一种复杂星座系统可靠性建模分析方法与流程

[0001]
本发明涉及一种复杂星座系统可靠性建模分析方法，属于卫星总体设计技术领域。


背景技术：

[0002]
对复杂星座系统进行可靠性建模是了解星座系统可靠度随单颗卫星可靠度变化的唯一方法。星座系统是由一颗颗卫星构建起来的，只有构建起准确的星座系统可靠性模型，才能够将星座系统的可靠性指标分配给单颗卫星，从而约束单颗卫星的可靠性设计，才能通过各颗卫星的实际可靠性水平来预计整个星座系统达到的可靠性水平，才能够比较不同星座设计方案的可靠性优劣。因此，构建复杂星座系统可靠性模型对于星座系统的早期论证设计非常关键。
[0003]
复杂星座系统由于其包含卫星数量多、轨道构型复杂、备份星布置方式多样，星座内部各颗卫星之间的故障逻辑关系复杂，使用传统的可靠性框图中的串联、并联、表决、桥联等逻辑关系很难将其表达出来，使用可靠性框图方法很难构建复杂星座系统的可靠性模型。
[0004]
对于复杂系统的可靠性建模，一般还有petri网、马尔科夫随机过程、蒙特卡洛仿真和构建全概率模型等方法，各种方法各有优缺点。


技术实现要素：

[0005]
本发明的技术解决问题是：解决了使用传统的可靠性框图方法无法准确建立复杂星座系统可靠性模型的问题，提出了一种复杂星座系统可靠性建模分析方法。可用于复杂星座系统预研论证阶段时，系统可靠性指标论证，不同方案的可靠性比较；生产研制阶段时，将系统可靠性指标向各颗卫星分配，利用各颗卫星的可靠性水平预计星座系统达到的可靠性水平等。一种复杂星座系统可靠性建模分析方法，采用全概率模型，通过逐次计算不同数量故障星数出现的概率，并结合系统任务仿真来判别星座在各种故障星数量和位置的情况下是否可靠，遍历各种情况之后建立星座系统可靠性的全概率模型。
[0006]
本发明的技术解决方案是：
[0007]
一种复杂星座系统可靠性建模分析方法，包括步骤如下：
[0008]
(1)根据星座系统的任务要求，确定星座系统的可靠性判据；
[0009]
(2)从多种星座构型中选择一种星座构型；
[0010]
(3)针对选取的星座构型，确定星座系统的备份星配置方案；根据星座系统任务仿真模型和可靠性判据，建立该星座构型的星座系统可靠性模型；
[0011]
(4)重复步骤(3)依次建立每个星座构型的星座系统可靠性模型；
[0012]
(5)利用每个星座构型的星座系统可靠性模型，获得星座可靠度随单颗卫星可靠度的变化曲线，根据变化曲线，确定系统可靠性最佳的星座构型。
[0013]
上述复杂星座可靠性建模分析方法，优选的，所述步骤(1)中星座系统的可靠性判
据以星座系统的一项或多项关键任务指标是否满足要求作为判据。
[0014]
上述复杂星座可靠性建模分析方法，优选的，所述步骤(3)中备份星配置方案包括在轨无备份、备份轨道备份、业务轨道备份三种方式。
[0015]
上述复杂星座可靠性建模分析方法，优选的，所述步骤(3)中建立星座系统可靠性模型的方法为：利用故障星的数量和故障星的分布状态，以及星座系统任务仿真模型的仿真结果和可靠性判据，建立星座系统可靠性的全概率模型。
[0016]
上述复杂星座可靠性建模分析方法，优选的，利用故障星的数量和故障星的分布状态，以及星座系统任务仿真模型的仿真结果和可靠性判据，计算基本发生概率；然后利用基本发生概率建立星座系统可靠性的全概率模型。
[0017]
上述复杂星座可靠性建模分析方法，优选的，所述基本发生概率的计算方法为：
[0018]
p
j
＝r
n-j
(1-r)
j
[0019]
其中，基本发生概率是指故障星数量总数为j的每一种组合情况的发生概率，式中，j为故障星数量总数，p
j
为故障星数量总数为j的基本发生概率，的r为单颗卫星的可靠度，n为星座系统卫星总数。
[0020]
上述复杂星座可靠性建模分析方法，优选的，所述步骤(5)中根据变化曲线确定系统可靠性最佳的星座构型的方法为：通过比较不同构型的星座可靠度随单颗卫星可靠度增加的增长快慢来确定的，增长快即星座系统可靠性对单颗卫星可靠性的要求较低。
[0021]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0022]
(1)本发明方法能够解决复杂星座系统的可靠性建模问题，而现有的可靠性框图方法无法应对这一问题。
[0023]
(2)本发明方法给出了星座系统典型的备份星配置方案，便于设计星座构型时进行选择。
[0024]
(3)本发明方法中使用可靠性状态表格的形式来表示星座系统在各种故障星状态下的星座可靠度，逻辑清晰，便于检查有没有遗漏的情况。
[0025]
(4)本发明方法中使用的可靠性状态表中采用了采用数组来表示星座系统故障星的分布状态，能够较好地区分和表征故障星的各种分布情况。
[0026]
(5)本发明方法中使用的可靠性状态表中采用了0或1来表征星座可靠性是否满足的状态，1表示满足，0表示不满足；从而可以直接在表格上将每一行的第5、6、7列相乘得到每一行所代表情况的可靠度。
[0027]
(6)本发明方法中使用的可靠性状态表，直接将表格每一行的第5、6、7列相乘，然后逐行累加起来，就得到星座系统的星座可靠度，计算简单方便。
[0028]
(7)本发明方法能够在一张图表上表示各个星座可靠度随单星可靠度的变化趋势，便于直观比较。
附图说明
[0029]
图1为本发明方法流程图。
[0030]
图2为本发明方法中不同构型的星座可靠度随单星可靠度变化曲线示例
具体实施方式
[0031]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
[0032]
如图1所示为本发明的方法流程图，从图1可知，本发明提供的一种复杂星座系统可靠性建模分析方法，具体步骤如下：
[0033]
(1)根据星座系统的任务要求，确定星座系统的可靠性判据。
[0034]
其中，星座系统的可靠性判据一般以星座系统的一项或多项关键任务指标是否满足要求作为判据。如对地观测星座的对同一地点的重访周期，gps星座的任一地点任意时刻可视卫星数量。
[0035]
(2)从待分析的多种星座构型方案中选择一种构型方案。
[0036]
星座系统在初步设计时会有多种构型方案，从中选取一种构型方案。
[0037]
(3)确定系统任务仿真模型，由卫星总体设计完星座构型方案后给出。
[0038]
(4)确定星座系统的备份星配置方案；
[0039]
从以下三种备份星方案中选择一种：
[0040]
①
在轨无备份：是指星座系统在轨只有业务星，没有备份星，一般在地面贮存有备份星，在轨业务星故障后，由地面补充发射入轨补网，这种方式一般会导致业务中断时间较长。
[0041]
②
备份轨道备份：是指星座系统的备份星配置在一个备份轨道上运行，一旦星座系统有业务星发生故障，则备份轨道中的备份星迅速变轨补位，这种备份方式导致的星座系统业务中断时间较短，优点是备份星可以共用。
[0042]
③
业务轨道备份：是指星座系统在每个轨道面上均配置有备份星，该轨道面有卫星故障时，备份星自动替代故障星工作，当轨道面故障星的数量少于备份星时，星座系统业务运行不受影响。这种配置方式基本能保证业务不中断，但不同轨道面的备份星不可共用。
[0043]
(5)根据可靠性判据和外部提供的系统任务仿真结果，建立星座系统可靠性模型；
[0044]
其中，星座系统的可靠性模型由以下表1中的可靠性状态来表示。
[0045]
表1
[0046]
[0047]
表中n表示星座系统卫星总数，r表示单颗卫星的可靠度。
[0048]
表1中，采用数组(x1，x2，
…
)来表示星座系统故障星的分布状态，其中x
i
表示第i轨道面的故障星数量，其上限不超过第i轨道面分布的卫星数量，σx
i
表示整个星座的故障星总数，其上限不超过星座卫星总数。
[0049]
基本发生概率是指故障星数量总数为j的每一种组合情况的发生概率，由下面的公式给出：
[0050]
p
j
＝r
n-j
(1-r)
j
[0051]
表1中，用0或1来表征星座可靠性是否满足的状态s，1表示满足，0表示不满足。
[0052]
星座系统的全概率数学模型由下面的公式给出：
[0053]
r
s
＝∑(c
k
×
s
k
×
p
k
)
[0054]
r
s
表示星座系统的可靠度，c
k
表示表格中第k行的组合情况数，对应于表中第5列(组合情况数)；s
k
表示表格中第k行星座系统可靠性是否满足的状态，对应于表中第6列(星座可靠性是否满足)；p
k
表示表格中第k行对应的基本发生概率，对应于表中第7列(每种情况基本发生概率)；k表示表格中每一行的序号，对应于表中第1列。
[0055]
(6)依次建立各个构型方案的星座系统可靠性模型；
[0056]
(7)确定星座系统可靠度随单颗卫星可靠度的变化趋势，并比较不同星座构型方案的可靠性指标，确定星座构型。
[0057]
其中，在比较不同星座构型方案的可靠性优劣时，通过将不同构型方案星座的可靠度随单星可靠度的变化曲线绘制在一张图表上进行比较，星座可靠度随单颗可靠度上升快的星座构型可靠性更优。
[0058]
更为具体的：
[0059]
(1)根据星座系统的任务要求，分析确定星座系统的可靠性判据；
[0060]
某对地观测星座，按照任务要求要求，在任务时间内，在预定的轨道空间环境下，对10
°
n～60
°
n重点观测区域覆盖率大于90％。经分析，星座系统的可靠性判据可选择为星座系统对10
°
n～60
°
n重点观测区域覆盖率大于90％。
[0061]
(2)从待分析的多种星座构型方案中选择一种构型方案；
[0062]
初步设计的星座构型方案有3种：
[0063]
方案一：24颗业务星均布在6个轨道面上，每个轨道面上有4颗业务星，无备份星；
[0064]
方案二：24颗业务星均布在6个轨道面上，每个轨道面有4颗业务星。6颗备份星运行在备份轨道上，一旦任何业务星出现不可恢复的致命故障，则启动1颗备份星，并变轨补充到相应的位置；
[0065]
方案三：30颗卫星均布在6个轨道面上，每个轨道面上有4颗业务星+1颗备份星。
[0066]
选择方案一开始分析。
[0067]
(3)确定系统任务仿真模型，由卫星总体专业设计完星座构型方案后给出；
[0068]
覆盖率仿真模型由星座系统的总体专业给出。
[0069]
(4)确定星座系统的备份星配置方案；
[0070]
方案一的备份星配置方式为在轨无备份。
[0071]
(5)结合系统任务仿真结果和可靠性判据，建立星座系统可靠性模型；
[0072]
通过逐个情况仿真分析和结合可靠性判据进行判断，建立了方案一的可靠性状态
表如下表。
[0073]
表2
[0074][0075]
表中星座系统卫星总数为24，r表示单颗卫星的可靠度。根据上表的结果，可以给出方案一星座系统可靠度数学模型为：
[0076][0077]
(6)依次建立各个构型方案的星座系统可靠性模型；
[0078]
依次对方案二和方案三的星座系统可靠性进行建模，具体的星座可靠性状态表略，得到的星座系统可靠性数学模型，结果分别为：
[0079]
方案二：
[0080][0081]
方案三：
[0082][0083]
(7)分析星座系统可靠度随单颗卫星可靠度的变化趋势，并比较不同构型方案的星座可靠性优劣，确定星座构型。
[0084]
将三个方案星座系统可靠度随单星可靠度的变化曲线绘制在一起，如图2所示。
[0085]
通过对比可以发现方案二的星座可靠性最优，方案一的可靠性最差。
[0086]
该方法在航天东方红有限公司的某星座系统设计中进行了应用，分析结果准确，有力地支撑了星座系统的构型选择，可靠性指标论证和可靠性指标分配。