航天器健康管理平臺設計技術研究

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

0 引言

我國航天領域正處于快速發(fā)展階段，到“十四五”末期，地面測控系統(tǒng)將管理總價值數(shù)百億元的各類在軌航天器，將建成規(guī)模較大、長期有人參與的國家級太空實驗室，實現(xiàn)導航星座的多星組網(wǎng)運行。隨著航天器數(shù)量增加以及廣泛應用，航天器安全可靠運行對我國國家安全及經(jīng)濟發(fā)展的重要性日趨凸顯。

為了滿足航天器運維高可靠性、安全性和提高經(jīng)濟性的需求，須提高我國航天器的壽命預測與健康管理(PHM：Prognostics and Health Management)技術水平。國外在PHM技術方面發(fā)展程度較高，形成了比較完善的標準、體系和規(guī)范，并建立了較為完整的PHM系統(tǒng)開發(fā)軟件工具體系，并逐步在航天領域進行了應用。以美國、歐盟為代表的西方發(fā)達國家在航空、航天和高新武器的研究和試制中，都有先進的設計、試驗和管理手段的支持，并在飛機、電子系統(tǒng)設計等領域得到應用。典型成果如波音公司提出的基于邏輯分層的7層PHM體系結構，該結構應用于無人作戰(zhàn)飛行器和波音777飛機研制[1]；2008年馬蘭里大學J.Gu和M.Pecht提出了基于故障機理的預測和健康管理，建立基于模型的PHM通用結構[2]；美國NASA提出了“綜合系統(tǒng)健康管理(ISHM)”技術[3]；NASA和波音公司提出了飛行器綜合健康管理(IVHM)技術[4]，通過對飛行器進行狀態(tài)監(jiān)控與故障診斷，并進行故障預測，可以有效降低飛行器運行過程中的意外風險。另外，國外在各類PHM工具研發(fā)上投入較大，設計了多種測試性設計、FMECA分析、安全性、保障性及維修性設計等分析工具軟件，用于輔助PHM系統(tǒng)設計與應用，作為系統(tǒng)維修與保障決策的參考依據(jù)。

PHM技術在我國國內(nèi)起步較晚，近年來，PHM技術逐漸成為航空航天、武器裝備等工業(yè)領域的研究熱點。在PHM體系架構方面，北京航空航天大學呂琛等提出了一種開放的面向對象的層次化PHM體系結構，可適應于層次化、標準化系統(tǒng)設計需求，降低飛機等飛行器的維護費用及難度[5]；空軍工程大學張亮等人從功能邏輯上初步提出了一種由模塊/單元層PHM、子系統(tǒng)級PHM、區(qū)域級PHM和平臺級PHM等4層集成的面向機載PHM的分層融合式體系架構[6]；北京空間技術總體設計部針對衛(wèi)星信息系統(tǒng)通道資源有限、遙測采樣率較低等特點，提出了適用于衛(wèi)星信息系統(tǒng)的星地協(xié)同、三級閉環(huán)的衛(wèi)星健康管理系統(tǒng)架構[7]。在測試性設計和驗證方面，航天測控技術有限公司、北京航空航天大學、國防科技大學、西安電子工程研究所等一系列研究所或高校針對飛機、雷達、電子設備以及慣導系統(tǒng)的BIT設計與驗證技術進行了較為深入研究[8-11]，為面向PHM的可測性設計提供了技術基礎。在PHM算法方面，航天測控技術有限公司開展了大量理論研究工作，并在C919、四代機等新一代民用航空和武器裝備中得到了應用；北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、浙江大學、南京理工大學等一系列高校在航空、武器裝備、電力電氣系統(tǒng)等應用領域均有較多深入研究成果[12-19]。

相較于國外先進的PHM技術水平，尤其實在航天領域，我國仍存在較大差距，主要體現(xiàn)在：1)我國的PHM缺少面向航天器運行特點的健康管理技術體系設計；2)缺乏航天器系統(tǒng)級健康管理設計經(jīng)驗，缺少航天器健康管理系統(tǒng)的設計工具；3)航天器單機的測試性設計薄弱，故障模型與試驗數(shù)據(jù)積累不足；4)需要針對現(xiàn)代航天器運行管理特點，開展適合航天器的健康管理技術研究；5)需要研究針對航天器健康管理系統(tǒng)的驗證技術與平臺。

針對國內(nèi)外PHM技術的差距以及航天領域PHM技術的不足，本文討論了航天器天地一體化健康管理平臺的設計思路，從未來航天器的設計、測試和保障服務需求入手，結合國際上健康管理領域的先進技術標準，制定集成先進PHM技術的航天器健康管理技術體系架構，并最終將技術成果推廣至各航天器研制單位及各個相關行業(yè)用戶，緊密圍繞研究目標，最終形成“一個體系，兩個平臺，一套系統(tǒng)”，即航天器健康管理設計規(guī)范和技術體系，航天器PHM系統(tǒng)設計開發(fā)平臺，航天器PHM系統(tǒng)驗證平臺以及航天器天地一體化健康管理系統(tǒng)，為后續(xù)我國航天器健康管理系統(tǒng)的推廣應用奠定技術基礎。

1 航天器健康管理技術體系設計

構建適用于航天器特點的健康管理系統(tǒng)是一項復雜的系統(tǒng)工程，在設計和構建航天器健康管理平臺前，首先需要建立航天器健康管理技術體系，針對我國缺少面向航天器運行特點的健康管理體系的問題，不僅需要參考國際上先進的健康管理技術，包括標準體系架構及規(guī)范，還需總結我國已有的保障技術規(guī)范，而后綜合航天器總體單位對健康管理的要求，構建符合未來發(fā)展要求的航天器健康管理體系模型。

針對航天器功能與應用場景特點，從功能層次的角度來看，航天器健康管理技術體系可分為7個功能層次：

1)基礎數(shù)據(jù)層，蓋層提供了所有的數(shù)據(jù)信息包括航天器設計數(shù)據(jù)、單機及整星的測試與試驗數(shù)據(jù)、歷史與實時遙測數(shù)據(jù)等，為以上各層提供強大的數(shù)據(jù)源支持。

2)協(xié)議傳輸層，完成從傳感器到星載健康管理單元，從星載系統(tǒng)到地面系統(tǒng)，以及地面系統(tǒng)各單元間的數(shù)據(jù)傳輸，根據(jù)不同的終端與數(shù)據(jù)鏈路特點，研究不同傳輸方式與協(xié)議。

3)方法資源層，包括航天器健康管理體系和平臺業(yè)務的關鍵技術和方法，以資源庫的形式存在，主要包括測試性設計方法、BIT設計方法、模型設計與修正方法、狀態(tài)監(jiān)測方法、故障診斷與預測方法、壽命預測方法、健康狀態(tài)評估方法等。

4)技術規(guī)范層，包括航天器健康管理體系和平臺的所需要的標準規(guī)范和設計指南：在體系設計方面，主要包括指標體系設計、系統(tǒng)框架設計、通信設計等內(nèi)容；在體系設計和平臺搭建方面，主要包括航天器健康管理體系平臺的研制要求規(guī)范、流程設計規(guī)范、應用設計指南以及系統(tǒng)驗收規(guī)范。

5)平臺應用層，該層依據(jù)技術規(guī)范層的指導，負責將方法資源層的算法固化為工程應用，針對航天器執(zhí)行具體的故障預測與健康管理系統(tǒng)任務，是航天器健康管理平臺的實體運行部分。

6)平臺驗證層，負責對健康管理方法、體系和系統(tǒng)等進行驗證，主要包括數(shù)字仿真驗證、地面半物理試驗驗證和在軌應用評估驗證等3種驗證形式。

7)系統(tǒng)工具層，作為航天器健康管理平臺的推廣應用部分，主要包括航天器健康管理系統(tǒng)設計工具集和驗證工具集兩部分，為健康管理體系平臺的運行提供輔助設計與驗證支撐。

航天器健康管理平臺技術的研究對象具體體現(xiàn)為“一個體系，兩個平臺，一套系統(tǒng)”?！耙粋€體系”代表航天器健康管理指標體系、設計規(guī)范及功能體系結構框架?！皟蓚€平臺”包括航天器健康管理技術開發(fā)平臺和驗證平臺；其中航天器健康管理技術開發(fā)平臺提供各類分析開發(fā)工具和知識庫，幫助開發(fā)人員快速實現(xiàn)PHM系統(tǒng)級和單機級的多層PHM設計與優(yōu)化，可基于知識庫和全生命周期數(shù)據(jù)借助PHM建模工具快速開發(fā)算法模型；航天器健康管理技術驗證平臺可與航天器健康管理系統(tǒng)形成閉環(huán)，用于驗證航天器健康管理技術和系統(tǒng)功能的正確性，同時還具備演示驗證功能，提供航天器運行狀態(tài)、健康狀態(tài)及驗證過程狀態(tài)等方面的可視化展示?！耙惶紫到y(tǒng)”代表航天器健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)天地協(xié)同健康管理。航天器天地一體化健康管理平臺架構如圖1所示。

圖1 航天器天地一體化健康管理平臺架構圖

2 航天器健康管理系統(tǒng)設計技術研究

航天器健康管理系統(tǒng)架構設計是系統(tǒng)開發(fā)的基礎和前提，是由航天器應用任務向PHM設計要求、工作內(nèi)容界定等轉化的關鍵環(huán)節(jié)，是明確航天器健康管理系統(tǒng)開發(fā)目標，指導后續(xù)系統(tǒng)實現(xiàn)及驗證的基礎。

對航天器任務的深入理解與剖析對設計航天器健康管理系統(tǒng)具有至關重要的作用。系統(tǒng)設計的第一步是對航天器任務(如星箭分離、程控帆板展開、軌道機動、建立執(zhí)行任務狀態(tài)等)進行分解，明確影響任務成功的具體因素，根據(jù)任務執(zhí)行的具體流程，結合PHM系統(tǒng)對于各個分任務的影響，確定PHM系統(tǒng)與任務成功率的關系。在此基礎上，根據(jù)PHM系統(tǒng)與任務成功的關系，進行PHM功能需求分析，從故障診斷、性能評估、故障預測能力出發(fā)，考慮及時性和準確性需求，分析建立PHM系統(tǒng)的定性要求和定量要求。綜合利用指標計算、仿真分析等方法進行定量要求的權衡分析，確定出航天器PHM總體設計要求，形成通用的權衡分析方法和權衡分析程序。在確定PHM定量要求和指標體系的基礎上，設計航天器PHM系統(tǒng)架構，形成航天器典型分系統(tǒng)與單機的健康管理設計規(guī)范，從而指導航天器單機健康管理設計與研制。

航天器在軌運行時，星載端具有數(shù)據(jù)實時性好、數(shù)據(jù)質量高等優(yōu)勢，然而在軌計算資源有限，無法處理大量數(shù)據(jù)和復雜計算，需要依靠地面端的大數(shù)據(jù)處理能力實現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)分析和管理，因此需要研究天地一體化航天器全生命周期健康管理技術。星載子系統(tǒng)的管理范圍需包括電源系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、數(shù)管系統(tǒng)、有效載荷系統(tǒng)等典型星載系統(tǒng)與單機，具體設計內(nèi)容涵蓋各系統(tǒng)內(nèi)的傳感器和BIT配置，數(shù)據(jù)采樣與傳輸設計，以及星載健康管理單元(HMU，Health Management Unit)的故障診斷推理、智能決策等功能配置；地面健康管理子系統(tǒng)的設計內(nèi)容涵蓋復雜故障診斷推理、故障與壽命預測、系統(tǒng)狀態(tài)評估以及星載健康管理模型的生成與修正等。在此基礎上，基于航天器PHM系統(tǒng)的通用架構形式，梳理出航天器PHM系統(tǒng)的組成元素和詳細要求，如物理結構、功能配置、性能設計、接口與信息、BIT、傳感器、健康管理單元、數(shù)據(jù)鏈等具體要求，以及數(shù)據(jù)存儲、綜合數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡服務、數(shù)據(jù)模型、故障診斷、故障預測、狀態(tài)監(jiān)測、智能決策等細化設計要求。

在航天器PHM系統(tǒng)通用框架設計過程中，收集整理可靠性、維修性、測試性、保障性和硬件設計、軟件設計的工作項目，以故障分析為核心，選擇確定航天器PHM設計分析可用的工作項目。在建立航天器PHM設計分析工作項目集的基礎上，分析每個工作的輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)，以及設計分析工作迭代關系，建立航天器PHM設計分析工作項目的關聯(lián)關系。根據(jù)關聯(lián)關系，進一步研究數(shù)據(jù)流和工作流的協(xié)同設計以及配套工具的選配，形成航天器PHM設計的協(xié)同設計分析流程。

3 航天器天地一體化健康管理系統(tǒng)的功能與組成

航天器天地一體化健康管理系統(tǒng)由星載和地面兩個子系統(tǒng)組成，兩個子系統(tǒng)根據(jù)自身特點各司其職。星載子系統(tǒng)可實現(xiàn)實時性要求高的在軌PHM監(jiān)測處理任務。然而，由于星載處理器的計算能力較弱，存儲容量較小，不適合大規(guī)模分析運算處理，因此在系統(tǒng)設計中，星載子系統(tǒng)的異?；蚬收犀F(xiàn)場數(shù)據(jù)可通過星地鏈路下傳至地面子系統(tǒng)，地面子系統(tǒng)通過更加復雜精細的方法實現(xiàn)詳細故障診斷分析，甚至故障提前預警。另外，地面子系統(tǒng)也可匯聚多星海量歷史數(shù)據(jù)和專家知識，通過大數(shù)據(jù)方法和PHM算法實現(xiàn)航天器全生命周期健康管理，地面端子系統(tǒng)通過機器學習方法訓練的分析模型或專家知識可作為知識模型庫通過星地上行通路上注至星載子系統(tǒng)在線使用，支撐星載子系統(tǒng)模型知識更新和擴展，實現(xiàn)天地一體化協(xié)同健康管理。

圖3 星載HMU算法處理流程

星載健康管理子系統(tǒng)的設計采取主從模式，由健康管理單元HMU和分布在各單機中的PHM模塊組成。HMU負責整星健康管理系統(tǒng)的運行管理，具備總線通信功能、運算功能、存儲功能與信息采集功能，實現(xiàn)系統(tǒng)級健康狀態(tài)監(jiān)測、評估與控制功能，包括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，它可以對匯總的各單機健康信息進行融合分析，從系統(tǒng)層面對某個單機的異常狀態(tài)進行檢測。各PHM模塊內(nèi)嵌在各分系統(tǒng)單機內(nèi)，在對單機傳感器布局和可測試性設計優(yōu)化的基礎上，負責所在單機的故障自檢、健康信息采集、BIT及與星上健康管理單元的信息交互。

圖2 典型單機PHM模塊設計

星載HMU的PHM算法在綜合權衡計算效率、資源需求以及方法有效性、準確性后，結合航天器分系統(tǒng)特點和規(guī)律，可選擇計算效率高、型號特點結合性好，精巧化的PHM算法模型，PHM算法模型可以先在地面子系統(tǒng)離線訓練好后再上傳至HMU應用。HMU可利用算法模型監(jiān)測在軌遙測數(shù)據(jù)的異常，并利用領域知識或診斷模型實現(xiàn)在軌故障實時診斷和決策。

星載子系統(tǒng)可通過天地數(shù)據(jù)鏈路下傳健康事件包到地面健康管理子系統(tǒng)，地面子系統(tǒng)由于不存在計算資源和存儲容量的限制，因此可充分利用遙測數(shù)據(jù)，使用復雜度高，準確度高，智能化和通用化程度更強的深度學習、大數(shù)據(jù)挖掘技術構建健康管理模型。另外，除了在軌遙測數(shù)據(jù)外，地面健康管理子系統(tǒng)還可匯聚海量歷史遙測數(shù)據(jù)或單機系統(tǒng)設計、測試、試驗數(shù)據(jù)，同時結合領域專家知識，實現(xiàn)航天器全生命周期健康管理。

地面健康管理子系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)云計算技術和構件化技術搭建。地面子系統(tǒng)在匯聚海量數(shù)據(jù)和專家知識的基礎上，基于專家知識、物理模型并結合數(shù)據(jù)驅動分析，可實現(xiàn)故障診斷、壽命預測與健康評估，提供豐富的健康管理功能。對于單個航天器而言，考慮到研制各階段航天器數(shù)據(jù)或物理特性具有某些一致性規(guī)律，可以通過數(shù)據(jù)挖掘、機器學習技術從大量測試數(shù)據(jù)尋找數(shù)據(jù)模式、特點或規(guī)律，從而輔助航天器在軌運行時的健康管理工作；對于多個航天器而言，可基于遷移學習技術根據(jù)同類航天器已有PHM算法模型快速遷移到新發(fā)射的航天器中。

4 航天器健康管理驗證技術研究

依靠航天器健康管理驗證平臺，基于仿真驗證方法、試驗驗證方法以及評估驗證方法對航天器一體化健康管理平臺的功能和技術指標充分驗證。

圖4 航天器健康管理系統(tǒng)驗證方法

仿真驗證方法采用基于數(shù)字仿真模型的方式，代替實際系統(tǒng)進行試驗驗證。它針對特定工況建立數(shù)學物理模型模擬系統(tǒng)實際運行情況，用定量的方法分析系統(tǒng)運行過程。仿真驗證方法主要針對系統(tǒng)試驗成本高或不適合做實物試驗的場景。采用該方法可以適當降低對實物驗證試驗的需求，但由于該方法需要一定精度的數(shù)學模型，因此對系統(tǒng)建模和仿真的能力提出了更高的要求。在航天器健康管理平臺的驗證中，對系統(tǒng)設計指標的驗證、對故障診斷預測評估相關算法的驗證都需要利用仿真驗證方法，特別是在對健康管理系統(tǒng)的驗證中，經(jīng)常需要進行運行環(huán)境下的故障模擬注入，而很多故障在真實航天器上是無法注入的，因此需要搭建基于仿真的半物理仿真驗證平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)真實使用前的驗證。

試驗驗證方法是指按照預定的試驗方案和試驗計劃，在規(guī)定的條件下針對實物進行故障或故障趨勢的模擬和注入，獲得與故障診斷與健康管理系統(tǒng)驗證相關的有關數(shù)據(jù)，通過分析、處理、計算與評定等過程，確定被驗證的參數(shù)指標是否符合規(guī)定要求所采用的一種驗證方法。在航天器健康管理系統(tǒng)的設計開發(fā)中，很多技術需要利用試驗的方法進行驗證，如單機級的測試性設計驗證試驗、壽命試驗等，以及系統(tǒng)級的大型環(huán)境試驗等。

評估驗證方法分為數(shù)據(jù)評估法和類比分析法兩類。數(shù)據(jù)評估方法是針對健康管理技術定量要求，按照用戶認可的計算、分析、評估模型和計算方法，利用試驗或在軌運行中已經(jīng)得到的遙測數(shù)據(jù)，以及系統(tǒng)的所有相關數(shù)據(jù)(測試數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù))等進行評估分析，以判定航天器產(chǎn)品的健康管理水平是否滿足規(guī)定要求的一種驗證方法。類比分析方法是針對健康管理系統(tǒng)定量要求，將受驗航天器產(chǎn)品同已經(jīng)通過驗證或實際使用結果證明滿足要求的相似產(chǎn)品，進行結構、功能、制造工藝、采用的原材料、使用環(huán)境條件、故障診斷能力、故障預測能力等方面的對比分析，若比相似產(chǎn)品的要求嚴格，則可以根據(jù)相似產(chǎn)品的驗證結果做出受驗產(chǎn)品故障診斷與健康管理技術水平是否滿足規(guī)定要求的結論。

5 結束語

航天器健康管理技術可減少航天器在軌運行過程中的各類意外風險，提高航天器運行的可靠性和安全性，對于提高我國航天裝備的可靠性、安全性、保障水平具有重要意義。本文介紹了航天器天地一體化健康管理體系和平臺設計的相關技術研究情況，在建立航天器健康管理體系框架的基礎上，討論了航天器健康管理平臺設計與驗證技術，探討了天地一體化的航天器健康管理平臺系統(tǒng)的設計思路。通過對航天器健康管理平臺技術的研究，為我國新一代航天器應用PHM技術，最終形成未來航天器設計、測試、地面驗證和在軌使用全過程的健康管理解決方案打下堅實的技術基礎。