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展階段，到“十四五”末期，地面測控系統將管理總價值數百億元的各類在軌航天器，將建成規模較大、長期有人參與的國家級太空實驗室，實現導航星座的多星組網運行。隨著航天器數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濟發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技術方面發展程度較高，形成了比較完善的標準、體系和規范，并建立了較為完整的PHM系統開發軟件工具體系，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監控與故障診斷，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系統設計與應用，作為系統維修與保障決策的參考依據。

PHM技術在我國國內起步較晚，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、子系統級PHM、區域級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星信息系統通道資源有限、遙測采樣率較低等特點，提出了適用于衛星信息系統的星地協同、三級閉環的衛星健康管理系統架構[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)缺乏航天器系統級健康管理設計經驗，缺少航天器健康管理系統的設計工具；3)航天器單機的測試性設計薄弱，故障模型與試驗數據積累不足；4)需要針對現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的驗證技術與平臺。

針對國內外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”，即航天器健康管理設計規范和技術體系，航天器PHM系統設計開發平臺，航天器PHM系統驗證平臺以及航天器天地一體化健康管理系統，為后續我國航天器健康管理系統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是一項復雜的系統工程，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范，還需總結我國已有的保障技術規范，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)基礎數據層，蓋層提供了所有的數據信息包括航天器設計數據、單機及整星的測試與試驗數據、歷史與實時遙測數據等，為以上各層提供強大的數據源支持。

2)協議傳輸層，完成從傳感器到星載健康管理單元，從星載系統到地面系統，以及地面系統各單元間的數據傳輸，根據不同的終端與數據鏈路特點，研究不同傳輸方式與協議。

3)方法資源層，包括航天器健康管理體系和平臺業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、狀態監測方法、故障診斷與預測方法、壽命預測方法、健康狀態評估方法等。

4)技術規范層，包括航天器健康管理體系和平臺的所需要的標準規范和設計指南：在體系設計方面，主要包括指標體系設計、系統框架設計、通信設計等內容；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范、流程設計規范、應用設計指南以及系統驗收規范。

5)平臺應用層，該層依據技術規范層的指導，負責將方法資源層的算法固化為工程應用，針對航天器執行具體的故障預測與健康管理系統任務，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、體系和系統等進行驗證，主要包括數字仿真驗證、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為“一個體系，兩個平臺，一套系統”。“一個體系”代表航天器健康管理指標體系、設計規范及功能體系結構框架。“兩個平臺”包括航天器健康管理技術開發平臺和驗證平臺；其中航天器健康管理技術開發平臺提供各類分析開發工具和知識庫，幫助開發人員快速實現PHM系統級和單機級的多層PHM設計與優化，可基于知識庫和全生命周期數據借助PHM建模工具快速開發算法模型；航天器健康管理技術驗證平臺可與航天器健康管理系統形成閉環，用于驗證航天器健康管理技術和系統功能的正確性，同時還具備演示驗證功能，提供航天器運行狀態、健康狀態及驗證過程狀態等方面的可視化展示。“一套系統”代表航天器健康管理系統，實現天地協同健康管理。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設計技術研究

航天器健康管理系統架構設計是系統開發的基礎和前提，是由航天器應用任務向PHM設計要求、工作內容界定等轉化的關鍵環節，是明確航天器健康管理系統開發目標，指導后續系統實現及驗證的基礎。

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具有至關重要的作用。系統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、建立執行任務狀態等)進行分解，明確影響任務成功的具體因素，根據任務執行的具體流程，結合PHM系統對于各個分任務的影響，確定PHM系統與任務成功率的關系。在此基礎上，根據PHM系統與任務成功的關系，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，考慮及時性和準確性需求，分析建立PHM系統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系統架構，形成航天器典型分系統與單機的健康管理設計規范，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，星載端具有數據實時性好、數據質量高等優勢，然而在軌計算資源有限，無法處理大量數據和復雜計算，需要依靠地面端的大數據處理能力實現全生命周期的數據分析和管理，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。星載子系統的管理范圍需包括電源系統、姿態控制系統、測控系統、數管系統、有效載荷系統等典型星載系統與單機，具體設計內容涵蓋各系統內的傳感器和BIT配置，數據采樣與傳輸設計，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的設計內容涵蓋復雜故障診斷推理、故障與壽命預測、系統狀態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系統的通用架構形式，梳理出航天器PHM系統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、數據鏈等具體要求，以及數據存儲、綜合數據庫、網絡服務、數據模型、故障診斷、故障預測、狀態監測、智能決策等細化設計要求。

在航天器PHM系統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據和輸出數據，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關系。根據關聯關系，進一步研究數據流和工作流的協同設計以及配套工具的選配，形成航天器PHM設計的協同設計分析流程。

3 航天器天地一體化健康管理系統的功能與組成

航天器天地一體化健康管理系統由星載和地面兩個子系統組成，兩個子系統根據自身特點各司其職。星載子系統可實現實時性要求高的在軌PHM監測處理任務。然而，由于星載處理器的計算能力較弱，存儲容量較小，不適合大規模分析運算處理，因此在系統設計中，星載子系統的異常或故障現場數據可通過星地鏈路下傳至地面子系統，地面子系統通過更加復雜精細的方法實現詳細故障診斷分析，甚至故障提前預警。另外，地面子系統也可匯聚多星海量歷史數據和專家知識，通過大數據方法和PHM算法實現航天器全生命周期健康管理，地面端子系統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在線使用，支撐星載子系統模型知識更新和擴展，實現天地一體化協同健康管理。

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，實現系統級健康狀態監測、評估與控制功能，包括各單機健康信息的采集、自檢指令的發出以及整星健康信息的整合發送，它可以對匯總的各單機健康信息進行融合分析，從系統層面對某個單機的異常狀態進行檢測。各PHM模塊內嵌在各分系統單機內，在對單機傳感器布局和可測試性設計優化的基礎上，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，結合航天器分系統特點和規律，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離線訓練好后再上傳至HMU應用。HMU可利用算法模型監測在軌遙測數據的異常，并利用領域知識或診斷模型實現在軌故障實時診斷和決策。

星載子系統可通過天地數據鏈路下傳健康事件包到地面健康管理子系統，地面子系統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據，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、大數據挖掘技術構建健康管理模型。另外，除了在軌遙測數據外，地面健康管理子系統還可匯聚海量歷史遙測數據或單機系統設計、測試、試驗數據，同時結合領域專家知識，實現航天器全生命周期健康管理。

地面健康管理子系統基于大數據云計算技術和構件化技術搭建。地面子系統在匯聚海量數據和專家知識的基礎上，基于專家知識、物理模型并結合數據驅動分析，可實現故障診斷、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據或物理特性具有某些一致性規律，可以通過數據挖掘、機器學習技術從大量測試數據尋找數據模式、特點或規律，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同類航天器已有PHM算法模型快速遷移到新發射的航天器中。

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驗證方法

仿真驗證方法采用基于數字仿真模型的方式，代替實際系統進行試驗驗證。它針對特定工況建立數學物理模型模擬系統實際運行情況，用定量的方法分析系統運行過程。仿真驗證方法主要針對系統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學模型，因此對系統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的驗證中，經常需要進行運行環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，實現系統真實使用前的驗證。

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驗證相關的有關數據，通過分析、處理、計算與評定等過程，確定被驗證的參數指標是否符合規定要求所采用的一種驗證方法。在航天器健康管理系統的設計開發中，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，以及系統級的大型環境試驗等。

評估驗證方法分為數據評估法和類比分析法兩類。數據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得到的遙測數據，以及系統的所有相關數據(測試數據、試驗數據)等進行評估分析，以判定航天器產品的健康管理水平是否滿足規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定量要求，將受驗航天器產品同已經通過驗證或實際使用結果證明滿足要求的相似產品，進行結構、功能、制造工藝、采用的原材料、使用環境條件、故障診斷能力、故障預測能力等方面的對比分析，若比相似產品的要求嚴格，則可以根據相似產品的驗證結果做出受驗產品故障診斷與健康管理技術水平是否滿足規定要求的結論。

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。