2024年10月6日发(作者：刑傲南)
第４１卷第５期
２０１５年１０月
空间控制技术与应用
Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｖ０１．４ｌ ＮＯ．５
Ｏｃｔ． ２０ｌ５
ＣＡＳＴ９６８平台小卫星在轨故障分析和建议
口同 巳 吕高见
（北京控制工程研究所，北京１００１９０）
摘 要：统计ＣＡＳＴ９６８平台从２０００年至２０１４年在轨发生的１４２次故障，分析发现故障性质、故障
原因、故障产品类别、故障时间和故障分系统等都存在明显的规律性．对决定卫星成败的姿态轨道
控制分系统进行故障原因、故障单机和故障产品类别三个方面的统计分析，总结出设计、环境和器
材是导致姿轨控分系统故障的三大重要因素．简要分析其他分系统，最后给出故障预防和设计建
议，包括加强抗辐照设计、关键单机和电路的冗余设计等．
关键词：ＣＡＳＴ９６８；在轨故障分析；故障预防；设计建议
中图分类号：Ｖ４１７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—１５７９（２０１５）０５－００５７－０６
ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—１５７９．２０１５．０５．Ｏ１２
Ｏｎ－Ｏｒｂｉｔ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ
Ｓｍａｌｌ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｏｆ ＣＡＳＴ９６８ Ｐｌａｔｆｏｒｍ
ＬＶ Ｇａｏｊｉａｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅ ｎｇ １ ００１ ９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ １ ４２ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｏｆ ＣＡＳＴ９６８一ｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｍａｌｌ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｆｒｏｍ ２０００ ｔｏ
２０１４．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，ｒｅａｓｏｎｓ，ｃｏｍｐｏ—
ｎｅｎｔ ｔｙｐｅｓ，ｔｉｍｅ，ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ，ｅｔｃ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ａｔｔｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｏｒｂｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ
（ＡＯＣＳ）ｆｏｒ ｔｈｅ ＳＵＣＣＥＳＳ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｒｅａｓｏｎｓ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＡＯＣＳ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅ—
ｓｕｈｉｎｇ ｉｎ ＡＯＣＳ ｆａｉｌｕｒｅｓ．Ａ ｂｒｉｅｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｅｖｅｎ—
ｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ａｎｔｉ—ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｋｅｙ ｃｏｍｐｏ－
ｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ’ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ｅｔｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＳＴ９６８：ｏｎ—ｏｒｂｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ
下，姿态测量信息由红外地球敏感器提供，陀螺主要
０ 引 言
ＣＡＳＴ９６８平台是中国空间技术研究院研究的
一
提供星箭分离后及卫星变轨过程中的角速率信息．
ＣＡＳＴ９６８平台具有系统设计简单、造价低、抗干扰
特性好等优点，但其控制精度不高．
基于该平台研制的第一颗卫星于１９９９年５月
种成熟的小卫星公用平台，采用偏置动量模式进
行姿态控制，三轴对地稳定．控制分系统执行机构包
发射并成功运行¨ ．１０多年来该平台已经过３０多
括动量轮、磁力矩器和推进子系统，稳定运行时卫星
俯仰轴由动量轮控制，滚动轴和偏航轴由磁力矩器
控制；其姿态测量部件包括红外地球敏感器、数字太
阳敏感器以及惯性敏感器（陀螺），正常运行情况
收稿日期：２０１５－０３—１８
颗卫星的多次空间飞行考验，平台性能稳定，但在轨
也发生了不少的故障和问题．本文以ＣＡＳＴ９６８平台
小卫星从２０００年至２０１４年在轨发生的１４２次故障
为统计基础，从故障分系统、故障单机、故障时间、故
第５期 吕高见：ＣＡＳＴ９６８平台小卫星在轨故障分析和建议 ・５９・
图４是发射后故障时间趋势图．由图可见，故障
次数基本上呈逐年减少的趋势．
６０
４个分系统，４个分系统故障次数总和占总次数的
８５．９％．按分系统分类对故障性质进行统计见表
３．由表３可见，４个分系统中测控分系统和电源分
系统的大多数故障为轻度故障，不存在关键性故
２ ０ Ｏ ２ Ｏ ０ Ｏ Ｏ
Ｕ
５０
Ｏ
辍４０
～
障，而星务分系统和控制分系统都存在２次关键
性故障．
１７
１ １ １ ６ １ ０ Ｏ ０ Ｏ
藿３０
辎２０
１０
屯
＝ 、．２４
●、ＩＩ
０
ｌ…ｒ １ｏ～；一－一 －
ｌ＿１…－１一ｉＩ－ＩＩ－－－｝。
ｎ 寸
综合上述统计结果，分析总结如下：
１）在轨发生的绝大多数故障均为轻度并且是
可恢复的．
２）器材和空间环境是关键性故障的主要发生
廿 廿 廿 廿
■
廿 廿 廿 廿
Ｉｎ ＯＯ
图４发射后的故障时间趋势
Ｆｉｇ．４ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｔｉｍｅ ａｆｔｅｒ ｌａｕｎｃｈ
原因；而非主要故障的发生原因主要有器材、环境和
设计；轻度故障主要由环境引起．设计因素在这里不
是特别突出的原因在于作为统计样本的ＣＡＳＴ９６８
平台有许多继承性的卫星，设计相对成熟，出错
率低．
（５）故障分系统分布
大多数的故障分布在星务、测控、电源和姿轨控
表３ 按分系统分类的故障性质统计
Ｔａｂ．３ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ Ｏｉｌ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
分系统
星务
灾难性
０
关键性非主要 轻度 总计 备注
３８
２９
４１ ２＿爪关键性故障和 个非主要故障的原因均为环境； ・ ％的轻度故障原因为
卧境
３０ 非主要故障的原因为环境；４８．３％的轻度故障原因为环境
测控０
电源０
２３
１９
２４
２７
非主要故障的原因为设计；４３．５％的轻度故障原因为环境
姿轨控０
２个关键性故障的原因为器材；６个非主要故障有４个的原因为器材，另２个
分别为环境和设计；３６．８％的轻度故障原因为环境
非主要故障的原因为设计；４２．９％的轻度故障原因为环境
４个轻度故障中有３个的原因为环境
１个轻度故障原因为设计
有效载荷
星问链路
８
４
１
数传
热控
地面
１
６
１个轻度故障原因为工艺
６个轻度故障原因均为操作
３）故障高发的前三类产品类型分别为电子类
（７１．１３％）、机电类（１４．７９％）和电气类（４．９３％），
三者累计占有总故障的９０．８５％．分析认为原因有
三 ：第一，卫星中含有的电子产品远超过机械部
件，产品基数大，因此故障次数也会相对较多；第
二，辐射、太阳风暴和电磁场等空间环境也主要影
响电子设备；第三，有些电子设备损耗比较大，如
电池等．
４）５３．５２％的故障都发生在发射人轨后的前两
分为电子类产品故障，电子类产品的故障又取决于
电子元器件的故障，因此电子元器件的“浴盆曲线”
规律会直接投射出卫星的故障规律．故在轨早期卫
星的故障率较高，随着时间推移故障次数逐渐降低．
但由图４可以看出在曲线末尾并未出现浴盆曲线
应有的翘尾现象，这是因为在统计ＣＡＳＴ９６８平台小
卫星的样本区问内，元器件还未到损耗期，因此目前
已有数据并不能看出浴盆曲线的尾部特征．
２．２姿轨控分系统分析
年，分析认为：电子元器件的故障一般呈现“浴盆曲
线”的规律 ，即早期因磨合等原因故障率一般较
高，中期故障率较低，后期因寿命和损耗原因故障率
又逐渐上升．而由上面第３点可知，卫星故障的大部
姿轨控分系统组件较多，包含不少关键产品，其
故障直接关系到整星安全．本节着重对姿轨控分系
统故障进行分析，从卫星１４２个故障中筛选出姿轨
控分系统故障共有２７个，以下为统计情况．
第５期 吕高见：ＣＡＳＴ９６８平台小卫星在轨故障分析和建议 ・６１・
３故障预防和设计建议
结合上述统计，给出与故障预防和设计相关的
建议：
１）充分开展ＦＭＥＡ分析：对各单机开展ＦＭＥＡ
分析工作，深入剖析单机可能发生的故障及原因，全
面分析故障发生后对系统的影响，并针对故障做好
充分的预案．查找薄弱环节并加以更改，尽量避免灾
难性故障和关键性故障单点失效．对可能出现灾难
性故障和关键性故障及单点故障的单机采取相应的
冗余措施，并根据相关准则制定可靠性关键项目的
跟踪和控制计划，确保所有产品的风险评价指数都
是可以容忍的．
２）加强抗辐照设计：从故障统计情况看，各分
系统受空间环境的影响较大，因此设计上应加强单
机产品和器件的抗辐照能力．硬件方面，尽量选用抗
辐照的元器件，除此之外硬件抗辐照加固设计还包
括资源利用率选取、ＥＤＡＣ（错误检测与修正）电路
设置、冗余设计（包括单机冗余和三模冗余）、硬件
计数器设置等方法．软件方面，设计师应严格按功能
进行模块化程序结构设计，使各模块保持高度的独
立性、单向性，并具有防范非法侵入的自保护措施，
设置指令重启、数据回读、三取二表决、反弹墙设计
和软件看门狗等 ．在故障产生后，设备应具备自
主纠错以及自主重启等功能，以实现解除单粒子翻
转、单粒子锁定等故障．
３）关键单机和电路的冗余设计：冗余（包括硬
件冗余和软件功能冗余）是提高卫星可靠性的主要
手段．关键单机如姿轨控分系统的执行机构、计算机
等都要有充分的冗余．
４）开展关键单机的长寿命高可靠性设计研究
和验证工作：对于蓄电池、太阳帆板驱动机构等，必
须通过提高产品寿命来降低在轨故障率 ．对于这
些单机应从原材料、工艺等方面加强长寿命设计，并
进行长寿命高可靠性验证专项试验．
５）加强地面试验验证：针对前面分析，大多数
的故障发生在卫星人轨后前两年，应加强地面试验
验证，充分考虑卫星环境试验条件，对卫星元器件进
行有效筛选，并增长地面试验时问，全面仔细判读试
验数据，使故障尽可能在地面试验阶段暴露．
６）通过故障诊断和灵活性设计手段，提高在轨
故障处理能力 ：通过航天器故障诊断技术，对故
障快速、准确的进行评估和预测．加强航天器的自主
故障诊断功能设计．从故障处理角度来看，航天器软
硬件可以进行灵活设计，预留接口，使地面人员在处
理故障时可以重新对硬件进行配置，或上注程序修
改软件缺陷．
７）欠配置情况下的系统重构能力设计：通过系
统级的欠配置运行能力设计，在系统出现部分单机
永久性故障时，能够自主／遥控转入欠测量姿态确定
方式或者欠驱动姿态控制方式，实现系统指标有限
下降后的在轨稳定运行．
８）严格把控地面各操作环节：针对地面操作引
起的在轨故障，应加强地面人员专业培训，加强上注
指令和数据块的复核复审工作，严格控制地面软件
版本，对地面设备定期检查．同时，星上软件可对上
注数据增加剔野措施，确保错误数据不引入系统．
４ 结 论
本文通过统计并分析ＣＡＳＴ９６８平台从２０００年
至２０１４年在轨发生的故障，分别从整星以及控制分
系统角度对故障发生的原因、故障发生时间、故障产
品类型分布等方面总结出故障发生的规律．最后针
对故障统计结果，分别从设计、测试、故障处理、系统
重构等方面对系统的故障的预防以及故障发生后处
理策略给出了建议．
参 考 文 献
［１］ 朱毅麟．中国空间技术研究院的标准化卫星平台
［Ｊ］．航天器工程，２００７，１６（１）：１０—１７．
ＺＨＵ Ｙ Ｌ．ＣＡＳＴ’Ｓ ｓｔａｎｄａｒｄｉｚｅｄ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ『Ｊ］．
Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００７，１６（１）：１Ｏ一１７．
［２］ 陈莲芬，王环，阎志宏，等．Ｑ／ｗ １１２５－－２００７航天器
在轨故障等级规定［ｓ］．北京：中国空间技术研究院，
２００７．
ＣＨＥＮ Ｌ Ｆ，ＷＡＮＧ Ｈ，ＹＡＮ Ｚ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｑ／ｗ １１２５—
２００７ Ｆａｉｌｕｒｅ ｇｒａｄｅ ｒｕｌｅｓ ｆｏｒ ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ ｉｎ ｏｒｂｉｔ［Ｓ］．Ｂｅｉ—
ｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｐａｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７．
［３］ 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 Ｓ，ＳＨＩ Ｊ，ＷＡＮＧ Ｊ Ｌ．Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｏｎ－ｏｒｂｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ
ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．Ｓｐａｃｅｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，
２０１０，１９（４）：４ｌ－４６．
［４］ 张黎，张波．电气设备故障率参数的一种最优估计算
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ＺＨＡＮＧ Ｌ．ＺＨＡＮＧ Ｂ．Ａｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍａｌ ｐａｒａｍ—
・
６２・ 空间控制技术与应用 第４１卷
（上接第５６页）
ｅｎｃｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｆｏｒ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｅｆｅｎｓｅ，
１９９７．
４ 结 论
本文给出了ＡＤＵ软件的功能及时序设计，分析
袁利，戴居峰．卫星控制系统时序建模分析方
［４］
王磊，
法研究［Ｊ］．空间控制技术与应用，２０１４，４０（３）：３１—
３５．
ＷＡＮＧ Ｌ．ＹＵＡＮ Ｌ．ＤＡＩ Ｊ Ｆ．Ｔｉｍｅｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌ—
了特定约束条件下的时序设计思路及约束条件的满
足性．软件可靠性设计方面，使用ＳＦＭＥＡ方法识别
软件中的关键变量／器件，在此基础制定了单粒子效
应防护措施．本文对单片机软件的设计具有参考意
义，后续工作的研究重点是无系统软件支持下的单
［５］
ｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ
Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０１４，４０（３）：３１—３５．
ＲＥＩＦＥＲ Ｄ Ｊ．Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅｓ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎａｌｙｓｉｓ
［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，１９７９，Ｒ一２８
（３）：２４７—２４９．
片机软件时序设计方法、无ＥＤＡＣ功能下的系统抗
干扰设计方法．
参 考 文 献
Ｄａｔａ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＡＣＥ／Ｍｉｎｉ・ＡＣＥ ＳｅｒｉｅｓＢＣ／
ＲＴ／ＭＴ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ
［６］
郭向英，赵雷，沈沛．面向单粒子效应的航天嵌人式
软件软防护技术研究［Ｊ］．质量与可靠性，２０１３（１）：
５４．５８．
ＧＵＯ Ｘ Ｙ，ＺＨＡ０ Ｌ，ＳＨＥＮ Ｐ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｍｉｔｉｇａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ ｅｖｅｎｔ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｓｐａｃｅ［Ｊ
Ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，２０１３（１）：５４—５８．
１５５３ Ｔｅｒｍｉｎａｌ Ｕｓｅｒ’Ｓ Ｇｕｉｄｅ『Ｓ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｄａｔａ Ｄｅ—
ｖｉｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，１９９９．
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汤子瀛，哲凤屏，汤小丹．计算机操作系统［Ｍ］．西
安：西安电子科技大学出版社，１９９６：６１－９５
［２］
Ｄａｔａ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ．ＭＩＬ—ＳＴＤ一１５５３ ｄｅｓｉｇｎｅｒ’Ｓ
ｇｕｉｄｅ［Ｍ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｄａｔａ Ｄｅｖｉｃｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００３．
作者简介：赵性颂（１９８３一），男，工程师，研究方向为
［３］ 中国航空工业总公司第３０１所．ＧＪＢ２８９Ａ一９７数字式
时分制指令／响应型多路传输数据总线［ｓ］．北京：国
防科学技术工业委员会，１９９７．
３０１ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．
嵌入式软件设计；董晓刚（１９７４一），男，高级工程师，
研究方向为嵌入式软件技术；杨晓龙（１９８７一），男，
工程师，研究方向为嵌入式软件设计；牛和明
（１９８３一），男，工程师，研究方向为嵌入式软件测试；
ＧＪＢ２８９Ａ一９７ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｃｏｍｍａｎｄ／ｒｅｓｐ０ｎｓｅ
高猛（１９８２一），男，工程师，研究方向为嵌入式软
ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｄａｔａ ｂｕｓ［ｓ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｃｉ一
件测试．
2024年10月6日发(作者：刑傲南)
第４１卷第５期
２０１５年１０月
空间控制技术与应用
Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｖ０１．４ｌ ＮＯ．５
Ｏｃｔ． ２０ｌ５
ＣＡＳＴ９６８平台小卫星在轨故障分析和建议
口同 巳 吕高见
（北京控制工程研究所，北京１００１９０）
摘 要：统计ＣＡＳＴ９６８平台从２０００年至２０１４年在轨发生的１４２次故障，分析发现故障性质、故障
原因、故障产品类别、故障时间和故障分系统等都存在明显的规律性．对决定卫星成败的姿态轨道
控制分系统进行故障原因、故障单机和故障产品类别三个方面的统计分析，总结出设计、环境和器
材是导致姿轨控分系统故障的三大重要因素．简要分析其他分系统，最后给出故障预防和设计建
议，包括加强抗辐照设计、关键单机和电路的冗余设计等．
关键词：ＣＡＳＴ９６８；在轨故障分析；故障预防；设计建议
中图分类号：Ｖ４１７ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７４—１５７９（２０１５）０５－００５７－０６
ＤｏＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４—１５７９．２０１５．０５．Ｏ１２
Ｏｎ－Ｏｒｂｉｔ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ｆｏｒ
Ｓｍａｌｌ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｏｆ ＣＡＳＴ９６８ Ｐｌａｔｆｏｒｍ
ＬＶ Ｇａｏｊｉａｎ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅ ｎｇ １ ００１ ９０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｉｓ ｍａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ １ ４２ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｏｆ ＣＡＳＴ９６８一ｐｌａｔｆｏｒｍ ｓｍａｌｌ ｓａｔｅｌｌｉｔｅｓ ｆｒｏｍ ２０００ ｔｏ
２０１４．Ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｏｂｖｉｏｕｓ ｒｅｇｕｌａｒｉｔｉｅｓ ｉｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ，ｒｅａｓｏｎｓ，ｃｏｍｐｏ—
ｎｅｎｔ ｔｙｐｅｓ，ｔｉｍｅ，ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ，ｅｔｃ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ａｔｔｉｔｕｄｅ ａｎｄ ｏｒｂｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ
（ＡＯＣＳ）ｆｏｒ ｔｈｅ ＳＵＣＣＥＳＳ ｏｆ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ ｏｎ ｆａｉｌｕｒｅ ｒｅａｓｏｎｓ，ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ
ｔｙｐｅｓ ｏｆ ＡＯＣＳ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ，ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ａｒｅ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｒｅ—
ｓｕｈｉｎｇ ｉｎ ＡＯＣＳ ｆａｉｌｕｒｅｓ．Ａ ｂｒｉｅｆ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｅｖｅｎ—
ｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｓ ｏｆ ａｎｔｉ—ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ，ｋｅｙ ｃｏｍｐｏ－
ｎｅｎｔｓ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ’ｒｅｄｕｎｄａｎｃｙ，ｅｔｃ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＡＳＴ９６８：ｏｎ—ｏｒｂｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ；ｄｅｓｉｇｎ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ
下，姿态测量信息由红外地球敏感器提供，陀螺主要
０ 引 言
ＣＡＳＴ９６８平台是中国空间技术研究院研究的
一
提供星箭分离后及卫星变轨过程中的角速率信息．
ＣＡＳＴ９６８平台具有系统设计简单、造价低、抗干扰
特性好等优点，但其控制精度不高．
基于该平台研制的第一颗卫星于１９９９年５月
种成熟的小卫星公用平台，采用偏置动量模式进
行姿态控制，三轴对地稳定．控制分系统执行机构包
发射并成功运行¨ ．１０多年来该平台已经过３０多
括动量轮、磁力矩器和推进子系统，稳定运行时卫星
俯仰轴由动量轮控制，滚动轴和偏航轴由磁力矩器
控制；其姿态测量部件包括红外地球敏感器、数字太
阳敏感器以及惯性敏感器（陀螺），正常运行情况
收稿日期：２０１５－０３—１８
颗卫星的多次空间飞行考验，平台性能稳定，但在轨
也发生了不少的故障和问题．本文以ＣＡＳＴ９６８平台
小卫星从２０００年至２０１４年在轨发生的１４２次故障
为统计基础，从故障分系统、故障单机、故障时间、故
第５期 吕高见：ＣＡＳＴ９６８平台小卫星在轨故障分析和建议 ・５９・
图４是发射后故障时间趋势图．由图可见，故障
次数基本上呈逐年减少的趋势．
６０
４个分系统，４个分系统故障次数总和占总次数的
８５．９％．按分系统分类对故障性质进行统计见表
３．由表３可见，４个分系统中测控分系统和电源分
系统的大多数故障为轻度故障，不存在关键性故
２ ０ Ｏ ２ Ｏ ０ Ｏ Ｏ
Ｕ
５０
Ｏ
辍４０
～
障，而星务分系统和控制分系统都存在２次关键
性故障．
１７
１ １ １ ６ １ ０ Ｏ ０ Ｏ
藿３０
辎２０
１０
屯
＝ 、．２４
●、ＩＩ
０
ｌ…ｒ １ｏ～；一－一 －
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ｎ 寸
综合上述统计结果，分析总结如下：
１）在轨发生的绝大多数故障均为轻度并且是
可恢复的．
２）器材和空间环境是关键性故障的主要发生
廿 廿 廿 廿
■
廿 廿 廿 廿
Ｉｎ ＯＯ
图４发射后的故障时间趋势
Ｆｉｇ．４ Ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｔｉｍｅ ａｆｔｅｒ ｌａｕｎｃｈ
原因；而非主要故障的发生原因主要有器材、环境和
设计；轻度故障主要由环境引起．设计因素在这里不
是特别突出的原因在于作为统计样本的ＣＡＳＴ９６８
平台有许多继承性的卫星，设计相对成熟，出错
率低．
（５）故障分系统分布
大多数的故障分布在星务、测控、电源和姿轨控
表３ 按分系统分类的故障性质统计
Ｔａｂ．３ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ Ｏｉｌ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ ｆａｉｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ
分系统
星务
灾难性
０
关键性非主要 轻度 总计 备注
３８
２９
４１ ２＿爪关键性故障和 个非主要故障的原因均为环境； ・ ％的轻度故障原因为
卧境
３０ 非主要故障的原因为环境；４８．３％的轻度故障原因为环境
测控０
电源０
２３
１９
２４
２７
非主要故障的原因为设计；４３．５％的轻度故障原因为环境
姿轨控０
２个关键性故障的原因为器材；６个非主要故障有４个的原因为器材，另２个
分别为环境和设计；３６．８％的轻度故障原因为环境
非主要故障的原因为设计；４２．９％的轻度故障原因为环境
４个轻度故障中有３个的原因为环境
１个轻度故障原因为设计
有效载荷
星问链路
８
４
１
数传
热控
地面
１
６
１个轻度故障原因为工艺
６个轻度故障原因均为操作
３）故障高发的前三类产品类型分别为电子类
（７１．１３％）、机电类（１４．７９％）和电气类（４．９３％），
三者累计占有总故障的９０．８５％．分析认为原因有
三 ：第一，卫星中含有的电子产品远超过机械部
件，产品基数大，因此故障次数也会相对较多；第
二，辐射、太阳风暴和电磁场等空间环境也主要影
响电子设备；第三，有些电子设备损耗比较大，如
电池等．
４）５３．５２％的故障都发生在发射人轨后的前两
分为电子类产品故障，电子类产品的故障又取决于
电子元器件的故障，因此电子元器件的“浴盆曲线”
规律会直接投射出卫星的故障规律．故在轨早期卫
星的故障率较高，随着时间推移故障次数逐渐降低．
但由图４可以看出在曲线末尾并未出现浴盆曲线
应有的翘尾现象，这是因为在统计ＣＡＳＴ９６８平台小
卫星的样本区问内，元器件还未到损耗期，因此目前
已有数据并不能看出浴盆曲线的尾部特征．
２．２姿轨控分系统分析
年，分析认为：电子元器件的故障一般呈现“浴盆曲
线”的规律 ，即早期因磨合等原因故障率一般较
高，中期故障率较低，后期因寿命和损耗原因故障率
又逐渐上升．而由上面第３点可知，卫星故障的大部
姿轨控分系统组件较多，包含不少关键产品，其
故障直接关系到整星安全．本节着重对姿轨控分系
统故障进行分析，从卫星１４２个故障中筛选出姿轨
控分系统故障共有２７个，以下为统计情况．
第５期 吕高见：ＣＡＳＴ９６８平台小卫星在轨故障分析和建议 ・６１・
３故障预防和设计建议
结合上述统计，给出与故障预防和设计相关的
建议：
１）充分开展ＦＭＥＡ分析：对各单机开展ＦＭＥＡ
分析工作，深入剖析单机可能发生的故障及原因，全
面分析故障发生后对系统的影响，并针对故障做好
充分的预案．查找薄弱环节并加以更改，尽量避免灾
难性故障和关键性故障单点失效．对可能出现灾难
性故障和关键性故障及单点故障的单机采取相应的
冗余措施，并根据相关准则制定可靠性关键项目的
跟踪和控制计划，确保所有产品的风险评价指数都
是可以容忍的．
２）加强抗辐照设计：从故障统计情况看，各分
系统受空间环境的影响较大，因此设计上应加强单
机产品和器件的抗辐照能力．硬件方面，尽量选用抗
辐照的元器件，除此之外硬件抗辐照加固设计还包
括资源利用率选取、ＥＤＡＣ（错误检测与修正）电路
设置、冗余设计（包括单机冗余和三模冗余）、硬件
计数器设置等方法．软件方面，设计师应严格按功能
进行模块化程序结构设计，使各模块保持高度的独
立性、单向性，并具有防范非法侵入的自保护措施，
设置指令重启、数据回读、三取二表决、反弹墙设计
和软件看门狗等 ．在故障产生后，设备应具备自
主纠错以及自主重启等功能，以实现解除单粒子翻
转、单粒子锁定等故障．
３）关键单机和电路的冗余设计：冗余（包括硬
件冗余和软件功能冗余）是提高卫星可靠性的主要
手段．关键单机如姿轨控分系统的执行机构、计算机
等都要有充分的冗余．
４）开展关键单机的长寿命高可靠性设计研究
和验证工作：对于蓄电池、太阳帆板驱动机构等，必
须通过提高产品寿命来降低在轨故障率 ．对于这
些单机应从原材料、工艺等方面加强长寿命设计，并
进行长寿命高可靠性验证专项试验．
５）加强地面试验验证：针对前面分析，大多数
的故障发生在卫星人轨后前两年，应加强地面试验
验证，充分考虑卫星环境试验条件，对卫星元器件进
行有效筛选，并增长地面试验时问，全面仔细判读试
验数据，使故障尽可能在地面试验阶段暴露．
６）通过故障诊断和灵活性设计手段，提高在轨
故障处理能力 ：通过航天器故障诊断技术，对故
障快速、准确的进行评估和预测．加强航天器的自主
故障诊断功能设计．从故障处理角度来看，航天器软
硬件可以进行灵活设计，预留接口，使地面人员在处
理故障时可以重新对硬件进行配置，或上注程序修
改软件缺陷．
７）欠配置情况下的系统重构能力设计：通过系
统级的欠配置运行能力设计，在系统出现部分单机
永久性故障时，能够自主／遥控转入欠测量姿态确定
方式或者欠驱动姿态控制方式，实现系统指标有限
下降后的在轨稳定运行．
８）严格把控地面各操作环节：针对地面操作引
起的在轨故障，应加强地面人员专业培训，加强上注
指令和数据块的复核复审工作，严格控制地面软件
版本，对地面设备定期检查．同时，星上软件可对上
注数据增加剔野措施，确保错误数据不引入系统．
４ 结 论
本文通过统计并分析ＣＡＳＴ９６８平台从２０００年
至２０１４年在轨发生的故障，分别从整星以及控制分
系统角度对故障发生的原因、故障发生时间、故障产
品类型分布等方面总结出故障发生的规律．最后针
对故障统计结果，分别从设计、测试、故障处理、系统
重构等方面对系统的故障的预防以及故障发生后处
理策略给出了建议．
参 考 文 献
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・
６２・ 空间控制技术与应用 第４１卷
（上接第５６页）
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４ 结 论
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ＷＡＮＧ Ｌ．ＹＵＡＮ Ｌ．ＤＡＩ Ｊ Ｆ．Ｔｉｍｅｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌ—
了特定约束条件下的时序设计思路及约束条件的满
足性．软件可靠性设计方面，使用ＳＦＭＥＡ方法识别
软件中的关键变量／器件，在此基础制定了单粒子效
应防护措施．本文对单片机软件的设计具有参考意
义，后续工作的研究重点是无系统软件支持下的单
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ｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ
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片机软件时序设计方法、无ＥＤＡＣ功能下的系统抗
干扰设计方法．
参 考 文 献
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作者简介：赵性颂（１９８３一），男，工程师，研究方向为
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３０１ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ａｖｉａｔｉｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｈｉｎａ．
嵌入式软件设计；董晓刚（１９７４一），男，高级工程师，
研究方向为嵌入式软件技术；杨晓龙（１９８７一），男，
工程师，研究方向为嵌入式软件设计；牛和明
（１９８３一），男，工程师，研究方向为嵌入式软件测试；
ＧＪＢ２８９Ａ一９７ ｄｉｇｉｔａｌ ｔｉｍｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｃｏｍｍａｎｄ／ｒｅｓｐ０ｎｓｅ
高猛（１９８２一），男，工程师，研究方向为嵌入式软
ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ｄａｔａ ｂｕｓ［ｓ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｓｃｉ一
件测试．