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做卫星的“4S店”,「中科天塔」让卫星的故障诊断、健康评估智能化

曹玉蓓 2022-02-14 08:00

延长卫星的在轨寿命。

随着卫星数量的增加,卫星的管理,尤其是在轨卫星的管理变得越来越重要。

就像汽车运行一段时间就需要去4S店做保养一样,卫星发射到太空后,也需要进行后期的故障诊断和健康评估,且卫星所处的环境比地面更复杂,随时可能受到太阳的辐射、电离层的辐射,和空间碎片对它的撞击。

这些故障诊断和健康评估工作一直以来都是交给非常庞大的地面管理队伍去完成,工作人员为了24小时无间断监测卫星状态数据,经常需要三班倒,在卫星高频发生问题的季节里,常常一整天都合不了眼。

每一颗卫星的制造成本都极其高昂,由于卫星的功能和使用寿命不同,以一颗工作寿命2到3年的百公斤级微小卫星举例,制造成本至少在两三千万元人民币;目前我国的风云、北斗卫星单颗造价高达数亿元人民币。保障卫星在轨寿命就显得非常重要,而卫星在轨有效工作时长则和能得到的收益直接挂钩。那么如何确保卫星在轨的正常工作,长期运行甚至超期服役,这些问题都跟卫星的地面管理密切相关。细化到每一颗卫星的健康评估工作就非常重要,工作强度自然不小,而随着近年来卫星数量的快速增加,靠人力去监视、诊断和评估的这条路似乎已走到极限。

要做到如此智能、精确、规模、高效的管理,就需要让互联网技术走进卫星。

其实,互联网技术和卫星的结合在技术上的实现难度并没有想象中的那么大,多年来一直没有得到实现的原因有很多,例如,商业航天的发展只是近几年的事情,市面上同时具备卫星管理经验和互联网知识的人才极度稀缺。

即便现阶段有各种客观条件的限制,中科天塔仍然坚信卫星的智能化管理是未来航天发展的一个重点并将此作为当前的发展方向,致力于将团队打造成具备“互联网+航天”的综合素质人才团队,做第一个吃螃蟹的公司。

中科天塔成立于2018年,公司内大部分成员都具备10年以上的卫星管理经验。其中,中科天塔的CTO董卫华毕业于国防科技大学,曾任职于西安卫星测控中心,从事航天器地面控制系统设计与研发工作20多年,曾先后参与过北斗导航、神舟飞船等任务的地面系统设计与研发工作主持设计了我国首个商业卫星地面控制系统架构,并负责系统在尼日利亚卫星、委内瑞拉卫星、巴基斯坦卫星出口项目中的实施与应用工作。先后获国家科技进步二等奖一项、部委级一等奖两项等多项荣誉,在互联网和卫星两个领域的经验丰富。

中科天塔目前推出的卫星健康管理软件是一套用于支持卫星、星座及其地面测控设备、控制系统和网络体系健康管理的计算机软件产品。该产品能实现系统24小时自动无间断运行使地面系统直接接收卫星上的数据并加以分析处理根据故障诊断和健康评估的结果发送指令到卫星去做故障修复工作,为在轨卫星精细化管理和载荷效能充分发挥提供保障。

在健康管理软件的具体工作中,可以将卫星理解成是一个复杂的电子电路系统加上一些管道、管气的系统,这些系统在太空运行过程中或多或少会受到一些干扰,太阳的干扰就是其中之一,太阳黑子的爆发会对卫星电子电路造成干扰。

有时卫星设计本身也会存在各种各样的问题,在地面测试中这些问题没有暴露出来,在太空中的极端环境里就暴露出来了,这些问题通过卫星的遥测数据下传到地面,地面的工作人员在接收到数据后对数据进行分析判断。

该数据被判断出不正常时,通常有一个固定的处置流程,例如太阳黑子造成了卫星上某一个元器件电子电路的短路,而该电子电路恰好是链接卫星的温度管理系统,卫星的温度就会突然升高,地面工作人员发现温度升高后会根据固定的处置流程,从地面发送命令到卫星上,控制温度回到合理的范围内。

这些判断的过程以及发送的过程,以前很依靠专家的经验,中科天塔的系统将人的经验具像化到系统中,让系统去判断并发送命令,整个过程自动处置。中科天塔研发出了一些仿真产品,模拟卫星上的正常工作流程和一些故障,用来测试一些故障处置的专家知识、故障处置的方案,者相配合确保准确性。

当然,这也是一个技术不断迭代和成熟的过程,目前中科天塔还在将这一块不断往前推进,版本也会持续进行迭代。

中科天塔库尔勒地面测控站

除此之外,该软件不依赖系统升级改造,支持对健康管理知识和算法进行随时动态更新,只要用户底层硬件的性能足够,健康管理软件就支持扩展,支持卫星数量的增加以及健康管理模型的变更,达到一套系统平台管理多型、多颗卫星的目标。

截止到目前,中科天塔已为数十个国家项目提供了卫星管理相关服务。

可以说,中科天塔的所有产品,都是围绕卫星在轨管理的软件、硬件,以及为延续在轨卫星寿命而提供的解决方案服务。其中,中科天塔的卫星健康管理软件是卫星在轨管理的软件组成部分,而天枢G100是卫星在轨管理的硬件组成部分。

枢,意为重要的地方。天枢,在地球上看是一颗较亮的恒星。在北斗七星的勺子形象中,天枢是勺口起数的第一颗星,是离北极星最近的一颗星,也是北斗七星中距离地球最远的一颗星。

以“天枢”为产品品牌名称,寓意中科天塔测运控系列产品将作为深空与地面沟通的桥梁,发送地面指令,接收数传信号。之后,中科天塔的卫星测控数传一体化平台将全部采用“天枢系列”命名。

去年4月,中科天塔推出了中科天塔发布面向商业卫星测运控低成本需求的天枢G100卫星测控数传一体化处理平台(以下简称“天枢G100”)。

天枢G100是一个基于GPU架构的软件定义一体化卫星信号处理平台,面向新型、小型化测控站的硬件,可以根据用户需求快速灵活定制卫星地面管理设备。

卫星的数据从天上传输到地面,需要有一个解码过程,中科天塔的天枢G100就是用来解码的设备。

天枢G100 在丝博会亮相

传统卫星综合基带设备都是采用现场可编程逻辑器件(以下简称“FPGA”)实现卫星遥控数据调制、遥测、数传数据解调功能。FPGA的优势不用多说,但其研制和生产周期长、日常维护费用偏高,硬件平台的通用性、可扩展性都受到硬件平台及芯片的限制,程序设计也受到时序影响,增加了系统使用过程的改造升级的技术难度和时间周期。

软件定义无线电是采用通用处理器实现软件无线电功能,因而具有更好的灵活性,存储容量和可编程环境都要优于FPGA的数字信号处理器,容易实现新的算法,与其他应用相结合,开发升级快捷便利。通用性强、复杂度低的基于软件定义无线电的卫星测控、数传设备天枢G100具有很好的应用前景。

随着GPU技术的快速发展,GPU已经具有很强的并行计算能力,其浮点处理能力已经超过25TFlops,远高于同期的CPU,可在极短的时间内完成规模化的运算处理,满足信号处理实时性的要求。

中科天塔选择了天枢G100上采用宽带采样技术与GPU+CPU并行架构平台实现卫星遥控数据调制、遥测、数传数据解调功能,利用GPU的并行处理能力,实现卫星遥测、数传数据信号的实时调制与解调,省去了很多专用芯片,用软件加软件形成了一个更通用的算力运行的平台。

与FPGA平台相比,平台通用性明显提高,软件模块可复用程度变高,目前已实现支持主流卫星测控、数传体制。

除此之外,成本也大大降低了。原来的供应商或制造商,在设计制造时为了通用性,为了可以应对各种各样的卫星,数据的码速率低速、中速、高速都具备。

中科天塔在这一块做了一个裁剪工作数据的码中的一些使用频率非常低的高速裁剪掉了,只处理中速和低速的这些这类数据,专注于中国当前商业航天公司的需求。加上由于中科天塔采用了软件去替代原来的硬件,而软件的测试成本要比硬件测试的成本要低得多,所以,在保持与之前产品使用功能几乎一样的同时,中科天塔的天枢G100将价格降低了近50%。

天枢G100给了用户一个更广泛的选择,更高性价比的选择,让进入行业的成本门槛变得更人性化。好比选游戏本,大型在线对战游戏也许需要数万元的职业竞技本,而普通单机游戏日常办公的笔记本电脑就可以满足需求。

除此之外,中科天塔也在测试是否可以将高速的数据处理也融合到天枢G100中,该技术目前在瓶颈阶段,中科天塔仍在朝着这一块去开发,继续去降低商业航天的成本和门槛。

同时,中科天塔也在慢慢向上游渗透,去年中科天塔已经跟上游的卫星制造部门的合作,利用地面卫星管理很成熟的软件技术,将这些软件移植到卫星上去,跟卫星更紧密的结合。当然,中科天塔的目标依然是希望产生更多的更好的应用,能够让技术的门槛和使用的成本降低。

中科天塔立足在中间这条赛道,同时向两边去渗透,市场应用将是公司发展的一个重点,但上游的卫星制造中科天塔也依然保持着动力。

在航天领域,像Elon Musk这样的明星人物的出现,让包括中国在内的很多国家都问出了一个问题:Space X可以出现在我们的国家吗?事实上,考虑到国家航天卫星的安全等级问题,绝大多数国家都不可能会出现一家Space X。

但中国可以出现一家商业航天中的阿里、腾讯。中科天塔结合了互联网和航空航天,是否能够成为商业航天中的阿里、腾讯,按照当前的发展趋势以及团队培育方向,非常值得航天市场去期待。


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