一种基于半实物仿真平台的卫星故障注入测试研究

邵洪森，何旭，袁钾光，蒋强

（1.沈阳理工大学自动化与电气工程学院；
2.沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110000；
3.陆军装备部驻沈阳地区军事代表局驻大连地区军事代表室，辽宁 大连 116033）

目前，各国大力发展航天航空事业，在轨卫星数量不断增加，卫星的工作状态与工作寿命，尤其是卫星能源系统、测控系统、姿轨控系统、综合电子及载荷等系统的健康状态与卫星的正常运行直接相关，因此卫星状态监测与故障诊断逐渐成为空间卫星技术的主要关注点之一。故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)是解决这一关键问题的主流技术，PHM技术具有预测未来一段时间内系统失效可能性以及采取适当维护措施的能力。目前，PHM技术已在军用和民用领域广泛应用，PHM技术能够实现自主式保障，提高维修保障效率和任务成功率，有效降低维修费用，缩短维修时间。

本文半实物仿真平台是在PHM技术应用的基础上搭建的，通过数据仿真，为卫星故障诊断及健康管理提供技术保障及数据支持，从而达到健康管理的目的。

1.1 平台组成

半实物仿真平台主要由卫星仿真平台和姿控动力学仿真平台组成。其中，卫星仿真平台由星载计算机模拟器和上位机组成，具有单机版工作模式，姿控动力学仿真平台由姿态动力学模拟器和上位机组成，2个平台之间有数据的交换，同时各平台的上位机系统与各模拟器之间可以实现数据交互和指令传输。半实物仿真平台的组成如图1所示。

图1 半实物仿真系统组成

1.2 工作原理及流程

卫星半实物仿真平台具备特性修改功能，可在仿真时根据实际的卫星姿态角信息、太阳位置信息、卫星轨道进行更改，利用敏感器模型产生敏感器输出的姿态测量数据给各模拟器，同时接收执行机构的控制指令，利用执行机构模型产生控制力矩来控制卫星姿态和轨道。

姿轨控动力学仿真平台用以模拟卫星在轨飞行状态。模拟器上位机可以对姿轨控动力学数学模型的初始阈值、开关量、故障类型等参数实现修改，从而完成状态的检测，同时模拟故障状态，实现故障的模拟注入，注入期望的故障状态。

系统工作流程如图2所示。

图2 仿真平台工作流程

1.3 故障注入上位机界面

图3为单机模拟器主界面，其故障注入主要通过打开/关闭串口模拟通信故障或设定开环值，以注入期望的故障状态。上位机界面包括卫星中可能发生故障类型及相关的部件，主要有星敏感器、磁强计、反作用飞轮、太阳敏感器、光纤陀螺、磁力矩器等。

图3 单机模拟器主界面

故障的注入可以通过修改参数来设定，如图4所示，通过手动设置太敏输出/电压值、手动设置磁强计A输出电压值、手动设置陀螺角速度、星敏A手动设置四元数Q值、手动设置光纤陀螺A角速度、手动设置飞轮转速指令大小等来进行故障注入。

图4 单机模拟器故障注入操作界面

故障注入方式包括采用姿控动力学模拟器进行程控故障注入，以及上面提到的单机模拟器控制软件手动设置2种。前者主要注入各种算法类软故障，后者主要是注入硬件接口故障和开环故障。本文选取星敏感器和反作用飞轮的某个故障类型进行故障注入测试。

2.1 星敏感器故障注入测试

对于星敏感器来说，常出现的故障类型有串口通讯故障、星敏感器姿态数据失效故障、敏感器姿态数据偶尔失效故障等，由于故障类型比较多，本文以敏感器姿态数据偶尔失效模型进行了测试。

在故障注入模拟器主界面，选取星敏感器故障注入，故障类型选择偶尔失效故障。

表1 星敏感器故障偶尔失效模型注入参数设定

运行结果如图5所示：

图5 敏感器姿态数据偶尔失效故障测试

测试结果：由于姿控系统是一个闭环系统，一个地方发生故障，其他的地方也会受到影响。图像呈现的是注入故障后，星敏四元素的姿态曲线受到了故障的影响发生了轻微的变化，星敏感器的角速度不变，观察动力学星敏数学模型的星敏有效性标志以10s周期切换，有效周期脉宽50%，故障注入成功。由于星载计算机星敏单机数据处理方法中，不判断单机有效性，因此，卫星姿态定姿依然使用串口校验有效的星敏感器数据，上位机遥测观察星敏数据正常更新。

2.2 反作用飞轮的故障注入测试仿真

本文中只对一个或多个飞轮输出力矩衰减进行了测试。在故障注入模拟器主界面选取反作用飞轮故障注入，故障类型选择飞轮输出力矩衰减故障。

表2 飞轮输出力矩衰减故障注入参数设定

运行结果如图6所示：

图6 一个或多个飞轮输出力矩衰减测试

故障注入成功后，通过修改该参数控制飞轮输出力矩衰减，将输入参数放大10倍，分别修改为0.0184/0.000434，故障选择参数仍为1，观察飞轮指令、转速曲线、卫星角速度曲线可知，飞轮转速与指令出现波动，反作用飞轮输出力矩衰减，姿态变大，输出力矩扰动增大，卫星角速度出现大幅扰动。

通过对星敏感器和反作用飞轮故障注入，经过运行，通过上位机均可观测到预期的故障发生，可以得到预期的结果。

半实物仿真平台不仅可用来对系统接口进行检测和试验，还可对卫星在轨可能出现的单机、元器件、系统等故障进行模拟，验证系统重构及安全保持等性能。系统具备姿轨控闭环仿真的能力及姿控单机常见故障类型模拟与注入，为卫星自主健康管理提供仿真平台。对卫星进行状态监测，预测故障的发生并尽可能避免，延长卫星的寿命，同时减轻地面卫星管控压力，具有较好的应用价值。