航天器地面健康管理验证系统设计与实现

房红征，张 瑞，罗 凯，李 蕊，王晓栋

(1.北京航天测控技术有限公司，北京 100041；2.北京市高速交通工具智能诊断与健康管理重点实验室，北京 100041；3.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳 110015)

0 引言

故障预测与健康管理(PHM)技术可以减少各种类型的在轨航天器的意外风险，已经成为提高航天器的可靠性、维修性、测试能力和安全性的关键技术。作为整个航天器健康管理系统的核心，地面健康管理系统主要为航天器技术人员提供对航天器的试验、运行和管理过程中的数据分析、诊断、预测等服务。在航天器地面健康管理系统的设计开发过程中，验证是非常重要的阶段，通过研究和开发相应的航天器地面健康管理系统验证方法、评价体系并实现相应的验证系统，将有效地提高PHM系统验证的可信度，有效减少人力需求、拓展系统功能、提升技术水平、保障航天器健康管理系统的稳定性额可靠性。

验证评估技术目前已成为PHM技术研究的一个重要方向[1-3]。国外通过近年的研究，已形成了较为成熟的验证系统平台和工具[4-8]，例如美国Impact公司与乔治亚理工学院合作研发的JSF的PHM验证系统平台，形成了一套基于网络的综合软件应用集成工具，为美国联合攻击战斗机(JSF)系统供应商提供PHM的验证与确认(V&V)工具；美国波音公司的RITA HUMS的度量评估工具(MET)，与诊断数据库一起，提供了用于估计和记录基于振动的诊断算法的性能的工具平台；美国海军增强型预测诊断系统的V&V工具，可基于大量数据和蒙特卡罗模拟法形成足够的统计基准来评估诊断和预测算法的性能和效力。国内在航空航天领域也开展了PHM验证技术和系统研究[9-15]，提出了一些验证评估的指标体系和方法，但在如何用于具体工程应用方面仍然处于探索研究阶段。

本文针对航天器地面健康管理验证系统研究目前存在的验证指标及技术框架不够通用明确的问题，提出了一种基于大数据的航天器地面健康管理系统设计思路，在PHM验证评估指标体系和方法研究的基础上，结合实际航天器测试保障需求，设计实现了基于仿真和试验验证的航天器地面健康管理验证系统并进行了应用验证，有助于解决航天器等复杂装备系统PHM能力验证评价困难的问题，为促进航天器PHM系统工程进程进行了有益探索。

1 航天器地面健康管理系统定位和工作流程

一种基于大数据的航天器地面健康管理系统的总体架构如图1所示[16-17]，主要工作包括：

图1 航天器地面健康管理系统的总体架构示意图

1)故障诊断预测评估模型构建。知识模型构建是保证航天器地面系统应用的基础，地面系统为航天器各分系统技术专家提供了知识创编功能，以完成对已有知识和本项目研究、验证知识模型集成，并利用提供的数据验证功能，完成知识模型的初步检验，形成初步的知识模型库。

2)航天器地面测试与在轨遥测应用。通过将本系统与地面实时测试数据、在轨实时遥测数据进行对接，实时获取多星实时数据，利用系统提供的诊断、预测应用，实现对异常检测、故障定位、故障与寿命预测等应用，为地面运管人员提供决策支持

3)结果的人工分析与干预。由于航天器在轨工况复杂、环境干扰多，导致故障模式异常复杂，整个地面系统应用过程中可能会遇到系统知识不足、无法识别故障等情况。本系统为相关技术人员提供航天器数据事后分析计算功能，通过数据挖掘、人工比对等方法进行人工故障分析，并对分析结果进行干预处理。

4)机器学习与数据归档。地面系统提供诊断、预测与评估数据自动归档功能，并在归档过程中，自动调用系统机器学习算法，对已有知识、模型进行自学习计算，优化原有知识规则门限及模型参数，实现系统自主熟练。同时，为用户提供选择训练数据，进行算法模型精度优化分析工具，实现人工优化知识。

2 航天器地面健康管理平台验证评估指标和方法

2.1 验证评估指标体系

装备PHM系统级要求通常可以分成三类：安全、成本和性能[18-19]。航天器地面健康管理系统的目标是能够通过提高可靠性和可用性来确保航天器的安全，并最大限度地减少额外成本，从而维持航天器系统性能。根据不同人员在健康状态感知全寿命周期中的作用，可以将其进一步分成3类：1)作业(关键部件/分系统/整星/星座管理员、业务应用、运行管理和维护人员等)；2)监管者(决策者)；3)工程设计人员(总体单位设计/研究人员等)。因此需要针对这些不同用户群来考虑地面PHM系统的能力评估与度量指标。依据系统的设计要求、运行和成本要求、算法性能要求、工作模式，总结出健康状态感知能力评估指标分类如表1所示，具体包括：

表1 航天器地面PHM系统能力验证评估指标

2.1.1 设计能力评估指标

1)失效覆盖率。健康状态感知所覆盖的失效数与作为健康状态感知候选对象的严重失效总数之比。

2)系统覆盖率。健康状态感知所覆盖的重要部件/分系统的比例，要求将系统划分成若干个具有严重关键度的独立模块。

2.1.2 成本能力评估指标

1)计算性能指标。有助于制定硬件要求或软件必须工作的约束条件，且仍需满足算法的性能要求，并对系统工程设计和实施成本产生影响。主要包括：

(1)计算复杂度。描述算法运行(独立于软件和硬件实现)所需的时间。

(2)CPU时间。度量中央处理器执行软件所花费的时间，规定了算法/软件实现和其搭载硬件运行的组合性能。

(3)其他指标。如运行时间、内存大小、数据速率等。

2)费效指标。用于从经济性上进行健康状态感知的性能评价。如投资回报率(ROI)，通过“采用非计划性维修进行管理时系统的寿命周期费用”与“在使用健康状态感知方法进行管理时系统的寿命周期费用”之差与“实现和管理见状态感知所花费的投资”的比值来实现。

2.1.3 算法性能评估指标

1)故障诊断算法性能度量。

(1)故障检测率(FDR)。在规定时间内，由航天器PHM系统正确检测的故障数量与该时间内发生的故障总数之比，计算公式如下：

(1)

式中，NT、ND分别表示PHM系统在规定时间内发生的故障总数和正确检测到的故障总数。

(2)故障隔离率(FIR)。在规定的时间内由PHM系统正确隔离到单个LRM/LRC的故障数量与该时间内PHM系统正确检测的故障总数之比。计算公式如下：

(2)

式中，ND、NL分别表示PHM系统在规定时间内正确检测的故障总数及正确隔离到单个LRM/LRC的故障总数。

(3)虚警率(FAR)。计算公式如下：

(3)

式中，NFA为虚警次数；NFD为检测出的故障次数，TFH为PHM工作时间。

(4)平均虚警间隔时间(MTBFA)。在规定的时间内，产品累计的运行小时数与该时间内PHM系统累积虚警次数之比，计算公式如下：

(4)

式中，NFA为虚警总次数；T为PHM运行总时间。

其他故障诊断评价指标还包括稳定性、工况敏感度、噪声敏感度、总体置信度等。

2)故障预测算法性能度量。

(1)预测准确率。计算公式如下：

(5)

式中，Lri为第i次真实结果，Lpi为第i次预测结果。

(6)

(3)预测相对误差。预测点的绝对误差与预测对象的观测值之间的比值。计算公式如下：

(7)

其他故障诊断评价指标还包括预测覆盖率、置信度、相似度、灵敏度等。

3)健康评估算法性能度量。主要指标为健康康状态评估准确度。

4)维修决策算法性能度量。包括MTBF(平均无故障工作时间)、MTTR(平均修复时间)、MTBUR(平均非计划拆换间隔时间)等。

2.2 验证评估方法

航天器健康管理系统验证评估方法主要包括仿真验证、试验验证和评估验证等方法[20-21]，实现对航天器健康管理系统的功能和性能指标进行验证和评价，如图2所示。

图2 航天器地面健康管理系统验证评估方法示意图

2.2.1 仿真验证方法

该方法主要针对航天器系统PHM试验成本高或不适合做实物试验的场景，采用基于数字仿真模型的方式代替实际的航天器系统进行试验验证，针对特定工况建立数学物理模型模拟系统实际运行情况，用定量的方法分析系统运行过程。优点是可以适当降低对航天器实物验证试验需求，不足是对数学模型有较高的精度要求。由于航天器的可靠性程度较高，因此在轨实际运行过程得到的故障案例有限，很多故障真实航天器上无法注入，因此需要搭建基于仿真的半物理仿真验证平台进行必要的验证。具体内容包括诊断预测等算法仿真验证、故障半物理仿真、指标仿真验证等。

2.2.2 试验验证方法

对于定量评估要求，如果工作条件不具备，可以用该方法加以补充。试验验证该方法按照预定的试验方案和计划，在规定的条件下针对航天器实物进行故障或故障趋势的模拟和注入，获得与健康管理系统验证相关的有关数据，通过分析、处理、计算与评定等过程，确定被验证的参数指标是否符合规定要求所采用的一种验证方法。具体内容包括航天器单机测试性设计验证试验、寿命试验等，以及系统级的大型环境试验等。

2.2.3 评估验证方法

在航天器系统样本量少、数据量不足等情况下可以考虑试用该方法，一方面可以针对健康管理技术定量要求，按照用户认可的计算、分析、评估模型和计算方法，利用试验或在轨运行中已经得到的遥测数据，以及系统的测试试验等数据进行分析评估，判定航天器系统健康管理水平是否满足规定要求；另一方面可以将待验证航天器产品同已经通过验证或实际使用结果证明满足要求的相似产品，进行功能、使用环境条件、诊断预测能力等方面的对比分析，根据相似产品验证结果得出航天器产品健康管理技术水平是否满足要求。具体内容包括历史数据评估、在轨评估验证等。

3 航天器地面健康管理平台验证系统设计

航天器地面PHM验证试验主要用于验证地面健康管理系统的数据接口和故障诊断、预测、评估和决策等功能。设计了相关验证系统，架构如图3所示。

图3 航天器地面健康管理验证系统架构图

在基于仿真的验证流程中，地面验证系统采用了基于模型的系统设计技术，首先根据航天器各部件工作机理和故障机理进行原理建模，构建航天器环境模型库、故障模型库和退化模型库，然后利用航天器历史试验数据与在轨运行数据进行模型修正，将得到的修正后模型用于系统设计与集成。在系统运行阶段，验证平台通过效果评价软件发送验证指令至仿真调度软件，仿真调度软件加载并运行集成后的模型，生成仿真数据发送至可编程接口单元，接口单元加载接口报文配置，将仿真数据组帧以模拟卫星实际健康数据流，通过星地链路模拟器传至地面系统，地面系统完成分析工作后将分析结果反馈至验证效果评价软件，后者根据反馈结果计算健康管理系统的检测率、虚警率等指标，实现闭环验证。

在基于历史数据的研制流程中，验证平台通过效果评价软件发送回放验证指令，选择导航、遥感等不同类型的相关历史在轨数据，发送至地面健康管理系统，用于验证诊断、故障预测、寿命预测等系统功能。

其中，航天器数字故障仿真、半物理仿真验证主要工作流程如图4(a)所示。历史数据回放验证在开始时采用数据库接口程序，按照数据库链接、数据库操作、数据抽取、数据返回以及转发流程实现数据回放启动控制。具体流程如图4(b)所示。

图4 航天器地面健康管理验证系统工作流程

4 验证系统实例分析与验证

利用通用故障预测与健康管理开发工业软件实现了航天器地面健康管理系统以及验证系统，选取了导航、遥感等多个卫星的控制、电源、热控、测控等分系统的遥测参数和故障模式，结合数字仿真、半实物仿真、在轨历史数据等进行了航天器地面PHM系统的故障诊断、预测、评估等功能和性能的验证，其中诊断、预测部分验证情况说明如下。

4.1 帆板跟踪太阳异常故障诊断验证案例

该故障原因主要包括模拟太阳敏感器故障(无输出和输出异常)、控制计算机工作异常(驱动控制单元对外接口故障)、SADA工作异常(驱动机构堵塞卡死、信号环短路和传动机构失效等)，在发生故障后，系统主要表现为输出特征参量为0。帆板无法正常捕获太阳将导致卫星帆板展开异常。采用地面数字故障/半实物仿真系统控制分系统仿真数据进行验证，采用单测点、多工况分时序和多个测点同时注入的方式进行帆板无法正常捕获太阳故障仿真，利用航天器健康管理地面系统的状态监测与诊断软件进行故障诊断，验证相关性故障诊断模型，并生成故障诊断结果。以驱动机构堵塞卡死为例说明，主要步骤包括：

1)验证开始。进入地面验证效果评价软件，选择“ASS2无输出传动机构失效”用例，并查看用例故障描述及主要原因。如图5所示。

图5 地面验证效果评价软件进行典型故障诊断验证设置

2)故障注入。在地面验证效果评价软件执行测试用例，在故障仿真设置之后驱动地面仿真系统开始仿真。该故障具体的仿真设置包括：工况设置：星箭分离消偏/帆板展开；工况判定：指向太阳；注入故障：驱动机构失效故障注入。如图6所示。

图6 地面仿真系统进行典型故障诊断仿真设置

3)故障诊断。在地面PHM系统中进入状态监控与诊断软件，进入帆板跟踪太阳异常故障诊断任务，采用相关性模型对进行诊断，查看故障诊断结果。如图7所示。

图7 航天器地面健康管理系统典型故障诊断界面

4)结果确认。返回地面验证效果评价软件，查看用例执行后接收到的诊断结果与故障注入结果一致性，记录验证结果。对该故障的控制系统仿真数据进行15次诊断验证，均能进行正常诊断。

4.2 太阳电池阵输出功率下降预测验证案例

该故障原因为太阳电池阵性能退化，表现为-Y或+Y分阵功率下降，与太阳辐照、太阳光入射角度、电池阵损伤因子等多因素相关。本验证采用基于数据驱动的AR预测模型，利用某导航卫星2005-2008年的在轨遥测数据对太阳电池阵输出功率进行预测分析验证，主要步骤包括：

1)验证开始。进入地面验证效果评价软件，查看太阳电池阵输出功率下降故障模式，选择相关用例，配置历史数据回放文件进行回放，启动验证用例。如图8所示。

图8 地面验证效果评价软件进行典型预测验证设置

2)故障预测。进入地面PHM系统的“故障与寿命预测软件”，查看“太阳电池阵输出功率下降”任务以及故障预测结果，按照预警门限进行监视。如图9所示。

图9 航天器地面健康管理系统典型预测界面

3)结果确认。返回地面验证效果评价软件，查看用例执行后接收到的预测结果，此次预测准确率为93%，确认预测成功和正确性。如图10所示。

图10 地面验证效果评价软件显示预测性能评价

4.3 故障诊断与预测综合分析验证案例

按照第3节所示方法和步骤选取多个卫星、分系统和诊断方法进行了航天器地面PHM系统的故障诊断验证，综合分析结果如表2所示，可见取得了较好的诊断效果。

表2 PHM验证系统故障诊断验证指标分析表

按照第3节所示方法和步骤选取多个卫星关键部件和预测方法进行了航天器地面PHM系统的故障预测验证，综合分析结果如表3所示，取得了较好的预测效果。

表3 PHM验证系统故障预测指标分析表

5 结束语

航天器地面PHM验证系统技术通过实现对现有PHM研究成果的有效验证与评价，发现PHM系统研究和设计过程中存在的缺陷，为PHM系统设计提供信息一遍采取改进措施，从而推进PHM系统的实际工程应用，因此已成为一个非常富有挑战性和迫切需要解决的问题。本文设计并实现了一种基于仿真和试验验证的航天器地面健康管理验证系统，通过仿真和在轨数据试验，可以提高PHM能力评估的准确度和效率，降低PHM验证成本，将对航天器等复杂装备测试保障工程产生积极的影响。