健康管理在航天地面测控系统中的运用

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健康管理在航天地面测控系统中的运用

　　摘　　　　要：健康管理技术为管理对象提供健康状态管理和维护功能，已成为航空航天装备

系统的重要组成部分。针对航天地面测控系统的健康管理需求，提出了基于多层级健康状态采

集信息的健康管理体系架构，为地面测控设备提供状态监视、故障诊断和健康状态评估服务，

并对相关健康管理功能的业务模型进行了分析，对全系统的健康管理体系工作流程进行了设

计。该健康管理系统目前已实际应用于某地面测控站的建设中，提高了地面站设备的故障检测

维修效率。

　　关键词：地面测控系统; 健康管理; 故障诊断; 健康状态评估;

　　 Abstract： Health management technology provides function of health condition management

and maintenance for the managed objects,and it has become an important part of aerospace equipment

system. According to the requirement of health management for space telemetry,tracking and

command( TT&C) ground system,a health management architecture based on sampling the health

condition information of the multi-hierarchy system is proposed. The proposed health management

system provides condition monitoring,fault diagnosis and health assessment service for space TT&C

ground equipment. The corresponding function models are analyzed. The workflow of health

management architecture within the TT&C system is designed. The proposed health management

system has been actually applied in the construction of a TT&C ground station,and the efficiency of

fault detection and maintenance for the ground station equipment is improved.

　　 Keyword： TT&C ground system; health management; fault diagnosis; health condition

assessment;

　　 0 　、引言

航天地面测控系统是航天器在轨运行的地面监测和控制节点，为航天器执行在轨任务提供支持

保障。随着航天事业的快速发展，在轨航天器数目激增，同时也对地面测控系统的运行可靠性

和稳定性提出了更高的要求。健康管理技术基于设备状态监测数据，利用各类故障诊断和状态

评估模型，对设备运行工况进行综合评估分析，旨在通过全面掌握设备健康状态发展态势，及

时排查设备故障和隐患，降低故障影响，提高设备运行可靠性。因此，在航天地面测控系统中

引入健康管理技术也自然成为了发展的必然趋势。

健康管理技术在英美等国得到了深度研究和推广应用，已建成多个具有代表性的健康管理系

统，包括 F-35 飞机故障预测与健康管理(Prognostics Health Management,PHM)系统[1]、NASA

飞行器综合健康管理(Integrated Vehicle Health Management,IVHM)系统[2]、直升机健康与使用

监控系统(Health and Usage Monitoring System,HUMS)[3]等。国内的健康管理技术起步较晚，相

关研究主要集中于理论算法，尚未形成较为成熟的健康管理系统，但随着技术的发展和装备型

号的技术攻关，在航空航天装备领域已取得了一定成果[4]。文献[5]对航空电子系统故障预测

与健康管理体系结构进行了分析，从结构、功能分层和树形运行蓝图上进行了分析和设计。文

献[6]针对航天测控设备提出了基于范例推理(Case Based Reasoning,CBR)和规则推理(Rule Based

Reasoning,RBR)结合的故障诊断系统设计方案，给出了基于故障树模型的知识表示方法和诊断

推理方法。文献[7]提出了基于案例推理的航天测控设备故障诊断方法，对故障案例的搜索及诊

断效率较高。文献[8]针对遥感卫星接收系统给出了故障诊断专家系统设计方法。文献[9]对测

控设备专家系统知识获取方法进行了研究分析。文献[10]对复杂系统健康状态评估技术的现状

发展进行了研究综述。文献[11]针对无人机系统的健康状态评估方法进行了研究，通过三角模

糊数和层次分析法结合，实现了对无人机健康状态的量化评估。文献[12]采用层次分析法实现

对地基测控网的健康状态评估。

随着航天测控设备和健康管理技术的发展，健康管理系统已成为航天地面测控系统的重要组成

部分。本文对航天地面测控系统健康管理体系、工作流程、业务模型进行了研究，并结合某型

号装备的研制给出了应用实例。

　 1 　、健康管理体系

航天地面测控系统包括天伺馈分系统、发射分系统、接收分系统、基带分系统、时频分系统、

标校分系统等多个分系统，各分系统又包含大量不同的设备与部件，对这样的复杂系统进行健

康状态管理需要完成部件、设备、分系统、系统多层级的健康信息采集，并利用采集信息实现

全系统的状态监视、故障诊断、健康状态评估、维修辅助决策等健康管理应用。

航天地面测控系统健康管理体系如图1所示，主要包括健康信息采集、健康管理知识库和健康

管理应用服务。基于航天地面测控系统多层级的健康信息采集和健康业务知识对故障诊断、健

康状态评估等健康管理业务提供数据和知识支撑，为航天地面测控系统设备提供运维保障服

务。

图1 系统健康管理体系

健康信息采集实现对部件、设备、分系统、系统的多层级健康状态数据获取，以部件工作状态

参数为基础，通过部署传感器采集部件工作电压、电流、温度、振动等各类工作状态参数，结

合内置测试(Built in Test,BIT)、设备监控软件组件获取设备状态，并根据状态监视结果，按需

进行链路测试和参数标校，获取业务分系统的功能、性能指标。汇集上述系统各级健康状态数

据，作为健康管理应用服务的数据分析基础。

健康管理知识库保存了各级设备、部件的健康业务处理规则、模型和案例，以及各类历史健康

数据，如故障监测知识、故障树诊断模型等，支撑相关健康管理应用服务的功能实现。

健康管理应用服务主要包括设备状态监视、故障诊断、健康状态评估和维修辅助决策，各业务

功能通过上层应用调度，实现健康管理全业务服务的自动化闭环运行。首先针对实时采集的健

康状态数据按需进行预处理，生成健康状态表征信息;然后利用监测点知识对各级设备、部件

健康状态特征进行监视判别，发现异常状态时，自动调取对应设备的故障诊断和健康状态评估

模型，对异常设备进行故障识别和定位，对系统健康状态进行评估，并根据评估结果生成维修

建议，供运维人员参考执行，达到快速消除故障和预防潜在故障的目的。对于完成诊断的故障

案例和健康评估结果自动保存至知识库，支持对后续异常事件的诊断处理。

2　、健康业务模型

航天地面测控系统健康业务模型主要包括数据预处理与状态监视模型、故障诊断模型和健康状

态评估模型，支撑对各级设备的健康管理应用服务。

　 2.1 　、数据预处理与状态监视

航天地面测控系统设备类型众多，各类型设备的状态采集数据存在着同类参数名称不一、量纲

不一，以及直接采样参数难以表征采样部件健康特性的问题，因此需要对状态采集数据进行预

处理，以满足状态监视和后续诊断、评估的处理需要。

数据预处理包括分类处理和信息综合处理。分类处理主要针对设备状态监测数据、天线跟踪数

据等特定类型数据进行处理。设备状态监测数据处理按设备进行分类处理，针对不同设备的状

态监测数据，进行平滑滤波、门限判决、信息关联、虚警剔除等处理。天线跟踪数据主要包括

轨道数据、角跟踪数据、自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)电压、角误差电压等，可

进行跟踪精度计算、角误差电压变化范围分析等。

信息综合处理针对多类型数据进行关联性分析、统计值计算、特征提取等，从海量采样数据中

提取具备健康表征特性的关键参数信息，消除冗余数据，提高后续状态监视的处理的效率。

状态监视功能基于预处理后的健康状态数据及监测点知识进行实时故障监测。以频综单元为

例，监测点知识为预处理后数据设定了多级监测门限，根据实时状态监测数据对部件状态进行

判别。基于判别状态，支持对异常告警策略、维修处置建议等进行设定，以消除虚警及对不同

部件的亚健康状态、故障状态进行灵活处置。此外，支持通过组合逻辑条件对关联参数进行筛

选判断，提高故障监测能力。

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摘要：

健康管理在航天地面测控系统中的运用　　摘　　　　要：健康管理技术为管理对象提供健康状态管理和维护功能，已成为航空航天装备系统的重要组成部分。针对航天地面测控系统的健康管理需求，提出了基于多层级健康状态采集信息的健康管理体系架构，为地面测控设备提供状态监视、故障诊断和健康状态评估服务，并对相关健康管理功能的业务模型进行了分析，对全系统的健康管理体系工作流程进行了设计。该健康管理系统目前已实际应用于某地面测控站的建设中，提高了地面站设备的故障检测维修效率。　　关键词：地面测控系统;健康管理;故障诊断;健康状态评估;　　Abstract：Healthmanagementtechnologyprovi...

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