CN112379655A - 一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，应用于低轨卫星在轨故障状态和关键参数的监测记录。包括：1)对卫星控制分***故障错误信息进行通用的标准化编码，建立卫星控制***错误码标准库；2)在星上控制分***内开辟固定内存区域，作为星载日志的动态存储空间；3)采用基于哈夫曼编码的无损压缩算法，对日志文件进行无损压缩存储；依据在轨***执行策略进行具体实施。本发明方法优化了低轨卫星在轨运行自主管理过程，能够对于在轨故障信息进行有效监测及记录，为研制人员对在轨故障事件定位分析处理提供充分且直观的记录支撑，提高故障定位的效率和准确度。

Description

一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法
技术领域
本发明涉及一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，属于低轨卫星控制分***在轨自主管理领域。
背景技术
近年来，在轨卫星数量逐年增加，传统“地面管理，人力分析”的卫星在轨管理模式存在一定的局限性。但在数据管理、事件管理、故障管理、在轨软件维护等几个方面，传统卫星管理方式又有其不可替代的作用。
逐步实现卫星在轨自主管理，使其作为传统卫星管理方式的有益补充，具有重大意义。卫星在轨自主管理管理的目标如下：
自主管理目标一：更完整的在轨故障信息的记录。
案例一：某卫星异常进入太阳捕获模式(喷气故障->控制量超差->故障诊断触发进入太捕->单分支控制模式)。传统处理方法：卫星采用传统黑匣子设计，记录了卫星进入太捕时的关键特征参数。卫星入境后，长管中心触发报警。但是，卫星黑匣子记录是“单次触发、时间锚点”式的，故障信息记录不完整，不利于用户分析。
自主管理目标二：解决境外发生的在轨故障的研判问题。
案例二：某卫星在境外分***某单机出现短时故障，但很快恢复正常。卫星入境后，由于数据缺失(延遥压缩比1:63)，长管中心无相关遥测，也无法给出故障发生警示，在轨故障未被处理。
自主管理目标三：最快速地开展卫星健康评估。
案例三：卫星健康状态快速评估能力缺失，对于低轨卫星不到100min的圈次间隔，从大量遥测信息中甄别故障原因耗时长，卫星在轨应急处理能力急需提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，能够完成上述在轨自主管理的基本目标，进一步提升卫星控制分***在轨异常检测能力。
本发明的技术解决方案包括以下步骤：
一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，包括以下步骤：
1)建立卫星控制***故障信息错误码编码库
识别星上控制分***在轨运行期间可能发生的故障，按照故障对应的软件、硬件或所属星上单机进行故障分类，获得完成故障分类的故障信息，依次对完成故障分类的故障信息进行编码，每个故障信息设置有唯一对应的错误码值，依据故障信息和故障信息对应的错误码值建立卫星控制***故障信息错误码编码库；
所述卫星控制***故障信息错误码编码库中设计有预留的参数地址，地面能够根据需要上注错误码到所述预留的参数地址，对预留的参数地址存储的变量信息进行监测；
2)日志空间申请
在星上控制分***内开辟固定内存区域，作为星载日志的动态存储空间，星载日志的动态存储空间包括：静态错误码日志存储区和关键特征参数存储区，静态错误码日志存储区用于存储静态错误码日志，关键特征参数存储区用于存储关键特征参数；
所述关键特征参数为表征星上控制分***健康状态、姿态控制状态和部件单机状态的遥测参数；星上控制分***按特定周期自动存储所述关键特征参数至特征参数存储区；
所述静态错误码日志包括与故障对应的错误码值、故障参数、错误码触发次数和错误码使能；
故障参数：选取上星部件的输出值、模拟量遥测数据，姿态控制信息，通信故障次数，部件的健康标志及***的健康标志中的任意一个或多个作为故障参数，同时将故障发生时刻的星时和故障发生时刻前控制分***接收到的指令作为故障参数；
错误码使能为在故障发生后，触发静态错误码日志和关键特征参数打包处理的使能信号；即，对该故障是否进行错误码触发相关操作的标志，默认为使能，即进行相关操作，可以根据需要进行地面上注修改。使能状态下，相应的故障才会进行判断并进行后续错误码的操作，禁能则不进行。
3)在轨触发
31)实时采集星上控制分***在轨运行期间的数据，在星上控制分***运行出现故障时，根据故障参数，识别故障并根据卫星控制***故障信息错误码编码库获得该故障对应的错误码值；
32)将错误码值和错误码值被触发的总次数通过遥测通道下传至地面站；同时，对该故障按照步骤1)所述卫星控制***故障信息错误码编码库进行编码处理并生成对应的静态错误码日志，将静态错误码日志和故障发生前5帧的关键特征参数分别打包处理，生成错误码日志包和关键特征参数包并存储至星载日志的动态存储空间；
4)地面遥测监视
地面站通过遥测通道下传的错误码值和错误码值被触发的总次数，监视卫星健康状态；同时，根据需要将星载日志的动态存储空间中存储的错误码日志包和关键特征参数包进行内存下卸(所述内存下卸为一种遥测下行方式，通过上注下卸地址，下传该地址存储的数据)；地面站根据获得的错误码日志包和关键特征参数包，按照步骤1)所述的卫星控制***故障信息错误码编码库，进行故障识别、分析和处理工作。
本发明的优点是：
1)本发明对在轨故障的关键信息进行有效记录(故障类型、原因、触发时刻、触发次数、相关变量参数)；
2)本发明通过错误码进行故障识别，无需进行大量数据处理分析，直观、准确定位故障；
3)本发明通过对在轨错故障信息误码触发的监测，对卫星运行期间故障发生类型及故障发生频率进行有效监视和记录，直观把握在轨故障危害程度及卫星健康状态；
4)本发明动态压缩存储，有效利用星上有限资源。
附图说明
图1为星载日志***设计框架示意图；
图2为本发明方法实施流程图；
图3为本发明方法实例实施流程图；
图4为基于哈夫曼编码的无损压缩算法流程图。
具体实施方式
本发明的原理是：采用控制***错误码标准化编码库，标准化控制***已知故障编码和标准化处理方法。采用静态错误日志和动态预留错误码日志相结合，记录故障发生全过程信息。采用日志压缩方法，优化日志存储空间。
如图2所示，本发明一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，包括以下步骤：
1)建立卫星控制***故障信息错误码编码库
识别星上控制分***在轨运行期间可能发生的故障，按照故障对应的软件、硬件或所属星上单机进行详细的故障分类，获得完成故障分类的故障信息。设计通用化、标准化的编码规则，依次对完成故障分类的故障信息进行编码，每个故障信息设置有唯一对应的错误码值，依据故障信息和故障信息对应的错误码值建立卫星控制***故障信息错误码编码库；
所述卫星控制***故障信息错误码编码库中设计有预留的参数地址，地面能够根据需要上注错误码到所述预留的参数地址，对预留的参数地址存储的变量信息进行监测；
2)日志空间申请
在星上控制分***内开辟固定内存区域，作为星载日志的动态存储空间，星载日志的动态存储空间包括：静态错误码日志存储区和关键特征参数存储区，静态错误码日志存储区用于存储静态错误码日志，关键特征参数存储区用于存储关键特征参数；
所述关键特征参数为表征星上控制分***健康状态、姿态控制状态和部件单机状态等关键信息的遥测参数；星上控制分***按特定周期自动存储所述关键特征参数至特征参数存储区；
所述静态错误码日志包括与故障对应的错误码值、故障参数、错误码触发次数、错误码使能以及处理操作；
错误码值：标准化编码值，每一个在故障对应于唯一的编码值。当发生故障时，控制分***星上软件采集故障信息触发对应的错误码以进行后续操作；
故障参数表征该故障异常的具体现象，星上控制分***进行故障判断和识别的参数变量，例如选取上星部件的输出值、模拟量遥测数据，姿态控制信息，通信故障次数，部件的健康标志及***的健康标志中的任意一个或多个作为故障参数，同时将故障发生时刻的星时和故障发生时刻前控制分***接收到的指令作为故障参数；
错误码触发次数：当发生在轨故障时对相应的错误码进行触发次数记录，初始值为0，每次触发次数加1。触发次数设置门限值，可以进行上注修改。
错误码使能为在故障发生后，触发静态错误码日志和关键特征参数打包处理的使能信号；即，对该故障是否进行错误码触发相关操作的标志，默认为使能，即进行相关操作，可以根据需要进行地面上注修改。使能状态下，相应的故障才会进行判断并进行后续错误码的操作，禁能则不进行；因为星上长期在轨运行时会出现一些常驻故障，例如部件硬件损坏，故障首次出现时进行正常的错误码操作，但是故障无法恢复，继续诊断失去意义，即可设置为禁能。
处理操作：设计故障发生时星上的自主操作，如部件的自主的加断电操作等。该参数根据***状态和故障类型按需设置，可以设置为空值，即对该故障星上不进行自主操作，由地面人员上注指令进行相应的故障处理。
3)在轨触发
31)实时采集星上控制分***在轨运行期间的数据，在星上控制分***运行出现故障时，根据故障参数，识别故障并根据卫星控制***故障信息错误码编码库获得该故障对应的错误码值；
32)将错误码值和错误码值被触发的总次数通过遥测通道下传至地面站/地面控制中心；同时，对该故障按照步骤1)所述卫星控制***故障信息错误码编码库进行编码处理并生成对应的静态错误码日志，将静态错误码日志和故障发生前5帧的关键特征参数分别打包处理，生成错误码日志包和关键特征参数包并存储至星载日志的动态存储空间；相同故障打一个包，不同的故障分别打包。
4)地面遥测监视
地面站/地面控制中心通过遥测通道下传的错误码值和错误码值被触发的总次数，监视卫星健康状态；同时，根据需要将星载日志的动态存储空间中存储的错误码日志包和关键特征参数包进行内存下卸(所述内存下卸为一种遥测下行方式，通过上注下卸地址，下传该地址存储的数据)；地面站/地面控制中心根据获得的错误码日志包和关键特征参数包，按照步骤1)所述的卫星控制***故障信息错误码编码库，进行故障识别、分析和处理工作。
下面结合附图3说明该方法的基本原理，并将本发明应用于低轨卫星在轨自主管理的工况。
具体步骤为：
第一步，对控制分***设计状态进行全面分析，识别在轨运行期间可能发生的故障，设计适当的分类依据对故障进行分类归纳，如软硬件故障、通讯故障、单机故障、故障危害等级等分类方式。设计通用化、标准化的编码规则，对分类后的故障信息进行编码，建立卫星控制***故障信息错误码编码库。依据卫星控制***错误码标准库，构建控制分***错误码日志体系，设计静态错误码日志和动态预留错误码日志两种日志形式。
第二步，依据于第一步所建立的卫星控制***错误码标准库，对于静态错误码日志，以时间为检索索引，实现对卫星控制分***在轨运行期间事件或状态的异常信息监测及记录。当卫星在轨控制***发生异常时，对异常发生时的故障参数信息进行采集记录，同时获取该故障对应于错误码编码库中的错误码。对于连续发生的同类错误(如某单机连续通讯异常等)，设定记录频次限制值，并且可以根据具体需求通过在轨上注修改，以避免大量重复错误信息占用日志***的空间，进一步控制空间遥测链路的需求；
第三步，对于动态预留错误码日志，在静态错误码日志的基础上，设计动态预留错误码，采用变地址动态指针的方式，对指定地址区域存储的变量信息进行采集(设计可以选取未进行遥测打包下行的控制分***软件计算过程的中间变量)。可以通过在轨注入的方式，修改指针的采集地址，实现动态的监视；
第四步，如图4所示，采用基于哈夫曼编码的无损压缩算法，对日志文件进行无损压缩存储，有效减小日志占用内存，优化对于星上内存资源的利用；
具体为：
1、计算信源单元权值。扫描待编码日志***的数据(信源)，采用8bit长度遍历信源数据，生成信源单元权值；
2、构建带权哈夫曼树。
Figure BDA0002704679790000071
(WPL为哈夫曼树的带权路径长度，W为外结点权值，L为路径长度)；
3、基于熵信息的空间申请。计算哈夫曼最小平均码长(预估信息熵)，信源熵计算
Figure BDA0002704679790000072
(P(x)表示分布概率)，并结合信源熵计算结果，申请编码压缩空间；
4、组成前缀码表。利用哈夫曼树，给出信源单元的概率码值，组成无损压缩的哈夫曼前缀码表。计算哈夫曼平均码长
Figure BDA0002704679790000081
结果计算出编码效率为
Figure BDA0002704679790000082
5、编码表存储。将哈夫曼前缀码表写入指定地址空间；
6、信源编码。对信源数据进行哈夫曼编码；
7、动态哈夫曼码表重建。设前述计算为第m次计算，当产生新的日志数据，操作步骤为第m+1次计算。
a.对于m+1步新生成的数据，采用线型比例预估算法对产生新数据进行哈夫曼前缀码表及权值重新预估，并计算
Figure BDA0002704679790000083
b.利用新生成的码表及权值计算新的哈夫曼平均码长
Figure BDA0002704679790000084
并结合前边得到的信源熵计算结果计算出新的编码效率为
Figure BDA0002704679790000085
若压缩优化率
Figure BDA0002704679790000086
则执行步骤8，否则执行步骤9；
8、压缩结果有必要优化。当压缩优化率大于***指定阈值ε时，需要更新并存储哈夫曼码表，按新码表对信源进行编码；
9、压缩结果没有必要优化。当压缩优化率小于于***指定阈值ε时，不需要更新哈夫曼码表，按原码表对信源进行编码。
第五步，在轨***执行策略；具体为：
1.日志空间申请：应用软件运行时，开辟固定内存区域，作为星载日志的动态存储空间，分两个部分分别存储错误码日志和关键特征参数；
2.在轨触发：当卫星控制分***在轨运行期间发生故障现象时，即刻触发该故障在错误码标准库中对应的错误码，当发生错误码触发时，将该错误码、相应错误码参数以及触发时刻前5帧的特征参数打包，形成错误码日志和关键特征参数包压缩并存储至指定地址区域；同时，通过观察错误码触发次数，直观监视故障的发生频率从而判断卫星健康状态；
3.动态监视：通过在轨注入，修改动态错误码指定参数地址，对指定地址区域存储的变量信息进行监测；
4.链路遥测：通过控制分***遥测通道，下行错误码值以及对应的错误码触发次数，监视卫星健康状态；
5.日志轮询：通过日志轮询任务，采用内存下卸的方式，对动态存储空间中存储的错误码日志包和关键特征参数包数据进行下传；
6.故障处理：当通过遥测监视到错误码的出现时，即可进行内存下卸来下传错误码日志及特征参数包，通过查阅错误码库来进行相应故障的识别，并进行后续的故障识别、分析和处理工作。

Claims (6)

1.一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立卫星控制***故障信息错误码编码库
识别星上控制分***在轨运行期间可能发生的故障，按照故障对应的软件、硬件或所属星上单机进行故障分类，获得完成故障分类的故障信息，依次对完成故障分类的故障信息进行编码，每个故障信息设置有唯一对应的错误码值，依据故障信息和故障信息对应的错误码值建立卫星控制***故障信息错误码编码库；
2)日志空间申请
在星上控制分***内开辟固定内存区域，作为星载日志的动态存储空间，星载日志的动态存储空间包括：静态错误码日志存储区和关键特征参数存储区，静态错误码日志存储区用于存储静态错误码日志，关键特征参数存储区用于存储关键特征参数；
所述关键特征参数为表征星上控制分***健康状态、姿态控制状态和部件单机状态的遥测参数；星上控制分***按特定周期自动存储所述关键特征参数至特征参数存储区；
所述静态错误码日志包括与故障对应的错误码值、故障参数、错误码触发次数和错误码使能；
3)在轨触发
31)实时采集星上控制分***在轨运行期间的数据，在星上控制分***运行出现故障时，根据故障参数，识别故障并根据卫星控制***故障信息错误码编码库获得该故障对应的错误码值；
32)将错误码值和错误码值被触发的总次数通过遥测通道下传至地面站；同时，对该故障按照步骤1)所述卫星控制***故障信息错误码编码库进行编码处理并生成对应的静态错误码日志，将静态错误码日志和故障发生前5帧的关键特征参数分别打包处理，生成错误码日志包和关键特征参数包并存储至星载日志的动态存储空间；
4)地面遥测监视
地面站通过遥测通道下传的错误码值和错误码值被触发的总次数，监视卫星健康状态；同时，根据需要将星载日志的动态存储空间中存储的错误码日志包和关键特征参数包进行内存下卸；地面站根据获得的错误码日志包和关键特征参数包，按照步骤1)所述的卫星控制***故障信息错误码编码库，进行故障识别、分析和处理工作。
2.根据权利要求1所述的一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，其特征在于，所述卫星控制***故障信息错误码编码库中设计有预留的参数地址，地面能够根据需要上注错误码到所述预留的参数地址，对预留的参数地址存储的变量信息进行监测。
3.根据权利要求2所述的一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，其特征在于，错误码值：标准化编码值，每一个在故障对应于唯一的编码值；当发生故障时，控制分***星上软件采集故障信息触发对应的错误码以进行后续操作。
4.根据权利要求3所述的一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，其特征在于，故障参数：选取上星部件的输出值、模拟量遥测数据，姿态控制信息，通信故障次数，部件的健康标志及***的健康标志中的任意一个或多个作为故障参数，同时将故障发生时刻的星时和故障发生时刻前控制分***接收到的指令作为故障参数。
5.根据权利要求4所述的一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，其特征在于，错误码使能为在故障发生后，触发静态错误码日志和关键特征参数打包处理的使能信号。
6.根据权利要求1～5任意之一所述的一种基于星载日志***的卫星在轨自主管理方法，其特征在于，错误码触发次数：当发生在轨故障时对相应的错误码进行触发次数记录，初始值为0，每次触发次数加1。
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