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漫談商業(yè)航天星座/星群在軌健康管理技術(shù)

來(lái)源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2024年12月11日 07:47

衛(wèi)星在軌健康管理始終衛(wèi)星運(yùn)維工作的難點(diǎn)和重點(diǎn)，衛(wèi)星在軌運(yùn)維的技術(shù)水平和策略，直接影響衛(wèi)星使用效益甚至衛(wèi)星使用壽命，為便于大家了解衛(wèi)星健康管理的內(nèi)容和重要意義，北京天鏈測(cè)控技術(shù)有限公司特請(qǐng)公司副總裁、資深衛(wèi)星運(yùn)維管理專家楊天社先生針對(duì)商業(yè)航天星座/星群在軌健康管理技術(shù)整理了專題報(bào)告，供大家交流討論。

1. 研究背景

衛(wèi)星航天工程是一項(xiàng)龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)工程，衛(wèi)星系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行高度依賴于高質(zhì)量的衛(wèi)星設(shè)計(jì)制造、穩(wěn)妥精準(zhǔn)的發(fā)射測(cè)控和安全可靠的運(yùn)行管理。其中，衛(wèi)星在軌健康管理甚為重要，若不能全面掌握衛(wèi)星健康狀況、及時(shí)發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星在軌故障，可能會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星不能安全、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，進(jìn)而影響衛(wèi)星功能、性能和系統(tǒng)使用、縮短衛(wèi)星壽命、甚至報(bào)廢，衛(wèi)星的作用和效益也會(huì)大打折扣。

國(guó)內(nèi)外航天實(shí)踐表明，無(wú)論在設(shè)計(jì)、研制階段采取了多么嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，都很難避免衛(wèi)星發(fā)生在軌故障。商業(yè)衛(wèi)星更注重系統(tǒng)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)效益，一旦衛(wèi)星在軌發(fā)生故障，如不及時(shí)處置，則可能會(huì)帶來(lái)重大影響或損失。如能通過(guò)一種手段，及早發(fā)現(xiàn)、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)衛(wèi)星故障并提前處置，則可避免不必要的麻煩和損失，做到“防患于未然”，進(jìn)而提高衛(wèi)星使用效率和系統(tǒng)星效益，從而增強(qiáng)企業(yè)的知名度、影響力和競(jìng)爭(zhēng)力。

比如，如果能夠降低衛(wèi)星異常和故障發(fā)生率，則可提高衛(wèi)星的有效應(yīng)用時(shí)間；如果能夠延長(zhǎng)衛(wèi)星壽命，則可能會(huì)節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本；如果衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商能夠提供更穩(wěn)定可靠服務(wù)，則可以提升客戶體驗(yàn)。反之，不但會(huì)對(duì)企業(yè)造成很高的經(jīng)濟(jì)損失，還有可能會(huì)帶來(lái)極大的負(fù)面影響。

商業(yè)航天星座/星群在軌健康管理技術(shù)的主要目的就是以星座/星群安全穩(wěn)定運(yùn)行為目標(biāo)，建立衛(wèi)星在軌健康管理技術(shù)體系和快速處理準(zhǔn)則，為星座/星群故障快速診斷、高效修復(fù)、全生命周期健康管理、綜合態(tài)勢(shì)分析評(píng)估等奠定基礎(chǔ)，提高星座/星群的商業(yè)價(jià)值和綜合效益。

2. 必要性

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，衛(wèi)星發(fā)生在軌故障的比率高達(dá)85%以上，沒(méi)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命的衛(wèi)星占45%以上。實(shí)際情況表明，衛(wèi)星在軌發(fā)生異常和故障時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響衛(wèi)星系統(tǒng)的正常應(yīng)用，甚至危及衛(wèi)星在軌壽命。

通過(guò)國(guó)內(nèi)外多類型在軌衛(wèi)星發(fā)生的563個(gè)典型故障分析表明，衛(wèi)星在軌故障主要有漸變故障和突變故障。其中563個(gè)故障中，漸變故障264個(gè)、占故障總數(shù)46.9％，突變故障299個(gè)、占故障總數(shù)的53.1％。

圖1 衛(wèi)星在軌故障類型統(tǒng)計(jì)

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星平臺(tái)的測(cè)控、電源、控制、星務(wù)等分系統(tǒng)是衛(wèi)星在軌發(fā)生故障的“重災(zāi)區(qū)”，接近衛(wèi)星在軌故障總數(shù)的75%。盡管衛(wèi)星在軌故障發(fā)生的原因是多方面的，但是，衛(wèi)星運(yùn)行管理過(guò)程中缺乏先進(jìn)、適用、針對(duì)性強(qiáng)的故障早期檢測(cè)、診斷技術(shù)、預(yù)測(cè)技術(shù)和行之有效的評(píng)估技術(shù)，也是重要的因素之一。

如果深入認(rèn)識(shí)了衛(wèi)星在軌故障演變規(guī)律，掌握了先進(jìn)、有效的異變檢測(cè)、故障預(yù)測(cè)、診斷、修復(fù)和系統(tǒng)健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等基礎(chǔ)方法，就可以及早預(yù)測(cè)故障并有效處置。衛(wèi)星在軌發(fā)生的264個(gè)漸變型故障中，93個(gè)故障可提前采取措施加以避免；61個(gè)故障可提前采取措施減少故障危害；在299個(gè)突發(fā)性故障中，約100個(gè)故障可有效修復(fù)或則控制故障的危害擴(kuò)大。

隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，未來(lái)幾年，大規(guī)模商業(yè)衛(wèi)星星座、星群將很快投入運(yùn)行，對(duì)大數(shù)量衛(wèi)星在軌異常檢測(cè)和故障診斷依靠人工已不能完成，因此，智能、自動(dòng)、精細(xì)的健康管理技術(shù)將是未來(lái)星座/星群測(cè)運(yùn)控的重要基礎(chǔ)。

3. 主要問(wèn)題

（1）新技術(shù)、新應(yīng)用和新模式帶來(lái)新挑戰(zhàn)

衛(wèi)星在軌全壽命期健康管理一直是國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，隨著大數(shù)據(jù)分析、信息化技術(shù)和人工智能的發(fā)展，衛(wèi)星在軌健康管理技術(shù)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。但隨著商業(yè)航天多樣化發(fā)展，新問(wèn)題的出現(xiàn)、新方法的提出，特別是對(duì)問(wèn)題認(rèn)識(shí)的進(jìn)一步深化，對(duì)衛(wèi)星在軌健康管理帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

（2）知識(shí)庫(kù)建立難，平臺(tái)類型多、評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不一

健康管理需要衛(wèi)星健康信息知識(shí)庫(kù)的支撐，這些數(shù)據(jù)對(duì)異常檢測(cè)和故障診斷等健康管理工作至關(guān)重要。商業(yè)衛(wèi)星平臺(tái)類型多，故障評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)千差萬(wàn)別，難以統(tǒng)一。

（3）驗(yàn)證周期較長(zhǎng)、成果應(yīng)用滯后

衛(wèi)星在軌異常檢測(cè)和故障診斷技術(shù)研究雖然最近有了很大發(fā)展，國(guó)內(nèi)也有一些單位在推廣應(yīng)用，但由于受成本和衛(wèi)星規(guī)模等方面的限制，在商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還相對(duì)比較滯后。

4. 關(guān)鍵技術(shù)

星座/星群在軌健康管理是一個(gè)復(fù)雜綜合研判和處理過(guò)程，涉及到衛(wèi)星在軌故障知識(shí)庫(kù)的建立、衛(wèi)星故障模型建立以及衛(wèi)星健康評(píng)判準(zhǔn)則等一系列關(guān)鍵技術(shù)，具有點(diǎn)多、線長(zhǎng)、面廣的特點(diǎn)。這里僅談幾點(diǎn)部分關(guān)鍵技術(shù)。

（1）衛(wèi)星狀態(tài)異常識(shí)別與檢測(cè)。突破衛(wèi)星狀態(tài)門限內(nèi)異常檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星門限內(nèi)狀態(tài)異常的早期發(fā)現(xiàn)及預(yù)警。

（2）衛(wèi)星狀態(tài)異變模式識(shí)別。深入分析衛(wèi)星在軌狀態(tài)異變模式，建立在線或離線分析衛(wèi)星實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法和算法，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在軌異變的安全檢測(cè)。

（3）衛(wèi)星狀態(tài)異常非線性邊界建模。針對(duì)狀態(tài)異常閾值的非線性變化的特點(diǎn)，建立基于閾值分析的非線性邊界模型，檢測(cè)衛(wèi)星狀態(tài)異常狀況。

（4）衛(wèi)星多層次故障特征分析。研究在軌衛(wèi)星故障的非線性、時(shí)變性、隨機(jī)性等特性，得到表征衛(wèi)星故障征兆的深層知識(shí)。

（5）衛(wèi)星在軌故障模式分析與識(shí)別。研究衛(wèi)星故障關(guān)聯(lián)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星故障模式的表現(xiàn)形式分類，識(shí)別衛(wèi)星故障關(guān)聯(lián)模式。

（6）衛(wèi)星多故障關(guān)聯(lián)的診斷方法。研究衛(wèi)星多點(diǎn)并發(fā)故障診斷方法，解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)并發(fā)故障在線診斷的問(wèn)題。

（7）基于過(guò)程模型的衛(wèi)星故障預(yù)測(cè)。以故障知識(shí)庫(kù)等先驗(yàn)知識(shí)為指導(dǎo)，建立衛(wèi)星在軌動(dòng)態(tài)故障預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行衛(wèi)星故障預(yù)測(cè)。

（8）衛(wèi)星在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析與挖掘。基于大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘，深入分析衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)，甄別衛(wèi)星狀態(tài)異常和故障相關(guān)數(shù)據(jù)的變化特征。

（9）大規(guī)模星座/星群綜合態(tài)勢(shì)評(píng)估與展示。綜合評(píng)估星座/星群健康態(tài)勢(shì)、風(fēng)險(xiǎn)態(tài)勢(shì)和應(yīng)用支持能力等狀況，以可視化形式直觀展示星座/星群的健康態(tài)勢(shì)。

5. 應(yīng)用領(lǐng)域

星座/星群全壽命期健康管理系統(tǒng)組成主要包括航天測(cè)控網(wǎng)、衛(wèi)星在軌檢測(cè)平臺(tái)、星座/星群健康管理交互平臺(tái)三部分組成，如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星在軌健康管理系統(tǒng)組成示意圖

星座/星群全壽命期健康管理系統(tǒng)可用于在軌衛(wèi)星/星座/星群的態(tài)勢(shì)評(píng)估與監(jiān)視、故障檢測(cè)與診斷、故障處置、系統(tǒng)健康與風(fēng)險(xiǎn)管理等領(lǐng)域，為民商衛(wèi)星星座/大規(guī)模星群在軌管理的自動(dòng)化管理和智能化運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

本文綜合自“天鏈測(cè)控”，原標(biāo)題《漫談商業(yè)航天星座/星群在軌健康管理技術(shù)》文 | 楊天社

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