遥感卫星在轨故障统计与分析

张 华，沈嵘康，宗益燕，韦锡峰

（上海卫星工程研究所，上海 200240）

0 引言

随着在轨卫星数量的日益增多，以及卫星应用的逐步开展，暴露出的在轨问题也有所增加。国内外研究人员针对卫星在轨故障进行了大量的统计分析研究，根据故障发生原因和规律采取预防或纠正措施，是降低卫星的在轨故障发生率、提高卫星在轨运行可靠性、延长卫星运行寿命的重要手段[1-8]。

遥感卫星作为我国科学观测与探测的主要卫星，多颗卫星超寿命正常运行，但同时也暴露出一些在轨故障，积累了一定数量的卫星在轨故障数据。整理、总结这些故障数据，分析故障的变化趋势和规律，对于发现遥感卫星设计的薄弱环节，提高设计水平具有重要意义。

本文统计了我国气象、资源、海洋、环境与灾害监测等领域的28 颗遥感卫星的在轨故障数据，研究故障的总体分布规律和各分系统的故障特点，并提出针对性建议措施，为提高后续卫星的可靠性，降低卫星在轨故障发生概率提供参考。

1 研究范围和统计方法

1.1 研究范围

本文研究的遥感卫星在轨故障主要指永久或临时性故障导致任务功能受限或失效的情况，但不包括推进剂的正常损耗和材料性能退化情况。数据来源于28 颗遥感卫星从1988年9月到2014年10月发生的在轨故障。

不同卫星的分系统组成各不相同，为便于在轨故障的统计和归纳，根据遥感卫星的通用分类，将整星分为载荷分系统、控制分系统、电源分系统、数传分系统、测控分系统、数管分系统和热控分系统。其中，控制分系统包括常规意义上的姿态控制分系统和推进分系统。卫星结构分系统故障不属本文的分析和论述范围。

1.2 统计方法

为了使故障统计更有意义，影响同一遥感卫星分系统的同一故障模式算作1 个故障。例如，2002年 3月1日、2002年3月30日和2004年4月5日，“风云二号”B 星因月球干扰导致天线消旋失锁，这几次事件就按1 次故障事件统计。而同一故障模式造成不同卫星故障的情况，则按故障发生次数统计。例如，2010年2月“遥感八号”卫星的遥控终端和GPS 均发生单粒子翻转造成单机异常，按2次故障事件统计。这样的故障统计方法可在有限的信息条件下，更清晰全面地比对卫星故障情况。

2 在轨故障统计分析

2.1 总体分析

1）故障分系统分布

对卫星在轨故障进行统计，计算各分系统故障数量及其在故障总数中的占比，如表1所示。由 表1数据可以看出：控制、载荷、测控和数传是故障占比最高的4 个分系统，其故障数量合计占故障总数的90%；若将载荷以外的各分系统均纳入平台类别，则平台与载荷的故障占比分别为79.5%和20.5%，即平台故障是遥感卫星的主要在轨故障。

表1 遥感卫星各分系统在轨故障统计 Table1 The number of failures of remote sensing satellite subsystems

2）故障轨道分布

不同轨道遥感卫星的故障占比如图1所示。由图可知，低轨遥感卫星的故障占比达86%，远高于高轨遥感卫星，但这与所统计遥感卫星中轨道类型的占比基本相一致。本文统计的28 颗遥感卫星中有低轨卫星22 颗，占总数的78.6%。因此，可以认为轨道参数不是影响卫星在轨故障数量的主要因素。

图1 不同轨道遥感卫星故障占比 Fig.1 Distribution of remote sensing satellite faults by orbit

3）不同研制时期故障率

不同时期所研制遥感卫星的在轨故障率见 图2，即每颗卫星寿命期内在轨发生故障的年平均数量。由图2可知，20世纪90年代及以前发射的遥感卫星在轨故障率为0.29，而到21世纪初上升到1.12，2010年以后又下降到0.27。这主要是由于早期研制的遥感卫星功能较为简单，所使用器件的集成度不高，活动部件等使用也较少，因此整星的在轨故障率较低；而到了21世纪初，遥感卫星的任务功能提升，研制的复杂度增加，星上的大规模、超大规模集成电路以及一些新器件（尤其是国产化器件）和新技术的使用，造成了遥感卫星的在轨故障率上升；之后，经过一段时间的改进设计、规范管理、完善工艺，到了2010 以后，遥感卫星的在轨故障率有了大幅下降。

图2 不同时期研制的遥感卫星的在轨故障率 Fig.2 On-orbit failure rates of remote sensing satellites developed in different periods

4）故障发生时间分布

遥感卫星在轨故障发生时间分布如图3所示。其中，入轨初始即发生的故障有19 个，占故障总数的12%；44%的故障发生在入轨后的第1年。故障发生时间分布基本符合“浴盆曲线”，早期失效占故障的大多数，这主要是由于遥感卫星的地面测试与试验不够充分，未能有效剔除早期失效。

图3 在轨故障发生时间分布 Fig.3 Time distributions of on-orbit failures

5）故障类型分布

分析在轨故障发生的类型，如图4所示，环境、设计和器件类故障为在轨故障的主要类型，故障占比分别为38%、30%和17%。

图4 遥感卫星在轨故障类型分布 Fig.4 Number distributions of different type on-orbit remote sensing satellite failures

6）在轨故障类型与运行时间的关系

为进一步考察遥感卫星在轨故障类型与在轨运行时间的关系，比较不同时间段不同类型故障的比例，结果如图5所示。由图可见，在轨初期、寿命后期以及全时间段内的主要故障类型均为设计、器件和环境类故障。在轨初期，环境类故障占比最高，达到40%，设计和器件类故障占比分别为29%和15%；寿命后期，设计类故障成为占比最高的，达到39%，环境和器件类故障占比分别为26%和19%。究其原因：随工作时间增加，产品设计和器件的薄弱环节逐渐暴露，呈逐渐增多趋势，尤其是设计类故障在寿命后期成为最主要故障；而遥感卫星对于环境的适应能力经历早期的缺陷暴露和修复后逐渐增强，故障占比逐渐下降。

图5 故障类型与运行时间的关系 Fig.5 The rates of different failure types with different working times

7）故障严酷度分布

将故障按严重性等级分为4 类：致命故障、严重故障、一般故障和轻微故障。由图6可知，遥感卫星在轨故障严酷度呈现“两头小、中间大”的分布态势，即致命和轻微故障相对较少，严重和一般故障相对多一些。其中，致命故障占2%，而一般故障占83%，即发生的在轨故障一般对卫星完成任务的固有能力无影响或影响较小，基本可以通过在轨自主诊断、地面操作等方式及时予以解决。

图6 在轨故障严酷度分布 Fig.6 Distribution of on-orbit fault severity

进一步分析表明，遥感卫星在轨的严重和致命故障发生在载荷、控制、数传、测控和电源5 个分系统，如图7所示。其中，控制分系统和载荷分系统的占比分别为46%和38%；而按故障类型统计，严重和致命故障中的50%为设计类故障，25%为器件类故障。因此，遥感卫星研制时应重点强化对载荷分系统和控制分系统的设计类故障的技术状态控制，以及器件的选用与测试。

图7 在轨严重和致命故障的分系统分布 Fig.7 Distribution of on-orbit serious and critical failures

按时间段统计不同后果的故障频度可了解不同严重性等级故障随在轨时间变化的大致趋势。如图8所示。

图8 不同严重性等级在轨故障数量与在轨时间的关系 Fig.8 The relationship between the on-orbit failure type and the working time

遥感卫星的严重故障集中在入轨第1年（占60%），之后故障发生频度大幅降低，在轨5年之后未再发生严重故障和致命故障。在同一时期内，一般故障数量几乎都高于严重故障数量，且集中分布于卫星在轨工作的头4年，其中第1年是故障发生较多的时期。

2.2 载荷分系统故障分析

载荷分系统是卫星完成主要任务功能的分系统，其故障将严重影响卫星的在轨任务完成能力。由统计数据可知，载荷分系统的在轨故障中有28%为严重故障，高于严重故障在遥感卫星在轨故障总数中的占比（14%）。而从图9所示的载荷分系统在轨故障时间分布可见，载荷分系统的在轨故障发生率呈现逐年递减的趋势，寿命第1年发生的故障占其故障总数的47%，至第6年时仅占3%。

图9 载荷分系统在轨故障发生时间分布 Fig.9 Time profile of payload subsystem on-orbit failures

遥感卫星的载荷分系统与卫星平台相比，新研产品较多，继承性和成熟度不足，因此载荷分系统在轨故障中因设计导致的故障占其分系统故障总数的44%，如图10所示，高于整星在轨故障中设计类故障的占比（30%）。

图10 载荷分系统在轨故障类型分布 Fig.10 Distribution of payload subsystem on-orbit failure types

2.3 控制分系统故障分析

控制分系统负责卫星的姿态、轨道控制，含有姿态测量、控制等多个关键部件，如飞轮、陀螺等活动部件，其失效将严重影响卫星的在轨运行。由图11可知，控制分系统的在轨故障中有5%为致命故障，高于其他分系统中的致命故障占比。

图11 控制分系统在轨故障严酷度分布 Fig.11 Distribution of control subsystem on-orbit fault severity

如图12所示，遥感卫星控制分系统中设计类故障占其故障总数的50%。这主要是由于控制分系统的产品种类多，工作模式复杂，设计和控制难度大。因此，在遥感卫星的地面研制中应该加强对控制分系统设计可靠性的审查，尤其是对设计类故障的技术状态控制。

图12 控制分系统在轨故障类型分布 Fig.12 Distribution of control subsystem on-orbit failure types

如图13所示，控制分系统在轨寿命初期的故障发生率较高，但故障发生率并不严格遵循逐年递减的规律，如在轨第7年所发生故障占故障总数的7%，高于第3年的5%。这主要与控制分系统的在轨控制策略有关，即为保证遥感卫星的在轨可靠性，控制分系统采用多冗余设计。例如，根据在轨寿命，遥感卫星上的陀螺常备有3 套以上，在轨使用时当陀螺的某一表头发生故障时，则启用另一陀螺，或不同陀螺的表头组合使用。由于备份产品一般处于在轨储存状态，当主份失效时才予以启用，所以控制分系统的故障发生率呈现局部的不规律性。

图13 控制分系统在轨故障发生时间分布 Fig.13 Time profile of control subsystem on-orbit failures

2.4 电源分系统故障分析

电源分系统为卫星提供能源保证；重要载荷或平台单机的电源分系统若发生致命故障，可能导致整星任务终结。因此，在地面研制时电源分系统产品通常采用成熟设计，且基本无软件，以减少其在轨故障发生率。由表1的统计可知，1988年—2004年 遥感卫星的电源分系统在轨仅发生8 个故障，占故障总数的5%。而从图14可知，电源分系统的在轨故障基本为一般故障（占其故障总数的75%），无致命故障发生。

图14 电源分系统在轨故障严酷度分布 Fig.14 Distribution of power subsystem on-orbit fault severity

由图15可知，电源分系统的在轨故障中，器件类和工艺类故障的占比较高，分别为37%和38%；在轨未发生设计、操作和软件类故障，这主要是由于电源分系统产品的任务功能比较单一。

图15 电源分系统在轨故障类型分布 Fig.15 Distribution of power subsystem on-orbit failure types

2.5 数传和测控分系统故障分析

数传分系统在对载荷数据进行调制、放大处理后，完成对载荷数据的存储和传输。测控分系统实时采集星上遥测数据，并接收地面注数及指令，完成卫星的上、下行测控任务。由于这两个分系统产品较为相似，都是由电子学单机和天线组成，所以将它们放在一起论述。

数传分系统和测控分系统采用的技术备份和控制手段较为成熟，因此虽然它们在轨发生故障的占比分别为15%和17%（见表1），但是发生严重故障的比例较低（分别仅为8%和4%），基本为一般故障，不影响卫星的在轨正常任务。

由于数传分系统和测控分系统中多为电子学单机，且随着遥感卫星设计功能的复杂化，产品集成度逐步提高，大规模集成电路的用量急剧增加，如近年发射的“风云三号”卫星等所使用的星载计算机、存储器以及FPGA 等器件的总数量接近或超过100 片，而这类器件都易受空间辐射环境影响，增加了数传和测控分系统出现环境类在轨故障的概率，如图16所示。

图16 数传和测控分系统在轨故障类型分布 Fig.16 On-orbit fault type distribution of digital subsystem,and measurement ＆control subsystem

数传和测控分系统的在轨故障时间分布如图17所示。由图可知，由于这两个分系统中电子学单机数量较多，其故障时间分布基本符合“浴盆曲线”，即故障多发生在入轨头3年的早期失效期。

图17 数传和测控分系统在轨故障时间分布 Fig.17 On-orbit failure time distribution of data transmission subsystem,and measurement ＆control subsystem

2.6 数管分系统故障分析

数管分系统在轨故障类型分布如图18所示，软件类故障的占比为29%，远高于此类故障在整星在轨故障中的占比（4%），这与数管分系统软件的复杂性密切相关。从数管分系统的在轨故障时间分布上看，数管分系统在轨故障均出现于在轨头2年以内，第1年的故障占比为43%，且故障的严酷度均为一般等级。

图18 数管分系统在轨故障类型分布 Fig.18 Distribution of data management subsystem on- orbit failure types

2.7 热控分系统故障分析

热控分系统的设计方法和手段较为成熟，且产品简单，因此在本文研究统计范围内，在轨仅发生1 起某产品热敏电阻失效的一般严酷度在轨故障。

3 改进措施建议

1）加强遥感卫星出厂前的地面试验与测试

由本文的统计可知，44%的故障发生在遥感卫星入轨的第1年，且60%的严重故障是发生于入轨第1年，尤其是电子类故障，并且很多故障发生在遥感卫星入轨后不久。卫星故障的发生时间分布曲线基本符合“浴盆曲线”，比对卫星可靠性理论分析结果可以推断，故障多为产品的早期失效，是由于设计与器件的薄弱环节暴露得不够充分造成的。因此，适当增加卫星出厂前的地面试验和测试，有效剔除早期失效，可降低在轨故障的发生。

实际工作中，除了产品级的早期失效和稳定考核的环境应力筛选试验、温度循环试验和高温老炼试验外，还应重视整星的电测试和老炼试验，尤其是试验过程中的产品性能监测和数据判读，提高试验和测试的有效性，确保卫星的测试覆盖性，充分暴露卫星的设计和器件缺陷。

2）加强抗辐射加固设计

数传分系统和测控分系统等含有电子学单机较多的分系统，由于CPU、DSP、FPGA 等大规模集成电路的使用，对空间辐射环境较为敏感，由空间环境造成的故障在分系统故障总数中的占比超过60%，数传分系统甚至达到71%。

空间防护技术经过几十年的发展，已经积累了许多防护设计方法，但是由空间环境引发的在轨故障仍时有发生，尤其是单粒子效应和高轨的充放电效应是遥感卫星在轨空间环境故障的主要原因。因此，有必要进一步研究故障机理，开展地面测试和验证，并加强对空间环境的预示，建立空间防护设计的指标体系，尤其强化对系统级抗辐射加固策略的研究。

3）开展基于在轨故障规律的分系统技术状态控制

不同的分系统具有不同的在轨故障特性，因此在地面研制过程中应根据在轨故障的规律，有针对 性地加强对分系统的技术状态控制，通过产品的地面可靠性设计、分析与试验，尽量消除研制的薄弱环节，降低卫星的在轨故障率，提高在轨可靠性。

4 结束语

本文通过统计分析1988年—2014年我国28颗遥感卫星的在轨故障数据，对故障进行分类研究，得到了在轨故障按分系统、研制时期、发生时间、严酷度和故障类型分布的数据，并对卫星各分系统在轨故障的特点和规律进行了分析。在此基础上，有针对性地提出了卫星地面设计与研制试验阶段的改进措施建议。

后续，将进一步细化、落实这些建议，使其能够真正为提高卫星的在轨可靠性、降低故障发生率发挥作用。

（References）

[1] 林来兴.1990～2001年航天器制导、导航与控制系统故障分析研究[J].国际太空,2004(5): 9-13

[2] 宗言.美国航天飞机故障一览[J].中国航天,2003(5): 15-19;23

[3] 劳占佳.2003年航天器的发射和在轨故障情况[J].国际太空,2004(7): 16-20

[4] 《国际太空》编辑部.2004年的世界航天活动[J].国际太空,2005(2): 1-7

[5] 《国际太空》编辑部.2005年的世界航天活动[J].国际太空,2006(2): 1-6

[6] 《国际太空》编辑部.2006年的世界航天活动[J].国 际太空,2007(2): 1-7

[7] 张森,石军,王九龙.卫星在轨失效统计分析[J].航天器工程,2010,19(4): 41-46 Zhang Sen,Shi Jun,Wang Jiulong.Satellite on-board failure statistics and analysis[J].Spacecraft Engineering,2010,19(4): 41-46

[8] 谭春林,胡太彬,王大鹏,等.国外航天器在轨故障统计与分析[J].航天器工程,2011,20(4): 130-136 Tan Chunlin,Hu Taibin,Wang Dapeng,et al.Analysis on foreign spacecraft in-orbit failures[J].Spacecraft Engineering,2011,20(4): 130-136