衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)研究

黎媛捷 徐敏兒 張國勇

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

1 引言

隨著我國航天事業(yè)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星的發(fā)展呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）應(yīng)用范圍廣。衛(wèi)星已經(jīng)融入日常生活中，例如，通信、導(dǎo)航、天氣預(yù)報(bào)、環(huán)境監(jiān)測等都離不開衛(wèi)星，人們對衛(wèi)星的依賴度越來越高。（2）造價(jià)高昂。隨著技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星功能越來越強(qiáng)，性能指標(biāo)越來越高，這就使得衛(wèi)星的造價(jià)也越來越高，每顆少則數(shù)億元，多則十幾億甚至幾十億元。（3）設(shè)計(jì)復(fù)雜。以上海航天技術(shù)研究院研發(fā)的衛(wèi)星為例，衛(wèi)星設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，涉及的元器件數(shù)量也越來越多。（4）壽命延長。以某型號衛(wèi)星為例，01批要求3年壽命，02批要求5年壽命，03批則要求達(dá)到8年壽命，有的衛(wèi)星甚至要求15年或更長的壽命。

衛(wèi)星的應(yīng)用越廣、功能越強(qiáng)，意味著衛(wèi)星一旦發(fā)生故障，造成的影響及經(jīng)濟(jì)損失也就越大，這就對衛(wèi)星的可靠性提出了更高的要求；加之對于衛(wèi)星壽命指標(biāo)的要求提高，對衛(wèi)星可靠性的要求達(dá)到了幾乎苛刻的程度。每顆衛(wèi)星都有幾千條遙測參數(shù)，衛(wèi)星功能或性能出現(xiàn)異常時(shí)，可以在遙測中體現(xiàn)出來，在地面測試及在軌運(yùn)行期間，通過地面監(jiān)測軟件對衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視并實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。目前，通常預(yù)先由設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定各遙測的正常閾值，當(dāng)遙測超出設(shè)定的正常閾值范圍時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。由于這種方法過于依賴設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)，且確定的范圍往往過大，不能準(zhǔn)確反映衛(wèi)星的真實(shí)工作狀況，因此這種方法可能會出現(xiàn)漏報(bào)等情況。該方法難以及時(shí)檢測遙測之間相對關(guān)系的改變、趨勢性變化，導(dǎo)致故障檢測時(shí)刻滯后，延誤故障處理良機(jī)，從而有可能造成故障惡化。針對現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，本文提出了衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)思路，闡明了系統(tǒng)的工作原理、工作流程，定義了各模塊的功能及接口關(guān)系，并基于某型號衛(wèi)星地面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠較目前的故障檢測系統(tǒng)更早地發(fā)現(xiàn)故障，甚至能夠發(fā)現(xiàn)原有系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的趨勢性故障，對充分暴露衛(wèi)星缺陷、提高在軌衛(wèi)星可靠性具有重要意義。

2 衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)原理

超限報(bào)警方法是一種單維遙測報(bào)警方法，即把衛(wèi)星的每個(gè)遙測作為獨(dú)立變量設(shè)定閾值，這種方法對狀態(tài)量遙測是適用的；對于連續(xù)型變量（如電流、溫度等）的遙測，由于遙測變化范圍較大，因此只能設(shè)定一個(gè)范圍較寬的閾值。當(dāng)遙測在閾值范圍內(nèi)發(fā)生如圖1所示的形態(tài)異常時(shí)，則該方法無法有效識別；當(dāng)遙測發(fā)生圖2所示的緩慢趨勢性異常變化時(shí)，該方法也不能立刻識別；只有當(dāng)遙測超出閾值時(shí)，系統(tǒng)才能識別故障，從而造成故障識別時(shí)間滯后。

為了彌補(bǔ)原有故障檢測系統(tǒng)的不足，本文提出的衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)采用了一種截然不同的思路。該系統(tǒng)包含多個(gè)分系統(tǒng)，各個(gè)分系統(tǒng)又由許多模塊或部件組成，它們之間存在著物理或邏輯關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此該系統(tǒng)利用了遙測參數(shù)之間的邏輯關(guān)聯(lián)性來進(jìn)行衛(wèi)星狀態(tài)檢測。當(dāng)衛(wèi)星正常運(yùn)行時(shí)，遙測參數(shù)之間符合一定的邏輯關(guān)系，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，遙測之間的邏輯關(guān)系發(fā)生改變，即進(jìn)行衛(wèi)星狀態(tài)報(bào)警。該方法在一定程度上彌補(bǔ)了原有系統(tǒng)的不足，可以作為原有系統(tǒng)的補(bǔ)充。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)由基礎(chǔ)支持庫、離線處理模塊、模型庫、在線處理模塊、報(bào)警模塊、二次開發(fā)模塊及管理模塊等幾個(gè)部分組成，如圖3所示。

（1）基礎(chǔ)支持庫。基礎(chǔ)支持庫為系統(tǒng)提供了基本的輸入、輸出、運(yùn)算、建模、顯示等功能，包括了數(shù)據(jù)源圖元、數(shù)據(jù)宿圖元、顯示圖元、預(yù)處理算法圖元、簡單數(shù)學(xué)運(yùn)算圖元及故障檢測算法圖元等。數(shù)據(jù)源圖元用于從本地文件、數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)或接收網(wǎng)絡(luò)上的組播數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)宿圖元是將系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果或原始遙測數(shù)據(jù)保存到本地文件、數(shù)據(jù)庫，或通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遙測顯示計(jì)算機(jī)；顯示圖元提供了圖表等表示方式，用于顯示原始遙測數(shù)據(jù)或系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果；預(yù)處理算法圖元提供了平滑、濾波、剔野、抽樣等多種預(yù)處理算法，為后續(xù)遙測關(guān)系建模提供符合要求的數(shù)據(jù)；簡單數(shù)學(xué)運(yùn)算圖元提供了各種基本的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算、數(shù)學(xué)公式編輯功能，用于對遙測進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，也可供測試/監(jiān)視人員手工建立遙測關(guān)系或模型用于故障檢測；故障檢測算法圖元提供了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、決策樹等多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法。

（2）離線處理模塊。基于規(guī)則的衛(wèi)星故障檢測的實(shí)現(xiàn)分為兩個(gè)階段：離線處理階段和在線處理階段。由于衛(wèi)星遙測之間不是互相獨(dú)立的，而是具有關(guān)聯(lián)性，離線處理階段就是利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對歷史遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘出遙測之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。離線處理模塊為離線遙測分析提供了分析平臺，測試/監(jiān)測人員可以在該平臺上利用基礎(chǔ)支持庫中的數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)學(xué)運(yùn)算或檢測算法、數(shù)據(jù)宿等圖元構(gòu)成離線訓(xùn)練流程，利用保存在本地或數(shù)據(jù)庫中的正常歷史遙測數(shù)據(jù)對機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行訓(xùn)練，生成遙測關(guān)聯(lián)模型，供在線處理模塊使用。

圖3 衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)組成框圖

（3）模型庫。在線處理模塊生成的遙測關(guān)聯(lián)模型將保存到模型庫中，模型庫除了保存關(guān)聯(lián)模型外，還對遙測關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行集中管理，包括模型的刪除、命名、更新等。在利用現(xiàn)有的遙測關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行在軌衛(wèi)星故障監(jiān)測期間，如果監(jiān)測人員基于最新的遙測數(shù)據(jù)重新對算法進(jìn)行了訓(xùn)練，生成了最新的遙測關(guān)聯(lián)模型，并保存到模型庫中，則模型庫會向在線處理模塊推送消息，讓監(jiān)測人員確認(rèn)是否更新在線處理模塊中的模型，如果需要更新，則模型庫把最新的遙測關(guān)聯(lián)模型發(fā)送給在線處理模塊。

（4）在線處理模塊。在線處理模塊是用于衛(wèi)星狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測的平臺，測試/監(jiān)視人員能夠在該平臺上調(diào)用基礎(chǔ)支持庫中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)預(yù)處理、遙測關(guān)聯(lián)模型等建立實(shí)時(shí)分析流程，遙測數(shù)據(jù)進(jìn)入遙測關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)關(guān)系驗(yàn)證。如果遙測關(guān)聯(lián)關(guān)系未發(fā)生變化，則模型目標(biāo)變量與實(shí)際目標(biāo)遙測的符合性較好且偏差較小；反之，則符合性較差且偏差較大。檢測結(jié)果可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遙測顯示計(jì)算機(jī)或在軌監(jiān)測大屏，同時(shí)也輸出至報(bào)警模塊。

（5）報(bào)警模塊。報(bào)警模塊提供了聲音、指示燈等多種報(bào)警方式，當(dāng)在線處理模塊中的實(shí)時(shí)檢測流程檢測到故障時(shí)，通過報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警。報(bào)警模塊也可以對測試或在軌監(jiān)視期間發(fā)生的報(bào)警信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，供測試人員檢索，如發(fā)生故障時(shí)，報(bào)警模塊給出報(bào)警的遙測關(guān)聯(lián)模型ID號、模型名稱、模型備注信息，以及報(bào)警前后的遙測數(shù)據(jù)，供監(jiān)測人員查看。

（6）二次開發(fā)模塊。由于系統(tǒng)現(xiàn)有的預(yù)處理方法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法有限，因此有必要設(shè)計(jì)二次開發(fā)接口。在后續(xù)使用過程中，使用人員可以根據(jù)實(shí)際需要編寫新的預(yù)處理算法或機(jī)器學(xué)習(xí)算法加入系統(tǒng)中，通過二次開發(fā)模塊添加的算法與系統(tǒng)自帶的算法進(jìn)行統(tǒng)一管理。

（7）管理模塊。管理模塊用于系統(tǒng)管理，包括算法的管理、模型的管理、流程的管理等。算法管理包括控制離線分析流程或在線分析流程的開始、暫停、結(jié)束、編輯、刪除、恢復(fù)等。

2.3 故障檢測流程

衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)工作流程如圖4所示。系統(tǒng)首先從本地文件或數(shù)據(jù)庫中讀取歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑、抽樣、剔除野值等預(yù)處理操作，生成符合算法要求的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能算法訓(xùn)練，生成遙測關(guān)系模型保存到模型庫中。在線分析流程主要涉及從網(wǎng)絡(luò)上接收遙測數(shù)據(jù)，進(jìn)行預(yù)處理、特征提取、數(shù)據(jù)優(yōu)選等操作，然后從模型庫中取出離線分析流程訓(xùn)練生成的模型，利用接收到的遙測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測目標(biāo)遙測參數(shù)，預(yù)測殘差輸入報(bào)警模塊進(jìn)行故障判別、報(bào)警，同時(shí)將實(shí)時(shí)計(jì)算結(jié)果保存到本地?cái)?shù)據(jù)或數(shù)據(jù)庫，輸出到顯示大屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，也可以輸出到第三方的健康評估軟件中進(jìn)行衛(wèi)星健康狀態(tài)評估。

圖4 衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

舉例說明。某次，在軌運(yùn)行的某型號衛(wèi)星發(fā)生供電通路故障，正常情況下太陽電池陣A、B路充電陣電流為16.1A，發(fā)生故障后，太陽電池陣A路充電陣電流下降到3.3A，B路充電陣電流下降到7.4A，衛(wèi)星進(jìn)入能源危機(jī)模式，整星載荷關(guān)機(jī)，部分功能受損，故障前后遙測數(shù)據(jù)如圖5所示。

太陽陣電流與光照條件有關(guān)，能夠反映光照條件的還有太陽角計(jì)信號等遙測參數(shù)，因此這些遙測參數(shù)之間存在某種關(guān)聯(lián)關(guān)系，因此，選擇太陽角計(jì)信號Vi（i=1，2，3，4)作為輸入?yún)?shù)，以A、B路充電陣電流IA、IB作為目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行遙測關(guān)系建模。采用此前某次的正常遙測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，生成的模型預(yù)測效果如圖6所示，可以看出通過歷史遙測數(shù)據(jù)建立的模型預(yù)測值與實(shí)測值符合性較好，該模型能夠用來進(jìn)行故障檢測。

利用建立的模型對后續(xù)的A、B路充電陣充電電流進(jìn)行預(yù)測，將預(yù)測結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如圖7所示。當(dāng)衛(wèi)星狀態(tài)正常時(shí)，實(shí)測值與預(yù)測值之間的殘差很小，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，實(shí)測值與預(yù)測值之間的殘差很明顯變大，系統(tǒng)據(jù)此能夠很快檢測出故障。

圖5 故障前后遙測數(shù)據(jù)

圖6 預(yù)測結(jié)果與遙測值對比

圖7 故障檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

本文提出了基于遙測關(guān)系進(jìn)行故障檢測的方法，并構(gòu)建了衛(wèi)星故障檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)，闡明了系統(tǒng)的工作原理、工作流程，并基于某型號衛(wèi)星地面測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠比目前的故障檢測系統(tǒng)更早地發(fā)現(xiàn)故障，甚至能夠發(fā)現(xiàn)原有系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)的趨勢性故障，對充分暴露衛(wèi)星缺陷、提高衛(wèi)星在軌可靠性具有重要意義。