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中国卫星大管家“牧星人”为在轨卫星“悬丝诊脉”

为在轨卫星“悬丝诊脉”

■吕炳宏 张 咪 解放军报记者 王凌硕

今年春节前夕,西安卫星测控中心圆满完成52颗北斗导航卫星健康状态评估工作。科技人员通过对在轨运行的北斗导航卫星进行逐个“体检”,确保这些卫星的关键技术指标满足正常提供各类服务要求,持续保持良好的在轨工作状态。

之所以对卫星进行“体检”,就是因为上天后的卫星也会像人一样,有时出现“小病小痛”,甚至“疑难杂症”,轻则影响业务应用,重则导致整星失效。我国航天科技工作者们深耕航天器在轨诊断维修技术,以实现卫星故障早发现、早预防、早诊断、早治疗。

地面向在轨卫星上注维修指令示意图

在轨卫星这般“娇贵”

说起航天,人们往往先想到万众瞩目、烈焰升腾的火箭发射。其实,这只是航天任务的序幕,卫星进入预定轨道,在太空投入业务应用,工作才真正开始。

卫星是人类发射数量最多的航天器,占发射航天器总数的90%以上,并在气象监测、通信导航、防灾减灾等领域都有着相当大的用途。卫星作为由成千上万个零部件组成的复杂系统,随着技术不断发展,功能越来越多、价值越来越大。对其检测诊断、计算处理、控制处置的次数,以及需要下传监视的遥测参数也在增加。这对地面控制系统的精度、稳定性均提出了更高要求。然而,卫星技术复杂且密集度高,又处于复杂的空间环境中,发生故障的概率客观存在、种类多种多样。

2018年,美国当时最新型号的气象卫星GOES-17入轨不久,冷却系统便出现故障,导致这颗卫星的成像系统无法提供近红外和红外通道的卫星图像。卫星无法及时有效获取在夜间拍摄的红外云图,一到晚上就成了“瞎子”。

无独有偶。2019年7月,欧洲“伽利略”卫星导航系统因位于意大利的精确计时设施授时出错,导致24颗卫星全部失联,整个系统一度陷入瘫痪状态。直到一周后,系统才全面恢复服务。

与此同时,卫星长期运行在距离地面几百公里至几万公里的真空、失重、超低温、强辐射且充满未知因素的太空环境,太空垃圾、太阳活动等均会给卫星带来麻烦甚至致命伤害。因此,卫星在寿命期限内难免出现一些技术问题。

更何况,现代卫星造价高昂,加上发射费用,一颗卫星所耗资金往往是以亿元计算的。如果卫星出现技术故障没有及时排除或无法排除,巨额经济损失将无法避免。所以,一旦运行中的卫星出现故障,各国都会全力抢救卫星,将损失降到最低。

“悬丝诊脉”排除故障

地面上的机器出现问题,人们可通过各种方法实现故障定位与排除。对于在轨运行的卫星而言,通过电磁波传输的方式,显示卫星元器件工作状态的遥测参数,是技术人员掌握卫星运行姿态、工作状态的唯一途径。

所谓卫星故障诊断与维修,就是在卫星发生故障时,为避免某些部件发生故障而引起整个系统瘫痪或者功能失效,通过遥测数据迅速开展状态检测、故障诊断、健康评估等工作,分析卫星当前状态和未来“病情”趋势,界定卫星故障等级,确定故障部位及故障原因,并及时实施处置。这就像我国古典小说和传统戏曲里常有的“悬丝诊脉”情节那样,凭借这一核心技术,地面测控人员可尽早检测出隐藏在卫星内部的微小故障,并经过故障辨识和故障隔离后,采取相应的维修保障或者故障降级处理,从而避免卫星灾难性故障发生,保障卫星安全运行。

航天器的诊断维修技术,是随着航天器的飞行任务扩展、控制精度提高以及工作寿命延长等现实要求而发展起来的。以美、俄为代表的传统航天强国起步较早,在该领域研究与实践上做了大量工作。

上世纪60年代,随着人类逐步进入太空时代,航天器诊断维修技术也由此展开。因受当时技术条件、元器件质量和设计水平的限制,人们在这一时期只能依靠简单仪表,对卫星的一些关键参数进行单信号阈值状态监测,以判断是否发生故障。该方法为人类早期航天器的在轨运行提供了一定保障。在这一阶段,航天器的平均寿命普遍较短。在载人航天任务中,系统的安全保障体系则是由状态监测、地面专家会诊和航天员直接参与等部分组成,飞船故障检测系统的自主性、实时性及可靠性也都比较差。

进入上世纪70年代,伴随技术发展以及元器件质量、设计水平和工艺水平提高,基于硬件冗余的诊断维修技术在航天器领域得到广泛应用。诊断方法也从简单的阈值判断,发展到充分利用各种动态测试技术、监控技术、信息处理技术等,使航天器的平均寿命有了大幅延展。

美国在执行“阿波罗”登月任务期间,首次建立了飞行异常分析及评估系统。该系统包括飞行故障监测和处理、飞行状态评估、飞行资料规范化整理、故障地面模拟等,并对所有应急救生参数设置了三重重复传感器和优势表决逻辑电路,飞船故障检测系统的自主性、可靠性明显增强。

上世纪80年代,人工智能研究蓬勃兴起,基于知识的诊断维修技术、尤其是专家系统技术开始大量应用于航天领域。其中以基于专家系统、基于测试性模型数据驱动等几种智能故障诊断技术最具代表性。同时,航天飞机这类高度复杂且可重复使用航天器的出现,使故障诊断维修系统既具备模块化功能的分布性,又具备相互协调的整体性。随着国际空间站的逐步建设与在轨运行,其故障诊断维修系统又进一步具备了较大可变性、较好适应性和较强鲁棒性,并逐步向自主管理的方向发展,可使故障中的空间站在不影响性能情况下,继续完成预定任务。

“牧星人”守护“中国星”

对长期在轨卫星的管理水平,很大程度上决定着卫星效能的实现。我国从上世纪70年代发射第一颗人造地球卫星至今,经过几代科技人员不懈努力,航天器在轨管理与控制技术取得了长足进步。

早在2007年,我国就依托西安卫星测控中心开始建设国家级“卫星总医院”——航天器在轨诊断维修中心,并紧前开展航天器在轨故障诊断维修领域重大科研项目研究。

随着在轨卫星数量的不断增多,我国迫切需要进一步提高在轨诊断维修能力。2014年,西安卫星测控中心成立我国首个航天器在轨故障诊断与维修实验室,通过进行航天器在轨故障早期辨识和定位技术、在轨故障仿真与维修技术、在轨可靠性增长和延寿技术等研究,进一步提升我国航天器在轨故障诊断与维修自主创新能力,推动我国航天工程实现可持续发展,并成为我国在轨卫星数量持续增加的坚实基础支撑。

通过收集整理国内外数千次故障案例,归纳近百万条诊断知识,该中心自主研发了航天器故障诊断专家系统,有效解决了航天器微小故障发现晚、分析慢、定位难等难题。

此外,他们以北斗卫星为起点,按照单个卫星状态逐一信息化、所有卫星态势集中可视化、卫星大数据分析快速化3个步骤攻坚克难,自主研发卫星健康评估系统,建立相对完备的“分系统、关键单机、关键性能”的3级健康评估指标体系,提出面向在轨单星的健康评估元知识构建方法,为每颗卫星建了一份详细的“体检档案”。所形成的卫星系统评估结论,从关键部件运行状态、异常预防应对、空间环境变化和载荷效能保障等方面,对后续卫星在轨管理提出针对性对策和建议,有力保障了北斗系统在轨安全稳定运行。

作为我国最大的航天器长期管理中心,西安卫星测控中心目前长期管理我国在轨运行卫星,承担着卫星日常遥测监视、轨道控制、故障诊断与维修等在轨管理任务,是名副其实的中国卫星“大管家”。一颗颗“中国星”虽身处太空,但它们并非孤军奋战,而是在时刻接受着“牧星人”的贴心守护。

未来,西安卫星测控中心还将深度广泛应用人工智能技术,全面提升诊断维修能力水平,为未来“巨型星座”在轨管理打下坚实技术基础。


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