衛星導航定位系統與系統健康管理技術＊

趙 娜，劉春霞，孫 妍，李曉飛

（北京衛星導航中心，北京100094）

0 引 言

衛星導航定位系統主要通過衛星來測定用戶的位置，它可以解決任何時間任何地點的“何時？何地？何速度？”問題。最早建立的衛星導航系統為GPS系統。為了對抗美國，俄羅斯軍方建立了GLONASS。伽利略系統是歐洲對未來全球衛星導航系統的貢獻，中國正在建設第一代區域導航系統。衛星導航系統所包含的軟硬件設備類型復雜、數量繁多、規模龐大，同時集成度和復雜度較高，隨著衛星導航系統服務的不斷擴展和深化，系統穩定運行面臨著越來越大的困難和壓力。系統健康管理技術，即故障預測與健康管理（PHM）技術，可以利用盡可能少的傳感器來采集系統的各種數據信息，借助各種智能推理算法來評估系統自身的健康狀態，在系統故障發生前對其故障進行預測，并結合各種可利用的資源信息提供一系列的維修保障措施以實現系統的視情維修。通過論述衛星導航定位系統組成和運行現狀，鑒于PHM技術的優勢和應用，提出將PHM技術應用于衛星導航定位系統的運行維護過程中，以提高系統的維護效率、降低系統管理費用，增強系統服務的可靠性和穩定性。

1 衛星導航定位系統組成

衛星導航系統由空間段、控制段和用戶段組成。

1）空間段

為了提供連續的導航定位服務能力，每個導航定位系統的星座均包含足夠數量的衛星，以確保在每個站點可同時觀測至少四顆衛星（GPS／GLONASS／伽利略／北斗衛星導航系統信息比較如表1所示）。同時，每顆衛星都配有一個平臺，該平臺裝載原子鐘、無線電收發設備、微處理設備和各種操控系統的輔助設備。

表1 GPS／GLONASS／伽利略／中國衛星導航系統信息比較列表

2）控制段

控制段由控制中心、監測站和地面天線組成。

控制中心主要負責收集各個監測站的跟蹤數據，實時計算衛星軌道和時鐘參數等注入信息，并規劃調度地面天線向衛星進行注入，控制中心還負責衛星監控和系統管理。通常，控制中心由數據收發系統、數據處理系統、時間頻率系統和系統管理控制系統組成。

監測站主要負責對所有衛星導航信號進行連續監測，為系統軌道測定、電離層計算等數據處理提供觀測數據。主要由衛星監測終端、原子鐘、數據處理設備及數據通信設備組成。

地面天線主要根據控制中心的規劃調度向衛星發送控制指令和注入信息，同時接收衛星的遙測數據和測量數據。主要由發射鏈路、接收鏈路和回路驗證設備組成。

3）用戶段

用戶段主要由用戶終端組成，主要負責將衛星導航定位系統提供的導航信號和信息轉化為用戶關心的服務。

2 衛星導航定位系統運行現狀

衛星導航定位系統的發展經歷了從GPS獨霸天下到四大系統并存、相互促進發展的GNSS時代，它不僅在最近幾次戰爭中的精確打擊和聯合作戰方面發揮著越來越重要的作用，其拓展應用更是滲透到國民經濟、科學、社會和人民生活的方方面面，形成了大量的新興產業[1]。今后，衛星導航定位系統的發展趨勢主要包括：

1）系統現代化改造

在對星座進行不斷的補網、組網的同時，不斷提高導航信號設計及調制技術的綜合性能，強化抗干擾、反欺騙等安全措施，增強導航作戰能力。

2）系統間兼容互操作

隨著衛星導航定位系統的不斷增多，不論應用潛力有多大，不同系統間總存在某些“地方隔閡”，制約著GNSS應用的長期拓展。因此，解決不同系統間的兼容互操作問題，是未來必須面對和解決的一大挑戰。

3）用戶接收機的高度集成化

為了解決“城市峽谷”的信號阻擋和其他極端環境下的信號接收問題，作為GNSS信號和編碼數量的日益增多的一個必然結果，更小、更輕、更多功能的高度集成化用戶接收機是未來發展的一大主題。

4）應用領域的不斷擴展

在憧憬美好前景的同時，我們必須清楚的認識到，衛星導航定位系統的建設和發展時間跨度長、經費投入大，自首顆衛星發射到系統正式運行都至少經歷了十幾年左右的歷程（如表1所示）。隨著系統運行時間的逐步增長，衛星及地面系統各類軟硬件設備將逐步接近使用壽命，設備的長期損耗和老化，是威脅系統正常運行的重要因素之一。為了確保系統的連續穩定運行，對系統所有軟硬件設備進行及時維護，不但可以大大降低維護成本，同時可以為系統的長期戰略發展提供保障條件。

3 PHM技術的應用和發展

PHM的關鍵技術主要包括先進的傳感器技術、嵌入式測試診斷技術、數據傳輸技術、數據挖掘與信息融合技術、健康評估與故障預測技術和智能推理與決策支持技術[2]。它對裝備維修保障具有重要意義，主要包括：

1）基于PHM的視情維修方式可以很好地解決盲目修理或失修問題。

2）PHM系統可依靠其強大的狀態監控和故障預測能力，事先做出維修決策，減少維修次數，縮短維修時間，提高裝備的維修保障效率和戰備完好率。同時，可降低維修保障費用，提高經濟效益。

3）通過對裝備狀態的健康評估，實時掌握其運行狀況，及時處理存在的問題，可極大地降低執行任務過程中故障引起的風險，提高遂行任務的能力。

4）在健康評估和故障預測的基礎上，通過PHM系統中的決策支持系統可協同各個相關部門，優化資源配置，簡化工作流程，解決傳統維修保障模式“小而散”和保障效率低下的問題。

目前在國外尤其是美國，各種PHM系統已經逐步得到應用。在早期，PHM技術首先在陸軍裝備的直升機上得到了應用，形成了健康與使用監測系統（HUMS）。在航天領域，則早于20世紀70年代就提出了航天器綜合健康管理（IVHM）的概念。在國防部門和各軍種，隨著故障監測和維修技術的迅速發展，先后開發應用的有飛機狀態監測系統（ACMS）、發動機監測系統（EMS）、綜合診斷預測系統（IDPS）以及海軍的綜合狀態評估系統（ICAS）等。在國內，北京航空航天大學可靠性工程研究所較早地開展了PHM系統方法和技術應用方面的相關研究。

4 衛星導航定位系統的健康管理框架

衛星導航定位系統的空間段（即衛星系統）和控制段（運行控制系統）是生成和發播導航服務的基礎設施，只有在衛星系統和運行控制系統正常運行的條件下，用戶才能享用到系統提供的各類導航服務。因此，主要對衛星系統和運行控制系統的健康管理框架的建立進行討論。

4.1 設備健康狀態分類

衛星系統和運行控制系統所包含的分系統和設備數量巨大，工作頻段跨度大，工作原理和功能各不相同，但從健康管理的角度可統一分為：正常、錯誤、異常、故障和損壞5種情況[3]。

1）正常

設備按預定方式運行，按規定性能指標完成全部預定功能。

2）錯誤

錯誤是設備或程序在運行中偶發的、非常駐的、非預定狀態，錯誤可由于瞬時環境因素超限（如外部強干擾）引起，或由級聯故障引起。這是一種短時間的非穩恒的狀態，在消除引發錯誤的環境因素或級聯故障后，設備能自動恢復預定運行狀態，或通過復位、重啟等方式實現自修復。

3）異常

異常是產品偏離預定運行方式或規定功能范圍的狀態，表現為功能降級。異常多由于設備內部某些電路器件在某些臨界外部條件（如溫度）的作用下偏離預定工作狀態所致，是敏感于相應條件并在該條件下會重復出現的狀態。

在引發異常的外部因素消除后，設備多能自動恢復預定運行狀態。為保證設備在規范要求的范圍內可靠地工作，應及時對出現異常的設備進行調整或采取維修措施。

4）故障

故障是產品不能執行規定功能的狀態，表現為功能喪失。故障雖然可能以環境因素為誘因，但其內在原因主要是設備存在設計缺陷，或運行中電子器件因不能承受外部應力而發生內部硬件損傷或固件失憶。可采取故障禁錮、余度、容錯等設計措施使系統或設備在出現故障時保持工作能力。為保證設備今后可靠地工作，必須對出現故障的設備進行檢測和維修，排除故障。

5）損壞

損壞是產品中故障部件不可恢復的、不能執行規定功能的狀態。損壞的產品可能通過更換故障部件等維修措施加以修復，也可能無法修復而報廢。

根據以上定義，認為狀態1）和2）屬于健康，3）屬于亞健康，4）和5）屬于疾病。

4.2 系統健康管理框架組成

基于PHM的管理概念，衛星導航定位系統的健康管理框架主要由系統健康監測模塊、系統健康評估和管理兩大模塊組成，具體結構如圖1所示。

圖1 衛星導航定位系統健康管理系統框架

4.2.1 系統健康監測系統

衛星系統和運行控制系統的健康監測主要包括歷史信息數據庫、設備狀態實時監測系統和環境監測系統三大模塊。

1）歷史信息數據庫

歷史信息主要包括設備基本信息、設備維護記錄以及運行過程中出現的健康問題等。

設備基本信息主要來自設計和生產過程的表征設備正常／故障狀態的技術數據，主要用于界定設備的健康狀態。

設備維護記錄為設備正式上線運行后，歷次維護過程中記錄的相應狀態信息，可以用來評估設備的健康狀態、預測可能出現的故障問題，為設備后期維修計劃的提供決策依據。

對于運行過程中出現的健康問題，詳細記錄其故障現象、排查流程、機理分析和解決措施，及時進行分類收集、共性分析和歸納整理，建立故障快速診斷系統，不但可以大大縮短故障排除和狀態恢復的時間，同時可以針對系統可能出現的故障給出預警信息，以便系統對相應的設備進行視情維修。

根據系統組成和設備類型，衛星系統和運行控制系統分別建立相應的歷史信息數據庫后，需要不斷根據系統的實際運行狀況進行實時更新和維護，使其更加準確、全面的表征系統的真實狀態。

2）設備狀態實時監測系統

設備狀態實時監測系統主要負責對衛星系統和運行控制系統關鍵設備的主要參數進行實時監測，各關鍵設備的主要參數分別由其內部傳感器負責采集和輸出，經過數據匯總處理，給出相應的告警信息。重點監測參數主要根據各系統（設備）的功能和健康特性進行選定。衛星系統和運行控制系統需要重點監測的系統（設備）及其關鍵參數如表2所示。

表2 重點系統（設備）及其關鍵參數實例列表

3）環境監測系統

環境監測系統主要完成空間電磁環境監測、地面干擾監測和氣象數據監測。空間電磁環境監測主要由空間環境監測專用設備完成，可以借用專項研究中心的結果，提取出對衛星系統正常工作可能產生影響的信息，進行預報監測。地面干擾監測系統需與運行控制系統并置建立，主要對運行控制系統周圍的電磁環境進行監測和預警。氣象數據監測主要對溫度、振動、濕度進行監測，

4.2.2 系統健康評估和管理系統

系統健康評估和管理系統包括告警信息綜合處理模塊、健康評估模塊、故障預測模塊和自動推理決策模塊。

1）告警信息綜合處理模塊

告警信息綜合處理模塊主要對系統健康監測系統給出的各類告警信息進行分析、整理和匯集。

2）健康評估模塊

根據各分系統（設備）的告警信息，健康評估模塊判別其對應的健康狀態。

3）故障預測模塊

根據不同設備的故障產生機理，分別采用不同的預測方法。

基于性能參數的預測：該方法適用于主要性能指標具有連續變化范圍的設備。在設備性能指標給出額定值和容限的基礎上，通過加速失效試驗，建立參數變化與故障（參數與壽命）的定量關系，用于故障預測。

基于基本工作狀態的預測：該方法適用于基本工作狀態數據可以反映健康狀況的設備。例如，衛星系統的星載鐘，當燈電壓參數超限時，即說明目前該星載鐘的工作處于異常狀態，需要進行衛星鐘切換操作。

基于健康狀態的預測：根據健康監測系統給出的設備健康狀態，同時結合設備的工作特性進行故障預測。該方法適用于處于亞健康狀態時仍能繼續工作的設備。該類設備在這種狀態下工作不穩定，隨著時間的增長其健康狀態將繼續惡化，最終導致設備故障。故障預測模塊需要根據設備從亞健康到故障隨時間的變化關系，進行相應的故障預測。

基于預警元件的預測：根據系統的長期運行經驗或充分的驗證試驗，當某項性能參數超過特定范圍或設備工作狀態出現異常時，將預示某設備、系統即將出現故障或性能出現下降。對于該類參數或設備進行重點監測，制定合理的預警時間和預警范圍，可以及時、有效的避免故障發生。

基于壽命的預測[4]：對于電子器件，例如電池、指示燈等，在其產品指標中有明確的壽命限制或動作次數限制。對這些電子器件，可使用卡爾曼濾波模型對基于多狀態信息的剩余壽命進行預測，在器件使用到壽命后期時及時做出故障預報，予以更換。該方法在濾波理論的基礎上，借助于概率統計理論，通過剩余壽命預測模型的建立及參數估計，有助于維修管理人員從定量的角度根據設備的狀態信息確定其剩余壽命。

4）自助推理決策模塊

自助推理決策模塊接收來自告警信息綜合處理模塊、健康評估模塊和故障預測模塊處理的數據，結合系統工程建設任務安排，以系統可靠性最優、維修成本最小等目標做出維修決策，確立最佳維修時機。

5 結 論

隨著PHM技術在軍事和民用領域的廣泛應用，世界各國對PHM技術的興趣日漸濃厚。各國衛星導航定位系統在不斷升級換代、逐步追求技術創新和應用拓展的同時，作為涉及領域廣、設備組成復雜的工程系統，隨著運行時間的逐漸增長穩定運行將面臨著嚴峻的挑戰。借鑒PHM概念和技術，構建了衛星導航定位系統的健康管理框架，為實現智能化的系統健康評估和管理維護奠定了基礎。

[1]霍夫曼－韋倫霍夫，利希特內格爾，瓦斯勒.全球衛星導航系統[M].北京：測繪出版社，2009.

[2]孫 博，康 銳，謝勁松.故障預測與健康管理系統研究和應用現狀綜述[J].系統工程與電子技術，2007，29（10）：1762－1767.

[3]馬颯颯，陳國順，方興橋.復雜裝備故障預測與健康管理系統初探[J].計算機測量與控制，2010，18（1）：1－4.

[4]韓國泰.航空電子的故障預測與健康管理技術[J].航空電子技術，2009，40（1）：30－38.