3. 航天器状态与状态转换建模

航天器在轨运行期间，其行为并不是连续变化的“模拟量”，而是由一系列离散的工作状态以及状态之间的迁移构成。例如太阳翼展开前处于“发射锁定态”，入轨后进入“展开态”，展开到位后进入“对日定向态”；一旦姿态偏差超限，又可能进入“安全态”。要对这些行为进行测试与验证，首先必须把航天器抽象成可计算、可判定的模型。本节讨论的核心，就是如何用状态变量、状态空间、转换条件、转换触发源以及状态机/模式机表示方法，把航天器的行为“写清楚、画明白、测得到”。

一、状态变量：把“现在处于什么情况”量化

状态变量是描述航天器当前状况的最小一组可观测或可推断的量。它必须满足一个关键性质：只要知道当前时刻全部状态变量的取值，再加上未来的输入，就能唯一确定未来的行为。这就是状态变量的“无记忆性”要求。

在工程实践中，状态变量通常分为三类：

• 离散状态变量：如工作模式 mode ∈ {发射态, 展开态, 对日态, 安全态}，取值是有限枚举。
• 连续状态变量：如姿态角、角速度、母线电压、蓄电池荷电状态 SOC，取值是实数区间。
• 布尔/事件变量：如“太阳翼到位标志 flag_wing_deployed”“火工品已解锁 flag_pyro_armed”，取值只有 0/1。

以某低轨遥感卫星为例，可定义状态向量：

X = [ mode, θ_roll, θ_pitch, θ_yaw, ω_x, ω_y, ω_z,
      V_bus, SOC, T_battery, flag_wing, flag_sun_acquired ]

其中 mode 是离散模式，其余为连续量或布尔量。测试时，我们并不需要监控全部变量，而是选取对状态判定有决定作用的“关键状态变量”，例如 mode、SOC、flag_sun_acquired。状态变量的选择直接决定了状态机能否被正确判定，选少了会漏判，选多了会引入冗余和噪声。

二、状态空间：所有可能状态的集合

状态空间是状态变量所有合法取值的组合集合。对离散模式而言，状态空间就是模式枚举的笛卡尔积；对连续量而言，它是一个多维实数空间中的可行域。状态空间的意义在于：它划定了“航天器可能处于哪些情况”的边界，任何不在状态空间内的取值组合都意味着模型错误或遥测异常。

例如，若定义 mode ∈ {发射态, 展开态, 对日态, 安全态}，flag_wing ∈ {0,1}，则理论上存在 4×2=8 种组合。但物理上“发射态且太阳翼已展开”是不可能的，因此合法状态空间只有 6 种。测试用例设计时，正是要覆盖这些合法状态，并验证非法组合不会被误判为合法状态。

三、转换条件与转换触发源

状态转换不是凭空发生的，它由触发源引发，并需满足转换条件。触发源是“谁发起了这次转换”，转换条件是“在什么前提下才允许转换”。二者缺一不可。

常见触发源包括：

• 遥控指令：地面发送的模式切换指令，如“转入安全模式”。
• 程控指令：星上时序程序按时间自动发出，如入轨后 120 s 自动展开太阳翼。
• 自主判据：星上软件根据状态变量判断，如 SOC < 20% 触发节能模式。
• 内部事件：如“太阳翼到位开关闭合”产生的事件信号。
• 故障保护：如姿态偏差超限触发安全态。

转换条件则是对触发源和状态变量的联合约束。例如“由对日态转入安全态”的条件可写为：

trigger = 自主判据 OR 遥控指令
condition = (|θ_err| > 5°) OR (SOC < 15%) OR (V_bus < 26 V)

注意：触发源回答“谁按下了按钮”，转换条件回答“按钮按下时门是否开着”。测试中常见的缺陷正是“触发源到了但条件不满足”或“条件满足但触发源丢失”，导致状态卡死或误迁移。

四、状态机与模式机表示方法

状态机（State Machine）和模式机（Mode Machine）是描述状态转换的两种常用表示。二者本质相通，但侧重点不同：状态机强调“状态+迁移+动作”，模式机强调“模式层级与模式切换”。在航天器建模中，通常采用层次化状态机：顶层是模式机，描述发射态、对日态、安全态等大模式；每个模式内部再嵌套子状态机，描述该模式下的具体工作流程。

常用的表示方法有三种：

• 状态迁移图：节点表示状态，有向边表示迁移，边上标注“触发源/条件/动作”。
• 状态迁移表：行是当前状态，列是触发事件，单元格是目标状态与动作，适合测试用例自动生成。
• 层次状态图：用嵌套框表示父子状态，适合表达“安全态内部又分待机、消旋、对日”等层次结构。

下面用一张状态迁移图，把本节的核心对象——状态、转换条件、触发源、动作——集中表达出来。图中以某遥感卫星的四个顶层模式为例，边上的标注格式为“触发源 / 条件 / 动作”。

从图中可以清楚看到：每个状态是一个节点，每条边是一次迁移，边上的三段信息分别对应触发源、转换条件、动作。测试用例设计时，可以逐条边构造“满足条件”和“不满足条件”两组输入，验证迁移是否按预期发生或保持原状态。

五、建模到测试的落地要点

把上述模型用于测试，需要完成三件事。第一，状态变量可观测：每个状态变量都要有对应的遥测点或可推断来源，否则状态机无法判定。第二，转换条件可注入：触发源和条件要能通过遥控、程控或仿真注入方式人为构造，例如把 SOC 阈值从 15% 临时改为 50% 以便快速触发。第三，迁移结果可判定：每次迁移后要能读出目标状态和动作执行结果，例如“安全态下太阳翼停止展开”可通过 flag_wing 保持 0 来验证。

综上，状态变量定义“看什么”，状态空间定义“可能在哪”，转换条件与触发源定义“怎么变”，状态机/模式机定义“怎么画、怎么测”。四者构成航天器状态与状态转换建模的完整链条，也是后续状态转换测试用例设计与执行的基础。