衛(wèi)星在軌故障地面診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙文 董云峰

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院, 北京 100191)

衛(wèi)星在軌故障地面診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙文 董云峰

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院, 北京 100191)

為解決衛(wèi)星在軌故障診斷問(wèn)題，提出了一種故障地面診斷方法，并進(jìn)行了診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在診斷方法中，建立了衛(wèi)星各系統(tǒng)耦合的整星模擬器，利用衛(wèi)星遙測(cè)與模擬器預(yù)測(cè)值形成殘差，濾除遙測(cè)信息中已知的動(dòng)態(tài)規(guī)律部分，縮小故障診斷閾值，提高故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性，最后運(yùn)用信號(hào)分析或機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)殘差實(shí)現(xiàn)診斷。診斷系統(tǒng)由遙測(cè)接口程序、整星模擬器、殘差診斷程序、診斷調(diào)度程序、相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和配套工具構(gòu)成。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和算法的參數(shù)化設(shè)計(jì)兩方面，分析了衛(wèi)星故障地面診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并用建成的系統(tǒng)樣機(jī)進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)樣機(jī)運(yùn)行結(jié)果表明，這種方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路是可行、有效的。

衛(wèi)星故障診斷；整星模擬器；復(fù)雜系統(tǒng)；殘差診斷

1 引言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，在軌衛(wèi)星的數(shù)量越來(lái)越多，其安全也越來(lái)越受到關(guān)注。如果不能及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星故障，將可能造成嚴(yán)重?fù)p失。地面診斷系統(tǒng)作為衛(wèi)星地面服務(wù)系統(tǒng)的重要組成部分，能夠根據(jù)衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)診斷衛(wèi)星當(dāng)前的健康狀態(tài)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并報(bào)告故障，及時(shí)將影響降到最小。

目前，針對(duì)衛(wèi)星的在軌故障診斷問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外提出了諸多診斷算法和系統(tǒng)構(gòu)建方案。文獻(xiàn)[1]研究了基于統(tǒng)計(jì)方法的診斷問(wèn)題，但統(tǒng)計(jì)方法需要大量的歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在實(shí)際故障數(shù)據(jù)缺乏或者參數(shù)變化范圍較大的情況下難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確診斷。文獻(xiàn)[2-5]應(yīng)用基于模型的方法，對(duì)衛(wèi)星的姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，這類方法利用解析冗余代替硬件冗余實(shí)現(xiàn)故障診斷，但衛(wèi)星是一個(gè)復(fù)雜的耦合系統(tǒng)，其他系統(tǒng)的狀態(tài)或者人工操作指令都會(huì)造成模型的改變，單獨(dú)考慮某一個(gè)系統(tǒng)建立的模型難以適用于衛(wèi)星整個(gè)生命周期。文獻(xiàn)[6-9]使用支持向量機(jī)(SVM)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形等基于數(shù)據(jù)分析的智能方法，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的故障診斷，這類機(jī)器學(xué)習(xí)的方法不依賴于模型，僅通過(guò)對(duì)樣本的學(xué)習(xí)自主提取出故障數(shù)據(jù)的特征，是故障診斷技術(shù)發(fā)展的新方向。不過(guò)，機(jī)器學(xué)習(xí)方法有時(shí)無(wú)法很好實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)固有變化規(guī)律的學(xué)習(xí)，容易造成過(guò)學(xué)習(xí)或者誤診斷。文獻(xiàn)[10]針對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星設(shè)計(jì)了一套故障診斷演示驗(yàn)證方案，但該方案主要解決算法的有效性驗(yàn)證問(wèn)題，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)人值守運(yùn)行。

本文提出了一種應(yīng)用整星模擬器與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合的衛(wèi)星在軌故障診斷方法。該方法具有診斷準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)?；诖朔椒?，提出了一套系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了實(shí)例，可證明所提出的故障診斷方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案是可行、有效的。

2 衛(wèi)星在軌故障地面診斷方法

2.1總體思路

地面系統(tǒng)了解衛(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)的唯一途徑是通過(guò)衛(wèi)星的遙測(cè)。遙測(cè)信息中有一部分是能夠用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述的規(guī)律部分，剩下的是無(wú)法建?；蛎枋龅牟糠帧５孛嫦到y(tǒng)對(duì)衛(wèi)星的狀態(tài)診斷應(yīng)充分利用目前已知的規(guī)律信息。這些規(guī)律信息包括靜態(tài)的規(guī)律信息(如閾值規(guī)則和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律)，以及隨系統(tǒng)狀態(tài)變化的動(dòng)態(tài)規(guī)律信息(如已知的模型)。故障診斷應(yīng)在當(dāng)前遙測(cè)值的基礎(chǔ)上，濾除系統(tǒng)固有的變化規(guī)律，再進(jìn)行故障的分析與判斷，以避免對(duì)正常規(guī)律部分的誤判斷。

本文提出的診斷方法總體思路(見(jiàn)圖1)是：建立與在軌衛(wèi)星同步運(yùn)行的整星模擬器，然后利用遙測(cè)數(shù)據(jù)減去模擬器輸出的遙測(cè)值形成殘差。如果殘差超過(guò)對(duì)應(yīng)的閾值，說(shuō)明檢測(cè)出衛(wèi)星發(fā)生了故障，再使用故障診斷算法對(duì)殘差進(jìn)行診斷。

用于地面預(yù)測(cè)的遙測(cè)數(shù)據(jù)由兩部分構(gòu)成：一部分來(lái)自數(shù)學(xué)建模方法建立的數(shù)學(xué)模型，另一部分是來(lái)自機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立的機(jī)器模型。數(shù)學(xué)模型只能在一定的精度范圍內(nèi)逼近實(shí)際的物理過(guò)程，對(duì)于無(wú)法建模的部分，可以使用機(jī)器學(xué)習(xí)方法來(lái)逼近，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)形成機(jī)器模型，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)的精度。

圖1 故障診斷方法總體思路

2.2整星模擬器的建立

衛(wèi)星是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，其組成部分間是有耦合關(guān)系的。以姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)為例，它作為衛(wèi)星平臺(tái)的基本系統(tǒng)之一，與推進(jìn)、遙測(cè)遙控、電源等其他系統(tǒng)存在耦合性。推進(jìn)系統(tǒng)的主要部件推力器擔(dān)負(fù)著衛(wèi)星姿態(tài)和軌道的保持、機(jī)動(dòng)等功能，同時(shí)也可看作姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的一部分。姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)與測(cè)控?cái)?shù)傳系統(tǒng)的耦合性，體現(xiàn)在大型可展開(kāi)天線指向控制等方面。姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)與電源系統(tǒng)的耦合性，體現(xiàn)在太陽(yáng)電池陣遮擋控制等方面，衛(wèi)星各系統(tǒng)的耦合關(guān)系如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星各系統(tǒng)的耦合關(guān)系

要對(duì)衛(wèi)星的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)估計(jì)，須在考慮衛(wèi)星各系統(tǒng)間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立整星模擬器。模擬器與在軌衛(wèi)星同步運(yùn)行，衛(wèi)星飛行過(guò)程中會(huì)受到地面遙控指令干預(yù)，遙控指令發(fā)給衛(wèi)星的同時(shí)，也發(fā)送給整星模擬器，模擬器接收并解析遙控指令，作出與實(shí)際衛(wèi)星一致的響應(yīng)。在正常情況下，模擬器輸出的遙測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際衛(wèi)星保持一致。

整星模擬器主要由衛(wèi)星各系統(tǒng)與部件模型及衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境模型組成。衛(wèi)星各系統(tǒng)與部件模型包括姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)模型、推進(jìn)系統(tǒng)模型、電源系統(tǒng)模型、測(cè)控?cái)?shù)傳系統(tǒng)模型、熱控系統(tǒng)模型、綜合電子系統(tǒng)模型和有效載荷模型。衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境模型包括動(dòng)力學(xué)環(huán)境模型、熱力學(xué)環(huán)境模型和空間鏈路模型。在建立整星模擬器時(shí)，須根據(jù)實(shí)際的工程技術(shù)條件考慮測(cè)軌精度、衛(wèi)星各部件的工作精度及模型的平滑處理等。衛(wèi)星運(yùn)行環(huán)境的模擬須考慮地球的非球形因素、重力場(chǎng)的不均勻性和地磁場(chǎng)的擾動(dòng)等。整星模擬器的各部件要在統(tǒng)一的基準(zhǔn)下進(jìn)行仿真。

2.3模型修正

衛(wèi)星故障診斷的效果取決于整星模擬器對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的估計(jì)精度。通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以對(duì)模型進(jìn)行迭代修正，提高預(yù)測(cè)精度。模型修正分為兩個(gè)步驟：一是盡可能修正數(shù)學(xué)模型；二是利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法，對(duì)無(wú)法建模的部分進(jìn)行學(xué)習(xí)，形成機(jī)器模型。模型修正的方法如圖3所示。

圖3 模型修正方法

數(shù)學(xué)模型的預(yù)測(cè)值與參考系統(tǒng)輸出值形成殘差，利用數(shù)據(jù)挖掘方法提取殘差中能夠用數(shù)學(xué)方法描述的部分，作為模型的修正項(xiàng)添加到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型中。修正后再形成新的殘差，利用新的殘差進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，如此迭代，直到殘差小于預(yù)設(shè)精度或無(wú)法再提取出能夠用數(shù)學(xué)方法描述的部分。殘差中無(wú)法用數(shù)學(xué)方法描述的部分，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等)形成機(jī)器模型，作為計(jì)算機(jī)的知識(shí)存儲(chǔ)到系統(tǒng)中。地面預(yù)測(cè)時(shí)，將修正后的數(shù)學(xué)模型與機(jī)器模型之和作為預(yù)測(cè)的結(jié)果。

機(jī)器學(xué)習(xí)安排在建好整星模擬器以后的模型修正階段，即通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法已無(wú)法再提高數(shù)學(xué)模型精度時(shí)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法對(duì)殘差進(jìn)行分析建模，形成機(jī)器模型。

根據(jù)參考系統(tǒng)的不同，模型可進(jìn)行三種不同程度的修正：第一種是利用其他數(shù)字化仿真結(jié)果進(jìn)行修正；第二種是利用研制中的測(cè)試測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；第三種是利用運(yùn)行中的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2.4殘差診斷

對(duì)衛(wèi)星的故障診斷分為兩個(gè)步驟：一是確定系統(tǒng)是否發(fā)生了故障，二是確定系統(tǒng)發(fā)生了什么故障。第一步，通過(guò)實(shí)際遙測(cè)值與地面預(yù)測(cè)的正確值對(duì)比實(shí)現(xiàn)，如果二者的殘差大于一定的程度，說(shuō)明實(shí)際系統(tǒng)已經(jīng)偏離正常狀態(tài)運(yùn)行，進(jìn)入故障狀態(tài)。第二步，通過(guò)對(duì)殘差的特性分析，確定殘差處于哪種故障模式。殘差的特性分析要建立一套診斷算法庫(kù)，針對(duì)不同的診斷對(duì)象選擇適用的診斷算法；也可以根據(jù)需要調(diào)用多種算法對(duì)同一遙測(cè)信息進(jìn)行診斷，然后將多種診斷算法的結(jié)果進(jìn)行融合，避免單一診斷算法不完備造成的漏診斷與誤診斷。

診斷算法庫(kù)中的算法分為基于信號(hào)分析的方法和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法。

信號(hào)分析方法包括閾值分析、均值分析、方差分析、頻譜分析和小波分析等。它對(duì)殘差信號(hào)進(jìn)行特征提取，然后將提取出來(lái)的特征量與歷史經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較，根據(jù)預(yù)設(shè)的故障判斷規(guī)則形成診斷結(jié)果。例如，設(shè)定某幾個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)殘差的特征量與經(jīng)驗(yàn)值的差異超過(guò)一定的閾值范圍時(shí)，就確診為系統(tǒng)進(jìn)入了該種故障模式。信號(hào)分析方法需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立一定的規(guī)則，但由于遙測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)與預(yù)測(cè)模型作差，濾掉了大部分固有規(guī)律部分，因此，殘差特征提取以后的規(guī)律將變得簡(jiǎn)單，并且能夠準(zhǔn)確反映故障特征。

機(jī)器學(xué)習(xí)方法包括支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、聚類分析、決策樹(shù)和馬田系統(tǒng)等。其特點(diǎn)是直接對(duì)殘差樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，無(wú)需人為去總結(jié)或者描述故障判斷的規(guī)則。該方法根據(jù)不同樣本數(shù)據(jù)本身的差異特性進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，通過(guò)對(duì)樣本的學(xué)習(xí)訓(xùn)練形成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的故障特征文件，再將新的數(shù)據(jù)根據(jù)這些特征進(jìn)行分類，形成診斷信息。機(jī)器學(xué)習(xí)方法可以學(xué)習(xí)并描述一些用規(guī)則難以描述的特征，也避免了人工對(duì)故障規(guī)則描述不準(zhǔn)確造成的錯(cuò)誤。殘差診斷階段的機(jī)器學(xué)習(xí)，安排在診斷算法訓(xùn)練階段，當(dāng)獲得了已知故障模式的殘差數(shù)據(jù)以后，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)殘差的類型進(jìn)行有監(jiān)督的學(xué)習(xí)，生成故障特征文件。

2.5故障樣本的產(chǎn)生

地面診斷系統(tǒng)測(cè)試以及機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練時(shí)都需要大量的故障樣本數(shù)據(jù)。衛(wèi)星本身的可靠性高，故障的概率極低，即使出現(xiàn)了故障，由于衛(wèi)星的冗余備份，很快又會(huì)用備份部件修復(fù)，因此故障樣本極難獲取。通過(guò)仿真的方法，可以解決樣本缺乏的問(wèn)題。

在已經(jīng)建立的動(dòng)態(tài)仿真模型基礎(chǔ)上，根據(jù)衛(wèi)星設(shè)計(jì)時(shí)的故障預(yù)案和歷史故障經(jīng)驗(yàn)建立部件的故障模型，再通過(guò)故障注入的方式將仿真模型切換到對(duì)應(yīng)故障模式運(yùn)行，這樣系統(tǒng)就能夠動(dòng)態(tài)產(chǎn)生故障時(shí)的遙測(cè)信息。

故障注入模塊將衛(wèi)星各系統(tǒng)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行編碼，然后傳送給整星模擬器，整星模擬器收到故障代碼后啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的故障模型。故障代碼包括衛(wèi)星的編號(hào)、故障的部件編號(hào)、故障模式和故障參數(shù)信息。

衛(wèi)星的各系統(tǒng)間是有耦合關(guān)系的，某些部件的故障將會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)產(chǎn)生耦合。整星模擬器使用了包含衛(wèi)星各系統(tǒng)耦合關(guān)系的仿真模型，這種方式能夠模擬出耦合故障情況下的遙測(cè)輸出。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌故障地面診斷系統(tǒng)由遙測(cè)接口程序、整星模擬器、殘差診斷程序、診斷調(diào)度程序、相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)和配套工具組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 地面診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

(1)遙測(cè)接口程序接收遙測(cè)信息，并將其解析后按照系統(tǒng)預(yù)定的格式存入遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)可以接收真實(shí)衛(wèi)星的遙測(cè)數(shù)據(jù)，也可以接收故障樣本生成工具產(chǎn)生的遙測(cè)數(shù)據(jù)，以便對(duì)算法進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。

(2)整星模擬器是包含衛(wèi)星各系統(tǒng)耦合關(guān)系的仿真程序。模擬器與實(shí)際衛(wèi)星同步運(yùn)行，能夠?qū)πl(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行正確估計(jì)，其輸出作為殘差診斷程序診斷的依據(jù)。整星模擬器的模型包含修正后的數(shù)學(xué)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)產(chǎn)生的機(jī)器模型。

(3)殘差診斷程序根據(jù)衛(wèi)星遙測(cè)和模擬器遙測(cè)的殘差進(jìn)行故障診斷。它是所有故障診斷算法的集合，受控于診斷調(diào)度程序，根據(jù)調(diào)度指令調(diào)用相應(yīng)的診斷算法，從診斷參數(shù)庫(kù)中提取對(duì)應(yīng)的診斷參數(shù)以完成診斷，并將診斷的結(jié)果寫(xiě)入診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)中。

(4)診斷調(diào)度程序控制殘差診斷程序的運(yùn)行。它根據(jù)調(diào)度信息庫(kù)中預(yù)先制定的計(jì)劃安排，發(fā)送調(diào)度指令給殘差診斷程序。調(diào)度指令包括診斷時(shí)間段、診斷算法和所需參數(shù)編號(hào)等信息。診斷調(diào)度程序的調(diào)度計(jì)劃支持兩個(gè)級(jí)別的計(jì)劃：一是由人工通過(guò)調(diào)度信息配置工具在數(shù)據(jù)庫(kù)中編制計(jì)劃任務(wù)，然后系統(tǒng)按照時(shí)間順序逐步執(zhí)行，這樣可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的自動(dòng)化運(yùn)行；二是根據(jù)整星模擬器對(duì)衛(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)的預(yù)測(cè)以及當(dāng)前任務(wù)對(duì)設(shè)備監(jiān)測(cè)的緊迫性需求，調(diào)度優(yōu)化工具利用遺傳編程方法和計(jì)算智能技術(shù)自主規(guī)劃與優(yōu)化調(diào)度計(jì)劃。

(5)相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)是衛(wèi)星故障診斷程序的數(shù)據(jù)樞紐，包括用于存儲(chǔ)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的遙測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)診斷算法中所需參數(shù)的診斷參數(shù)庫(kù)，存儲(chǔ)診斷結(jié)果的診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，以及存儲(chǔ)調(diào)度信息的調(diào)度信息庫(kù)等。

(6)配套工具是地面診斷系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析的工具，供技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障確認(rèn)。配套工具及其對(duì)應(yīng)的功能如表1所示。

表1 系統(tǒng)配套工具

3.2診斷算法參數(shù)化設(shè)計(jì)

對(duì)不同的衛(wèi)星，使用的診斷算法基本是一致的，不同的只是算法的參數(shù)，或者算法需要的特征文件。將算法和所需的參數(shù)分離設(shè)計(jì)，可以使算法變得通用，便于衛(wèi)星數(shù)量的擴(kuò)展和算法數(shù)量的擴(kuò)展。因此，應(yīng)建立故障診斷算法庫(kù)，將算法所需參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)或者文件中。在故障診斷算法庫(kù)中，每種算法的輸入是診斷調(diào)度指令和遙測(cè)數(shù)據(jù)，輸出是將結(jié)果寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)。不同的算法間是沒(méi)有耦合關(guān)系的，可以獨(dú)立調(diào)試、修改或者追加。對(duì)于新增算法，只需在調(diào)

度信息庫(kù)中追加新算法的調(diào)用信息，不會(huì)影響系統(tǒng)的其他部分。對(duì)于新增衛(wèi)星，只需新增與之相應(yīng)的參數(shù)。可見(jiàn)，診斷算法的參數(shù)化設(shè)計(jì)使系統(tǒng)能夠支持診斷算法的擴(kuò)展和衛(wèi)星數(shù)量的擴(kuò)展。

診斷算法的參數(shù)化要考慮衛(wèi)星間設(shè)備參數(shù)的繼承性。對(duì)于某些部件，可能在多種衛(wèi)星上都使用，相同部件的參數(shù)或者故障特性可能是一致的，這樣就可以直接將參數(shù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)直接引用過(guò)來(lái)，從而縮短研究和驗(yàn)證的周期。加入的新衛(wèi)星，也只要追加少量新設(shè)備的故障參數(shù)特性即可。

3.3系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

根據(jù)以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，本文建成了一套衛(wèi)星故障地面診斷系統(tǒng)樣機(jī)。以某導(dǎo)航衛(wèi)星為原型，建立了整星的仿真模型。該模型能夠?qū)πl(wèi)星各部件注入預(yù)設(shè)的故障，動(dòng)態(tài)生成故障狀態(tài)下的遙測(cè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)在調(diào)度程序的控制下，能夠應(yīng)用多種算法對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)和整星模擬器的殘差進(jìn)行故障診斷。以X軸動(dòng)量輪摩擦力矩增大故障為例，說(shuō)明系統(tǒng)的工作過(guò)程。

正常情況下，衛(wèi)星能夠與整星模擬器同步運(yùn)行，輸出一致的遙測(cè)數(shù)據(jù)，整星模擬器運(yùn)行效果如圖5所示。第21 s時(shí)，給衛(wèi)星的X軸動(dòng)量輪注入摩擦力矩增大的故障，故障前后動(dòng)量輪的轉(zhuǎn)速、軸溫、電流的變化情況如圖6所示?？梢钥吹剑瑥?2 s開(kāi)始，由于摩擦力矩增大，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了下降，軸溫升高，電流增大。調(diào)用支持向量機(jī)算法對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)和整星模擬器數(shù)據(jù)形成的殘差進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果如圖7所示。系統(tǒng)準(zhǔn)確診斷出了在22 s時(shí)發(fā)生了X軸動(dòng)量輪摩擦力矩增大的故障。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

圖6 X軸動(dòng)量輪遙測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 診斷結(jié)果顯示

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用整星模擬器的衛(wèi)星在軌故障地面診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出實(shí)例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性，得出主要結(jié)論如下。

(1)建立包含各系統(tǒng)耦合關(guān)系的整星模擬器，獲得衛(wèi)星遙測(cè)與模擬器預(yù)測(cè)值形成的殘差，再運(yùn)用故障診斷算法進(jìn)行診斷處理。

(2)利用數(shù)據(jù)挖掘方法迭代修正整星模擬器的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法用數(shù)學(xué)模型描述的部分通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法變成機(jī)器模型加入到整星模擬器中，提高模擬器的預(yù)測(cè)精度。

(3)診斷算法和相關(guān)參數(shù)應(yīng)分離設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠支持衛(wèi)星的擴(kuò)展、算法的擴(kuò)展，以及診斷參數(shù)的繼承。

(4)對(duì)整星模擬器注入所需的故障代碼數(shù)據(jù)，使衛(wèi)星的相應(yīng)部件進(jìn)入故障模式運(yùn)行，產(chǎn)生故障樣本數(shù)據(jù)，這樣可解決故障樣本缺乏的問(wèn)題。

目前，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)已在仿真層面得到驗(yàn)證，不過(guò)使用的模型與參數(shù)并未針對(duì)具體的衛(wèi)星，在后續(xù)研究中，將針對(duì)工程應(yīng)用優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，使系統(tǒng)更具針對(duì)性與實(shí)用性。

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(編輯：夏光)

Design of Ground Diagnosis System for Satellite In-orbit Fault

ZHAO Wen DONG Yunfeng

(School of Astronautics, Beihang University, Beijing 100191, China)

To solve the satellite in-orbit fault diagnosis problem, a fault diagnosis method and system design proposal are proposed. In the diagnosis method, a whole satellite simulator is established with every subsystems coupled, and the satellite telemetry and simulator predict value are subtracted to form residuals, the known dynamic regulation contained in the telemetry is removed, the diagnosis threshold is reduced and the fault detecting accuracy is improved. The signal analysis methods and machine learning methods are used to diagnose the residuals. Diagnosis system consists of telemetry interface program, whole satellite simulator, residuals diagnosis program, databases and relative tools. A design proposal of satellite fault ground diagnosis system consists of system structure design and parameterized algorithm design, and then a demonstration system is established to verify this proposal. The operation results indicate that the method and design proposal are practicable and effective.

satellite fault diagnosis; whole satellite simulator; complex system; residual diagnosis

2013-05-31；

：2013-08-14

趙文，男，博士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星故障診斷與智能計(jì)算。zhaowen@sa.buaa.edu.cn。

TP277

：ADOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2014.03.017