融合多源數(shù)據(jù)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健康管理體系

龍東騰 張銳 王晉婧 申林 鄭恒 鳳建廣

(1 中國航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所，北京 100071)(2 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室，北京 100032)

現(xiàn)代大型信息物理系統(tǒng)復(fù)雜性、綜合化、智能化程度不斷提高，為了以更經(jīng)濟有效的方式滿足信息化時代對信息物理系統(tǒng)的快捷、精確、持續(xù)保障的要求，20世紀(jì)90年代中期，故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management，PHM)技術(shù)應(yīng)運而生，通過采用傳感器信息、專家知識及維修保障信息，借助各種智能算法與推理模型實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)測、預(yù)測、判別以及管理，實現(xiàn)低虛警率的故障檢測與隔離，并最終實現(xiàn)智能任務(wù)規(guī)劃及基于設(shè)備狀態(tài)(歷史、當(dāng)前及未來狀態(tài))的智能維護[1]。在海量數(shù)據(jù)的背景下，如何利用數(shù)據(jù)挖掘的思維，從大型復(fù)雜系統(tǒng)連續(xù)運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)挖掘有價值的信息來指導(dǎo)系統(tǒng)運行優(yōu)化，引起了國內(nèi)外學(xué)者和工業(yè)部門工程人員的廣泛關(guān)注：美國通用(GE)公司旗下的航空公司通過在生產(chǎn)的航空發(fā)動機上安裝眾多的傳感器，實時采集飛機各類參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)為航空公司提供飛機的運維管理、運營優(yōu)化、健康管理等解決方案，以及提供航行預(yù)測等各類服務(wù)。我國國家電網(wǎng)公司也在開展數(shù)據(jù)驅(qū)動的電網(wǎng)運行狀態(tài)評估與決策的研究實踐，并在國家電網(wǎng)調(diào)度中心、省級電網(wǎng)調(diào)度中心進行了利用海量數(shù)據(jù)的大電網(wǎng)安全運行風(fēng)險評估與控制決策系統(tǒng)平臺示范[2-3]。

GPS作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)先驅(qū)，在健康管理方面也進行了諸多探索，基于在軌運行數(shù)據(jù)對導(dǎo)航衛(wèi)星銣原子鐘、動量輪等單機進行了剩余壽命預(yù)估，并制定合理的健康管理策略，對衛(wèi)星服務(wù)的中斷進行預(yù)測及提前預(yù)報，提高在軌衛(wèi)星可用性。同時，隨著GPS更新?lián)Q代，通過改進設(shè)計制造，提高在軌衛(wèi)星自主健康管理能力[4-5]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國GPS，俄羅斯GLONASS、歐洲GALILEO之后的第4個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，在長期運行過程中產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，在一定程度上具備了典型的大數(shù)據(jù)3V特征，即規(guī)模性(Volume)、多樣性(Variety)和高速性(Velocity)。具體體現(xiàn)在：①規(guī)模性，以主控站為例，作為地面站的信息匯集中心，每天由外場站收集到的導(dǎo)航信號監(jiān)測數(shù)據(jù)約為1 Tbyte，在產(chǎn)生業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的過程中，產(chǎn)生的中間結(jié)果數(shù)據(jù)量級為幾十太字節(jié)，若再考慮在軌衛(wèi)星的實時遙測，數(shù)據(jù)量將更龐大；②多樣性，在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行過程中，會產(chǎn)生來自衛(wèi)星的在軌遙測數(shù)據(jù)、地面設(shè)備運行參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)內(nèi)部運行監(jiān)測評估數(shù)據(jù)、第三方導(dǎo)航性能監(jiān)測評估數(shù)據(jù)等，另外，在星上產(chǎn)品研制與地面試驗過程中，也積累了大量試驗數(shù)據(jù)；③快速性，在軌衛(wèi)星長期運行管理中心在衛(wèi)星過境時動態(tài)獲取衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，境外衛(wèi)星采用星間鏈路回傳，遙測數(shù)據(jù)采樣間隔短且按時序大量涌入數(shù)據(jù)庫，通常采樣間隔為秒級。這些數(shù)據(jù)是對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行過程的全面描述，星、地設(shè)備運行數(shù)據(jù)和服務(wù)性能監(jiān)測數(shù)據(jù)都反映了系統(tǒng)的運行性能變化，需要基于以上數(shù)據(jù)進行健康管理體系設(shè)計，對數(shù)據(jù)進行深度挖掘，支撐系統(tǒng)穩(wěn)定運行。本文梳理了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前的健康管理技術(shù)的現(xiàn)狀與差距，從數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)出發(fā)，針對北斗導(dǎo)航衛(wèi)星在軌穩(wěn)定運行目標(biāo)，從數(shù)據(jù)融合和健康管理兩方面，提出了數(shù)據(jù)采集分類、數(shù)據(jù)融合框架、分級健康管理的技術(shù)體系，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)精細化運行管理提供借鑒。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健康管理技術(shù)現(xiàn)狀

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為復(fù)雜的連續(xù)運行系統(tǒng)，已形成了在軌組織分級管理、異常問題分級處置、遙測參數(shù)分級監(jiān)視、支持系統(tǒng)分類管控等管理實踐，對星座衛(wèi)星星上產(chǎn)品特性及趨勢分析進行運行健康狀況、持續(xù)開展衛(wèi)星使用策略優(yōu)化[6-7]。但總體而言對數(shù)據(jù)的利用率仍有提高空間，主要體現(xiàn)在：①服務(wù)性能評估多是利用地面監(jiān)測站內(nèi)部觀測數(shù)據(jù)進行，外部觀測數(shù)據(jù)并未得到有效利用，由于監(jiān)測站布站地域受限，服務(wù)性能降級難以及時發(fā)現(xiàn)，服務(wù)性能評價難以做到客觀；②導(dǎo)航衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)挖掘深度不足，沒有做到主動的視情維修；③星上和地面產(chǎn)品研制和試驗數(shù)據(jù)并未得到合理利用，難以做到設(shè)備全壽命周期健康管理?；谝陨媳尘埃疚耐ㄟ^總結(jié)相關(guān)理論方法，借鑒其他行業(yè)的應(yīng)用實踐，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)運行評估與健康管理方法體系，旨在利用機器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)深度挖掘數(shù)據(jù)行為模式與產(chǎn)品故障模式的內(nèi)在規(guī)律，能夠更全面、更及時、更準(zhǔn)確地評估系統(tǒng)和產(chǎn)品性能、狀態(tài)和運行風(fēng)險，從而為最終的運維決策優(yōu)化提供量化技術(shù)支撐。

2 多源數(shù)據(jù)融合

2.1 多源數(shù)據(jù)融合概述

多源數(shù)據(jù)融合是指對多類型的傳感器數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)和綜合處理，以提高評估等任務(wù)的精度和準(zhǔn)確性，通過融合來自多數(shù)源、多類型傳感器數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，可以得到比運用單個、孤立的傳感器更加詳細且精確的結(jié)論。詳細而言，軍事應(yīng)用包括自動目標(biāo)識別、自動車輛制導(dǎo)、遙感、戰(zhàn)場監(jiān)視和自動威脅識別系統(tǒng)，非軍事應(yīng)用包括大規(guī)模生產(chǎn)過程監(jiān)控、基于狀態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)運維、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域[8]。與單傳感器相比，多源數(shù)據(jù)融合具有以下優(yōu)勢：一是使用多個同類型數(shù)據(jù)，獲得統(tǒng)計學(xué)意義上的效益，可以改善評估的準(zhǔn)確度；二是使用多類型數(shù)據(jù)的相對信息，進行比對校正，可以改善觀測過程；三是拓展監(jiān)測手段和數(shù)據(jù)類型，可以獲得更加豐富的數(shù)據(jù)信息，大幅提升觀察和評估能力。

2.2 北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合

2.2.1 數(shù)據(jù)融合采集分類

按照北斗系統(tǒng)的不同應(yīng)用場景需求進行選擇性和有所側(cè)重的數(shù)據(jù)采集，制定合理的數(shù)據(jù)采集策略，采用四象限圖進行分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)采集的優(yōu)先級和策略如圖1所示。其中橫坐標(biāo)表示故障影響(如服務(wù)中斷時間、維護耗費、安全風(fēng)險等)，縱坐標(biāo)則為該設(shè)備的故障發(fā)生頻率。根據(jù)實際需求，在橫縱坐標(biāo)上設(shè)定控制目標(biāo)線，可將坐標(biāo)系分成4個象限，各關(guān)鍵設(shè)備根據(jù)故障率及影響分別落在不同的象限內(nèi)，每一個象限對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)采集策略。

圖1 監(jiān)測數(shù)據(jù)柔性采集示意圖

第Ⅰ象限：單機設(shè)備同時具備很高的故障發(fā)生率和故障影響。衛(wèi)星設(shè)計經(jīng)過多次試驗驗證，該部分產(chǎn)品或單機在試驗時應(yīng)該被充分暴露，成熟的衛(wèi)星產(chǎn)品不應(yīng)有任何的單機或設(shè)備落在該象限。若在軌衛(wèi)星出現(xiàn)此類設(shè)備，衛(wèi)星還要長期在軌運行，應(yīng)采取以設(shè)備健康為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)采集策略，不僅全面采集設(shè)備本身的工況數(shù)據(jù)，還應(yīng)實時監(jiān)測可能影響設(shè)備健康的其他因素，并進行趨勢分析。為防止影響服務(wù)的故障發(fā)生，并且在后續(xù)衛(wèi)星研制過程中改進設(shè)計，降低該事件發(fā)生造成的影響。

第Ⅱ象限：單機設(shè)備故障發(fā)生率高，但影響較小。針對此類設(shè)備可以選擇“狀態(tài)監(jiān)控維護”的維護策略，連續(xù)采集預(yù)警信號或幾個能夠反映設(shè)備故障狀態(tài)的參數(shù)，實時動態(tài)監(jiān)控即可。例如，一些北斗系統(tǒng)地面設(shè)備故障頻率較高，但一般不影響服務(wù)的可用性，需要對設(shè)備進行實時監(jiān)測，保證故障發(fā)生后能及時響應(yīng)并恢復(fù)，對星上硬件實施開關(guān)機操作或軟件故障實施軟件重構(gòu)。

第Ⅲ象限：單機設(shè)備故障發(fā)生率低，且影響較小。該類單機設(shè)備一般穩(wěn)定性較高，一般不需要實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，采用巡檢、定期維護或到壽更換的維護模式。對可更換設(shè)備(地面系統(tǒng))按照設(shè)計平均壽命進行預(yù)防性更換即可。

第Ⅳ象限：單機設(shè)備故障發(fā)生率較低，但影響較大。針對這一類單機設(shè)備，需進行詳細的故障模式及影響分析(FMEA)，根據(jù)分析結(jié)果決定數(shù)據(jù)采集的對象和策略，全面采集設(shè)備的工況數(shù)據(jù)、性能參數(shù)等，實時監(jiān)測可能影響設(shè)備健康的其他外部因素，并進行趨勢分析，對影響較為嚴(yán)重的故障模式進行預(yù)測性維護和風(fēng)險管理。例如，衛(wèi)星原子鐘故障等，故障發(fā)生率較低，但影響較大，需要對其進行實時監(jiān)測，進行性能退化趨勢分析，對可能發(fā)生的故障征兆采取有效的預(yù)防性措施。

2.2.2 數(shù)據(jù)融合框架

結(jié)合北斗系統(tǒng)實際設(shè)計數(shù)據(jù)融合框架，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星、地面設(shè)備在研制生產(chǎn)、運行管理過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)類型各異。以數(shù)據(jù)的實際用途為依據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)融合和管理體系，提取數(shù)據(jù)的特征，對數(shù)據(jù)進行規(guī)整，針對特定的應(yīng)用場景設(shè)計主題數(shù)據(jù)倉庫，實現(xiàn)多源的數(shù)據(jù)融合。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合框架如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)感知與融合框架圖

通過數(shù)據(jù)規(guī)整，北斗系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括星上產(chǎn)品地面試驗測試數(shù)據(jù)、衛(wèi)星在軌遙測數(shù)據(jù)、可靠性評估數(shù)據(jù)(包括質(zhì)量問題信息)、監(jiān)測評估數(shù)據(jù)、地面業(yè)務(wù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)容涵蓋北斗系統(tǒng)從單機—系統(tǒng)—大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和關(guān)鍵單機全生命周期數(shù)據(jù)。對規(guī)整后的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)應(yīng)用場景和用途，采用數(shù)據(jù)主題倉庫分類管理，主要應(yīng)用場景包括單機級健康管理、系統(tǒng)級健康管理和大系統(tǒng)級健康管理。

單機級健康管理主要包括：關(guān)鍵單機FMEA、單機可靠性評估、單機故障診斷、單機壽命預(yù)測、關(guān)鍵單機主備切換決策支持等，需要融合星上產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、地面可靠性評估試驗數(shù)據(jù)和在軌遙測數(shù)據(jù)進行分析。

系統(tǒng)級健康管理主要包括：在軌衛(wèi)星健康狀態(tài)評估、整星故障預(yù)測、整星壽命預(yù)測，除融合星上產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、地面可靠性評估試驗數(shù)據(jù)和在軌遙測數(shù)據(jù)外，還需考慮單星的服務(wù)性能監(jiān)測指標(biāo)，如單星的空間信號精度、單星服務(wù)的連續(xù)性、可用性等，進行全方位的整星級健康管理。

星座級健康管理主要包括：衛(wèi)星軌位調(diào)整、備份星入網(wǎng)決策、備份策略優(yōu)化、運行機組跟蹤規(guī)劃等任務(wù)，是星地一體化運行健康管理的概念。大系統(tǒng)級的健康管理更注重于北斗系統(tǒng)導(dǎo)航服務(wù)性能保障方面，通過綜合地面運控系統(tǒng)和外部監(jiān)測資源，如全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)(iGMAS)、國際導(dǎo)航服務(wù)(International GNSS Service, IGS)、空間環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，對大系統(tǒng)運行進行精細化的健康管理。

3 融合多源數(shù)據(jù)的分級健康管理體系

3.1 單機級健康管理

1)地面試驗及在軌數(shù)據(jù)融合

單機級健康評估包含的內(nèi)容主要包括狀態(tài)評估和故障預(yù)測，是在多源數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上進行的。單機產(chǎn)品的地面試驗較充分，也是在軌運行狀態(tài)的直接數(shù)據(jù)來源，融合地面和在軌兩個階段的故障信息可以按照以下思路進行折算。

(1)

式中：ttest為單機的時間信息；ttest_k為地面加速壽命試驗時間；ntest_k為樣本量;Ktest_k為加速因子；ton-orbit為在軌的運行時間；m臺同類型單機累計；rtest為單機的失效信息；rtest1為地面試驗階段失效數(shù)；ron-orbit為在軌運行階段失效數(shù)。試驗前信息通過可靠性預(yù)計方法獲得，按照式(2)中貝葉斯更新方法融合驗前數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)。

(2)

式中：Tfusion為在軌運行綜合時間；test和rest分別為基于單機產(chǎn)品失效率預(yù)計值獲得的失效時間和失效臺數(shù)；ttest2和rtest2分別為試驗和在軌過程中統(tǒng)計的失效時間和失效臺數(shù)。

面向北斗導(dǎo)航衛(wèi)星原子鐘等關(guān)鍵單機，基于綜合考慮地面試驗和在軌運行的綜合時間Tfusion和失效情況rfusion，針對不同單機選取與產(chǎn)品失效強關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)，并構(gòu)建健康狀態(tài)指標(biāo)，基于指標(biāo)的變化情況和態(tài)勢分析進行狀態(tài)評估和故障預(yù)測。

2)健康評估

利用衛(wèi)星和地面系統(tǒng)單機/設(shè)備的運行狀態(tài)信息，從單機/設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取狀態(tài)特征參數(shù)，綜合利用狀態(tài)監(jiān)測信息，采用數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法建立單機/設(shè)備性能或狀態(tài)統(tǒng)計分析模型。涉及到的狀態(tài)評估方法主要是數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。按照單機/設(shè)備的重要程度、復(fù)雜程度、評估的需求以及管理等因素劃分健康等級，確定影響單機/設(shè)備健康狀態(tài)的相關(guān)因素，再選取反映單機/設(shè)備健康狀態(tài)的關(guān)鍵特征參數(shù)，結(jié)合故障模式分析結(jié)果，建立單機/設(shè)備的健康評估模型。從而根據(jù)歷史情況與當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)，對單機/設(shè)備的健康狀態(tài)做出實時評估。涉及到的健康評估方法包括層次分析、模糊評判、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等方法[9-10]。

3)故障預(yù)測

針對衛(wèi)星單機和地面系統(tǒng)設(shè)備，根據(jù)單機/設(shè)備產(chǎn)生的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入挖掘隱含的故障信息，提取高質(zhì)量和高價值密度信息，提取單機/設(shè)備反映關(guān)鍵性能特征參數(shù)，并根據(jù)特征參數(shù)變化趨勢識別退化特征，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動+失效物理方法建立單機/設(shè)備壽命預(yù)測模型，結(jié)合單機/設(shè)備的實際運行信息，對單機/設(shè)備進行壽命預(yù)測。涉及到的壽命預(yù)測方法包括自回歸滑動平均模型(ARMA)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度機器學(xué)習(xí)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等方法[11-12]。

3.2 衛(wèi)星級健康管理

系統(tǒng)級健康管理基于關(guān)鍵單機狀態(tài)評估結(jié)果，按照單機級、分系統(tǒng)級、單星級進行組網(wǎng)衛(wèi)星健康狀態(tài)評估。針對單星的空間信號精度、連續(xù)性和可用性監(jiān)測指標(biāo)的長期監(jiān)測結(jié)果，基于故障知識圖譜對單星性能指標(biāo)的異常進行診斷，圖3為考慮空間環(huán)境的多層級的衛(wèi)星健康評估與診斷技術(shù)路線示意圖。

注：圖中MEO-n、GEO-n、IGSO-n分別代表中軌、高軌和傾斜地球軌道上的某顆北斗衛(wèi)星。

1)空間環(huán)境及運行狀態(tài)參數(shù)的數(shù)據(jù)融合

以導(dǎo)航衛(wèi)星單星信號播發(fā)情況作為判定基點，融合單機遙測數(shù)據(jù)和年度空間環(huán)境數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)級的健康評估和故障診斷工作。空間環(huán)境數(shù)據(jù)包括地磁擾動指數(shù)值(Kp值)、太陽輻射指數(shù)(F10.7值)等，以及根據(jù)太陽活動規(guī)律的相關(guān)指數(shù)強度預(yù)測結(jié)果，圖4為考慮空間環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)的衛(wèi)星級數(shù)據(jù)融合示意圖。

圖4 衛(wèi)星級數(shù)據(jù)融合示意圖

2)健康評估

系統(tǒng)級健康評估從各衛(wèi)星關(guān)鍵單機的狀態(tài)評估結(jié)果入手，采集衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)和空間環(huán)境數(shù)據(jù)進行單機級的狀態(tài)評估，通過考慮年度空間環(huán)境優(yōu)劣、冗余備份等因素進行系統(tǒng)健康評估，結(jié)合衛(wèi)星實際運行過程中空間信號精度、單星連續(xù)性、單星可用性等監(jiān)測參數(shù)指標(biāo)，以及評估時段內(nèi)遙測參數(shù)變化范圍等情況，評估單星的健康狀態(tài)，基于評估結(jié)果預(yù)備對用戶發(fā)布計劃中斷通告，以及預(yù)備單機失效備份切換預(yù)案。

3)故障診斷

對關(guān)鍵任務(wù)、系統(tǒng)、分系統(tǒng)和部件等逐層次建立可拓展的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)故障診斷結(jié)構(gòu)模型，對系統(tǒng)的功能和任務(wù)進行劃分得出故障特征作為多層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成要素，同時定義故障的表征節(jié)點和原因節(jié)點。針對衛(wèi)星信號播發(fā)情況以及空間信號關(guān)鍵性能指標(biāo)(如空間信號精度、信號連續(xù)性、可用性等)的故障或異常現(xiàn)象，重點排查空間環(huán)境敏感單機，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)和系統(tǒng)表現(xiàn)特征合理推斷，迅速找到故障原因，準(zhǔn)確定位故障源，對軟故障進行快速恢復(fù)，及時排除故障。

3.3 星座級健康管理

北斗系統(tǒng)運行過程中，在服務(wù)層面，多個監(jiān)測站對導(dǎo)航信號進行監(jiān)測，對服務(wù)性能進行評估；在運行層面，衛(wèi)星系統(tǒng)、運控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、星間鏈路運管系統(tǒng)聯(lián)合保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，各系統(tǒng)的運行指標(biāo)也被嚴(yán)格監(jiān)測，總體而言，運行性能是系統(tǒng)運行性能的表現(xiàn)，各系統(tǒng)運行的監(jiān)測指標(biāo)是保障星座系統(tǒng)運行穩(wěn)定的內(nèi)因，因此，在進行星座運行健康管理時，需要統(tǒng)籌考慮服務(wù)性能評估和各系統(tǒng)的運行監(jiān)測評估，并針對各系統(tǒng)進行正常任務(wù)監(jiān)控與調(diào)度和異常/故障情況下的運行維護，圖5為關(guān)聯(lián)服務(wù)層和運行層的星座級健康管理示意圖。

圖5 星座級健康管理示意圖

1)內(nèi)外部服務(wù)性能監(jiān)測評估數(shù)據(jù)融合

針對北斗系統(tǒng)提供的定位導(dǎo)航類和通信數(shù)傳類等各類服務(wù)，融合系統(tǒng)自身監(jiān)測站點以及外部跟蹤站點數(shù)據(jù)，常態(tài)化進行服務(wù)性能監(jiān)測評估，保證向用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。利用地面系統(tǒng)的監(jiān)測站點數(shù)據(jù)進行內(nèi)部服務(wù)性能評估，同時，利用iGMAS、IGS等外部機構(gòu)對系統(tǒng)的監(jiān)測評估結(jié)果，對重合站點進行評估結(jié)果比對，以及對其他站點評估結(jié)果的補充，實現(xiàn)評估北斗系統(tǒng)服務(wù)性能評估的內(nèi)外融合。目前，各類服務(wù)性能評估均有成熟方法，主要的評估指標(biāo)有服務(wù)可用性、連續(xù)性、完好性評估[13-16]?；诒O(jiān)測評估結(jié)果，提前感知星座狀態(tài)，為常規(guī)的監(jiān)控與調(diào)度和異常的處置提供支撐，圖6為內(nèi)、外部服務(wù)性能監(jiān)測數(shù)據(jù)融合示意圖。

圖6 監(jiān)測評估數(shù)據(jù)融合

2)正常任務(wù)監(jiān)控調(diào)度

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正常任務(wù)監(jiān)控調(diào)度主要由衛(wèi)星系統(tǒng)、地面運控系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和星間鏈路運行管理系統(tǒng)4個系統(tǒng)協(xié)調(diào)完成，聯(lián)合保障系統(tǒng)正常運行，在正常任務(wù)監(jiān)控調(diào)度中各系統(tǒng)工作內(nèi)容如下。

(1)衛(wèi)星系統(tǒng)接收地面系統(tǒng)注入的導(dǎo)航參數(shù)、遙控指令、運行管理指令等信息，并按照指令進行數(shù)據(jù)更新、軌道姿態(tài)調(diào)整、載荷工作狀態(tài)設(shè)置，按照任務(wù)要求進行各類導(dǎo)航信號的播發(fā)，遙測參數(shù)的產(chǎn)生與下傳。

(2)地面運控系統(tǒng)對導(dǎo)航系統(tǒng)的各項業(yè)務(wù)進行統(tǒng)籌規(guī)劃，包括導(dǎo)航數(shù)據(jù)的上行注入分發(fā)、衛(wèi)星鐘差及軌道測定與預(yù)報、電離層延遲改正監(jiān)測處理、系統(tǒng)完好性監(jiān)測處理、基本導(dǎo)航信號觀測與監(jiān)測、短報文通信信號收發(fā)與業(yè)務(wù)處理等。

(3)測控系統(tǒng)進行跟蹤測量及測控調(diào)度，包括獲取衛(wèi)星的遙測信息、完成高精度定軌、調(diào)整GEO衛(wèi)星位置，調(diào)整MEO、IGSO衛(wèi)星軌道相位，實現(xiàn)星座構(gòu)型保持和需離軌衛(wèi)星的離軌控制。

(4)星間鏈路運行管理系統(tǒng)進行星間鏈路資源管理調(diào)度、參數(shù)配置管理，生成星間鏈路運行管理指令，并調(diào)度地面資源進行運行管理指令的整網(wǎng)分發(fā)，同時通過星間鏈路地面站收集衛(wèi)星的遙測下行數(shù)據(jù)，進行星間網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視。

3)異常/故障情況下的運行維護

異常/故障情況下的運行維護，主要包括：衛(wèi)星系統(tǒng)智能維護、地面運控系統(tǒng)智能維護、星座系統(tǒng)智能維護。

(1)衛(wèi)星系統(tǒng)維護。通過綜合系統(tǒng)運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展壽命預(yù)測和基于狀態(tài)監(jiān)測的維護規(guī)劃工作，如：衛(wèi)星關(guān)鍵單機耗損特性和隨機失效特性的在軌剩余壽命預(yù)測值、衛(wèi)星在空間環(huán)境影響下的態(tài)勢/風(fēng)險評估值等，支撐開展單機切換、軟件重構(gòu)等維護操作。

(2)地面運控系統(tǒng)維護。以地面運控系統(tǒng)可用性和風(fēng)險限值為目標(biāo)，以設(shè)備/軟件自動切換時間和順序、單點薄弱環(huán)節(jié)、設(shè)備剩余壽命、備品備件保障、人員維護操作時間等為約束條件，利用遺傳算法、粒子群算法等優(yōu)化算法，構(gòu)建多目標(biāo)的預(yù)測維護規(guī)劃模型，對地面運控系統(tǒng)進行預(yù)測性維護。

(3)星座系統(tǒng)維護。通過構(gòu)建反映衛(wèi)星/星座系統(tǒng)中每一個實體之間的相互影響關(guān)系和層次關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)模型，對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行進行仿真，采用STK等成熟軟件工具，研究網(wǎng)絡(luò)中單個或多個衛(wèi)星組合故障時，對系統(tǒng)的可用性、連續(xù)性、完好性、精度等的影響程度，同時根據(jù)衛(wèi)星當(dāng)前的健康狀態(tài)、所處的生命周期階段、性能預(yù)測趨勢，以及對系統(tǒng)任務(wù)的影響程度，判斷衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

4 結(jié)束語

本文針對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的健康管理體系，主要包括多源數(shù)據(jù)融合和分級健康管理。其中，多源數(shù)據(jù)融合是北斗系統(tǒng)健康管理的基礎(chǔ)，可綜合產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)，以及北斗系統(tǒng)內(nèi)部和外部的有效數(shù)據(jù)，更有效地支撐北斗系統(tǒng)健康管理；分級健康管理策略分析研究北斗系統(tǒng)在運行過程中，單機級、系統(tǒng)級和星座級需進行的運行維護活動，形成了北斗系統(tǒng)分級健康管理方案，可為運行維護人員進一步優(yōu)化目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健康管理體系提供有益借鑒，支撐進一步提升系統(tǒng)運行管理精細化水平。