王 健，熊福敏

(沈陽化工大學(xué) 信息工程學(xué)院,沈陽 110000)

0 引言

航天測控系統(tǒng)屬于電子系統(tǒng)工程問題，對于該系統(tǒng)來說，應(yīng)先考慮的是航天任務(wù)要求，從地面基站出發(fā)，實(shí)現(xiàn)信息獲取，以此確定航天器飛行姿態(tài)[1]。如果某一個測控頻段出現(xiàn)故障，就會影響整個航天器運(yùn)行狀態(tài)。隨著空間技術(shù)快速發(fā)展，針對航天測控頻段可靠性研究日益受到人們重視，尤其對于航天測控頻段故障診斷技術(shù)研究成為該領(lǐng)域重要研究內(nèi)容[2]。傳統(tǒng)基于信號處理的方法受到航天器結(jié)構(gòu)復(fù)雜影響，無法精準(zhǔn)獲取航天測控頻段數(shù)據(jù)，其動態(tài)數(shù)學(xué)模型難以建立，并且實(shí)時可用檢測信號很少，同樣受到外界環(huán)境干擾，診斷結(jié)果不精準(zhǔn)。為了解決上述問題，根據(jù)航天測控頻段層次結(jié)構(gòu)，提出了基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖1可知，該系統(tǒng)采用集中化設(shè)計結(jié)構(gòu)，即由多個agent組成的集中管理組織，負(fù)責(zé)為各下屬診斷agent提供統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理中心，實(shí)現(xiàn)對各agent的行為、任務(wù)分配和信息資源共享[3]。

系統(tǒng)主要組成部分主要功能如下：

1)傳感器：傳感器主要負(fù)責(zé)監(jiān)測航天器的環(huán)境信息和狀態(tài)，將監(jiān)測結(jié)果存儲于數(shù)據(jù)庫中，可用于故障預(yù)測與診斷[4]。

2)推理模塊：分析數(shù)據(jù)庫中的信息數(shù)據(jù)，向上級系統(tǒng)代理發(fā)送故障預(yù)測結(jié)果和故障狀態(tài)信息；根據(jù)知識庫中的經(jīng)驗(yàn)知識或模型知識以及傳感器中的信息，由診斷推理機(jī)根據(jù)上級代理指派的診斷任務(wù)進(jìn)行初步故障診斷[5]。

3)執(zhí)行器：執(zhí)行器主要負(fù)責(zé)重構(gòu)系統(tǒng)接收的指令，并將該指令發(fā)送給通信控制器。

4)HMI接口：通過人機(jī)交互，將代理工作狀態(tài)的顯示和診斷結(jié)果呈現(xiàn)給代理，并對各個模塊進(jìn)行更新。

5)通信控制器：從高級代理收到的消息被發(fā)送到該代理的相關(guān)模塊，并將各模塊產(chǎn)生的結(jié)果發(fā)送到上級代理。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖2可知，對 A/D信號進(jìn)行高速采集，通過檢測初始行波頭，避免了高負(fù)載，簡化了電路結(jié)構(gòu)，降低了存儲要求。

2.1 波頭信號檢測模塊

波頭信號檢測模塊主要是將穿芯式行波傳感器、分壓式行波傳感器接收到的波頭信號轉(zhuǎn)換為脈沖信息，并將該信號傳送到信號處理模塊[6]。該檢測模塊是由時間記錄模塊、采樣處理模塊、北斗短信通信模塊、人機(jī)交互模塊組成的，其中時間記錄模塊主要負(fù)責(zé)記錄行波到達(dá)時脈沖觸發(fā)的采樣時間，并利用采樣處理模塊處理接收到的故障信息進(jìn)行故障判斷[7-9]。一旦故障確認(rèn)后，該模塊立刻將信息反饋給主機(jī)，主設(shè)備采用雙端法確定故障位置，并及時反饋到人機(jī)交互界面[10-12]。

2.2 地面接收器

地面接收器接收衛(wèi)星輸出的微弱信號時，需要經(jīng)過功率放大、頻率轉(zhuǎn)換、雜波濾波等一系列處理，才能得到所需的數(shù)據(jù)。北斗衛(wèi)星發(fā)出信號是以最小功率-157.8 dBW和正常功率-146.9 dBW的方式發(fā)送到地面接收機(jī)的，載頻2 491.74 MHz，帶寬8.15 MHz。為確保地面接收機(jī)能準(zhǔn)確采集衛(wèi)星發(fā)射信號，將接收信號的靈敏度設(shè)置在-145 dBW[13-15]。

2.3 計數(shù)器

計數(shù)器主要統(tǒng)計本振輸出的脈沖數(shù)，從而調(diào)整頻率范圍，使之保持在可靠范圍內(nèi)。結(jié)合調(diào)頻估計下一秒時域，充分考慮線路老化對時鐘脈沖的影響。通過計時器，能夠使衛(wèi)星接收機(jī)輸出時間完整度得以區(qū)分，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。時間-頻率統(tǒng)計系統(tǒng)將北斗授時接收機(jī)輸出的1 PPS信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號形式，并由北斗授時接收機(jī)接收該信號，達(dá)到時間一致性[16]。若北斗授時接收機(jī)不能正常工作，則計數(shù)器將保持原有狀態(tài)，避免信號接收延遲問題出現(xiàn)。

2.4 北斗短報文模塊

短消息通過衛(wèi)星將其轉(zhuǎn)發(fā)到基站。經(jīng)過解密和重新加密后，地面站接收到一個通信請求信號，接收端接收輸出信號，解調(diào)解密輸出信息，通信完成。該模塊下的短消息通信有大約0.5 s傳輸延遲，最大通信頻率是1 s。在安裝了北斗短信模塊之后，終端的短信通信更加高效。北斗短消息通過北斗衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)收發(fā)信息功能的同時，也可用于航天測控頻段的監(jiān)測。每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置完畢后，北斗短報文技術(shù)可直接將修改后的數(shù)據(jù)通過北斗短報文發(fā)送到中心系統(tǒng)，以便計算后及時處理突發(fā)故障。

北斗短報文模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 北斗短報文模塊結(jié)構(gòu)

由圖3可知，北斗短報文模塊服務(wù)主要性能指標(biāo)如下：服務(wù)成功率大于等于95%，服務(wù)頻度一般1次/30 s，最高1次/1 s，響應(yīng)時間小于等于1 s，終端發(fā)射功率小于等于3 W，服務(wù)容量上行為1 200萬次/小時，下行為600萬次/小時，單次報文最大長度為15 000 bit，定位精度可達(dá)95%。

2.5 北斗授時模塊

根據(jù)使用者與衛(wèi)星通信之間的時間差，通常至少需要4顆衛(wèi)星來導(dǎo)航和定位。當(dāng)使用者計算出來與衛(wèi)星通信之間的時間差后，可以通過北斗授時模塊修正自己的本地時鐘，讓它與人造衛(wèi)星的高精度時鐘同步，這個過程叫做定時。

北斗授時模塊如圖4所示。

圖4 北斗授時模塊

由圖4可知，GPS定位系統(tǒng)能夠同時接收掃射范圍內(nèi)的全部衛(wèi)星信號，將該信號傳送的時鐘服務(wù)器主機(jī)，通過主機(jī)記錄信號接收與處理的時間。經(jīng)過時鐘服務(wù)器主機(jī)處理后，可得到兩種時間信號，分別是同步脈沖信號和絕對時間信號，兩種信號同步誤差不會超過1 ns。當(dāng)天線安裝好后，只需從衛(wèi)星上接收信號，就能保證輸出的準(zhǔn)確時間。

3 軟件部分設(shè)計

3.1 故障診斷流程設(shè)計

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)，故障診斷流程如下所示：

步驟1：使用者可直接選擇設(shè)備名稱、型號及故障類型；

步驟2：基于該方法，用戶可以選擇故障范圍最小的節(jié)點(diǎn)，也可以直接提交故障范圍值，從而確定故障發(fā)生的條件；

步驟3：當(dāng)用戶提交一個節(jié)點(diǎn)和一個故障特征信息時，系統(tǒng)根據(jù)用戶提供的診斷信息按照搜索策略和故障識別規(guī)則進(jìn)行匹配，并將匹配結(jié)果輸入到“故障識別沖突集”中。當(dāng)識別沖突集為空時，返回步驟2，如非空白，轉(zhuǎn)至步驟4；

步驟4：根據(jù)故障規(guī)則匹配策略，判斷故障類型識別是否成功，當(dāng)故障類型識別失敗時，需要修改提交規(guī)則。當(dāng)故障類型識別成功時，則直接調(diào)用故障類型診斷線程；

步驟5：用戶可以選擇進(jìn)行邏輯推理診斷和系統(tǒng)定位故障類型，獲得精確定位結(jié)果后，按照故障規(guī)則進(jìn)行邏輯推理診斷故障。如果啟用了測試規(guī)則，則將在錯誤對話框中詢問測試項(xiàng)目，并為該測試項(xiàng)目提供相關(guān)參數(shù)。如果用戶維護(hù)驗(yàn)證成功，那么診斷維護(hù)記錄按要求歸檔后，診斷工作即結(jié)束；如果用戶維護(hù)驗(yàn)證失敗，那么可參考以前故障類型的診斷和維護(hù)記錄，幫助用戶調(diào)整維護(hù)計劃。

3.2 基于北斗衛(wèi)星診斷誤差糾正

以秒為基本單位的北斗系統(tǒng)分為單向授時和雙向授時，該系統(tǒng)是由衛(wèi)星終端、用戶終端和地面控制中心組成的，如圖5所示。

圖5 北斗衛(wèi)星的單向授時示意圖

如圖5(a)所示，用戶終端與地面控制中心的精確坐標(biāo)信息實(shí)現(xiàn)了單向計時過程中的實(shí)時交互。然而，接收端需要計算用戶終端的信息，并且接收端需要計算并校正傳輸延遲。它的特點(diǎn)是地面控制中心負(fù)責(zé)處理所有信息，因此用戶終端系統(tǒng)的存儲容量較低，位置要求較低[17-18]。

如圖5(b)所示，單方向計時方式如下：本地1 PPS為開啟脈沖，用戶接收地面中控系統(tǒng)以其相關(guān)峰值為閉合脈沖的計時查詢信號：

Δφ=Δt+nt+γ

(1)

式(1)中，Δt表示控制用戶終端受到外界環(huán)境影響時信號接收的時間差；n表示傳輸次數(shù)；t表示控制中心發(fā)送信號與用戶終端接收信號所需的時間；γ表述信號傳輸延遲。通過分析報文中的延遲，用戶終端可以獲得準(zhǔn)確的接收時間，GPS和北斗系統(tǒng)的時間誤差不超過100 ns，可以滿足大多數(shù)單位對精度的要求。

綜上，基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷方法流程如圖6所示。

圖6 航天測控頻段故障診斷流程

根據(jù)圖6可知，航天測控頻段故障診斷流程為：設(shè)置單向授時的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)，用戶能夠接受到來自地面中控系統(tǒng)的故障信號，通過單向授時實(shí)時獲得準(zhǔn)確的故障信號，并對故障類型進(jìn)行匹配，輸出配準(zhǔn)的故障類型，即為航天測控頻段故障診斷結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷結(jié)果，與傳統(tǒng)診斷方法進(jìn)行對比，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4.1 實(shí)驗(yàn)要求及數(shù)據(jù)

航天測控頻段監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集需要專業(yè)、全面的數(shù)據(jù)檢測。本文系統(tǒng)通過子系統(tǒng)的控制檢測和時空匹配，采集航天器的數(shù)據(jù)通信信息，輔助模擬飛行激勵系統(tǒng)模擬工作，根據(jù)預(yù)定的采集參數(shù)采集數(shù)據(jù)并存儲。航天測控頻段數(shù)據(jù)的獲取步驟為：

1)數(shù)據(jù)參數(shù)收集:在航天器的運(yùn)行狀態(tài)下，需要判斷輸入數(shù)據(jù)是否超過了預(yù)設(shè)的閾值范圍，從而檢查航天器輔助設(shè)備的參數(shù)值是否隨著運(yùn)行狀態(tài)的變化而變化。如果發(fā)生變化，則需要確定航天器的運(yùn)行模式；如果沒有發(fā)生變化，則需要確定設(shè)備參數(shù)值是否與預(yù)期設(shè)置的參數(shù)值一致。

2)數(shù)據(jù)指令查找:對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和采集，進(jìn)行指令搜索。依據(jù)接收到的數(shù)據(jù)指令進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的搜索，并根據(jù)具體情況決定命令搜索的起點(diǎn)。

3)數(shù)據(jù)通信收集:指令搜索完成后，可以利用搜索結(jié)果對航天器運(yùn)行過程進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，在探測期間收集由航天器發(fā)送的數(shù)據(jù)通信信號，并指定飛行時間的飛行狀態(tài)。

4.2 實(shí)驗(yàn)過程

為了驗(yàn)證基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)設(shè)計合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。實(shí)驗(yàn)是以航天測控頻段的雷達(dá)故障為例進(jìn)行研究的，假設(shè)雷達(dá)故障主要原因主要有兩種，分別是信號線松動、陀螺輸出有波紋，接收故障短報文內(nèi)容的測控系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 天基測控系統(tǒng)

如圖7所示，通過天基測控系統(tǒng)接收北斗短報文，獲取航天測控頻段故障診斷脈沖信號，分別得到雷達(dá)信號線松動的幅值及陀螺輸出波紋的角度量漂移值，與實(shí)際值相對比，驗(yàn)證所提方法的有效性，并以解析模型及信號處理方法作為實(shí)驗(yàn)對比方法，進(jìn)一步體現(xiàn)所設(shè)計方法的故障診斷精度。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 信號線松動

依據(jù)上述情況，分別使用解析模型、信號處理方法及北斗衛(wèi)星診斷方法診斷信號線松動脈沖，如圖8所示。

圖8 3種方法信號線松動脈沖信號診斷結(jié)果對比分析

4.3.2 陀螺輸出有波紋

使用4種方法的陀螺輸出有波紋診斷結(jié)果，如圖9所示。

圖9 3種方法陀螺輸出有波紋診斷結(jié)果對比分析

由圖9可知，分別使用傳統(tǒng)的兩種方法角度量漂移與實(shí)際值在0～1 000 ms診斷時間內(nèi)一致，而在1 000～3 000 ms診斷時間內(nèi)相差較大；而使用基于北斗衛(wèi)星診斷方法，在診斷時間內(nèi)角度量漂移與實(shí)際值一致，誤差為0。由此可見，基于北斗衛(wèi)星診斷方法的陀螺輸出波紋檢測結(jié)果與實(shí)際值一致。由于本文方法采用北斗衛(wèi)星通信技術(shù)，通過北斗授時模塊保證了輸出時間準(zhǔn)確性，通過北斗衛(wèi)星診斷技術(shù)糾正了診斷誤差。因此其診斷結(jié)果較為準(zhǔn)確。

5 結(jié)束語

基于北斗衛(wèi)星通信的航天測控頻段故障診斷系統(tǒng)，結(jié)合北斗衛(wèi)星單向時序故障診斷技術(shù)，不僅能快速、準(zhǔn)確地分析故障、定位故障，大大提高故障排除的效率，而且能幫助科技人員找出設(shè)備中的薄弱環(huán)節(jié)。相對于傳統(tǒng)技術(shù)，該系統(tǒng)大大減少了不必要干擾因素，提高了接收數(shù)據(jù)的清晰度，簡化了操作流程，增加了整體技術(shù)參與度，能夠滿足用戶需求。