元中的控制推進遙測採集模塊採集太空飛行器上的控制部件的遙測信息，並將所述控制部件的遙測信息送入控制綜合業務單元健康管理模塊中進行處理，控制綜合業務單元健康管理模塊根據預設的控制部件健康管理規則判斷所述控制部件的健康狀態，之後將所述控制部件的健康狀態通過1553B總線發送到中心處理器，同時控制綜合業務單元健康管理模塊還將所述控制綜合業務單元的健康狀態通過1553B總線發送給中心處理器；外部報警接口模塊將地球敏感器的健康狀態發送給專用檢測和模式控制模塊，專用檢測和模式控制模塊根據外部報警接口模塊發送過來的地球敏感器的健康狀態判斷地球敏感器是否發生故障，若健康狀態為地球敏感器信號丟失，即發生地球敏感器信號丟失故障，則專用檢測和模式控制模塊發送對日定向指令序列令太空飛行器轉入對日定向安全模式；中心處理器中的FDIR中心控制任務模塊根據1553B總線傳輸過來的信息和預設的健康管理規則判斷平臺載荷綜合業務單元和控制綜合業務單元的健康狀態，如果發生故障，則通過1553B總線發送指令恢復序列給平臺載荷綜合業務單元或控制綜合業務單元，對發生故障的單元進行重構，同時，FDIR中心控制任務模塊還通過1553B總線和遙測採集指令輸出模塊發送非控制部件重組指令序列給發生故障的非控制部件，令其恢復正常，通過1553B總線和控制推進遙測採集模塊發送控制部件重組指令序列給發生故障的控制部件，令其恢復正常；中心處理器中的關聯故障健康管理模塊處理太空飛行器能源和姿態的健康狀態，若太空飛行器能源發生故障， 則發送指令序列對與太空飛行器能源相關聯的部件進行重組，令太空飛行器能源恢復正常，若太空飛行器姿態發生故障，則發送指令序列對與太空飛行器姿態相關聯的部件進行重組，令太空飛行器姿態恢復正常；中心處理器將其自身的健康狀態信息發送給專用檢測和模式控制模塊，若中心處理器發生故障，則專用檢測和模式控制模塊發送指令恢復序列令中心處理器恢復正常。所述平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元和中心處理器中的FDIR中心控制任務模塊處理太空飛行器的一級故障，所述太空飛行器的一級故障是指發生在太空飛行器部件的一次
獨立故障。所述中心處理器中的關聯故障健康管理模塊處理太空飛行器的二級故障，所述二級故障是指與太空飛行器能源或者姿態相關的關聯性故障。太空飛行器的三級故障和四級故障通過專用檢測和模式控制模塊進行處理，所述三級故障是指中心處理器的硬體或者軟體發生故障，四級故障是指太空飛行器上地球敏感期信號丟失故障。本發明與現有技術相比的有益效果是:( I)本發明中的基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構採用分級控制方式，該控制方式合理利用星上的計算資源由中心處理器和綜合業務單元共同完成健康管理任務，具備良好的總體和局部控制性能。(2)本發明根據我國太空飛行器的設計特點將故障分為五級，每級故障採用不同的檢測方法和恢復策略，形成了分級、分層次的健康管理架構。各級故障的檢測方法和恢復策略充分利用太空飛行器各對象之間的相關性，使完成健康管理的各個功能模塊既能相互協作，又保持清晰的任務界面。
( 3 )本發明的自主健康管理體系結構基於通用的綜合電子平臺，具有通用性，可適應不同類型太空飛行器的健康管理需求。
圖1為本發明系統架構示意圖。
具體實施例方式1、故障分級本發明根據我國太空飛行器的設計特點將故障分為五級，每級故障採用不同的檢測方法和恢復策略，形成了分級、分層次的健康管理架構。故障分級和各級故障的恢復方法如下:第O級故障(IevelO):可容忍錯誤，可自主對故障進行處理和恢復，無需綜合電子軟硬體幹預。第O級故障發生後，對單機、分系統和整星的功能沒有影響。第I級故障(Ievell):部件級獨立故障，I級故障指發生在部件(含單機、單板、模塊等)的一次獨立故障。I級故障又分為2個子等級:1-a級故障:非控制部件以及綜合業務單元發生故障。Ι-b級故障:姿軌控分系統敏感器或執行機構發生故障。第2級故障(leVe12):關聯性故障。第2級故障是指與太空飛行器能源或者姿態相關的關聯性故障，2級故障由關聯故障健康管理模塊對其進行檢測和恢復，2級故障導致衛星相關功能鏈重組。第3級故障(leVe13):中心管理單元的硬體或軟體發生故障。第4級故障(leVe14):最高級故障，4級故障是指太空飛行器上地球敏感期信號丟失故障，此類故障無法由低級(O - 3級)的故障機制進行檢測和恢復。此類故障導致太空飛行器進入對日定向安全模式，進入安全模式後，將等待地面的分析與處理。以上5級故障的健康管理在綜合電子平臺下實現，由綜合電子平臺的中心處理器、平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元、專用檢測和模式控制模塊共同完成健康信息整合、故障診斷以及重構恢復。2、自主健康管理體系結構和工作流程本發明設計了基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，用於實現分級、分層次的太空飛行器健康管理。如圖1所示為本發明的系統組成，包括專用檢測和模式控制模塊、中心處理器、平臺載荷綜合業務單元和控制綜合業務單元，中心處理器中包括FDIR中心控制任務模塊和關聯故障健康管理模塊，平臺載荷綜合業務單元包括平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊和遙測採集指令輸出模塊，控制綜合業務單元包括控制推進遙測採集模塊、外部報警接口模塊和控制綜合業務單元健康管理模塊；平臺載荷綜合業務單元中的遙測採集指令輸出模塊採集太空飛行器上的非控制部件的遙測信息，並將所述遙測信息送入平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊中，平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊根據預設的非控制部件健康管理規則判斷所述非控制部件的健康狀態，之後將所述非控制部 件的健康狀態通過1553B總線發送到中心處理器，同時平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊還將所述平臺載荷綜合業務單元的健康狀態通過1553B總線發送給中心處理器；控制綜合業務單元中的控制推進遙測採集模塊採集太空飛行器上的控制部件的遙測信息，並將所述控制部件的遙測信息送入控制綜合業務單元健康管理模塊中進行處理，控制綜合業務單元健康管理模塊根據預設的控制部件健康管理規則判斷所述控制部件的健康狀態，之後將所述控制部件的健康狀態通過1553B總線發送到中心處理器，同時控制綜合業務單元健康管理模塊還將所述控制綜合業務單元的健康狀態通過1553B總線發送給中心處理器；外部報警接口模塊將地球敏感器的健康狀態發送給專用檢測和模式控制模塊，專用檢測和模式控制模塊根據外部報警接口模塊發送過來的地球敏感器的健康狀態判斷地球敏感器是否發生故障，若健康狀態為地球敏感器信號丟失，即發生地球敏感器信號丟失故障，則專用檢測和模式控制模塊發送對日定向指令序列令太空飛行器轉入對日定向安全模式；中心處理器中的FDIR中心控制任務模塊根據1553B總線傳輸過來的信息和預設的健康管理規則判斷平臺載荷綜合業務單元和控制綜合業務單元的健康狀態，如果發生個故障，則通過1553B總線發送指令恢復序列給平臺載荷綜合業務單元或控制綜合業務單元，令發生故障的單元進行重構，同時，FDIR中心控制任務模塊還通過1553B總線和遙測採集指令輸出模塊發送非控制部件重組指令序列給發生故障的非控制部件，令其恢復正常，通過1553B總線和控制推進遙測採集模塊發送控制部件重組指令序列給發生故障的控制部件，令其恢復正常；中心處理器中的關聯故障健康管理模塊處理太空飛行器能源和姿態的健康狀態，若太空飛行器能源發生故障，則發送指令序列對與太空飛行器能源相關聯的部件進行重組，令太空飛行器能源恢復正常，若太空飛行器姿態發生故障，則發送指令序列對與太空飛行器姿態相關聯的部件進行重組，令太空飛行器姿態恢復正常；中心處理器將其自身的健康狀態信息發送給專用檢測和模式控制模塊，若中心處理器發生故障，則專用檢測和模式控制模塊發送指令恢復序列令中心處理器恢復正常。以上健康管理體系採用模塊化分級設計的思想，該體系結構能夠減少中心處理器的負擔，利於適應複雜多變的工作環境，並具有較高的動態響應能力。根據故障分級，各級故障的健康管理由不同模塊完成:第I級故障的健康管理通過平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊、控制綜合業務單元健康管理模塊、FDIR中心控制任務模塊共同完成。第2級故障的健康管理通過關聯故障健康管理模塊完成。第3級故障、第4級故障的健康管理通過專用檢測和模式控制模塊完成。下面對各組成模塊分別進行介紹。一、平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊根據預設的非控制部件健康管理規則給出所述非控制部件和自身的健康狀態信息，其工作流程如下: (I)平臺載荷綜合業務單元通過通用的遙測採集指令輸出模塊採集太空飛行器上的非控制部件的遙測信息，並發送給平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊；
(2)平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊根據預設的非控制部件健康管理規則判斷所述非控制部件的健康狀態，並給出診斷的結果(即部件健康狀態信息和自身健康狀態信息)。其中，自身健康狀態信息為平臺載荷綜合業務單元的健康狀態信息。(3)平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊通過1553B總線將非控制部件的健康狀態和自身的健康狀態信息發送給中心處理器。二、控制綜合業務單元健康管理模塊控制綜合業務單元健康管理模塊根據預設的控制部件健康管理規則給出所述控制部件和自身的健康狀態信息，其工作流程如下:(I)控制綜合業務單元通過通用的控制遙測採集模塊採集太空飛行器上的控制部件的遙測信息，並發送給控制綜合業務單元健康管理模塊；(2)控制綜合業務單元健康管理模塊根據預設的控制部件健康管理規則判斷所述控制部件的健康狀態，並給出診斷的結果(即部件健康狀態信息和自身健康狀態信息)。其中，自身健康狀態信息為控制綜合業務單元的健康狀態信息。(3)控制綜合業務單元健康管理模塊通過1553B總線將控制部件的健康狀態和自身的健康狀態信息發送給中心處理器。(4)當診斷出地球敏感器信號丟失故障，控制綜合業務單元健康管理模塊將該信息送給外部報警接口模塊， 通過外部報警接口模塊將信息發送給專用檢測和模式控制模塊。三、FDIR中心控制任務模塊FDIR中心控制任務模塊根據平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元提供的健康狀態信息對各部件以及綜合業務單元進行統一管理，其工作流程如下:(I)中心處理器通過1553B總線接收平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元提供的健康狀態信息；(2)中心處理器中的FDIR中心控制任務模塊對平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元提供的健康狀態信息進行判斷，如有異常，生成相應的恢復指令；(3) FDIR中心控制任務模塊的恢復指令通過1553B總線發送給綜合業務單元，完成一級故障的恢復。 四、關聯故障健康管理模塊關聯故障健康管理模塊對能源、姿態等太空飛行器重要功能的異常進行判斷，並生成相關的異常恢復指令序列，其工作流程如下:(I)中心處理器通過1553B總線接收平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元提供的太空飛行器能源和姿態的健康狀態；(2)中心處理器中的關聯故障健康管理模塊對太空飛行器能源和姿態的健康狀態進行判斷，如有異常，生成相應的恢復指令序列；(3)當太空飛行器能源發生故障時，關聯故障健康管理模塊的恢復指令序列通過1553B總線發送給平臺載荷綜合業務單元，並輸出指令，對與太空飛行器能源相關聯的部件進行重組，完成二級故障的恢復；(4)當太空飛行器姿態發生故障時，關聯故障健康管理模塊的恢復指令序列通過1553B總線發送給控制綜合業務單元，並輸出指令，對與太空飛行器姿態相關聯的部件進行重組，完成二級故障的恢復。五、專用檢測和模式控制模塊專用檢測和模式控制模塊負責衛星3級故障和4級故障的健康管理。中心管理單元由A機、B機和應急計算機組成。對於3級故障，即中心管理單元自身的軟體、硬體故障，由專用檢測和模式控制模塊完成復位、切機等動作，具體邏輯如下:( I)專用檢測和模式控制模塊為中心管理單元的A機、B機和應急計算機設置「看門狗」電路，使用看門狗計數器監視A機、B機和應急計算機中當班機的工作狀態。(2)當中心管理單元工作正常時，會定期發出清狗信號(假設中心管理單元每隔M秒發出清狗信號)。如果看門狗計數器連續N個周期(M * N秒)未收到來自中心管理單元的清狗信號，專用檢測和模式控制模塊將對中心管理單元的A機進行復位操作；(3)中心管理單元A機復位後，專用檢測和模式控制模塊連續N個周期仍然未收到中心管理單元A機發出的清狗信號，則專用檢測和模式控制模塊檢查允許切機標誌。如果該標誌為「允許切機」， 則中心管理單元由A機切換到B機，同時將允許切機標誌置為「禁止切機」;(4)如果專用檢測和模式控制模塊連續2N個周期沒有收到清狗信號，且允許切機標誌為「禁止切機」，則專用檢測和模式控制模塊關閉中心管理單元的A機和B機，並開啟應急計算機。對於4級故障，其工作流程如下:當控制綜合業務單元的外部報警接口模塊產生地球敏感器信號丟失故障報警時，專用檢測和模式控制模塊產生相應的指令序列，該指令序列使太空飛行器進入對日定向安全模式，等待地面處理。本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
權利要求
1.一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，其特徵在於包括:專用檢測和模式控制模塊、中心處理器、平臺載荷綜合業務單元和控制綜合業務單元，中心處理器中包括FDIR中心控制任務模塊和關聯故障健康管理模塊，平臺載荷綜合業務單元包括平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊和遙測採集指令輸出模塊，控制綜合業務單元包括控制推進遙測採集模塊、外部報警接口模塊和控制綜合業務單元健康管理模塊； 平臺載荷綜合業務單元中的遙測採集指令輸出模塊採集太空飛行器上的非控制部件的遙測信息，並將所述遙測信息送入平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊中，平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊根據預設的非控制部件健康管理規則判斷所述非控制部件的健康狀態，之後將所述非控制部件的健康狀態通過1553B總線發送到中心處理器，同時平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊還將所述平臺載荷綜合業務單元的健康狀態通過1553B總線發送給中心處理器； 控制綜合業務單元中的控制推進遙測採集模塊採集太空飛行器上的控制部件的遙測信息，並將所述控制部件的遙測信息送入控制綜合業務單元健康管理模塊中進行處理，控制綜合業務單元健康管理模塊根據預設的控制部件健康管理規則判斷所述控制部件的健康狀態，之後將所述控制部件的健康狀態通過1553B總線發送到中心處理器，同時控制綜合業務單元健康管理模塊還將所述控制綜合業務單元的健康狀態通過1553B總線發送給中心處理器；外部報警接口模塊將地球敏感器的健康狀態發送給專用檢測和模式控制模塊， 專用檢測和模式控制模塊根據外部報警接口模塊發送過來的地球敏感器的健康狀態判斷地球敏感器是 否發生故障，若健康狀態為地球敏感器信號丟失，即發生地球敏感器信號丟失故障，則專用檢測和模式控制模塊發送對日定向指令序列令太空飛行器轉入對日定向安全模式； 中心處理器中的FDIR中心控制任務模塊根據1553B總線傳輸過來的信息和預設的健康管理規則判斷平臺載荷綜合業務單元和控制綜合業務單元的健康狀態，如果發生故障，則通過1553B總線發送指令恢復序列給平臺載荷綜合業務單元或控制綜合業務單元，對發生故障的單元進行重構，同時，FDIR中心控制任務模塊還通過1553B總線和遙測採集指令輸出模塊發送非控制部件重組指令序列給發生故障的非控制部件，令其恢復正常，通過1553B總線和控制推進遙測採集模塊發送控制部件重組指令序列給發生故障的控制部件，令其恢復正常； 中心處理器中的關聯故障健康管理模塊處理太空飛行器能源和姿態的健康狀態，若太空飛行器能源發生故障，則發送指令序列對與太空飛行器能源相關聯的部件進行重組，令太空飛行器能源恢復正常，若太空飛行器姿態發生故障，則發送指令序列對與太空飛行器姿態相關聯的部件進行重組，令太空飛行器姿態恢復正常；中心處理器將其自身的健康狀態信息發送給專用檢測和模式控制模塊，若中心處理器發生故障，則專用檢測和模式控制模塊發送指令恢復序列令中心處理器恢復正常。
2.根據權利要求1所述的一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，其特徵在於:所述平臺載荷綜合業務單元、控制綜合業務單元和中心處理器中的FDIR中心控制任務模塊處理太空飛行器的一級故障，所述太空飛行器的一級故障是指發生在太空飛行器部件的一次獨立故障。
3.根據權利要求1所述的一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，其特徵在於:所述中心處理器中的關聯故障健康管理模塊處理太空飛行器的二級故障，所述二級故障是指與太空飛行器能源或者姿態相關的關聯性故障。
4.根據權利要求1所述的一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，其特徵在於:太空飛行器的三級故障和四級故障通過專用檢測和模式控制模塊進行處理，所述三級故障是指中心處理器 的硬體或者軟體發生故障，四級故障是指太空飛行器上地球敏感期信號丟失故障。
全文摘要
一種基於綜合電子平臺的太空飛行器自主健康管理體系結構，將太空飛行器故障分為5級，每級故障採用不同的檢測方法和恢復策略，形成了分級、分層次的健康管理架構。0級故障通過單機自身可靠性設計保證，平臺載荷綜合業務單元健康管理模塊、控制綜合業務單元健康管理模塊、FDIR中心控制任務模塊完成1級故障的健康管理，關聯故障健康管理模塊完成2級故障的健康管理，專用檢測和模式控制模塊完成3級、4級故障的健康管理。本發明體系結構基於通用的綜合電子平臺，具有通用性，可適應不同類型太空飛行器的健康管理需求。
文檔編號G05B23/02GK103217974SQ20131014156
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月22日 優先權日2013年4月22日
發明者潘宇倩, 劉崇華, 楊聰偉, 張弓, 白東煒, 定宇, 郝文宇, 王慶華, 曹錦 申請人:北京空間飛行器總體設計部