航天器預(yù)測與健康管理技術(shù)研究

羅榮蒸 孫波 張雷 劉鶴

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

1 引言

航天器飛行任務(wù)復(fù)雜度高、運行環(huán)境惡劣，對系統(tǒng)可靠性和安全性都有極高的要求，實時監(jiān)控、提前預(yù)警和自主智能管理將是未來航天器的主流發(fā)展方向。

預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）技術(shù)是一項根據(jù)系統(tǒng)歷史狀態(tài)和環(huán)境因素，評估當(dāng)前健康狀態(tài)、確定未來故障發(fā)生時間、計算有效壽命，以降低系統(tǒng)故障風(fēng)險、保證可靠性的通用技術(shù)［1］。PHM 系統(tǒng)一般需要完成故障檢測、故障鑒定與隔離、故障預(yù)測、健康評估和決策建議等功能［2］。

PHM 技術(shù)是在美國國防部（DoD）和美國國家航空航天局（NASA）的大力推動下不斷發(fā)展、成熟起來的［3］，其發(fā)展過程可大致分為可靠性分析、故障分析與預(yù)測、綜合診斷與系統(tǒng)監(jiān)控、綜合系統(tǒng)故障預(yù)測和健康管理5個階段，起源要追溯到20 世紀(jì)50年代和60年代可靠性理論、環(huán)境試驗和系統(tǒng)試驗以及質(zhì)量方法的誕生；70年代出現(xiàn)了診斷故障源和故障原因的技術(shù)，PHM 技術(shù)的發(fā)展已初露端倪；從80年代后期至90年代，綜合診斷技術(shù)在美國航空航天研究領(lǐng)域盛行［4］，NASA 也于90年代初期適時提出了飛行器健康監(jiān)控（Vehicle Health Monitoring，VHM）的概念［5］；20世紀(jì)末到21世紀(jì)初，NASA 引入了綜合系統(tǒng)健康管理（Integrated Vehicle Health Management，IVHM ）的概念，以支持新一代可重復(fù)使用運載器（Reusable Launch Vehicle，RLV）的高性能要求［6］。進(jìn)入21世紀(jì)，各領(lǐng)域的PHM 系統(tǒng)相繼問世，推動著PHM 技術(shù)日益成熟并向?qū)嵱没较虬l(fā)展。

本文概述了PHM 基本結(jié)構(gòu)和通用方法，隨后總結(jié)了星地閉環(huán)的航天器PHM 體系結(jié)構(gòu)和各個功能層級的關(guān)鍵技術(shù)，并對我國航天器PHM 技術(shù)的發(fā)展提出了建議。由于航天器PHM 技術(shù)還處在研究發(fā)展階段，本文所提理論可供參考與討論。

2 國內(nèi)外航天器PHM 技術(shù)研究進(jìn)展

目前國外航天器PHM 技術(shù)已經(jīng)形成了基本完善的理論方法體系，并實現(xiàn)了部分工程應(yīng)用；國內(nèi)研究人員在理論方法和工程應(yīng)用方面也進(jìn)行了航天器PHM 技術(shù)的研究，但理論研究方面較多，工程應(yīng)用較少，與國外相比仍有較大差距。

2．1 國外航天器PHM 技術(shù)研究進(jìn)展

從20 世紀(jì)80年代開始，NASA 著重進(jìn)行了PHM 技術(shù)在航天領(lǐng)域的需求分析，提出了IVHM等針對航天器應(yīng)用的PHM 概念［7］。隨后，俄羅斯、歐洲也對航天器PHM 技術(shù)進(jìn)行了一系列研究。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，國外學(xué)者總結(jié)了較為完整的PHM 方法體系，NASA 等機構(gòu)也進(jìn)行了一些PHM預(yù)警平臺的搭載試驗，并在“國際空間站”等航天器上得到了初步應(yīng)用。

2．1．1 PHM 技術(shù)通用方法體系

馬里蘭大學(xué)J．Gu 和M．Pecht等人總結(jié)了PHM 的通用方法體系［1］，如圖1所示。

健康管理過程可以分為三個階段：

（1）有效壽命評估。根據(jù)設(shè)備或系統(tǒng)的設(shè)計數(shù)據(jù)，以故障現(xiàn)象模式為輸入，進(jìn)行故障模式與影響分析（FMEA），預(yù)測其未來健康狀態(tài)及有效壽命。

（2）系統(tǒng)健康狀態(tài)與故障預(yù)測。以有效壽命評估結(jié)果為依據(jù)，同時考慮敏感器數(shù)據(jù)、平臺監(jiān)視數(shù)據(jù)以及維修和檢查記錄，對故障模式和故障原理進(jìn)行優(yōu)先級劃分。

（3）剩余壽命評估。在前兩步基礎(chǔ)上，融合集成數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品健康狀態(tài)進(jìn)行評估。由故障機理模型可以預(yù)測失效形式及失效時間，得到產(chǎn)品有效剩余壽命。并利用健康管理信息進(jìn)行產(chǎn)品維修預(yù)報，實現(xiàn)全生命周期維護費用最小化、產(chǎn)品可用度最大化，或者其它實用功能。

圖1 PHM 通用方法體系Fig．1 Universal methodology framework of PHM

2．1．2 NASA 典型航天器PHM 預(yù)警平臺

1）基于數(shù)據(jù)挖掘的感應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)

感應(yīng)監(jiān)視系統(tǒng)（Inductive Monitoring System，IMS）是為應(yīng)對深空探測的自主控制和狀態(tài)監(jiān)控要求，由Iversion公司開發(fā)的監(jiān)控軟件。它利用正常運行積累的歷史數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)特征的正常知識庫，當(dāng)實時數(shù)據(jù)偏離正常庫一定范圍時，則認(rèn)為出現(xiàn)了異常，或者將會出現(xiàn)異常，發(fā)出異常警報［8］。

IMS已經(jīng)成功應(yīng)用于NASA 的一些航空航天復(fù)雜系統(tǒng)，如航天飛機健康監(jiān)控、空間站控制力矩陀螺故障檢測、運載火箭推進(jìn)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控、新一代可重復(fù)使用空間運載器狀態(tài)監(jiān)控等。其中，哥倫比亞航天飛機的IMS系統(tǒng)在起飛前就檢測到了故障機翼溫度的異常變化，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的模型推理健康監(jiān)控方法。另外，在故障前近15h，IMS 就檢測到了“國際空間站”控制力矩陀螺（ISS-CMG1）的異常特征［9］。

IMS純粹從數(shù)據(jù)出發(fā)，不必知道復(fù)雜的系統(tǒng)模型，適合分析處在復(fù)雜太空環(huán)境的航天器；缺點是當(dāng)數(shù)據(jù)量不夠大、不能覆蓋所有正常類型時，虛警率會比較高，同時對于數(shù)據(jù)處理方法、數(shù)據(jù)類型選取經(jīng)驗有較高的要求。

2）基于模型推理的利文斯頓體系

利文斯頓（Livingstone）PHM 系統(tǒng)是一種基于模型的健康管理系統(tǒng)，由NASA 的艾姆斯研究中心（Ames Research Center，ARC）開發(fā)。最初作為深空一號（DS-1）探測器遠(yuǎn)程智能體試驗的一部分而開發(fā)、驗證，經(jīng)過升級后又于2000年應(yīng)用于地球觀測-1（EO-1）衛(wèi)星［10］，后來ARC與約翰遜航天中心（Johnson Space Center，JSC）、肯尼迪航天中心（Kennedy Space Center，KSC）協(xié)作，將該系統(tǒng)應(yīng)用于X-34、X-37等可重復(fù)發(fā)射運載器上［11］，我國也有學(xué)者提出將該體系應(yīng)用于飛船電源系統(tǒng)故障檢測的設(shè)想［12］。

Livingstone系統(tǒng)最主要的特征是利用定性模型和傳統(tǒng)人工智能推理技術(shù)，綜合各個部件和子系統(tǒng)的健康信息，實現(xiàn)系統(tǒng)級的健康管理及重構(gòu)控制。其次，Livingstone診斷算法的實質(zhì)是基于模型的故障診斷，它對每個部件都用一個有限狀態(tài)機建模，將整個航天器建模為一個并發(fā)異步狀態(tài)機。借助并發(fā)狀態(tài)機模型，Livingstone能夠有效地跟蹤由于控制指令或部件失效引起的狀態(tài)改變。通過定性的抽象模型提取部件狀態(tài)或者模式，并在此基礎(chǔ)上抽象出系統(tǒng)行為，因此推理機的魯棒性很強。

2．2 國內(nèi)航天器PHM 技術(shù)研究進(jìn)展

經(jīng)過十多年的發(fā)展，國內(nèi)航天器PHM 技術(shù)在理論研究和工程應(yīng)用方面都取得了一些進(jìn)展，有關(guān)健康管理的研究項目近年顯著增多［13］，成為當(dāng)前備受關(guān)注的研究熱點。雖然已初步應(yīng)用于一些航天系統(tǒng)的子系統(tǒng)級或部件級，但離完全實現(xiàn)工程化還有較大差距。

1）理論研究

進(jìn)行了全面的技術(shù)引進(jìn)工作。隨著PHM 技術(shù)在歐美各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)末，國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界認(rèn)識到PHM 綜合管理技術(shù)的重要性，開展了大量的技術(shù)引進(jìn)和理論分析工作。

探索建立適合我國航天器特點的PHM 體系架構(gòu)。國內(nèi)研究人員將先進(jìn)的PHM 技術(shù)與我國航天器信息系統(tǒng)有機結(jié)合起來，進(jìn)行了需求分析，提出了一些實用的PHM 體系結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)我國航天器在軌自主健康管理。早在1997年，程惠濤和黃文虎等人［14］就提出將灰色理論、預(yù)測技術(shù)和診斷專家系統(tǒng)相結(jié)合建立一個故障預(yù)報系統(tǒng)，并用該系統(tǒng)針對我國載人飛船的空間推進(jìn)部分實現(xiàn)了故障預(yù)報；2003年，龍兵等人［15］詳細(xì)闡述了我國新型航天器健康管理系統(tǒng)主要采用的技術(shù)，指出應(yīng)采用從上至下的方案開發(fā)該集成健康管理系統(tǒng)。

開展了關(guān)鍵技術(shù)研究工作。國內(nèi)研究人員對航天器PHM 中敏感器設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸、故障預(yù)測、狀態(tài)監(jiān)控和決策支持等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了積極的探討，提出了一些新的方法。孫博等人［16］采用時間序列方法對可以表征系統(tǒng)故障狀態(tài)的特征參數(shù)的趨勢進(jìn)化進(jìn)行預(yù)測；代京等人［17］提出從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能、行為、故障和運作五方面要素來建立綜合運載器系統(tǒng)健康評估推理模型。

2）工程應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)初級健康管理

我國部分衛(wèi)星已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)部件及分系統(tǒng)的故障自主檢測與隔離，如利用陀螺冗余構(gòu)型信息、不同敏感器之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系可以實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)敏感器在軌故障檢測與隔離［18］，并實現(xiàn)了工程應(yīng)用；“十一五”期間，航天東方紅衛(wèi)星有限公司開展了小衛(wèi)星電源系統(tǒng)的故障預(yù)測研究；當(dāng)前，衛(wèi)星研制單位正在積極開展分系統(tǒng)和整星級PHM 技術(shù)的工程化研究，期望在不久的將來，能夠?qū)崿F(xiàn)航天器在軌自主健康管理。

3 航天器PHM 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于任何系統(tǒng)產(chǎn)品，都是有了體系架構(gòu)設(shè)計方案后才能進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計并付諸實現(xiàn)，PHM 系統(tǒng)也不例外。隨著PHM 技術(shù)在航空航天、車輛工程等工業(yè)各領(lǐng)域中的應(yīng)用，出現(xiàn)了不同類型的PHM 系統(tǒng)，但其基本思想和原理是類似的，即通過信息分層、模塊化和開放式體系的建立，高效獲取復(fù)雜設(shè)備信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、故障預(yù)測和健康評估等多級PHM 功能。

3．1 OSA-CBM 開放式體系結(jié)構(gòu)

波音公司根據(jù)PHM 系統(tǒng)各項功能的邏輯關(guān)系，提出基于邏輯分層的健康管理體系結(jié)構(gòu)，如圖2所示，該結(jié)構(gòu)體系已應(yīng)用于無人作戰(zhàn)空中飛行器（Unmanned Combat Air Vehicle，UCAV）和波音777［19］，并成為了PHM 頂層設(shè)計的基本思想。通過分層結(jié)構(gòu)的信息處理方法，可以逐步提取出監(jiān)控對象的有用信息，完成對復(fù)雜系統(tǒng)的故障預(yù)測和決策推理。在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來的視情維修開放式體系結(jié) 構(gòu)（Open System Architecture for Condition Based Maintenance，OSA-CBM）已經(jīng)在美國艦船系統(tǒng)、民用車輛等工業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并被各大飛機制造商確定為實現(xiàn)飛行器綜合健康管理的標(biāo)準(zhǔn)途徑［20］，其中以F-35聯(lián)合攻擊機應(yīng)用最為成熟，代表了最新的PHM 技術(shù)［21］。該體系框架結(jié)構(gòu)如圖3所示，將CBM 系統(tǒng)分成7個功能模塊：①數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊；②數(shù)據(jù)處理模塊；③狀態(tài)監(jiān)測模塊；④健康評估模塊；⑤故障預(yù)測模塊；⑥自動推理決策模塊；⑦人-機接口模塊。其中，根據(jù)系統(tǒng)運行狀態(tài)，在自動推理決策模塊進(jìn)行任務(wù)計劃的反饋修正。

圖2 基于邏輯分層的體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig．2 System configuration based on logical layer

圖3 OSA-CBM 體系結(jié)構(gòu)Fig．3 Architecture of OSA-CBM

基于視情維修的PHM 技術(shù)是建立在成熟的可測試性設(shè)計基礎(chǔ)之上的，尤其是機內(nèi)測試（Built-in Test，BIT）技術(shù)的發(fā)展，使綜合診斷和健康管理成為可能，而完善的可測試性設(shè)計需要設(shè)置大量的傳感器來完成對系統(tǒng)信息的獲取。由于測試點和傳感器數(shù)量受重量限制，空間環(huán)境較為復(fù)雜且未知性較大，當(dāng)前航天器可測試性設(shè)計和自檢測水平不高，很難完成星上自主健康管理。因此，國內(nèi)外都有學(xué)者設(shè)計星、地兩部分構(gòu)建PHM 系統(tǒng)，通過地面系統(tǒng)來輔助支持星上故障檢測和健康管理。星地結(jié)合對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性提出了更高的要求，需要星地信息傳輸系統(tǒng)將實時監(jiān)控數(shù)據(jù)及時而準(zhǔn)確地發(fā)送到地面系統(tǒng)，并將地面處理結(jié)果同樣及時而準(zhǔn)確地返回在軌PHM 系統(tǒng)。

3．2 星地協(xié)同三級閉環(huán)航天器PHM 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

如前文所述，當(dāng)前衛(wèi)星可測試性設(shè)計水平不高，通過星上自主處理過程進(jìn)行故障預(yù)測與健康管理存在局限之處。首先，故障預(yù)測算法復(fù)雜，且需要大量的歷史數(shù)據(jù)作為支撐，這將占用星上大量的存儲空間；其次，空間環(huán)境復(fù)雜，有些算法和模型需要進(jìn)行實時調(diào)整，需要豐富的專家知識，這在星上很難提供；另外，故障預(yù)測的正確性和可用性指標(biāo)目前在星上PHM 無法得到驗證，需要地面通過歷史故障案例進(jìn)行分析。

我們采取星地協(xié)同三級閉環(huán)的工作模式來構(gòu)建衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)，以更好地支持衛(wèi)星在軌健康管理。

3．2．1 星地協(xié)同設(shè)計

如圖4所示，衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)由星上和地面兩部分組成，協(xié)同完成衛(wèi)星的故障預(yù)測和健康管理任務(wù)。圖中上半部分表示星上PHM 系統(tǒng)，負(fù)責(zé)信息采集、故障診斷及短期故障預(yù)測等自主健康管理工作，完成PHM 七層結(jié)構(gòu)（如圖2所示）中數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)處理層和狀態(tài)監(jiān)控層的全部功能，以及健康評估層和預(yù)測處理層部分簡單的判斷功能；下半部分表示地面PHM 系統(tǒng)，負(fù)責(zé)長期或復(fù)雜的故障預(yù)測工作，需要地面設(shè)備和人工輔助，完成健康評估層和預(yù)測處理層較為復(fù)雜的功能，以及決策支持層和表示層的功能。

圖4 衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖Fig．4 Structure of satellite’s PHM system

1）星上自主管理系統(tǒng)

采取主從模式，由一個PHM 主控制器和若干PHM 模塊組成。

各PHM 模塊內(nèi)嵌在各分系統(tǒng)單機內(nèi)，負(fù)責(zé)所在單機的健康信息采集、故障自檢及與星上主PHM 控制器的信息交互。

PHM 主控制器負(fù)責(zé)整星PHM 系統(tǒng)的管理，完成三部分功能：首先，是各單機健康信息的采集、自檢指令的發(fā)出以及整星健康信息的整合發(fā)送；其次，PHM 主控制器負(fù)責(zé)系統(tǒng)級故障診斷和預(yù)測工作；最后，負(fù)責(zé)星地PHM 信息傳輸中轉(zhuǎn)，將衛(wèi)星無法自主判斷，需要地面支持的信息提取出來，通過遙測通道傳輸?shù)降孛?，并將地面處理結(jié)果和操作建議返回到相應(yīng)的星上分系統(tǒng)和單機設(shè)備。

2）地面輔助支持系統(tǒng)

主要由軟件環(huán)境搭建而成，為衛(wèi)星提供復(fù)雜故障診斷及長期故障預(yù)測服務(wù)。接收由PHM 主控制器整合，經(jīng)遙測通道下傳的衛(wèi)星PHM 信息。經(jīng)過分析處理后，生成分析報告，給出決策建議，為運行管理人員進(jìn)行衛(wèi)星狀態(tài)管理提供依據(jù)。

3．2．2 三級閉環(huán)管理

從以上衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)的功能介紹不難看出，整個PHM 系統(tǒng)實際上采取的是三級閉環(huán)管理的運行機制，如圖5所示。

圖5 衛(wèi)星PHM 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖Fig．5 Function configuration of satellite’s PHM system

1）第一級閉環(huán)，單機自檢

管理單元為每個單機的PHM 模塊，這一級閉環(huán)能獲得的健康信息最直接，可信度最高。通過設(shè)置傳感器，單機PHM 模塊獲取實時信息，完成初步的故障診斷、隔離和預(yù)測，必要時進(jìn)行單機轉(zhuǎn)備份等應(yīng)急處理操作，并將傳感器信息與診斷結(jié)果傳輸給PHM 主控制器。

2）第二級閉環(huán)，衛(wèi)星自主健康管理

管理單元是PHM 主控制器，該級閉環(huán)的信息來源于一級閉環(huán)提供的單機健康信息及功能信息，這一級獲得的信息最豐富，可以綜合系統(tǒng)運行情況快速進(jìn)行某個單機或分系統(tǒng)的故障診斷和預(yù)測。

3）第三級閉環(huán)，地面輔助健康管理

這是一級星地閉環(huán)，管理單元是地面服務(wù)器，該級閉環(huán)擴展了衛(wèi)星故障診斷和預(yù)測的時間范圍，利用地面服務(wù)器的強大計算分析能力，進(jìn)行中長期的復(fù)雜故障預(yù)測，增強衛(wèi)星的健康管理能力。

以三級閉環(huán)為特征的PHM 系統(tǒng)體系設(shè)計，充分適應(yīng)了現(xiàn)有衛(wèi)星信息系統(tǒng)的技術(shù)特點，單機層PHM模塊可以實現(xiàn)單機健康參數(shù)的高速采樣，每個模塊可以根據(jù)所在單機的不同特點設(shè)置采樣頻率，確保故障特征不被漏采；PHM 主控制器則可以對收集來的單機健康信息進(jìn)行選擇性處理，或者將采樣由遙測通道下傳，交由地面服務(wù)器處理，在占用有限信道資源的情況下實現(xiàn)復(fù)雜故障診斷與預(yù)測工作。

4 航天器PHM 關(guān)鍵技術(shù)分析

為了構(gòu)建適用于航天器的PHM 系統(tǒng)，需要進(jìn)行一系列關(guān)鍵技術(shù)的研究。本節(jié)根據(jù)航天器現(xiàn)有技術(shù)特點，分析了航天器PHM 技術(shù)各個功能層級的關(guān)鍵技術(shù)。

4．1 數(shù)據(jù)源層與數(shù)據(jù)處理層關(guān)鍵技術(shù)

機內(nèi)測試（Built-in Test，BIT）技術(shù)，利用設(shè)計到系統(tǒng)和設(shè)備內(nèi)的測試硬件和軟件，對系統(tǒng)、設(shè)備全部或局部進(jìn)行自動測試［22］，是完成航天器PHM 系統(tǒng)信息獲取與數(shù)據(jù)初步處理的一項關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，航天器具備簡單的故障檢測和故障隔離功能，但是沒有形成專門的BIT 系統(tǒng)。

BIT 技術(shù)的基礎(chǔ)是利用先進(jìn)的傳感器獲取充足的信息。PHM 系統(tǒng)對航天器傳感器的設(shè)計提出了更高的要求：一是需要獲取更多與PHM 相關(guān)的衛(wèi)星狀態(tài)信息。當(dāng)前航天器信息采集系統(tǒng)不是按PHM 系統(tǒng)需求進(jìn)行設(shè)置的，許多故障預(yù)測所需的關(guān)鍵參數(shù)沒有采集，很難進(jìn)行高精度的故障預(yù)測分析。二是需要研究新型高性能傳感器，以適應(yīng)航天器復(fù)雜的工作條件和環(huán)境，同時還要兼顧到成本和可靠性。三是傳感器（包括傳感器的數(shù)目和定位）優(yōu)化配置研究。NASA 根據(jù)新一代航天器PHM 系統(tǒng)的需要，提出了基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)的開放式分層傳感器網(wǎng)絡(luò)，從系統(tǒng)層面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，較傳統(tǒng)分布式布局有明顯優(yōu)勢［23］。

BIT 技術(shù)的最大問題是虛警率過高，根據(jù)資料顯示，美國F／A-18 等戰(zhàn)斗機的BIT 虛警率高達(dá)85%［24］。有效降低BIT 虛警率可以從以下幾方面著手：①通過連續(xù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、延時判決等方法確定合理的動態(tài)測試容差，改變傳統(tǒng)固定門限判別的策略；②采用重復(fù)測試方法和表決方法設(shè)置合理的故障提示和報警條件，避免遙控指令和環(huán)境干擾等帶來的錯誤報警；③模塊化和容錯控制設(shè)計，提高BIT 的工作可靠性。

4．2 狀態(tài)監(jiān)控層與健康評估層關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前航天器已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)有效的狀態(tài)監(jiān)控和部分單機在軌自主故障檢測與故障隔離功能，但是離自主健康評估和智能管理還有較大差距。

航天器健康評估的基本過程如圖6所示，主要需要解決兩個方面的問題：一是健康評估指標(biāo)體系的建立及其優(yōu)化；二是快速、有效地對復(fù)雜設(shè)備健康狀態(tài)進(jìn)行評估，以滿足健康狀態(tài)評估的實時性和有效性要求。經(jīng)過定義健康概念、確定評估原則、建立評估指標(biāo)體系和明確健康評估方法4個步驟后，逐步生成設(shè)備級、分系統(tǒng)級和整星級的健康評估結(jié)果。通過總結(jié)經(jīng)驗，建立評估標(biāo)準(zhǔn)以指導(dǎo)航天器的健康評估，并在實踐中不斷完善健康評估標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 航天器健康評估總體技術(shù)框架Fig．6 General technical framework of spacecraft health assessment

4．3 預(yù)測處理層關(guān)鍵技術(shù)

故障預(yù)測技術(shù)的發(fā)展標(biāo)志著PHM 技術(shù)的產(chǎn)生，是PHM 系統(tǒng)的顯著特征，也是PHM 系統(tǒng)的核心和難點所在。這里的故障預(yù)測是指預(yù)測設(shè)備未來的健康狀態(tài)，有兩種形式：研究故障發(fā)生時間和研究設(shè)備剩余壽命。

從實際研究中應(yīng)用較廣泛的理論、方法和技術(shù)路線來看，可以將故障預(yù)測技術(shù)分為基于模型的故障預(yù)測技術(shù)（Model Based Approach）、基于知識的故障預(yù)測技術(shù)（Knowledge Based Approach）和基于數(shù)據(jù)的故障預(yù)測技術(shù)（Data Driven Approach）三大類［25］。如表1所示，3種方法各有利弊，選用哪種故障預(yù)測方法需要根據(jù)預(yù)測對象航天器的特點，結(jié)合具體故障算法的優(yōu)缺點來確定。

表1 3種故障預(yù)測方法的比較Table 1 Comparison of three kinds of prognostics

4．4 決策支持層與表示層關(guān)鍵技術(shù)

由于大多數(shù)航天器無法返回地面進(jìn)行維修，發(fā)生異常時只能進(jìn)行在軌修復(fù)，因此，PHM 系統(tǒng)頂層的決策支持層和表示層顯得尤其重要，它承擔(dān)著綜合歷史和實時信息、進(jìn)行自主健康管理決策或者為地面人員提供最優(yōu)決策選擇，并進(jìn)行有效人機交互的任務(wù)。目前，具有代表性的幾種決策支持系統(tǒng)（Decision Support System，DSS）有專家決策支持系統(tǒng)（IDSS），智能、交互式、集成化決策支持系統(tǒng)（I3DSS）和空間智能決策支持系統(tǒng)（SIDSS）等，其特點如表2所示。

表2 決策支持技術(shù)比較Table 2 Comparison of decision support systems

5 結(jié)束語

PHM 技術(shù)在航天器任務(wù)中的應(yīng)用必然引起航天器總體設(shè)計思維、設(shè)計方法的變革。其發(fā)展和成熟將是一個長期的過程，在規(guī)劃和研究時應(yīng)注重：①總結(jié)經(jīng)驗，避免思路上不必要的失誤。PHM 技術(shù)在航空、車輛工程等領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，國外也進(jìn)行了部分航天器PHM 技術(shù)在軌試驗。因此，既要借鑒PHM 技術(shù)在其它領(lǐng)域尤其是航空領(lǐng)域的成功經(jīng)驗，也要及時跟蹤國外航天器PHM 技術(shù)的研究進(jìn)展。②多專業(yè)、多學(xué)科并行發(fā)展。PHM 系統(tǒng)需要實現(xiàn)故障診斷、故障預(yù)測、健康評估和決策建議等多重功能，融合了信號處理、系統(tǒng)集成、決策支持和信息管理等多學(xué)科知識、多領(lǐng)域技術(shù)于一體，是一項新型的綜合性技術(shù)。③突出重點，首先突破各項關(guān)鍵技術(shù)的研究。通過預(yù)先研究，完成機內(nèi)測試（BIT）、健康評估、故障預(yù)測和決策支持等關(guān)鍵技術(shù)的研究，為構(gòu)建完整的航天器PHM 系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

本文在分析總結(jié)航天器PHM 技術(shù)研究現(xiàn)狀之后，提出了星地協(xié)同三級閉環(huán)航天器PHM 體系設(shè)計方案，并分析了PHM 系統(tǒng)各功能層級的關(guān)鍵技術(shù)，供相關(guān)研究人員參考與討論，旨在促進(jìn)PHM 技術(shù)在航天器中的應(yīng)用。

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