卫星维修性、测试性、保障性的概念解析

赵海涛 遇今 胡太彬 熊笑

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

（2中国空间技术研究院，北京 100094）

卫星维修性、测试性、保障性的概念解析

赵海涛1遇今2胡太彬1熊笑1

（1北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）

（2中国空间技术研究院，北京 100094）

针对卫星维修性、测试性和保障性工作中存在的概念不清、内涵不明、工作内容不确定等问题，在维修性、测试性、保障性的通用定义和要求基础上，结合卫星产品特点，分析了卫星维修性、测试性和保障性的概念和内涵，探讨了有关概念间的联系与区别，明确了维修性设计、测试性设计和保障性设计的主要内容。分析表明：卫星维修性设计重点是在轨维修性，兼顾地面需求；卫星测试性和测试、测试覆盖性概念不同但又有关联，卫星测试性设计重点是故障诊断策略和机内测试（BIT）设计；卫星保障性旨在保证在轨连续稳定运行，保障性设计的重点是提高产品可用时间和连续工作时间，降低对保障资源的需求。

卫星；维修性；测试性；保障性

1 引言

众所周知，装备的通用质量特性包括可靠性、安全性、维修性、测试性、保障性、环境适应性等。这些质量特性是装备战备完好性和任务成功性的保证，并对装备效能产生决定性影响。国外多年的装备发展历程表明，通用质量特性差的装备即使具有很高的性能，也很难形成有效的战斗力［1］。

卫星是一种较为特殊的装备，长寿命卫星一般都具有一次发射、长期使用、不可返回维修等特点。长期以来，卫星工程中比较重视可靠性、安全性、环境适应性以及测试和测试覆盖性工作，但较少提及维修性和测试性，极少提及保障性。然而，由于“维修性、测试性、保障性”设计不充分问题导致的卫星在轨异常却并不鲜见。例如，我国某卫星曾因故障虚警导致卫星进入安全模式，用户服务中断近2天。

NASA和ESA在20世纪八九十年代先后制定了空间系统的维修性、测试性标准，例如NHB 5300.4（1E）－87《空间系统维修性大纲要求》、ESA PSS－01－50（1）－91《欧洲航天局空间系统维修性要求》等。在国外航天器研制中，伴随装备维修性、测试性、保障性技术的发展，自主故障诊断、健康管理等维修性、测试性有关技术逐步应用，例如综合健康管理技术应用于哈勃太空望远镜、“国际空间站”任务等。

我国在20世纪90年代制定了装备维修性、测试性、保障性的顶层标准，并于2000年前后针对航天产品制定了维修性保证要求和测试性设计准则。然而，卫星研制中对“维修性、测试性、保障性”尚未普遍形成正确的理解和认识。不少设计人员认为卫星没有在轨维修性，并将卫星的测试性与测试覆盖性、卫星的保障性与贮存和运输保障等同起来，这些不恰当的认识不利于“维修性、测试性、保障性”工作的开展。

近年来，随着通用质量特性越来越受到用户的重视，卫星“维修性、测试性、保障性”逐渐从潜在需求成为明确要求，开展维修性、测试性、保障性设计已成为提高卫星质量和用户满意度的重要工作。本文以“维修性、测试性、保障性”的通用定义和要求为基础，结合卫星特点，对卫星维修性、测试性、保障性的内涵和设计要素进行了分析，澄清了一些概念，给出了卫星产品维修性、测试性和保障性应遵循的设计要求。

2 卫星“维修性、测试性、保障性”的基本概念

2.1 维修性

1）卫星维修性定义

维修性的传统定义［2］原则上适用卫星，即卫星的维修性是卫星在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序和方法，保持或恢复到规定状态的能力。对于卫星而言，“规定的条件”包括卫星发生故障时的星地运行状态，空间环境条件和故障处理所需人员、设备设施、技术资料等资源；“规定的时间”是对卫星产品故障修复时间的量化要求，反映了卫星维修的水平；“规定的程序和方法”是指卫星故障处理的具体流程、步骤和具体的指令。

2）在轨维修性

传统上一般认为卫星是不可维修产品。这是由于卫星一旦入轨飞行执行任务，不可能像地面装备那样在发生故障后可以在现场或返厂修理。但是，在维修性工程中，并非只有返厂修理才算维修，地面装备在使用现场更换故障单元和战场抢修都属于维修工作。在这一点上，卫星在轨故障后通过地面进行切换备份恢复或进入安全模式后系统重构等与地面装备的维修并无本质区别，这些都属于维修范畴。

此外，卫星在轨运行管理中也不乏预防性维修的例子。例如，某卫星的红外地球敏感器由于自主干扰保护功能异常，为确保卫星安全，地面测控系统增加了卫星地影期干扰保护的遥控作业，在每次进入地影期前，由地面指令将被干扰的探头信息剔除，以保证卫星姿态稳定。

再者，当前卫星正朝着网络化、智能化发展，星上越来越多的功能通过软件实现，通过软件上注功能可实现某些在轨软故障的修复。

因此，卫星在轨具有可维修的特点，在轨维修性设计属于卫星设计的必要内容。

3）地面维修性

与地面装备不同，卫星是在地面环境中研制、在空间环境中使用，卫星在空间中的寿命剖面和在地面研制阶段的寿命剖面完全不同。因此，卫星在轨维修和地面维修的需求差异很大。但这不能说卫星没有地面维修问题。从全生命周期看，整星在地面需经历总装集成测试及发射场测试过程，这一过程必然涉及总装操作和质量问题处理引发的拆装、修复问题。因此，卫星维修性要求应当反映地面维修需求。

与在轨维修相比，卫星地面维修只有修复性维修，包括拆除与更换设备、更换模块、重新加工/焊接/组装等工作，没有预防性维修。

与地面装备相比，卫星维修性设计特性首先是面向在轨使用需求，而且长寿命卫星的地面加电时间与在轨运行时间相比要短暂的多。因此，传统的适用地面装备的维修性设计要求不一定适用卫星，需要进行剪裁。

2.2 测试性

1）卫星测试性定义

测试性的传统定义［2］适用卫星，即卫星的测试性是指卫星能及时、准确地确定其状态（可工作、不可工作或性能下降程度），并隔离其内部故障的一种能力。

对于卫星而言，“及时、准确”体现了对在轨实时监测和故障诊断策略的要求，“隔离其内部故障”体现了对在轨故障定位能力的要求。

2）测试性与测试覆盖性的区别

测试性与测试覆盖性是两个不同的概念。表1给出了两者的主要区别。

表1 测试性与测试覆盖性的主要区别Table 1 Main differences between testability and test items coverage

3）在轨测试性、地面测试性和地面测试

从在轨使用看，为保证卫星在轨稳定运行的能力，必须能够实时监控卫星工作状态、及时发现故障并定位，从而快速进行故障处理和恢复。卫星在轨故障只能通过遥测数据判断和星上自主故障诊断，作为长期运行需求，显然卫星在轨测试性是卫星测试性工作的重点。卫星故障检测、隔离和恢复（Fault Detection，Isolation and Recovery，FDIR）技术在国内外航天器中的应用越来越广也充分说明了这一点［3－5］。

从研制过程看，为了充分验证整星各项技术指标，并在地面测试过程中及时发现与定位卫星故障，需要整星和单机具有充分的外部测试能力，因此，地面测试性也可以作为卫星测试性要求的一部分。

从与地面测试的关系看，测试性设计的输出是测试点布局、测试参数、故障诊断策略等等，这些设计结果应进行测试覆盖性分析，并在地面测试过程中进行验证。可见，地面测试是测试性验证的一种手段。

2.3 保障性

1）卫星保障性定义

保障性是装备及其保障资源组合成的装备系统的属性，在仅讨论卫星的前提下，卫星的保障性可定义为：卫星的设计特性和计划的保障资源满足规定的寿命期内在轨连续稳定运行要求的能力。其中，“设计特性”可分为与故障有关的维修保障特性和与使用有关的使用保障特性。维修保障特性一般体现为可靠性、维修性和测试性，显然，可靠性高、维修性和测试性好，卫星就有更好保障。使用保障特性一般体现为在轨维持操作频度和对人力物力等保障资源的需求程度。卫星的“计划的保障资源”主要是指在轨使用和维修有关的技术资料，以及必要条件下的人力与设备资源。此外，卫星的保障性面向在轨使用和维修过程，强调在轨运行的连续、稳定。

2）在轨保障性

卫星在轨保障可以分为在轨使用保障和在轨维修保障。在轨使用保障性即通过卫星任务分析、轨道设计、载荷产品特性设计等降低卫星在轨维持操作的次数、时间和对维护资源的需求，并制定合理、高效的在轨使用策略。在轨维修保障性即通过卫星可靠性、维修性、测试性设计，降低卫星在轨故障率、提高卫星任务持续时间、降低对维修资源的需求，并制定充分的在轨故障预案。

3）地面保障性

从使用需求看，保障性是面向卫星在轨使用和维修的卫星保障设计特性和保障资源的集合，与卫星交付用户前经历的地面测试过程无关。但是，按进度完成出厂和发射场总装测试是卫星顺利发射与交付用户的前提，这些过程对于卫星承制方是比较关键的，因此在讨论卫星的保障性要求时，也可以包含交付前的过程。

为了保证地面保障性工作的效率和效果，应区别正常的地面研制保障工作。卫星承制方地面保障性工作的重点是通过保障性设计降低地面测试过程中的保障资源需求，并针对一些特殊产品进行保障资源规划，例如蓄电池使用保障策略、备件要求等。

2.4 小结

根据以上对卫星“维修性、测试性、保障性”定义和内涵的分析，总结正确的理解和常见不恰当认识 如表2所示。

表2 卫星“维修性、测试性和保障性”概念的理解Table 2 Understandings of satellites maintainability，testability and supportability

3 卫星“维修性、测试性、保障性”设计内容

3.1 维修性设计

维修性设计的目的是通过实施维修性设计准则，使卫星的维修性满足要求。维修性的定量要求一般是维修时间，定性要求一般包括在轨故障恢复能力、可达性、互换性等。

以往工作中，卫星等航天器维修性设计主要借鉴地面产品经验［6－7］。根据前文定义，卫星维修性设计主要应考虑在轨维修性设计、兼顾地面维修需求。因此，需要研究提出在轨维修性设计要素，并对传统维修性设计准则进行适用性分析，剔除与卫星特点不符的内容。据此，卫星维修性设计的主要内容如下。

（1）在轨可维护性设计。即卫星在轨发生故障后，应具备可修复性。例如：软件故障可以通过地面上注数据对故障模块进行修改或替换；通过遥控指令可以禁止或使能某个软件功能模块等。

（2）在轨故障恢复策略。即对在轨故障的处理方式、恢复程序进行优化设计，尽可能缩短恢复时间。例如：产品复位、加断电或切机的应用条件，产品加断电的顺序，卫星进入安全模式后的系统重构策略等。

（3）防差错设计。设计的原则包括：在设计上杜绝出错的可能性；采用容错技术，即使有差错发生，也会提示或告警；安装时容易发生差错的零部件，从结构上加以限制，或有明显的防止差错识别标记；对可能出现误操作的零件、组件、部件设置明显的防错标志等。

（4）标准化、模块化和互换性设计。设计的原则包括：在满足要求的条件下，将产品的变化限制到最小范围；产品间在实体上、功能上能够相互替换；产品设计为单独分离的，具有相对独立功能的结构体等。

（5）简化维修和操作设计。例如：尽量设计操作简便而可靠的调整机构，以便于排除因磨损或漂移等原因引起的常见故障，避免或减少互相牵连的反复调校。

（6）可达性设计。例如：产品检查、拆装（路径）应有很好的可达性。

（7）维修安全设计。例如：在拆卸、更换、测试或检验过程中不引发安全性危险；使操作与维修人员避免高压、高压放电、高温、低温、锐利的边缘和尖物、辐射和化学污染等危害。

（8）人素工程设计。例如：采取措施将使用和维修操作环境的噪声、振动、温度、湿度和电磁辐射控制在规定的可接受水平之内，否则对使用和维修人员提供防护措施等。

3.2 测试性设计

测试性设计的目的是通过实施测试性设计准则，使卫星的测试性满足要求。测试性的定量要求一般是故障检测率、故障隔离率和虚警率，定性要求一般包括在轨故障检测能力、故障定位能力等。测试性设计的结果应支持在轨故障诊断和故障恢复，对于具有维修性需求、一旦发生故障对整星造成严重影响的产品必须开展测试性设计。

测试性设计是一项系统性很强的工作，近年来发展的故障预测与健康管理技术的重要基础就是测试性设计［8－9］。以往工作中，卫星实际开展了一些测试性相关工作，例如遥测设计、自主故障诊断设计等，但并未从测试性工程角度进行系统的策划与实施。分析提出卫星测试性设计的主要内容如下。

（1）固有测试性设计。固有测试性设计的目的是使硬件便于故障检查和隔离，包括合理的结构设计和系统内部诊断配置方案的选择两方面内容。结构设计的原则包括：功能与结构的合理划分，测试的可观测和可控性，优先选择内部结构和故障模式已知的集成电路等。内部诊断配置方案包括机内测试（Built－in Test，BIT）配置方案、性能监测方案、在轨健康管理系统等。

（2）测试点和诊断策略设计。包括遥测资源分配、传感器选择、测试点位置确定、诊断策略确定、故障可检测性分析等工作。

（3）故障诊断详细设计。这部分工作是对系统诊断方案的具体实现。其中，BIT详细设计包括确定BIT类型和工作模式，具体的测试对象、测试方法、故障判据，防止虚警设计以及BIT软硬件设计。性能监测设计主要针对蓄电池、推进系统等非电产品，通过配置传感器进行性能或状态监测，并进一步进行性能预测。

（4）外部诊断设计。外部诊断是利用外部测试设备，通过自动和半自动测试、人工测试等手段进行故障检测与隔离。外部诊断设计包括测试点设计（位置、特性、用途、安全性）、诊断程序设计和与外部测试设备的兼容性设计等。

（5）其它测试性设计准则。在测试性标准规范中有很多通用的测试性设计准则［10］，卫星进行测试性设计时也应借鉴这些通用准则，将其中适用的准则作为卫星设计要求的一部分。

3.3 保障性设计

目前保障性设计没有专门的规范性的或通用的方法、准则［11－12］，一般认为保障性设计是通过可靠性设计、维修性设计、测试性设计等途径，提高产品可用时间和连续工作时间，降低对使用和维修保障资源的需求，达到满足保障性要求的目的。根据保障性内涵，卫星保障性设计的原则包括：

（1）使用保障设计。尽可能减少卫星使用过程中的维护工作，尤其是影响卫星任务连续性的维护工作；优化系统设计和产品在轨使用策略，降低对地面保障资源（测控站、测量船等）的需求，提高易用性；兼容现有地面运控、测控保障设备、设施，降低对专用保障设备的需求。

（2）维修保障设计。卫星在轨运行应具备一定的自保障能力，例如故障自恢复、系统重构、自主运行能力，减少对地面保障资源的依赖；影响卫星任务的在轨故障应按最快恢复原则进行设计和处理。

4 结束语

“维修性、测试性、保障性”是卫星通用质量特性的重要组成部分，正确理解卫星维修性、测试性、保障性的概念和内涵，认识卫星维修性、测试性、保障性的设计特点，是有效开展相关工作的基础。尽管卫星在轨不能像地面产品那样进行现场或返厂修理，但卫星同样有在轨维修性，并需要开展在轨维修性设计；卫星的测试性和测试、测试覆盖性是不同的概念，但三者又有关联，故障诊断策略和BIT设计是卫星测试性设计的重点；保障性取决于卫星设计和保障资源，卫星保障性设计的重点是提高产品可用时间和连续工作时间，降低对使用和维修保障资源的需求。卫星维修性、测试性、保障性设计的具体方法和准则需要结合工程实践不断提炼与完善。

（

）

［1］康锐.可靠性维修性保障性工程基础［M］.北京：国防工业出版社，2012：1－6 Kang Rui.Fundamentals of reliability ＆maintainability＆supportability engineering［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012：1－6（in Chinese）

［2］中国人民解放军总装备部.GJB 451A－2005，可靠性维修性保障性术语［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2005 General Armament Department of the Chinese People＇s Liberation Army.GJB 451A－2005，Reliability，maintainability and supportability terms［S］.Beijing：Army Standards Press of General Armament Department，2005（in Chinese）

［3］乐浪，李明峰，王君，等.卫星综合电子系统的FDIR研究与设计［J］.计算机工程与设计，2014，35（7）：2607－2611 Le Lang，Li Mingfeng，Wang Jun，et al.Research and design of FDIR techniques for satellite avionics［J］.Computer Engineering and Design，2014，35（7）：2607－2611（in Chinese）

［4］Ali Zolghadri.Advanced model－based FDIR techniques for aerospace systems：today challenges and opportunities［J］.Progress in Aerospace Sciences，2012，53：18－29

［5］Tang Mingsheng，Mao Xinjun，Ning Hong，et al.Research and design on FDIR framework of satellite integrated electronic system［J］.Energy Procedia，2011，13：9130－9137

［6］国防科学技术委员会.QJ 3124－2000，航天产品维修性保证要求［S］.北京：中国航天标准化研究所，2000 Commission of Science Technology for National Defense.QJ 3124－2000，Maintainability assurance requirements for aerospace product［S］.Beijing：ChinaAerospace Standardization Institute，2000（in Chinese）

［7］王大鹏，谭春林，张柏楠.载人航天器在轨维修性系统设计［J］.中国空间科学技术，2010，30（5）：16－22 Wang Dapeng，Tan Chunlin，Zhang Bainan.On－orbit maintainability system design for manned spacecraft［J］.Chinese Space Science and Technology，2010，30（5）：16－22（in Chinese）

［8］潘宇倩，张弓，白东炜等.卫星健康管理故障诊断算法的设计及其实现［J］.航天器工程，2011，20（5）：56－61 Pan Yuqian，Zhang Gong，Bai Dongwei，et al.Design and implementation of fault diagnosis algorithm for satellite health management［J］.Spacecraft Engineering，2011，20（5）：56－61（in Chinese）

［9］黄鹤，卢海涛.综合化航空电子系统PHM应用与设计［J］.电讯技术，2014，54（3）：245－250 Huang He，Lu Haitao.Application and design of PHM in integrated avionics system［J］.Telecommunication Engineering，2014，54（3）：245－250（in Chinese）

［10］中国人民解放军总装备部.GJB 2547A－2012，装备测试性工作通用要求［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2012 General Armament Department of the Chinese People＇s Liberation Army.GJB 2547A－2012，General requirements for materiel testability program［S］.Beijing：Army Standards Press of General Armament Department，2012（in Chinese）

［11］马麟.保障性设计分析与评价［M］.北京：国防工业出版社，2012 Ma Lin.Analysis and evaluation of supportability design［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2012（in Chinese）

［12］中国人民解放军总装备部.GJB 3872－1999，装备综合保障通用要求［S］.北京：总装备部军标出版发行部，1999 General Armament Department of the Chinese People＇s Liberation Army.GJB 3872－1999，General requirements for materiel integrated logistics support［S］.Beijing：Army Standards Press of General Armament Department，1999（in Chinese）

（编辑：张小琳）

Concepts of Maintainability，Testability and Supportability of Satellite

ZHAO Haitao1YU Jin2HU Taibin1XIONG X iao1
（1Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）
（2China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China）

At present，satellite maintainability，testability and supportability are not clearly defined.According to the general definition of maintainability，testability and supportability，considering the characteristics of satellite，the concepts and connotations of satellite maintainability，testability and supportability are analyzed.The relations and differences between the concepts are discussed and the main design contents are defined.According to the analysis results，maintainability design is consider mainly on orbit maintenances，along with the ground maintenances requirements.Test，testability and test items coverage are different concepts.Testability design focuses on diagnostic strategy and BIT（built－in test）design.Supportability of satellite is designed to ensure the capability of continuous and stable operation on orbit，and supportability design is to improve mainly the available time and to reduce the demands for support resources.

satellite；maintainability；testability；supportability

V423.4

A

10.3969/j.issn.1673－8748.2016.05.019

2016－07－15；

2016－08－01

赵海涛，男，高级工程师，从事航天器可靠性、可用性工作。Email：zhtsailor@163.com。