航天器在轨自主健康管理技术的研究和应用

论文摘要

随着航天技术的进步,在轨航天器数量不断增加,新的航天应用不断出现,传统的航天器任务运行模式已难以满足当前航天事业发展的要求。为满足新的航天应用需求,提高在轨航天器的生存和抗打击抗毁坏能力、降低在轨航天器运行时空地问的数据传输开销和人工维护成本,开发具有自主运行管理能力的航天器是航天器未来发展的方向。航天器自主运行管理主要包括航天器自主规划和调度、自主健康管理和有效载荷数据自主处理三个方面。其中自主健康管理是航天器在轨自主安全稳定运行的重要保障。本文以实现一个支持自主健康管理的航天器自主运行管理软件开发框架SASF(Spacecraft Autonomy Software Framework)为目标,首先论述了航天器自主运行管理技术,并重点分析了自主健康管理技术及其相关的应用现状;然后分析了软件工程领域中现有的构件和框架技术在航天器应用软件开发领域的应用情况。在此基础上,我与课题组其他成员共同设计和实现了一个航天器自主运行管理软件开发框架,并主要承担了自主健康管理部分的设计和实现工作。该框架使用设计模式、接口和构件等技术提供对航天器自主规划调度、自主健康管理方面的框架级软件开发支持。本文概述了航天器自主运行软件开发框架的基本体系结构,重点阐述了自主健康管理部分的组成、设计和实现。该部分在设计和实现上提供对错误检测、故障定位、自主决策和错误恢复的框架级软件开发支持,降低了各模块间的耦合度和软件实现的复杂性。SASF框架提高了航天器应用软件开发的效率和复用性。针对硬件瞬时性故障引发的构件的健康问题,我们以面向硬件故障的软件容错思想为指导,提出了一个基于构件的数据流模型,定义了数据流图,分析了数据流模型具有的一些性质和规律。然后我们针对双冗余容错系统运行开销较大的问题,基于数据流模型,提出了两种错误检测算法、一种故障定位算法和一种自主决策算法。本文阐述了这些算法的基本原理,并给出了具体算法。两种错误检测算法在保证错误检测覆盖率的同时,通过减少冗余结点的数量,降低了系统运行开销;故障定位算法通过减少需要进行故障定位检测的结点数量,降低了容错延迟;自主决策算法实现了错误的预测处理和动态的冗余结点调整,有利于降低容错延迟、提高错误检测的灵活性。最后,我们基于SASF框架实现了上述数据流模型及算法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 研究背景及意义
• §1.2 本文主要工作
• §1.3 论文结构
• 第二章 相关背景
• §2.1 航天器自主运行技术
• §2.2 自主健康管理
• 2.2.1 自主健康管理的定义
• 2.2.2 典型的故障检测和诊断方法
• 2.2.3 错误检测和诊断系统
• 2.2.4 应用实例
• §2.3 框架和构件技术
• 2.3.1 构件
• 2.3.2 框架
• 2.3.3 典型的航天器应用软件开发框架
• §2.4 容错技术
• 2.4.1 容错的基本概念
• 2.4.2 容错技术的分类
• §2.5 小结
• 第三章 航天器自主健康管理功能的设计与实现
• §3.1 航天器自主运行软件开发框架SASF
• 3.1.1 框架概述
• 3.1.2 系统基础部分的组成
• 3.1.3 自主规划调度
• 3.1.4 自主健康管理
• 3.1.5 框架特点
• §3.2 自主健康管理部分的整体架构和实现概述
• 3.2.1 AOCS的容错架构
• 3.2.2 Manager元设计模式
• 3.2.3 扩展的AOCS容错架构——自主健康管理架构
• §3.3 错误检测模块的设计与实现
• 3.3.1 错误检测模块的组成
• 3.3.2 错误检测机制
• 3.3.3 错误事件定义
• 3.3.4 FailureDetectionManager
• 3.3.5 FailureDetectionModeManager
• 3.3.6 扩展点
• §3.4 故障定位模块的设计与实现
• 3.4.1 故障定位模块的组成
• 3.4.2 故障定位机制
• 3.4.3 故障定位事件定义
• 3.4.4 FaultLocationManager
• 3.4.5 FaultLocationModeManager
• 3.4.6 扩展点
• §3.5 自主决策模块的设计与实现
• §3.6 错误恢复模块的设计与实现
• §3.7 小结
• 第四章 构件健康管理方法及其在SASF框架上的实现
• §4.1 硬件瞬时性故障
• 4.1.1 宇宙辐射对航天器的影响
• 4.1.2 面向硬件故障的软件容错技术
• §4.2 基于构件的数据流模型
• 4.2.1 数据流模型
• 4.2.2 数据流模型分析
• §4.3 基于数据流模型的错误检测算法
• 4.3.1 双冗余容错系统
• 4.3.2 错误检测算法基本原理
• 4.3.3 错误检测算法
• 4.3.4 改进的错误检测算法
• §4.4 基于数据流模型的另一种错误检测算法
• 4.4.1 错误检测算法基本原理
• 4.4.2 错误检测算法
• §4.5 基于数据流模型的故障定位算法
• 4.5.1 基于数据流模型的故障定位算法
• 4.5.2 在错误检测算法基础上改进的故障定位算法
• §4.6 基于数据流模型的自主决策算法
• 4.6.1 问题分析
• 4.6.2 基于数据流模型的自主决策算法
• §4.7 数据流模型及相关算法在SASF上的实现
• 4.7.1 数据流模型的定义
• 4.7.2 相关算法在SASF上的实现
• §4.8 小结
• 第五章 结束语
• §5.1 主要工作及创新点
• §5.2 进一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果