适用于大型SAR载荷自主FDIR的标准化调度方法与流程

本发明属于卫星遥感领域，涉及星载自主FDIR的标准化调度方案，具体涉及一种适用于大型合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，以下简写为SAR)载荷自主故障监测、隔离与重组(Fault detection，isolation，and recovery，以下简写为FDIR)的标准化调度方法.

背景技术：

大型SAR卫星在遥感领域获得的全面的推广和应用，大型SAR具备电子设备组成复杂、成像工作模式组合多样、天线阵面射频模块数量巨大等特点。为了完成地面用户需求，SAR在轨期间，需要使用聚束模式、条带模式、扫描模式、波模式、全球观测模式等多达十几种成像模式，各种成像模式的切换与调度过程复杂多样，切换和调度过程的异常将直接导致成像任务的降级。SAR在轨维持正常运行的工作模式包括待机、发射功率定标、接收增益定标、参考信号定标、噪声定标等多种工作模式，每种工作模式涉及到不同设备的组合使用，中间任一环节的异常将导致SAR成像性能的下降。

大型SAR的成像分辨率可达亚米级，微波辐射所需的天线阵面长达十几米，特别是相控阵天线阵面，T/R组件、延时放大组件及波控单元的组合多达上千个，这些庞大数量的设备单元对温度一致性要求很高，阵面范围内温度不一致将直接影响阵面的微波辐射性能，进而影响天线方向图特性，对卫星成像造成严重影响。可见，SAR载荷在轨运行需要对异常现象及时诊断和立即处理，一种方法可以地面上注遥控指令实现故障排查与消除，但是目前在轨的遥感卫星可视弧段较短，大部分运行时间都在非可视弧段，地面运行管理人员无法及时发现和解决载荷异常，影响卫星载荷的可靠性运行和用户使用，还会进一步导致SAR载荷故障扩散。

因此，在保证卫星可靠运行的前提下，将现有地面运行管理中的FDIR工作部分移植到卫星上，让卫星能够自主的进行SAR故障监测与诊断，这不但能够减少地面运管系统的工作量，对于提高SAR卫星故障处理的实时性也是非常有帮助的，对SAR卫星载荷自主实施故障的监测和诊断的调度策略是十分重要的，标准且高效的调度方法能够显著提升故障监测和诊断处理的执行效率。

欧洲空间标准化组织(Europe Cooperation for Space Standardization，以下简称为ECSS)作为空间数据系统研究的主流组织，于2003年正式颁布了ECSS-E-70-41A遥控和遥测包应 用标准(Telemetry and Telecommand Packet Utilization Standard，以下简称PUS或包应用标准)，2008年7月ECSS再次对标准体系进行了结构调整，将PUS修订为ECSS-E-ST-70-41。PUS在空间包协议的基础上，利用其规定的包标准格式实现了灵活通用的星上控制和运行管理，满足了用户多样化的需求，标准共涉及16类通用服务，其中有多类服务可以支持星上故障监测和诊断的自主调度。

在CN200910053460、名称为“卫星自主故障诊断方法及其诊断系统”的专利中，将卫星故障分为部件级故障、分系统级故障和系统级故障，采用基于模糊集的故障检测方法，进行启发式搜索实现故障的检测，该专利解决了故障诊断的方法。另外，还提出过同时应用多种形式推理进行卫星故障诊断和预测的新方法，此方法已成功应用于基于知识的卫星故障诊断与恢复系统的开发。然而，以上文章或专利均对卫星的故障诊断方法给予了充分的解释，却未涉及从标准化操作的角度描述和研究故障诊断的自主调度策略问题。

另外，现有技术中还介绍了ECSS PUS的发展历程、应用优势和核心内容，并依据我国遥感卫星发展情况，从标准的应用层面，提出了基于PUS的遥感卫星使用框架和应用流程。另外，现有技术中还借鉴包应用标准的理念，与我国实际的遥控需求相结合，设计的与我国实际遥控需求相结合，设计了一套通用遥控注入数据格式，并开发了相应的地面软件和星载遥控处理软件。

可见，现有技术均从包应用标准的角度阐述了该标准的应用价值或应用范围，证明了包应用标准应用于在轨卫星自主FDIR操作的可行性。因此，虽然关于卫星故障诊断算法的文献和专利较多并且关于采用ECSS PUS标准应用建议的文献也已经有所发表，但是采用标准化服务实现遥感卫星(特别是针对大型SAR载荷)的自主故障监测/隔离/恢复的调度策略却并未研究.

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题以及克服现有方法的不足，本发明针对大型SAR卫星载荷，解决包应用标准应用于SAR载荷异常管理过程中需要使用的自主调度问题，提出了一种自主FDIR的标准化调度方案。

本发明提供了一种适用于大型SAR载荷自主FDIR的标准化调度方法，包括以下步骤：步骤一，通过功能层来标识支持实现的功能；步骤二，通过标准化服务层来标识用以实现功能层标识的功能所需使用的标准化服务；步骤三，通过执行事件层来标识在所用标准化服务层标识出的标准化服务层时发生的特定事件。

在步骤一中，功能层标识的功能至少包括：故障监测自主调度、故障诊断自主调度和故 障恢复自主调度.

在步骤二中，标准化服务至少包括：常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务、航天器监视服务、事件报告服务、事件操作服务、指令调度服务及其特定组合服务。

在步骤三中，特定事件至少包括：SAR电子设备工作状态监测、SAR天线阵面温度监测、SAR成像任务监测、事件报告查找表、事件操作序列标识查找表和卫星程控指令进度表.

在步骤一中，当功能层标识的功能为故障监测自主调度时，在步骤二中执行：通过标准化服务层来标识常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务和航天器监视服务。在步骤三中执行：通过标识出SAR电子设备工作状态监测，实现常规事务和诊断数据报告服务；通过标识出SAR天线阵面温度监测，实现参数统计报告服务；以及通过标识出SAR成像任务状态监测，实现航天器监视服务，其中，SAR电子设备工作状态监测至少包括：SAR监控定时器的工作电压状态、SAR波束控制器的工作电流状态、射频微波放大组件功率输出的SAR载荷正常在轨运行的工作状态信息，SAR天线阵面温度监测执行的是对SAR大型相控阵面天线、大型抛物面天线、和大型薄膜天线的温度的监测，温度具有缓变特征并且为慢速变化参数，参数统计报告服务用语完成遥测参数集的平均值、最小值、最大值和标准偏差的统计值的报告并对偏差、平均值和期望值进行统计，从而实现温度参数超过偏差及不在平均值范围内情况的监测异常报告生成，监测异常报告的内容为异常检测情况、一段时间内的统计结果和统计起始时间的统计特征，SAR成像任务状态监测至少包括：SAR工作模式调度监视、SAR成像模式匹配监测、SAR成像时长监测、SAR成像时刻对准监视，从而完成对设定成像任务参数跳变的报告并且包括至少包括：成像工作时长参数跳变报告和工作模式参数跳变报告。

在步骤一中，当功能层标识的功能为故障诊断自主调度时，在步骤二中执行：通过标准化服务层来标识事件报告服务和事件操作服务；基于故障监测自主调度检测到的工作状态异常，通过软件构件接口直接触发事件报告服务的软件构件；以及通过事件操作服务的软件构件检测到事件报告标识符输入时，执行预先设计与定义的自主执行的操作的功能。在步骤三中执行：通过标识出事件报告查找表，实现事件报告服务，其中，事件报告查找表用于存储异常事件的属性信息并且至少包括：作为表明与异常现象对应的故障事件特征标识的事件报告标识符、事件发生的时间、事件发生的部位，并且每一异常事件军对应一个事件报告标识符；将故障诊断自主调度的功能软件构件检测到的异常作为事件报告服务的软件构件的输入接口，而将事件报告查找表作为输出接口；以及通过标识出与事件报告查找表相关联的事件操作序列标识查找表，使每一个事件报告标识符均与一个事件操作相互映射，从而执行预定操作。

在步骤一中，当功能层标识的功能为故障恢复自主调度时，在步骤二中执行：通过标准化服务层来标识指令调度服务，在步骤三中执行：通过标识出卫星程控指令进度表，确保遥控指令按正确时序执行。

在本发明中，常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务和航天器监视服务的服务优先级相同并且按任务需求选择性地使用.

因此，与现有技术相比，本发明可以实现以下的有益效果：

1)针对目前缺少大型SAR卫星载荷在轨故障自主管理的现状，解决了SAR载荷异常管理过程中需要使用的自主调度问题，提供了自主FDIR的标准化调度方案，特别适用于大型相控阵面温度故障的自主管理、多级SAR电子设备故障的自主管理、复杂SAR成像任务异常自主管理；

2)基于ECSS编制的包应用标准，采用标准化服务定义了星上操作之间在应用层级别的接口，通过标准化服务规范约束了自主FDIR调度时的使用方式，标准通用且可构件化，故障事件的监测均调用相同的软件构件，故障事件的自主处理均使用相同的执行时序，提高了卫星在执行故障检测和诊断时的调度效率；以及

3)各种自主调度使用流程，各服务之间的功能界定明显，服务与服务之间不存在耦合性，执行流程清晰，具备规范的控制卫星自主调度故障检测和诊断的系列化操作的条件，能够支持卫星在轨实施故障检测、故障诊断和故障恢复时所自主调度的系列化操作，步骤明确，可实施性强。

附图说明

图1为本发明的自主FDIR的标准化调度方法的实施框图；以及

图2为本发明的自主FDIR的标准化调度方法的使用流程图。

具体实施方式

应了解，大型SAR卫星载荷在轨不可维修，具备电子设备组成复杂、成像工作模式组合多样、天线阵面射频模块数量巨大的特征，实现SAR载荷(特别是大型SAR相控天线阵面)故障检测/隔离/恢复(FDIR)自主性是十分必要，能显著提升SAR遥感卫星载荷的在轨运行可靠性。本发明以ECSS颁布的包应用标准为依据，将SAR遥感卫星自主故障监测和诊断的调度方法与标准化服务相结合，提出了一种适用于大型SAR卫星载荷自主FDIR的标准化调度方法，该方法包括3个层次：功能层、标准化服务层和执行事件层.对标准化服务和调度使用方式进行规范化约束，不同故障事件的监测均调用相同的软件构件，不同故障事件的自 主处理均使用相同的执行时序，策略清晰，步骤明确，接口标准，具备较强的星上应用的可实施性特征，与常规FDIR方法针对每一个故障都需要使用专用故障监测和处理模块相比，能够显著提升星载SAR载荷的FDIR自主执行效率和智能化管理水平。

具体地，本发明的大型SAR载荷自主FDIR调度方法技术方案完成的主要工作包括：

1)功能层标识本发明支持实现的功能故障监测自主调度、故障诊断自主调度、故障恢复自主调度；

2)标准化服务层标识本发明实现功能层需要使用的标准化服务为常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务、航天器监视服务、事件报告服务、事件操作服务、指令调度服务的特定组合使用；以及

3)执行事件层标识本发明在使用标准化服务时发生的特定事件，包括SAR电子设备工作状态监测、SAR天线阵面温度监测、SAR成像任务监测、事件报告查找表、事件操作序列标识查找表、卫星程控指令进度表。

因此，按功能层、标准化服务层、执行事件层描述，本发明的技术思路是：包括故障监测时自主调度所选择的标准化服务，为常规事务和诊断数据报告服务(具体执行事件为SAR电子设备工作状态监测)、参数统计报告服务(具体执行事件为SAR天线阵面温度监测)、航天器监视服务(具体执行事件为SAR成像任务监测)；包括故障诊断时所需的标准化服务，为事件报告服务(具体执行事件为事件报告查找表)、事件操作服务(具体执行事件为事件操作序列标识查找表)；包括故障恢复时所需的标准化服务，为指令调度服务(具体执行事件为卫星程控指令进度表)；包括故障监测与诊断的自主调度的执行时序，为首先选择故障监测调度所需的标准化服务，其次执行故障诊断调度所需的标准化服务，最后执行故障恢复所需的标准化服务；包括故障监测自主调度时至少需要选择常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务、航天器监视服务中的一种服务，以支持故障监测的标准化自主调度；包括故障监测自主调度、故障诊断自主调度及故障恢复自主调度的执行条件。

故障监测自主调度功能由常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务及航天器监视服务实现。常规事务和诊断数据报告服务对SAR电子设备工作状态进行监测，包括SAR监控定时器的工作电压状态、SAR波束控制器的工作电流状态、射频微波放大组件功率输出等涉及SAR载荷正常在轨运行的工作状态信息；参数统计报告服务对SAR大型相控阵面天线(也可以是大型抛物面天线、大型薄膜天线等)温度进行监测，大型相控阵面天线需要监测的温度具备缓变的典型特征，一般均为慢速变化参数，参数统计报告服务完成遥测参数集的统计值(平均值，最小值，最大值，标准偏差等)报告，能够对偏差、平均值及期望值等 进行统计，实现温度参数超过偏差及不在平均值范围内等情况的监测异常报告生成，异常报告的内容主要为异常检测情况、一段时间内的统计结果及统计特征(如统计起始时间等)；航天器监视服务对SAR成像任务状态进行监测，包括SAR工作模式调度监视、SAR成像模式匹配监测、SAR成像时长监测、SAR成像时刻对准监视等，该服务软件构件完成对设定成像任务参数跳变的报告，如成像工作时长参数跳变、工作模式参数跳变报告等。

故障诊断自主调度功能由事件报告服务和事件操作服务完成。该发明在完成故障监测自主调度后，基于监测到的工作状态异常，通过软件构件接口直接触发事件报告服务的软件构件，事件报告服务构件特征在于存储了事件报告查找表，该查找表存储异常事件以下属性信息：事件报告标识符(表明与异常现象对应的故障事件特征标识)、事件发生的时间、事件发生的部位等事件属性信息，每一种异常事件均对应一个事件报告标识符.该软件构件的输入接口即为故障诊断自主调度功能软件构件监测到的异常，输出接口为事件报告查找表.该查找表作为触发事件操作服务软件构件的输入接口，与事件操作查找表相关联，每一个事件报告标识符均与一个事件操作映射，事件操作服务软件构件检测到事件报告标识符输入时，完成预先设计与定义的自主执行的操作的功能。

故障恢复自主调度功能由指令调度服务完成。该服务的特征在于维护一个航天器指令进度表并确保其中遥控指令能够按照正确时序执行。

在本发明中，故障监测与诊断的自主调度的执行顺序为故障监测自主调度、故障诊断自主调度、故障恢复自主调度.与此对应的包应用服务的使用和执行时序依次为常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务、航天器监视服务(前三种服务优先级相同，根据任务需求选择使用)、事件报告服务、事件操作服务、指令调度服务.

接下来，参考附图1和附图2以及具体实施方式来详细介绍本发明。

如图1所示，本发明所实现功能的传递关系为：首先进行故障监测自主调度1，其次完成故障诊断自主调度2，最后完成故障恢复自主调度3。

完成故障监测自主调度1需要使用的标准化服务为常规事务和诊断数据报告服务4、参数统计报告服务5和航天器监视服务6.

对SAR电子设备工作状态10的监测使用常规事务和诊断数据报告服务4，如SAR监控定时器的工作电压状态、SAR波束控制器的工作电流状态、射频微波放大组件功率输出状态等。将常规事务和诊断数据报告服务4进行软件构件化，输入接口为遥感卫星数据管理系统采集的SAR电子设备工作状态信息，服务构件完成工作状态信息的监测管理.对SAR大型相控阵面天线(也可以是大型抛物面天线、大型薄膜天线等)温度11的监测使用参数统计报 告服务5，大型相控阵面天线需要监测的温度量遥测数量巨大，每个收发模块(以下简称为T/R)组件均要对温度情况进行监测，然而温度类参数具备缓变的典型特征，一般均为慢速变化参数，因而没有必要对温度实施实时监控，能够掌握一段时间内的温度统计特性即可满足控温需求。将参数统计报告服务5进行软件构件化，输入接口为遥感卫星数据管理系统采集的SAR大型相控阵面天线温度信息，该服务软件构件完成遥测参数集的统计值(平均值，最小值，最大值，标准偏差等)报告，能够对偏差、平均值及期望值等进行统计分析，实现温度参数超过偏差及不在平均值范围内等情况的监测异常报告生成，异常报告的内容主要为异常检测设备信息、一段时间内的统计结果及统计特征(如统计起始时间等)，显著降低星上信息资源的交互频率，节省数据存储空间。对SAR成像任务状态12的监测使用航天器监视服务6，特别适合具备预先上注和设置的SAR成像任务类状态的监视，包括SAR工作模式调度监视、SAR成像模式匹配监测、SAR成像时长监测、SAR成像开机时刻对准监视等，这些SAR成像相关的任务的异常将直接影响到地面用户的使用，对用户上注的成像任务造成严重降级。将航天器监视服6进行软件构件化，输入接口为遥感卫星预先上注和设置的SAR成像任务类状态信息，该服务软件构件完成对设定状态参数跳变的报告，如成像工作时长参数跳变、工作模式参数跳变报告等，以监测成像任务状态异常。

完成故障诊断自主调度2需要使用的标准化服务为事件报告服务7和事件操作服务8。

该发明在完成故障监测自主调度1后，基于监测到的工作状态异常，包括SAR电子设备工作状态异常、SAR天线阵面温度异常、SAR成像任务异常，通过软件构件接口直接触发事件报告服务7的软件构件，事件报告服务7构件中存储了事件报告查找表13，该查找表存储异常事件以下属性信息：事件报告标识符(表明与异常现象对应的故障事件特征标识)、事件发生的时间、事件发生的部位等事件属性信息，每一种异常事件均对应一个事件报告标识符。该软件构件的输入接口即为故障诊断自主调度2功能软件构件监测到的异常事件，输出接口为事件报告查找表14。该查找表作为触发事件操作服务8软件构件的输入接口，与事件操作查找表相关联，每一个事件报告标识符均与一个事件操作映射，事件操作服务8软件构件检测到事件报告标识符输入时，完成预先设计与定义的自主执行操作的功能。

完成故障诊断自主隔离和恢复调度3需要使用的标准化服务为指令调度服务9.

由指令调度服务9构成的软件构件通过预装入构件并适时释放的遥控指令来实现诊断为故障的隔离和恢复，完成故障的闭环处理.为此软件构件维护一个航天器指令进度表15并确保其中遥控指令的适时执行。该软件构件维护一个由遥控指令包和其进度信息组成的指令进度表。遥控指令的进度表中包含与遥控指令相关的子进度表。子进度表是遥控指令的组播机 构，它使得指令被共同控制或与同组的其它指令互锁(以确保指令能够按照正确时序执行，互锁要受到属于同一子进度表的多个指令的限制)。因此，指令调度服务9确保了故障诊断自主隔离和恢复调度所需指令安全可靠执行，这也是实现自主FDIR最关键的一步。

图2提供了基于包应用标准的标准化服务的星上故障监测与诊断的自主调度方法使用流程.如图2所示，星上遥测1输入至故障监测自主调度所需的服务3，通过选择所需的服务2对遥测参数进行预处理，预处理包括常规事务和诊断数据报告服务、参数统计报告服务、航天器监视服务所提供的基本功能.若不使用以上三种标准化服务，则禁止启动自主调度。通过三种服务地遥测参数的调度处理，如遥测参数存在异常，则报告事件发生4，若事件不发生，则继续执行遥测参数的三种标准化服务的选择与预处理。若事件发生，则自主调度进入故障诊断调度模块，首先执行事件的报告服务5，生成能够标识事件类型的事件标识符，并通过事件操作服务6的检测后，由事件操作服务6提供故障恢复所需要的指令序列。若操作执行7这些指令序列则使用指令调度服务8，指令调度服务8按照预置的条件，逐步释放指令，并进一步进行指令的执行9，完成故障隔离和恢复。若操作不执行，则反馈至遥测参数的检测模块。

综上所述，采用本发明，解决了SAR载荷异常管理过程中需要使用的自主调度问题，特别适用于大型相控阵面温度故障的自主管理、多级SAR电子设备故障的自主管理、复杂SAR成像任务异常自主管理，采用标准化服务定义了星上操作之间在应用层级别的接口，标准通用且可构件化，故障事件的监测均调用相同的软件构件，故障事件的自主处理均使用相同的执行时序，提高了卫星在执行故障检测和诊断时的调度效率。另外，本发明各服务之间的功能界定明显，服务与服务之间不存在耦合性，执行流程清晰，具备规范的控制卫星自主调度故障检测和诊断的系列化操作的条件，能够支持卫星在轨实施故障检测、故障诊断和故障恢复时所自主调度的系列化操作，步骤明确，可实施性强。

本发明以SAR载荷为例，进行了具体实施方式说明，通过适当改变，均可以通用于其它类型载荷。本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。