衛(wèi)星導航接收設備健康管理技術研究

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(1.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所，西安 710065;2.航空工業(yè)西安飛行自動控制研究所飛行器控制一體化技術重點實驗室，西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代飛機為完成從起飛、巡航、進場到著陸全過程的全天候、長航時、高安全性的飛行使命，對導航系統(tǒng)提出了具備全天候自主導航、保持長航時精度、提供全姿態(tài)的導航參數輸出能力要求。衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為目前所有導航方式中精度最高的方式，被廣泛應用于各類飛行器導航、著陸和精密測量等方面。然而，衛(wèi)星導航本質上屬于無線電導航，容易受到有意或無意的射頻干擾，導致設備定位的精度及可靠性受到影響，因此在實際應用中常常采用慣性/衛(wèi)星組合導航方式。在面向對導航精度要求高的任務時，衛(wèi)星導航系統(tǒng)高可靠連續(xù)定位成為任務能否完成的關鍵因素。從目前應用看接收機問題是占組合問題的主要因素，而目前，對衛(wèi)星導航接收機的故障診斷主要依靠于開機自檢和基于算法的性能檢測，可概括為：以余度管理和BIT為檢測方法、以定期維護為主，采用多、勤、細來的方法預防衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)故障。實時故障檢測能力不足，不具備向組合導航系統(tǒng)提供導航性能預估的能力，且事后維修的解決問題途徑已經不能滿足新一代飛行器的要求，因此對衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)全生命周期的故障預測與健康管理已變得至關重要。

故障預測與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)就是預測未來一段時間內系統(tǒng)失效可能性以及采取適當維護措施的能力[1-5]。目前，PHM技術已在軍用和民用領域廣泛應用，比如航空、航天、裝甲裝備等。通過分析工程應用實例發(fā)現(xiàn)，PHM技術能夠實現(xiàn)自主式保障，提高維修保障效率和任務成功率，有效降低維修費用，縮短維修時間。

PHM技術是一項新的維修保障技術，代表了維修理念的轉變，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷轉向智能系統(tǒng)的預測，極大促進了“狀態(tài)維修”取代“事后維修”和“定期維修”的過程?；诮】倒芾砑夹g，開展衛(wèi)星導航接收設備的健康管理具有十分重要意義。

本文針對衛(wèi)星導航接收設備的技術特點和維護需求，基于健康管理技術，搭建衛(wèi)星導航接收設備預測與健康管理系統(tǒng)體系結構，實現(xiàn)對衛(wèi)星導航接收設備全生命周期的分析和維護。通過仿真試驗和實際工程應用，驗證了所設計的健康管理方案能夠有效提高導航系統(tǒng)的可用性、降低故障影響率和保證任務有效性，具有一定的工程推廣價值。

1 健康管理系統(tǒng)的體系結構

健康管理系統(tǒng)的關鍵是數據的獲得和模型的建立，其核心技術是診斷推理技術。一般實現(xiàn)健康管理的方法有基于小波變換的奇異點檢測算法、極大似然檢驗法、神經網絡方法以及大數定律等[6-8]。對于衛(wèi)星導航接收設備目前主要停留在故障檢測層面，Calgary大學的一個小組，對衛(wèi)星導航異常檢測和抑制技術進行了總結，常用的方法包括自主完好性檢測、信號強度檢測以及冗余信息檢測[9]。

PHM系統(tǒng)一般應具備以下幾點要素[10-12]：

1)設備數據采集、處理、特征值提取的功能；

2)根據特征數據，借助冗余信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進行檢測的功能；

3)根據系統(tǒng)模型和故障檢測技術，對故障進行檢測、隔離的功能；

4)對即將發(fā)生的故障進行預測，估計系統(tǒng)剩余壽命的功能；

5)根據檢測結果，制定維護方案的功能。

2 衛(wèi)星導航接收設備的PHM

衛(wèi)星導航接收設備健康管理的出發(fā)點是從整體上提高衛(wèi)星導航完成導航任務的可靠性和安全性。這種技術主要是借助于各種數據處理技術來診斷系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，并在系統(tǒng)故障發(fā)生前對其進行預測，使衛(wèi)星導航接收設備自身具有故障檢測、隔離和性能檢測，健康管理，故障預測功能，即通過消除和減弱有故障部件的影響，對故障進行預測，并對維修進行決策，從而最大程度地提高衛(wèi)星導航完成導航任務的可靠性和安全性。

衛(wèi)星導航接收設備健康管理的目的是預測衛(wèi)星導航接收設備的性能，給出衛(wèi)星導航接收設備的實時導航性能，關鍵是監(jiān)測信息的選取和性能模型的建立。

在進行衛(wèi)星導航接收設備健康管理時，可充分利用衛(wèi)星導航系統(tǒng)自身的先驗信息、其他傳感器的輔助信息和自身的冗余信息，構建健康管理數據庫，形成PHM模型和知識庫，提供系統(tǒng)維護方案，其系統(tǒng)體系結構如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導航接收設備PHM系統(tǒng)體系結構

2.1 檢測信息設置

系統(tǒng)上電完成上電自檢測、直接合理性檢測、檢測狀態(tài)信息設置，具體檢測信息如下：

1)針對射頻信號設置信號幅度檢測；

2)針對中頻采樣設計FFT變換，檢測是否存在干擾；

3)針對測量信息，判斷載波及多普勒處理結果；

4)基于衛(wèi)星及時鐘先驗信息的時間位置信息判斷，定位幾何精度因子值判斷，定位計數值判斷等。

建立從射頻前端、數據采樣、測量信息處理到定位解算全流程全方位的檢測信息點設置。

2.2 信號采集與處理

將數據處理成與要求的形式相一致；

1)采集2.1中設置的各類檢測信息；

2)將采集到的檢測信息處理為符合要求的格式。

2.3 狀態(tài)檢測

根據檢測信息(時延、多普勒、偽距)可能產生的影響(時間、速度、位置)，梳理不同應用條件下的可用信息(高精度原子鐘、慣導、雙天線冗余信息)，采用直接合理性和濾波器檢測方法，實現(xiàn)輸出信息可用性判斷和故障檢測，并形成系統(tǒng)的物理狀態(tài)或性能，設計衛(wèi)星導航接收設備的狀態(tài)檢測邏輯如圖2所示。

圖2 故障狀態(tài)檢測

2.3.1 時鐘檢測

利用原子鐘的高精度守時特性，當接收機解算后輸出的整秒時刻和原子鐘輸出的整秒時刻超出檢測門限后，認為導航信息不可信。

2.3.2 速度檢測

利用慣導系統(tǒng)與接收機系統(tǒng)速度之差進行判斷，考慮慣導系統(tǒng)的漂移誤差，當兩者差值超出檢測門限后，認為衛(wèi)星信息不可信。

為了減小接收機噪聲的影響，對接收機速度和慣導速度的差值進行平滑濾波處理，根據平滑后的數據進行判斷。

2.3.3 位置檢測

利用慣導系統(tǒng)與接收機系統(tǒng)位置之差進行判斷，考慮慣導系統(tǒng)的漂移誤差，當兩者差值超出檢測門限后，認為衛(wèi)星信息不可信。

為了減小接收機噪聲的影響，對接收機位置和慣導位置的差值進行平滑濾波處理，根據平滑后的數據進行判斷。

2.3.4 偽距檢測

利用慣導位置與衛(wèi)星位置，得到計算偽距，和接收機對同一顆星的測量偽距進行比較，考慮慣導漂移，如果誤差超過了允許的范圍，則導航信息不可信。

2.3.5 多普勒檢測

利用慣導速度與衛(wèi)星速度，得到計算多普勒，和接收機對同一顆星的測量多普勒進行比較，考慮慣導漂移，如果誤差超過了允許的范圍，則導航信息不可信。

2.3.6 雙天線空間矢量冗余信息檢測

基于具有幾何約束關系的天線先驗信息，在同一時刻將雙天線對同一顆衛(wèi)星的測量值做差，得到同一顆星測量值的單差結果。由于單差可以消除衛(wèi)星鐘差、對流層延遲和電離層延遲的影響，單差測量值是和天線空間基線相關的一個量值，如果單差值超過范圍，則認為導航信息不可信。

選擇參考星，將同一時刻其他衛(wèi)星同參考星的單差做差，得到衛(wèi)星相對于參考星的雙差結果。雙差測量值是和天線空間基線相關的數值，如果雙差后結果趨向于0，則認為導航信息不可信。

2.4 健康評估與壽命預測

診斷和匯報衛(wèi)星導航接收設備的健康狀態(tài)，給出導航性能預估，并給出其剩余壽命。

2.4.1 健康評估

采用接收機自主完好性檢測方法，對衛(wèi)星導航接收設備進行故障檢測，預測衛(wèi)星導航接收設備性能，并給出位置信息精度指示。一般的接收機自主完好性檢測方法主要有卡爾曼濾波、最大間隔法、偽距比較法、最小二乘殘差法、奇偶空間法等[13-14]。本文采用最小平方殘余法[9]。過程如下：

1)構建檢驗統(tǒng)計量SSE。

SSE=[Δρ]TΔρ

其中:Δρ為偽距殘差向量。當系統(tǒng)無故障時歸一化統(tǒng)計量SSE/σ2服從自由度為M-4的χ2分布χ2(n-4)；當存在故障時SSE/σ2服從自由度為M-4的非中心化的分布χ2(n-4,λ)，M為衛(wèi)星顆數。

2)根據虛警率PFA計算檢測門限T。

3)根據漏警率PMD計算最小非中心分布參數λmin。

4)計算水平保護門限HPL。

其中：

A=(GTG)-1GT

S=I-G(GTG)-1GT

G=HQ-1

H為地心地固坐標系下最小二乘解算得到的雅可比矩陣，Q為坐標變換矩陣，λ為經度，φ為緯度。

5)完好性檢測可用性判斷：

如果HPL

如果HPL≥HAL，完好性檢測方法不可用，不再進行故障檢測和故障隔離。

6)故障檢測：

在檢測方法可用時進行故障檢測，如果SSE/σ2>T2則存在故障星，執(zhí)行故障隔離，否則沒有故障星。

7)故障隔離：

在有故障時，計算每顆衛(wèi)星的殘差(SiΔρ)2/Sii，殘差最大的星即為故障星。

完好性檢測算法的前提是可見星必須大于5顆，這是制約完好性檢測的主要因素，如果由于衛(wèi)星信號遮擋等因素造成可見星少于5顆，稱存在完好性檢測漏洞，完好性檢測失效。為提高完好性檢測效率可采用慣性輔助的衛(wèi)星完好性檢測方法。

8)性能預測：

性能預測有如下兩種方法：利用標準偏差與當前衛(wèi)星精度因子投影到3個方向，利用實際的偽距殘差與當前衛(wèi)星精度因子投影到3個方向。本文采用第二種方法。

其中：

P=(GTG)-1

2.4.2 壽命預測

壽命預測需要對系統(tǒng)的健康水平進行建模，并建立相應的專家系統(tǒng)來預測系統(tǒng)和部件的剩余壽命。為此建立衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的健康水平同系統(tǒng)的工作時間(還有溫度、電磁環(huán)境、加速度、飛行高度等)的關系，如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星導航系統(tǒng)健康退化過程

壽命預測的內容包括：

1)評價當前衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)處于何種健康狀態(tài)，正常狀態(tài)、性能下降狀態(tài)或者功能失效狀態(tài)；

2)當前衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)處于性能下降狀態(tài)時，判斷是何種原因引起的健康水平下降，并評價當前健康狀態(tài)，偏離其正常程度的大?。?/p>

3)預測衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的未來健康水平，包括兩個任務：

a)研究未來的一段時間衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)是否正常地完成其功能要求；

b)分析衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的剩余壽命的大小。

對于衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的壽命預測模型，通過收集影響系統(tǒng)的因素數據，可以采用隨機時間序列預測法、平滑預測法、回歸預測法、模糊預測法、神經網絡預測法和灰色理論預測法等方法實現(xiàn)。

2.5 PHM模型和知識庫

根據影響衛(wèi)星導航接收設備工作的因素建立衛(wèi)星導航系統(tǒng)健康管理模型；

根據模型預測與實測數據形成知識庫，并完成對模型的校準和數據分析。

2.6 維護方案與人機交互

維護方案，根據評估和預測結果決定采用標定維護、更換關鍵模塊或者更換系統(tǒng)的方案。

人機交互，衛(wèi)星導航接收設備與操作人員的人機接口。

3 試驗驗證

某次綜合試驗，載體運動狀態(tài)包括大機動、振動、以及靜止狀態(tài)下的多徑影響，通過本文所述的綜合健康管理方法，準確檢測出多徑信號影響，剔除單顆衛(wèi)星多徑信號，給出了正確的導航定位結果，預測出天線性能惡化，并在載體上予以更換。

3.1 多徑信號試驗

設置多徑信號，在300～900秒1號星加300米誤差，在400～500秒之間3號星加300米誤差，在500～700秒之間6號星加500米誤差，如圖4所示。

圖4 多徑信號及其故障檢測

通過第2.4.1節(jié)給出的故障檢測方案，檢測出單顆星偽距300 m的跳變誤差，并剔除該顆故障星，HPL及誤差預測符合設計要求。在2顆或3顆星的偽距由于多徑跳變的情況下，完好性檢測無法檢測和剔除故障星，但通過2.3節(jié)給出的狀態(tài)檢測，判定接收機定位無效，并且輸出的HPL和誤差預測均為最大值，如圖4所示。

3.2 天線性能檢測

檢測原理：通過判斷中頻幅度大小實現(xiàn)對天線、電纜和射頻通道的性能檢測，在中頻幅度采樣小于正常值的2/3時報故障。

根據設計中頻噪聲值90 000對應信號強度-6 dBm，報故門限2/3對應中頻噪聲幅度值60 000，對應的信號強度為-9 dBm。熱噪聲功率譜密度為-174 dBm/Hz，則20 MHz帶寬內的總能量為-101 dBm。接收機與天線的總增益需要滿足(101-9=92)dB要求，不會報故。

接收機設計的增益為68 dB，因此天線到接收機射頻前端的增益要求最低為24 dB。在試驗中，發(fā)現(xiàn)中頻幅度值低于檢測門限60 000，并且報天線開路狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 中頻幅度天線開路檢測

事后分析，天線增益在高低溫環(huán)境下小于24 dB，高低溫下天線增益低于設計指標。準確定位天線故障，在更換天線器件后，接收機工作正常。

通過上述實驗分析驗證了本文設計的衛(wèi)星導航接收設備健康管理方案的正確性。

4 結束語

以上介紹了針對衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的健康管理方案，該方法充分利用衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的工作特性，從衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)健康管理的體系結構、方法和手段以及衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的壽命預估模型等方面研究了衛(wèi)星導航接收系統(tǒng)的健康管理，并通過試驗驗證了方案的正確性。其中相關方法已應用在實際工程中，系統(tǒng)總體方案具有很強的工程應用價值。