西安卫星测控中心 | 为在轨卫星“悬丝诊脉”

今天是太空与您相伴的【第1407期 】

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。

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，中心以北斗卫星为起点，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。

来源 | 我们的太空（ID：ourspace0424）

原标题：《西安卫星测控中心 | 为在轨卫星“悬丝诊脉”》

阅读原文