多指标LMI鲁棒故障检测滤波器在卫星姿态控制系统中的应用

卫星在轨运行中,需要对其故障进行及时的检测,模型的不确定性使得如何在轨卫星的故障检测产生了很大的干扰。以往的方法是将故障、输入和干扰统一作为广义输入,通过H∞范数增益最小使得系统残差最大程度地接近于故障,然而这不能反映故障、输入和干扰三者的重要关系。为此需要研究三者到残差增益的多指标下,滤波器的参数设计方法。以推导从三者到残差的传递函数表达式为主要方法,以线性矩阵不等式为工具,把指标化为可求解模型,得到多指标下的故障检测滤波器设计方法。设计的滤波器应用于采用喷气执行机构的在轨卫星模型里,给出了滤波器的设计结果。从仿真的结果看,虽然三个增益无法满足同时远远小于1的条件,但通过自适应的阈值,可实现对在轨喷气执行器卫星的鲁棒故障检测。     

中国小卫星全寿命周期故障分布研究

基于航天东方红卫星有限公司已发射的100多颗现代小卫星的在轨故障统计数据,研究发现国内小卫星在轨故障的分布规律呈威布尔分布特点。继而针对CAST968平台和CAST2000平台小卫星的实际在轨故障数据给出在轨故障分布的经验公式,结合国内小卫星正样研制阶段的故障分布研究成果,对小卫星全寿命周期的故障分布规律和特点进行分析和总结,在国内首次给出小卫星全寿命周期的故障概率密度曲线和浴盆曲线。     

一种遥控异常情况下的卫星安全管理方法

针对卫星在轨管理过程中出现的数管直接指令和地面直接指令无法正常执行的遥控异常,从卫星遥控信息的传输流程、遥控译码的工作原理入手,对导致直接指令执行异常的因素进行了排查,定位了异常原因为遥控译码故障。提出了对于单一频段遥控通道的卫星,通过调整部件的指令控制策略和将直接指令转换为数据指令的方法来实现卫星管理;对于多个频段遥控通道的卫星,除以上两种方式外还可以通过拓展遥控上行通道的方法,增加遥控上行冗余度来降低遥控译码通道异常的风险。所提出的安全管理方法经故障卫星在轨管理阶段的试验验证,在一定程度上有效控制了因一路译码故障给卫星安全带来的风险,可为卫星其它重大故障的及时发现、定位和有效规避提供参考。     

卫星在轨故障全数字仿真平台设计

以通信卫星为例,分析卫星已经发生的和可能出现的在轨故障信息,利用数据库与面向对象技术对在轨故障现象与故障排除过程的仿真进行建模,设计了一种通过遥测信息显示故障仿真过程的全数字仿真平台,可为卫星在轨故障的辅助分析与定位、故障解决预案的制定提供验证手段。     

嫦娥一号卫星飞行事件的系统级FMEA

嫦娥一号卫星系统级FMEA采用从上到下的分析方法,对飞行事件中可能发生的故障,以及故障发生的原因、故障影响和在轨补偿措施等进行了分析;对嫦娥一号卫星系统级FMEA的特点、工作流程和分析步骤等几方面进行了阐述;并总结了嫦娥一号卫星系统级FMEA结果和工作体会,为进一步开展系统级FMEA研究和应用提出了建议。     

基于Jess的卫星状态诊断系统设计与实现

针对卫星在轨管理中实时故障检测与解决较弱的现状,应用专家系统工具Jess构建了实时卫星状态诊断系统。系统可以适应遥测组合模式的复杂约束关系和频繁变化,收集、整理领域知识,实时检测卫星的工作状态,发现并提示卫星状态变化,显示状态诊断过程和结果,提供解决异常问题的参考方案,积累故障处理的经验。文章给出了系统总体结构的设计及关键技术的实现,从而为Jess在航天测控领域其他方面的应用提供了一种思路和方法。系统已成功应用于卫星的在轨管理中。     

卫星电源系统在轨故障分析及对策

卫星电源系统的在轨高可靠、安全运行已经成为当前卫星研制中关注的重点。文章针对国外卫星电源系统在轨故障案例进行收集和整理,并对故障机理及对策进行了总结,以有助于指导电源系统设计,提高我国卫星电源系统在轨运行的可靠性和安全性。     

卫星安全性设计的分析评价策略

卫星安全性设计往往采用故障模式与影响分析(FMEA)方法,与可靠性设计同时开展。文章分析了卫星可靠性和安全性设计的对立统一关系,以及FMEA方法在安全性设计应用时偏重功能故障分析的局限性,提出采用FMEA方法结合初步危险分析(PHA)和安全检查表分析(SCA)方法,开展卫星安全性设计综合分析评价的策略和安全性设计流程。以卫星在轨加注为例,采用安全性设计综合分析评价流程进行安全性设计研究,结果表明,文章提出的策略和流程可以帮助卫星设计师有效开展系统安全性设计,全面考虑故障模式和其他危险源引发的安全性风险,制定最优的卫星安全性设计方案。     

高分七号卫星GPS接收系统多层级健壮设计方案与验证

高分七号卫星GPS接收系统作为整星高精度立体测绘目标实现的重要手段之一,具有为整星提供高精度时统、辅助有效载荷指标实现、协助高速数据传输天线准确指向及实现高精度事后精密定轨的功能。针对其稳定运行和持续服务的要求,基于故障预测与健康管理(PHM)技术,提出了GPS接收系统多层级健壮设计方案,从单机/分系统级、整星级和星地级为GPS接收系统在轨健壮运行提供支撑,通过层级内部形成独立PHM系统实现自主、直接的健壮运行管理,同时借助低层级向高层级的状态信息传递实现全面、及时的故障补充处置和故障隔离。高分七号卫星在轨运行结果表明:该多层级健壮设计降低了故障处置对接收系统功能实现的影响,保障了GPS接收系统在轨提供服务的连续性。     

遥感卫星在轨故障统计与分析

对遥感卫星1988年—2014年的在轨故障数据进行分类研究发现:控制、载荷、测控和数传是遥感卫星在轨故障发生比例最高的4个分系统;故障主要发生于在轨第1年;环境、设计和器件类故障为主要的在轨故障类型;大多数故障可以通过在轨自主诊断、地面操作等方式及时予以解决, 对遥感卫星完成任务的固有能力影响较小;各分系统的在轨故障特点各不相同。文章最后针对故障原因, 提出了增加遥感卫星的地面试验与测试、加强抗辐射加固设计和开展基于在轨故障规律的分系统技术状态控制等对策, 以降低卫星的在轨故障率, 保证卫星在轨可靠、安全运行。     

适应空间任意姿态指向的天文卫星测控分系统设计

硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星具有在轨姿态任意无固定对地面、持续高精度系统时间要求等特点,常规的统一S频段(USB)测控设计和全球定位系统(GPS)接收系统设计难以满足卫星需求。文章提出了高全向覆盖的USB测控系统与基于射频合路方案的星载全空间可见的GPS接收系统方案设计及验证方法,介绍了测控分系统设计、技术特点,并给出了地面和在轨测试验证结果。以较低研制成本,简单的在轨测控实施需求,实现了任意对地姿态条件下卫星USB子系统的可靠测控和GPS子系统的在轨连续可靠定位。     

卫星在轨失效统计分析

从故障影响的设备、范围、时间特性等方面,对20世纪70年代以来国内外卫星272次典型在轨故障进行了分析。研究发现,发生故障的设备和发生故障的时间等都存在明显的规律性。对这些故障特性的深入研究可以制定针对性的故障防护措施,以降低卫星故障的发生率,并有助于在故障发生后采取及时正确的措施以避免灾难性后果。基于上述研究,文章给出了卫星设计过程中有效规避故障的一些建议,以提高卫星的在轨存活率。     

一种基于历史遥测数据的在轨卫星故障预警系统

对在轨卫星遥测数据的变化规律进行了分类,研究了数种主流的数据预测理论并分析了其适应性,由此提出了一种基于历史遥测数据的在轨卫星故障预警系统构架,并定义了其中各模块的功能以及接口关系,给出了实际应用的效果。这个系统对及早发现故障、维持在轨卫星的安全稳定运行具有重要价值。     

空间辐射环境引起在轨卫星故障分析与加固对策

文章对卫星由于空间辐射环境导致的在轨故障进行了统计;对某卫星数传综合处理器在轨单粒子翻转故障的现象、机理和措施等进行了分析;根据在轨故障案例、实际工程经验和仿真分析,从硬件和软件两方面提出了具体的降低单粒子效应的多种抗辐射加固设计方法,以延长卫星在轨工作寿命。     

基于全柔性卫星模型的控制闭环微振动建模与仿真

针对高分辨率遥感卫星的微振动分析,给出了一种整星结构运动与姿态控制系统闭环的建模方法。该方法基于全柔性卫星模型,通过考虑姿态控制系统的控制律和硬件特性建立集成仿真模型,进而预测卫星在轨微振动的微振动响应和结构传递特性。文章以某遥感卫星为例,分别从开环和闭环角度给出了微振动的微振动响应和结构传递特性的结果,并进行对比分析。分析结果表明：提出的方法能够实现全柔性卫星模型的控制闭环微振动分析,相对于传统的开环仿真更接近在轨实际情况。     

导航卫星在轨管理与服务系统

针对北斗卫星导航系统卫星数量多,连续、稳定运行要求高的特点,卫星系统建设了导航卫星在轨管理与服务系统,旨在加强在轨数据管理与分析,提升卫星系统服务能力,开展了故障诊断、故障及对策验证、健康评估与维护几方面工作,丰富了在轨卫星监测手段,加强了卫星系统与用户之间的沟通协调.该系统目前已应用实践,有效提升了卫星系统对用户的技...     

卫星在轨主要故障模式、原因分析及措施建议

分析国内外近10多年来的卫星在轨故障情况,总结6类灾难性及严重在轨故障模式;提炼出星上典型设备/部件的主要在轨故障模式。在此基础上,从新技术及新状态的地面验证充分性、复杂工艺的稳定性、元器件及电装质量、空间环境影响、软件设计、地面操作等方面分析在轨故障的主要原因,并给出措施建议,旨在为卫星系统可靠性设计、主要设备/部件的薄弱环节识别及可靠性设计提供参考。     

国内动态

第22颗北斗导航卫星成功发射3月30日,我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭,成功发射第22颗北斗导航卫星。这颗星为倾斜地球同步轨道卫星,卫星入轨并完成在轨测试后,与其它在轨卫星共同提供服务,将进一步增强系统星座稳健性,强化系统服务能力,为系统服务从区域向全球拓展奠定坚实基础。这颗区域组网北斗卫星实现了最大程度的国产化。其核心单机皆属国产,部件级国产化率达到91%,相比在轨区域组网中71%的同类卫星有了大幅提升。     

卫星太阳电池阵在轨故障统计及分析

文章针对2000年1月至2012年9月期间79颗在轨卫星发生的114次太阳电池阵故障事件进行了分类统计分析,并利用Kaplan-Meier估计量分析方法对这些在轨故障进行了可靠性分析。结果表明:太阳电池阵的故障多发生在卫星在轨第一年,其中电子类故障发生率较高;不同卫星平台的系统缺陷或设计共性问题也与太阳电池阵故障紧密相关。最后,结合我国卫星太阳电池阵设计及制造工艺技术,提出了加强出厂前的测试和试验验证、加强仿真建模、加强冗余设计等建议。     

高分多模卫星星地一体化快速响应系统设计与在轨验证

高分多模卫星采用星地一体化设计,实现了星上处理及信息快速生成分发,将遥感信息的快速响应时间缩短到了分钟级。文章详细描述了高分多模卫星基于星上处理系统(区域提取与处理单元)、数据传输与分发系统(数传分系统),以及地面接收与处理系统的星地一体化快速响应系统架构;开展了辐射校正、几何校正等星地一体化设计方法论证,以及在轨图像定位精度关键指标精度分析。通过高分多模卫星在轨试验完成了快速响应时间及关键指标的在轨评估验证,快速响应时间达到了2 min以内,在一定侧摆角度下图像定位精度可以达到经度方向-50.36 m,纬度方向29.18 m。