航天器电源智能判读规则框架构建与应用_杨同智.pdf

航天器工程 第 卷第期 年月航天器电源智能判读规则框架构建与应用杨同智党建成刘廷玉蔡先军潘耀（上海卫星工程研究所，上海 ）摘要规则判读是航天器地面测试与在轨异常检测的重要手段，具有机理清晰、结论明确、易于工程实施的优点。目前，判读规则制定缺乏指导性框架与模板，不利于规则的有效推开。针对该问题，文章基于航天器电源设计机理与判读方法论，从工作模式分析、冗余遥测一致性、遥测参数功能关联、能源趋势分析个方面出发，设计了航天器电源智能判读规则框架，并在航天器测试与在轨监测中进行了实例化应用。应用结果表明：智能判读规则框架能提升航天器电源系统异常的实时检测能力，可作为国内航天器电源健康状态监测的技术参考。关键词航天器电源系统；智能判读；模式分析；冗余遥测一致性；能源趋势分析中图分类号：文献标志码：（，）：，：；收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：杨同智，男，硕士，高级工程师，研究方向为航天器总体设计与综合测试。：。通讯作者：党建成，男，硕士，研究员，研究方向为航天器总体技术。：。航天器在轨运行环境严酷，潜在异常的扩散极易导致功能降级或失效，在轨电源故障占比高、失效影响大。统计分析国内外卫星故障情况，电源故障占比约为，在电源故障中约 的故障会导致任务的失败，的故障对在轨任务有严重影响，如某合成孔径雷达（）卫星太阳电池阵部分失效，载荷工作功耗大，无法实现当圈能量平衡，任务执行频次与时长减少了以上，因而航天器电源健康状态的监测判读对于保障航天器稳定运行具有重要意义。文献 中运用支持向量机（）、长短时神经网络（）和 最近邻（）等机器学习方法训练电源故障诊断模型，进行航天器电源的智能判读。机器学习判读方法需要有大样本数据支撑，且存在解释性不足的问题，在小子样航天器故障样本稀疏场景下的应用受限。基于机理知识的专家规则判读具有机理清晰、结论明确的优点，是航天器地面测试与在轨监测的重要手段，在航天器故障诊断中发挥着重要作用。当前，国内电源判读规则制定缺乏指导性框架与模板，不利于规则的有效推开。在高效航天器集成测试与在轨运行维护形式下，需要研究如何快速有效形成基于机理知识的判读规则，并集成到判读系统中，提升航天器状态监测的充分性与有效性。为此，本文对太阳电池阵蓄电池组电源系统的运行机理与判读方法论进行总结提炼，构建了适用的电源智能判读规则框架，采用其他架构的航天器电源系统亦可参考。电源智能判读规则框架构建电源系统本质上是一个能源流闭环控制系统，为航天器各个系统工作提供能源供给，系统存在冗余性信息，发电、输电、变电、储能各环节存在互相关联、动态演变，因此通过系统化分析电源系统的工作机理与特性，从工作模式分析、冗余遥测一致性、遥测参数功能关联、能源趋势分析个方面（如图所示）出发，提出了一整套的电源智能判读规则框架。图电源智能判读规则框架 基于工作模式分析的电源判读航天器电源系统是一个动态反馈系统，受能源输入与母线负载波动影响，在不同的条件下具备不同的工作模式。如图所示，电源随工况变化在各个模式之间动态切换。图电源工作模式转换 第期杨同智 等：航天器电源智能判读规则框架构建与应用根据太阳电池阵供电与蓄电池充放电状态，电源系统分为个工作模式：太阳电池阵供电且蓄电池组不充不放（简称分流）、太阳电池阵供电且蓄电池组充电（简称充电）、太阳电池阵供电且蓄电池放电（简称联合供电）、太阳电池阵不供电且蓄电池组放电（简称内电）。为了有效监测电源的动态运行情况，提出了一种基于模式分析的电源异常检测方法。其实现过程为：实时接收遥测数据，基于每拍遥测数据进行电源模式判定（图中虚框），划分为充电、分流、联合供电、内电个工作模式。模式判定过程中进行条件复核，若复核报错，则退出检测并上报异常，继续接收下一拍遥测；若复核通过，则完成模式判定，转入模式分析。比较当前模式与上一拍模式，若相邻拍模式跳变，则进行模式转换合规性判断；否则，进行模式条件一致性判断。查找相应的判断条件表，遍历所有待判条件，判断电源运行状态是否正常，完成此拍遥测判读。重复以上流程，接收下一拍遥测输入，进行基于模式分析的电源异常检测。注：为放电电流；为太阳电池阵电流；为母线负载电流；为充电电流；为外电状态的电源控制器功耗电流；为放电状态的电源控制器功耗电流；为主误差放大器；为 的外电状态门限值；为 的放电状态门限值。图基于模式分析的电源判读过程 航天器工程 卷模式分析从模式转换合规性与模式条件一致性个方面开展。模式转换合规性判读模式转换合规性判断需求如表所示，种模式存在 种转换。序号 这种模式转换，会通过模式报错、母线电压等直接遥测反映，不需要进行模式转换判断；序号 这种模式转换时直接进行报错；因此只需要分析判断序号、序号这种模式转换的合规性。表模式转换合规性判断需求 序号原模式新模式合规性判断备注充电分流转换是否合适分流充电转换是否合适充电联合供电直接遥测、模式报错反映联合供电充电直接遥测、模式报错反映联合供电内电直接遥测、模式报错反映内电联合供电直接遥测、模式报错反映充电内电直接遥测、模式报错反映内电充电直接遥测、模式报错反映分流联合供电直接遥测、模式报错反映 分流内电直接遥测、模式报错反映 联合供电分流报错，不允许出现此转换 内电分流报错，不允许出现此转换注：表示需要判断；表示不需要判断；表示报错。通过查找相应的模式转换判断条件表进行合规性判断。充电与分流模式的转换判断条件表如表所示。其中：为蓄电池组电压；为蓄电池单体电压；为蓄电池温度。转换条件一般为固定或可调的阈值比较，遵循从宽处理原则，放宽阈值条件（比理论值宽松），在保障系统安全的同时降低虚警。表模式转换合规性判断条件 模式转换转换合规判断条件项理论值备注充电分流 蓄电池充满，退出充电 单体充满，退出充电 过温保护，停止充电分流充电 蓄电池 电 量 不 足，恢 复充电 单体电量不足，恢复充电过 温 保 护 状 态下，过温保 护 状 态 下，蓄 电池温度下降，恢复充电 模式条件一致性判读相邻拍遥测的电源模式相同，进行模式条件一致性判断，判定模式的状态是否匹配当前的条件。各模式条件一致性判断需求如表所示，理论上种模式存在 种转换，但由于不存在联合供电充电、内电充电的模式转换，实际为 种可能的转换。其中：种模式转换可以通过母线电压等直接遥测、模式报错来检验，仅有充电到分流、分流到充电种模式需要条件一致性判断。表模式条件一致性判断需求 模式应转模式对应条件判读一致性判断备注充电分流充电终止且外电充足保护蓄电池联合供电外电不足遥测、模式报错反映内电无外电遥测、模式报错反映分流充电充电解锁且外电充足恢复蓄电池充电联合供电外电不足遥测、模式报错反映内电无外电遥测、模式报错反映联合供电充电充电解锁且外电充足遥测、模式报错反映内电无外电遥测、模式报错反映内电充电充电解锁且外电充足遥测、模式报错反映联合供电外电不足遥测、模式报错反映注：表示需要判断；表示不需判断。通过查找相应的模式条件一致性判断表进行模式与条件的匹配性判断。充电与分流模式的条件一致性判断表如表所示，一致性判断条件一般为固定或可调的阈值比较，遵循从严处理，收紧阈值条件（比理论值严格），在保障系统安全的同时降低虚警。表模式条件一致性判断 现有模式模式转移条件项理论值应转模式备注充电 分流蓄电池充满，退出充电单体充满，退出充电过温保护，停止充电分流 过温保护状态下，充电电量不足，恢复充电电量不足，恢复充电过温保护状态下，蓄电池温度下降，恢复充电综上，通过实时判定电源工作模式，比较相邻拍遥测的模式变化，进行相应的模式转换合规性、模式条件一致性判断，实现电源异常的实时高效检测。基于冗余遥测一致性的电源判读航天器电源遥测间存在冗余，冗余信息表示的对象相同或相近，因此冗余信息间应保持一致。可以通过冗余遥测一致性互校来检测电源系统异常，冗余遥测一致性主要分为以下类。第期杨同智 等：航天器电源智能判读规则框架构建与应用（）同一物理量多源采集一致性。同一物理实体被多方采集，采集结果应彼此一致，比如地面测试设备有线采集、综合电子分系统采集、电源分系统采集的母线电压、母线电流、蓄电池电压等应当一致。（）合成物理量与原始物理量一致性。电源部分产品既有总体遥测（如蓄电池组），也有子部件遥测（如蓄电池单体），子部件遥测的合成结果应与总体遥测一致，例如：太阳电池阵分阵电流合成量与太阳电池阵总电流遥测一致、蓄电池单体电压合成量与蓄电池组电压一致、蓄电池块电压合成量与蓄电池组电压一致等。（）同类遥测相近。一些遥测虽然不是来自同一物理实体，但由于产品设计相同、工作环境相同、控制方式相同等原因，其遥测表征彼此应一致，比如个太阳电池阵分阵电流相近，电池组 和 电压相近，各蓄电池单体电压相近，平台蓄电池组的温度测点，采集值相近，各路放电电流相近，充电终止时间相近等。基于遥测参数功能关联的电源判读电源系统按照功能分为分流、充电、放电、均衡、测控管理等功能，各功能的部分遥测参数存在关联性约束，各功能的控制状态参数及其控制响应参数应关联一致。因此，可以从功能关联出发，设计如表所示的遥测参数关联分析的判读规则，例如：太阳电池阵分流次序、充电锁定状态与充电电流关联、放电电流与母线 关联、充电电流大小与充电档位状态关联、主备开关状态与电压量遥测关联等功能关联规则。表基于遥测参数功能关联的电源判读 功能功能关联判读规则分流分 流次序；分流 与总 关系；分阵 分阵 分阵 分阵；分流 区间，对应总 区间，（和分别为分流 的下界值和上界值，和分别为总 的分流子区间下界值和上界值）；充电充电次序；充电档位与充电电流、电压关系；充电锁定状态与充电电流关系；分阵分阵分阵分阵；档充电电流，档充电电流；充电锁定时，充电电流为；放电放电状态与总 关系；放电电流大于，总 处于区间，（和分别为总 的放电子区间下界值和上界值）；均衡均衡压差与均衡状态关系；均衡压差大于 且均衡使能，均衡接通；测控管理电源下位机加电状态一致；主备份，电压状态一致；基于能源趋势分析的电源判读能源趋势分析从变化率、能源预估个方面出发进行趋势分析，及时预警。对于变化率预警，通过时序遥测数据的机器学习模型对未来数据的预测值与真实值进行对比来发现故障，也可基于数据差分分析方法，通过每分钟温升变化、个遥测采样的温度变化进行温度变化率评价，设置相应的变化率门限进行风险预警。能源预估主要关注能源平衡预警，对充电时间、放电时间预估，设置放电时间门限，当放电时间不足时进行能源预警。如某卫星蓄电池组容量为 ，放电深度为，准许放电电量为 。初始值电池容量为空（不预估），等待蓄电池充电锁定状态为，初始化蓄电池组电量为。（）放电时间预估：放电电流为 ，已放电量为 ，放电时间预估为（）。（）充电时间预估：充电转换效率为，已充电量为 ，充电时间预估为（）（）。电源智能判读规则框架应用依据电源智能判读规则框架，结合航天器的遥测测点布置，逐条梳理每一条规则的异常检测功能与关联遥测，每条规则定义自身的判读规则代号为 。根 据 梳 理 的 规 则 函 数，利 用 和 语 言 编 写 脚 本 函 数。例 如：判 读 规 则 描述的功能是判断综合电子采集的母线电压遥测与地面设备有线采集的母线电压遥测的一致性，关联遥测为 和 。将形成规则以 和 脚本形式编写并集成到测试判读专家系统中，进行规则判读，报警信息推送至监视终端软件进行报警监测，应用效果如图 所示。航天器综合测试中，通过判读规则发现分流次序异常，分流次序未按照北北、南南顺序分流调节，规则遥测 报错，如图所示。航天器工程 卷故障溯源为：通过滑环供电的转接电缆存在节点短接，个分阵正线短接，被同时调制，分流次序错乱。此时，母线电压正常，传统遥测监测方法无法发现该问题。图电源判读规则监测 航天器在轨监测中（如图所示），针对航天器路和路充电电流的异常监测，充电电流动态范围较大，单纯监视一路电流无法及时发现异常，但是可以看出：路和路充电电流和由于来源于同一副太阳电池阵，具有强关联性，遥测变动基本一致，基于冗余遥测一致性原理构建相应的判读规则，二者差值应该稳定在附近。因此