Multi-state reliability modeling method for Tianwen-1 high-resolution camera

天问一号高分相机多状态可靠性建模方法 Multi-state reliability modeling method for Tianwen-1 high-resolution camera first-author 王　严（1985-），男，吉林长春人，硕士，助理研究员，2012年于北京航空航天大学获得硕士学位，主要从事产品可靠性研究。E-mail： wangyan@ciomp.ac.cn http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498752&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498758&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498755&type= 22.01330566 32.00399780 王　严 （1985-），男，吉林长春人，硕士，助理研究员，2012年于北京航空航天大学获得硕士学位，主要从事产品可靠性研究。E-mail： wangyan@ciomp.ac.cn wangyan@ciomp.ac.cn corresp E-mail： lixiaobo104@163.com E-mail： lixiaobo104@163.com 李晓波（1987-），男，陕西宝鸡人，硕士，助理研究员，2014年于西北工业大学获得硕士学位，主要从事光机系统集成仿真与优化方面的研究。E-mail： lixiaobo104@163.com http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498761&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498768&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498765&type= 22.01332855 32.00401306 李晓波 （1987-），男，陕西宝鸡人，硕士，助理研究员，2014年于西北工业大学获得硕士学位，主要从事光机系统集成仿真与优化方面的研究。E-mail： lixiaobo104@163.com lixiaobo104@163.com 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间三部，长春 130033 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 空间三部，长春 130033 Space Department III， Changchun Institution of Optics，Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China Space Department III， Changchun Institution of Optics，Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China 为了分析天问一号火星高分相机不同状态对性能的影响，最大限度提高使用效率，对高分相机的多状态、状态变化过程和仿真方法开展研究。首先，分析相机的组成和不同功能单元退化产生的影响。然后，分析相机在轨工作的多状态变化规律，建立转化过程模型。最后，提出基于多状态的仿真建模方法。案例仿真分析结果表明：考虑调整后实际有效数据获取概率提高评估准确性，通过敏感度分析也可有效提出调焦单元可靠性要求。多状态分析方法可有效评估火星相机或其他航天光学载荷可靠性水平，有效指导可靠性要求的制定和工程设计。 In order to solve the problems of multi-state impact on camera performance and to maximize efficiency， multi-states and their transition models were investigated. First， the origin of multi-state was identified， and the effect of deterioration of each function unit was analyzed. Then， a model containing multi-state transition was established. Finally， a simulation method is put forward. A brief case study indicated that considering multi-states would improve the accuracy and reliability of prediction， and that sensitivity analysis will help in balancing the system reliability requirement and system reliability. The multi-state reliability simulation method can be a more accurate method for predicting the reliability of space cameras and provides a practicable engineering solution. 多状态 退化 可靠性建模 仿真 mutil-state degradation relialibity modeling simulation 1 引　言 1 工程任务中常用“完好”和“故障”两种状态来衡量产品。对于光学载荷，上述两种状态只能考量产品能否实现数据采集，却无法表征数据的质量。在实际的应用过程中，虽然光学载荷正常进行拍摄，但下行图像中总会出现图像离焦模糊、大量云雾遮挡等情况。光学载荷产生这些“劣质图像”的原因有很多，如相机本身的结构适应性、平台的测定轨精度和稳定性、成像参数正确性、拍摄场景的未知性等。 上述问题在近地探测任务中，由于平台测定轨道精度高，数据下行能力强，资源充沛，目标明确以及地面后期处理手段使其并不突出。然而对于火星探测而言，探测未知性强，测轨精度低、拍摄调价变化大，使得“劣质图像”增加；又由于地火距离远，通讯时间长，数传能力弱，传回的数据可能为无效数据，使得本就紧张的带宽资源被浪费。因此，对火星高分相机开展更为细致准确的多状态可靠性建模的需求更为迫切。 目前针对载荷可靠性研究还局限于传统方法，在文献［ 1 1 ］中使用传统方法对航天相机进行了建模和故障树分析，但是没有考虑相机多状态的变化过程；在文献［ 2 2 ］中利用故障树的方式对航空相机进行分析，未考虑相机自调节机构带来的多状态影响，并且计算复杂只适用于简单情况；在文献［ 3 3 - 6 6 3-6 ］中使用多状态解析的分析方法解决了相关产品的多状态问题；文献［ 7 7 ］针对空间相机多状态开展研究，但未清晰界定状态的边界。本文在此基础上，针对火星高分相机，提出一种基于蒙特卡洛仿真方法开展多状态可靠性分析和预计方法，为工程使用开辟一条可行途径。 2 相机多状态建模 1 2.1　相机组成 2 火星高分相机由六个功能单元组成，如 图1 图1 所示。光机结构形成光路，为相机各单元提供支撑；主控单元进行电源转换，执行与外部、内部的通讯功能；成像单元把光信号转化为电信号并进行处理；存储单元对图像数据进行存储并择机下传；热控单元根据工作环境的变化控制各组部件温度水平；调焦单元通过运动机构对焦距进行调整。 各组成单元均可能发生不同程度的降级，并对系统的性能产生影响。光机结构在振动、冲击、高低温下可能发生变形，从而可能产生离焦、畸变。主控单元器件的性能退化可能导致供电电压不稳，通讯异常信号增多；成像单元器件退化可导致图像坏点增多，对比度下降；热控单元退化可导致温度控制差，结构变形，图像数据畸变；存储单元退化导致存储数据错误或丢失；调焦单元退化则导致调焦定位不准。系统的性能是各功能单元性能的有机结合，即使部分系统产生一定的退化，也可通过系统的调整和容错能力使整机的性能保持不变。 2.2　多状态分析 2 火星高分相机在轨的多状态有两方面原因，一方面是工作期间受到交变温度、拍摄条件等因素影响成像；另一方面是则由于组件自身的退化。两相结合就可能出现多种故障模式，如通讯失灵、图形模糊、图像坏像元增加、图像畸变变暗等。这些故障状态中有些是在轨无法恢复，直接导致任务失败的；有些可以通过功能单元的局部调整或设置参数调整，使相机整体性能恢复到正常拍摄状态；有些虽然无法恢复但并不影响任务执行。如果从系统表现的角度来对这些状态进行定义的话，可以分为四种状态，参见 表1 表1 。 类型 状态描述 常见故障模式 0 图像质量复核要求，各项指标在公差范围内 1 性能下降，调整后可恢复性能 离焦、拍摄参数错误 2 性能下降，不可恢复，仍可执行任务 部分探测器损坏，坏点增加 3 系统失效无法执行任务 结构损坏、关键器件失效（如通讯FPGA） （1）状态0：完美工作状态； （2）状态1：性能下降，调整后可恢复至状态0； （3）状态2：性能下降，不可恢复，仍可执行任务； （4）状态3：系统失效无法执行任务。 在传统的预计过程中，仅关注状态0（完美状态），使预计可靠度指标偏低。并且由于对调整单元可恢复系统的程度缺乏评估，无法合理的确定调整单元的可靠性要求，开展该状态的定量评估可以解决该问题，为调整功能单元效费比的工程评估提供一条可行途径。 2.3　状态转移过程 2 在不具备调整单元的相机系统中，状态都是从正常到退化，退化到故障，如 图2 图2 所示过程为： （1）状态0到状态1； （2）状态1到状态2； （3）状态2到状态3； （4）状态0到状态3； （5）状态1到状态3； （6）状态2到状态3。 当产品具有了状态识别和调整功能后，在特定情况下可以在既定状态间进行逆变换，即从1状态变为0状态。 2.4　退化模拟方法 2 产品在使用过程中必然经历由正常到退化，再到失效的过程，其中退化和失效是人为对产品内在变化过程的一个界定和划分，一般通过对关键参数设定阈值来进行判断。这就使得故障的阈值与完全失去功能或在物理化学形态上发生变化仍存在一段区域，在这段区域内，产品虽然可实现功能，但在性能上会出现下降，如 图3 图3 所示。 通过 图3 图3 所示的两个阈值，可以定义出退化区，但在真实产品中，失效阈值的定义与调整单元的调整能力是直接相关的。 3 仿真模型 1 3.1　仿真假设 2 为了简化仿真过程，进行如下假设： （1）产品各单元的退化和故障的分布均服从指数分布； （2）各单元相互独立，不会发生关联故障； （3）各单元可同时发生故障； （4）状态参数的随机生成数不大于失效阈值时，可实现调整恢复功能。 3.2　仿真流程 2 仿真流程如 图4 图4 所示，图中编号与说明一致，具体步骤说明如下： （1）初始化，完成对系统的功能逻辑关系分析，确定系统的基本单元个数，同时确定底事件和顶事件关系，确定系统的结构函数。确定仿真初始参数，制定仿真引擎。确定仿真策略、确定仿真时钟驱动机制、确定最大仿真次数、确定仿真步长、确定仿真时钟初始值。 （2）累加仿真时间； （3）生成 ti 时刻的各单元状态随机数，形成状态随机数矩阵， <math id="M1"><msub><mrow><mi>ξ</mi></mrow><mrow><mi>i</mi><mn mathvariant="normal">1</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498815&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498812&type= 3.38666677 4.57200003 为故障状态随机数， <math id="M2"><msub><mrow><mi>ξ</mi></mrow><mrow><mi>i</mi><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msub></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498822&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=24498819&type= 3.38666677 4.57200003 为退化状态随机数矩阵； （4）通过状态随机数和当前的仿真时间比对，从而判断出单元当前的状态，形成状态矩阵； （5）根据状态矩阵判定系统的当前状态； （6）判定系统是否符合自调整逻辑； （7）判定调整系统是否完好，依据调整成功概率生产随机数，判定是否调整成功； （8）统计调整过后的系统状态； （9）多次仿真取状态的均值，累积不同时间内的状态； （10）完成累加时间，结束仿真。 4 案例分析 1 针对火星高分相机数据通过适当简化处理后进行案例分析。调焦单元在光机结构出现问题时可进行调整。根据调整单元能力，判定退化的失效阈值为0.8倍的故障阈值，其余参数见 表2 表2 。 系统 MTBF/h 状态 主控单元 1×10 6 0，2，3 存储单元 1.3×10 6 0，2，3 热控单元 1×10 7 0，1，2，3 成像单元 0.8×10 6 0，1，2，3 光机结构 1.2×10 6 0，1，2，3 调焦单元 0.5×10 6 0，2，3 根据上述输入，调整系统工作时间1至9年，从而得到不同工作时间的各状态发生概率如 图5 图5 所示，随着时间的增加，系统处于正常状态的概率降低，而处于退化和失效状态的概率逐渐升高。 为了分析系统可靠度对调焦单元失效率的敏感性，对调焦单元的故障率从0.1×10 - 6 h - 1 到0.9×10 - 6 h - 1 进行调整，步进距为0.1×10 - 6 h - 1 ，工作时间为1年至9年，同时加入无调焦单元的情况（即令其失效率为正无穷），得到如 图6 图6 所示的分析结果。从图中可以看出，随着调焦单元失效率的降低，系统的可靠度得到了提升。 其中取调焦单元失效率为0.5×10 - 6 h - 1 与无调焦两种情况进行对比分析，各时间点上的可靠度之差如 图7 图7 所示。调焦单元的存在将系统可靠度平均提高12%，较大幅度的提高了系统的可靠度。在初始时系统处于正常状态的概率较高；随着时间的增加，退化逐渐发生，由于调焦单元的存在，对系统可靠度的提升逐渐增加；到寿命末期，随着其他单元退化的加剧，调焦单元对其不产生作用，同时调焦单元也开始发生退化失效，所以对系统可靠度性能提升逐渐开始下降，仿真结果符合航天相机客观变化规律。 5 结　论 1 航天相机在使用过程中会出现多种状态，并且随着工作时间的增加，退化状态发生概率逐渐增加，从而对图像质量产生影响，通过调焦机构可以在一定范围内对退化过程进行调整。本文构建了航天相机多状态分析的仿真方法，可根据各单元的特点进行调焦单元可靠性参数确定的分析和优化，为工程分析和应用提供了一条可行的途径。 但目前航天相机退化数据收集较少，在今后的使用和维护过程中注意对数据的收集将会其退化过程的分析和建模起到重要作用。 参考文献 王冶 . 一种相机载荷可靠性建模方法 ［J］. 信息与电脑（理论版） ， 2012 （ 24 ）： 147 - 148 . 一种相机载荷可靠性建模方法 WANG Y . 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