基于故障树分析的卫星故障预案设计方法与流程

1.本发明涉及基于故障树分析的卫星故障预案设计方法，适用于卫星故障预案的设计及对故障预案完备性的检查，属于卫星总体技术领域。


背景技术：

2.卫星发射后，由于严苛的发射飞行环境且不易维修，对发射和在轨运行期间紧急或故障情况下的应急处置要求尤为严格。故障预案是卫星在发射和在轨运行期间紧急或故障状态下开展应急处置的依据，是确保卫星能正常提供服务和安全运行的重要保障。故障预案是否全面完备和充分有效，直接关系到应急处置工作的有效性和效率，对卫星发射和在轨运行安全具有重要意义。
3.传统模式下，故障预案的分析和设计一般从卫星工作模式入手，针对每个可能发生故障的部件或设备，采用fmea的方法开展故障模式影响分析和故障预案设计。这种基于fmea的分析方法可以覆盖多数可能的故障模式，具有快速易操作的特点；但这种分析方法过多的依赖于工程技术人员的专业技术水平和对故障模式的认识水平，不同的故障预案设计师识别出的故障模式的完备性存在较大的差异。因此，有必要从系统层面提出一种逻辑更为缜密的故障预案分析和设计的指导方法，以确保对更全面的故障模式开展预案设计，保证故障预案分析和设计的完备性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于故障树分析的卫星故障预案设计方法，包括：确定卫星发射和在轨运行期间的飞行主事件序列，以任一飞行主事件不成功为顶事件，建立故障树，完成自上而下的故障树分析及推演，逐级分解到单机设备、模块、接口部件等的各个底事件(故障模式)；利用相关性故障树分析方法，从不同的接口和影响方式更全面的识别出导致故障模式底事件发生的相关可能原因，并针对各项可能原因开展故障预案设计；最后形成卫星完整的故障预案设计报告或对已有故障预案设计内容进行完备性检查。
5.本发明目的通过以下技术方案予以实现：
6.基于故障树分析的卫星故障预案设计方法，包括如下步骤：
7.s1、根据卫星发射和在轨运行期间的任务模式，确定多个飞行主事件；
8.s2、在多个飞行主事件中任选一个作为顶事件，并根据该顶事件建立故障树，逐级分解后获得所有底事件；
9.s3、针对s2中获得的任意一个底事件，利用相关性故障树分析方法，确定故障原因；
10.s4、针对s3中确定的故障原因，确定故障预案；
11.s5、重复s3～s4，确定一个顶事件的所有故障预案；重复s2～s4，确定所有顶事件的故障预案；
12.s6、对所有顶事件的故障预案进行汇总和完备性检查。
13.上述的卫星故障预案设计方法，s2中，将顶事件故障原因按故障树逐级分解到单机设备、模块、接口部件各个底事件(即故障模式)。
14.上述的卫星故障预案设计方法，s3中，从机械、电气、热、光、电磁多个维度，以及物理接触、能量转移、信息交流、材料交换多种方式，确定故障原因。
15.上述的卫星故障预案设计方法，s4中故障预案采用故障预案表表示，故障预案表中至少包括：故障名称、故障编号、责任分系统、相关分系统及设备模块、所处阶段、故障类别、故障判据、故障可能原因、处置对策及程序、结果判据、风险分析、注意事项、保障条件。
16.一种基于故障树分析的卫星建立正常姿态不成功故障的预案确定方法，包括如下步骤：
17.s10、以卫星建立正常姿态不成功作为顶事件，建立故障树；确定故障模式底事件包括：反作用轮故障、星敏数据不可用故障、二浮陀螺故障、sada转动异常；
18.s20、针对反作用轮故障底事件，确定故障原因包括反作用轮驱动线路异常、反作用轮摩擦力矩过大、控制力矩异常；
19.s30、基于s20中的确定故障原因，确定相应的故障预案；
20.s40、重复s20～s30，确定星敏数据不可用故障、二浮陀螺故障、sada转动异常的相应故障预案，并对建立正常姿态不成功故障的预案进行汇总和完备性检查。
21.上述的基于故障树分析的卫星建立正常姿态不成功故障的预案确定方法，在建立正常姿态不成功故障的预案中，反作用驱动轮线路故障底事件的处置对策至少包括对反作用轮线路重新加电；控制力矩异常的处置对策至少包括切换cip；反作用轮摩擦力矩过大的处置对策至少包括将反作用轮工作方式设置为三轮控方式；每个故障预案中，根据不同的处置策略，确定相应的遥控指令名称、遥控指令，并监测遥测数据。
22.上述的一种基于故障树分析的卫星建立正常姿态不成功故障的预案确定方法，在建立正常姿态不成功故障的预案中，确定顶事件故障处置策略的结果判据。
23.本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
24.(1)本发明提出了一整套基于故障树分析的故障预案设计方法，从卫星发射和在轨运行期间完整的飞行事件入手，通过飞行事件牵引，采用逻辑严密的故障树分析(fta)和相关性故障树分析(cfta)的方法开展故障模式分析和故障预案设计，可更全面和客观的识别出卫星故障模式，保证故障预案设计的全面性、完备性。该方法可克服传统故障预案设计过多依赖工程技术人员的专业技术水平，无法保证故障预案设计全面性的问题。
25.(2)本发明方法在故障模式分析定位过程中，排除了传统“因人而异”的穷举式分析方法，引入科学的故障树分析法，通过客观严密的故障树分析及推演，将各项飞行主事件不成功的顶事件逐级分解到单机设备、模块、接口部件等的相应底事件(即故障模式)，确保了故障模式分析的规范性、全面性。
26.(3)本发明方法在对故障模式开展故障预案设计的过程中，引入相关性故障树分析法，按照机、电、热、光、磁等不同接口维度，以及物理接触、能量转移、信息交流、材料交换等不同影响方式的相关性渠道，系统识别出导致故障模式发生的可能原因，进而开展故障预案设计，保证了故障预案设计的全面性、完备性。
附图说明
27.图1是卫星发射和在轨运行期间飞行主事件序列示意图。
28.图2是卫星飞行主事件不成功故障树分析(fta)示意图。
29.图3某卫星发射和在轨运行期间飞行主事件序列。
30.图4某卫星m8建立正常姿态不成功故障树分析(fta)结构图。
具体实施方式
31.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。
32.故障树分析(fta)是以一个不希望的系统故障事件(即顶事件)作为分析对象，通过严格自上而下按层次的故障因果逻辑分析，逐层找出导致故障事件发生的必要且充分的直接原因，最终找出所有导致顶事件发生的原因和原因组合。故障树分析法具有完善缜密的分析逻辑，利用故障树分析法开展故障模式分析，可更全面的识别出可能发生的故障模式原因底事件；同时，利用相关性故障树分析(cfta)方法，针对特定的故障模式底事件，可从机、电、热、光、磁等不同接口维度，以及物理接触、能量转移、信息交流、材料交换等不同影响方式，更全面的识别出导致故障模式发生的相关可能原因，进而针对各项可能原因开展更全面的故障预案设计，保证故障预案设计的完备性。本发明基于故障树分析的卫星故障预案设计方法，可作为卫星故障预案分析与设计的指导方法和完备性检查方法。
33.一种基于故障树分析的卫星故障预案设计方法，主要包括：分析形成卫星发射和在轨运行期间的飞行主事件序列，以任一飞行主事件不成功为顶事件，建造故障树，开展自上而下的故障树分析及推演，逐级分解到单机设备、模块、接口部件等的各个底事件(故障模式)；利用相关性故障树分析方法，从不同的接口和影响方式更全面的识别出导致故障模式底事件发生的相关可能原因，并针对各项可能原因开展故障预案设计；最后形成卫星完整的故障预案设计报告或对已有故障预案设计内容进行完备性检查。
34.本发明的具体实现过程步骤如下：
35.1)对卫星发射和在轨运行期间的任务模式进行分析，形成贯穿完整飞行任务剖面的飞行主事件序列。飞行主事件应涵盖卫星在轨飞行过程中的所有功能任务事件，如图1所示。
36.图1中，飞行主事件以“m 数字”表示。m为主动段飞行主事件个数，主动段飞行主事件可包括卫星管路排气等；n为转移轨道段飞行主事件个数，转移轨道段飞行主事件可包括太阳捕获、太阳翼展开、远地点变轨、建立正常运行姿态等；p为工作轨道段飞行主事件个数，工作轨道段飞行主事件可包括有效载荷开通、有效载荷在轨测试、相位保持等。不同卫星在各阶段的飞行主事件根据任务功能不同而不同。
37.2)以第1)步分析获得的某一飞行主事件不成功为顶事件，建造故障树，由上往下开展故障树分析(fta)及推演，逐级分解到单机设备、模块、接口部件等各个底事件(故障模式)，确保对飞行主事件不成功的分析覆盖全面的故障模式。典型的故障树分析逻辑结构示意图如图2所示。图中，r为中间事件的个数，x1、x2
……
xs均为导致顶事件发生的故障树最小割集，s为最小割集数(即底事件总数)。底事件分解后，顶事件发生的概率应满足如下公式：
[0038][0039]
式中，q(m)为顶事件发生概率，q(xi)为第i个底事件发生的概率。
[0040]
3)针对第2)步中分析获得的任意一项故障模式底事件，利用相关性故障树分析(cfta)方法，从机、电、热、光、磁等不同接口维度，以及物理接触、能量转移、信息交流、材料交换等不同影响方式，全面分析识别出导致故障模式底事件发生的可能原因。相关性故障树分析法见下表1。
[0041]
表1
[0042][0043]
上表中，t为该故障模式底事件相关分系统数量，u为相关设备或模块数量，v为相关分系统中可导致故障底事件发生的可能原因的总数。
[0044]
4)针对第3)步获得的故障模式底事件的所有相关可能原因，开展故障预案设计。典型的故障预案设计表内容见表2所示。
[0045]
表2
[0046]
[0047][0048]
5)对第2)步中分析获得的每一项故障模式底事件，重复第3)～4)步骤，完成对应该项飞行主事件不成功的故障预案分析与设计。
[0049]
6)对第1)步中获得的飞行主事件序列中的每一项主事件，重复第2)～5)步骤，完成卫星在整个发射和在轨飞行期间所有飞行主事件的故障预案分析与设计。
[0050]
7)汇总第6)步各飞行主事件的故障预案设计结果，形成卫星完整的故障预案设计报告或对已有故障预案设计内容进行完备性检查。
[0051]
实施例：
[0052]
1)以某卫星为例，该卫星在发射和在轨运行期间的飞行主事件序列如下图3所示。
[0053]
2)以第1)步分析获得的飞行主事件不成功为顶事件，进行故障树分析(fta)。以主事件m8为例，即以“建立正常姿态不成功”为顶事件，建造故障树，开展故障树分析。经故障树分析，“建立正常姿态不成功”顶事件可由如下故障模式底事件导致：x1：反作用轮故障，x2：星敏数据不可用故障，x3：二浮陀螺故障，x4：sada转动异常。“m8建立正常姿态不成功”故障树分析(fta)逻辑结构图如图4所示：
[0054]
3)以第2)步中分析获得的底事件“x1：反作用轮故障”为例，利用相关性故障树分析(cfta)方法，分析识别出导致底事件“x1：反作用轮故障”发生的可能原因包括如下3种：“反作用轮驱动线路异常”、“反作用轮摩擦力矩过大”、“控制力矩异常”，见下表所示：
[0055]
表3
[0056][0057][0058]
4)针对第3)步获得的导致底事件“x1：反作用轮故障”发生的3种可能原因，开展故障预案设计，见下表4所示。
[0059]
表4
[0060][0061]
5)对第2)步中分析获得的其他底事件x2：星敏数据不可用故障，x3：二浮陀螺故障，x4：sada转动异常3项底事件故障模式，重复第3)～4)步骤，完成“m8建立正常姿态不成功”顶事件的故障预案分析与设计。
[0062]
6)对第1)步中获得的飞行主事件序列中的全部12项主事件，重复第2)～5)步骤，完成该卫星在整个发射和在轨飞行期间的故障预案分析与设计。
[0063]
7)汇总第6)步12项飞行主事件的故障预案设计结果，形成卫星完整的故障预案设计报告或对已有故障预案设计内容进行完备性检查。
[0064]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
[0065]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域
技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。