[发明专利]一种航天器飞行数据分析记录设备、系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及数据判读分析技术领域，尤其涉及一种航天器飞行数据分析记录设备、系统和方法，用于对航天器数据进行采集存储、安全防护、状态监测、实时诊断和数据选择性下传。

背景技术

航天器，如，火箭和卫星等航天器在轨状态监测和故障诊断是航天器健康管理的关键和基础。长期以来，我国航天器主要通过地面测控系统对航天器进行严密跟踪和测量，通过人工分析航天器遥测链路下传的数据，从而实现对航天器的状态监测和故障诊断。但是，随着我国在轨航天器数量不断增多，航天器故障率随之增加，数据分析工作量也迅速增长，由于航天器数据下传周期长，仅依靠有限的遥测通道下传航天器数据，依靠地面进行数据判读，已经无法满足航天器在轨快速状态监测和故障诊断的需要，地面分析时间过长容易丧失及时抢救航天器的时机，迫切需要航天器具备在轨自监测和自诊断能力，在出现故障时将自判信息和部分重要数据下传，提高地面对航天器故障的分析处理效率。

航天器中的卫星在轨工作的寿命都很有限，大部分为1-2年，最长不超过10年。卫星超出使用寿命后，一般会在大气阻力的作用下从轨道逐渐陨落地球。但是，卫星残骸在大气层中没有燃尽而坠落地面并非罕见。2011年9月，美国高层大气研究卫星解体坠落南太平洋，最大碎片重150kg。这些卫星碎片并非毫无用处，事实上，当前世界各国对坠落卫星的碎片相当重视并开展了大量搜寻工作，希望据此能够分析出卫星能力和在轨情况。如果坠落在地面的卫星碎片中能够保存卫星在轨飞行中的重要数据信息，则对事后卫星状态分析具有重要价值和意义。

目前，卫星上数据主要由综合电子系统管理和控制。综合电子系统包括星务管理模块(即CIMA、CIMB)、大容量管理模块(SMM)、一次电源模块(PCM)、二次电源模块(PAM)、配电管理模块(PDM)、导航管理模块(GNSS)、通信模块(TCM)和拓展功能模块(FEM)等。其中，星务管理模块(即CIMA、CIMB)为卫星平台的管理核心模块，完成综合电子系统内各模块之间的监测与管理，负责整星的轨道运算、姿态控制、热控、载荷管理、遥测和遥控数据处理；大容量管理模块(SMM)实现对有效载荷数据的大容量存储并进行下传管理；一次电源模块(PCM)负责将太阳能转换为卫星可用的一次电源并实现对蓄电池组的充放电管理，一次电源电压为12V；二次电源模块(PAM)将一次电源模块产生的一次电源转换为综合电子系统内各模块及有效载荷所需的二次电源，提供的二次电源电压有-12V、5V、28V；配电管理模块(PDM)实现对卫星内平台及载荷电源的供配电管理；导航管理模块(GNSS)实现卫星的导航定位，为星上姿态控制系统、通信系统以及相关应用载荷提供精确的时间、位置和速度信息；通信模块(TCM)实现卫星上、下行数据的通信；拓展功能模块(FEM)视情拓展相关功能。

但是，目前卫星上的大容量管理模块(SMM)为集成板卡，仅具备数据存储能力，不具备数据防护能力，无法在卫星坠毁时保存数据安全。星务管理模块(即CIMA、CIMB)也是集成板卡，负责整星的轨道运算、姿态控制、热控、载荷管理、遥测和遥控数据处理，能够具备简单的数据监测能力，不具备故障检测与诊断能力，更无法实现推理机与推理规则分离的推理判读方式，无法适配多种类型、多种型号卫星等航天器的数据判读需求。因此，需要设计一种航天器飞行数据分析记录设备，满足航天器数据采集存储、安全防护、状态监测、实时诊断和数据选择性下传等功能需求，可称为“航天器黑匣子”。

众所周知，在航空领域，“黑匣子”是航空事故发生后重点搜索的机上部件，其专业名称为“飞行数据记录仪”，该设备能够记录大量关键的飞行数据并指示飞机和发动机性能的变化趋势。航空事故发生后，虽然飞机本身可能遭到一定损毁，但飞行数据记录仪以其抗强冲击、抗穿透、抗高温火烧、抗深海压力、耐海水浸泡、耐腐蚀性液体浸泡等特种防护能力，能在各种飞机事故中保存其内部存储的信息。在飞机的正常飞行过程中，飞行数据记录仪只负责记录和存储各种数据信息，这些数据并不实时下传，主要用于事后分析。

吸收借鉴飞机“黑匣子”的设计思想，如果在航天器上安装一个航天器飞行数据分析记录设备，记录和存储航天器在轨飞行数据：一方面，可以通过星上处理器对这些数据进行实时分析，评估航天器健康状态，在发现异常或故障时，将自判信息和重要数据下传，提高航天器故障的分析处理速度，及时抓住航天器抢救时机；另一方面，可以在航天器坠落地球后，最大程度保存星上重要的数据信息，为事后分析航天器状态、修正控制或改进设计提供依据。

航空领域的飞行数据记录仪无法直接在航天器上使用，主要原因如下：