CN101590918A - 卫星自主故障诊断方法及其诊断系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种卫星自主故障诊断方法及其诊断系统，将卫星的故障分为部件级故障、分系统级故障和系统级故障，采用基于模糊集的故障检测方法，将精确的传感器采样值模糊化，以隶属度属于各模糊子集，为各模糊子集定义不同的报警权值，通过计算时间窗内的报警权值之和与报警阈值的关系决定是否报警，能够有效克服常用故障检测方法的缺点，有效降低虚警率和漏报率，当某个故障由多个子故障引起时，按照与各子故障相对应系统的可靠性进行启发式搜索，优先沿可靠性低的系统对应的子故障节点搜索；此外，为了适应以后分布式卫星之间的协同诊断，还设计了协作接口，用来为其他卫星提供诊断服务，实现了本发明的目的。

Description

卫星自主故障诊断方法及其诊断系统

技术领域

本发明涉及一种航天器故障诊断方法及其诊断系统，特别涉及一种根据实时遥测参数报文自主进行故障诊断的卫星自主故障诊断方法及其诊断系统。

背景技术

卫星自主智能控制和分布式卫星自主运行的发展趋势要求航天器具备自主感知自身健康状况和自主故障诊断的功能。然而，现阶段我国航天器故障主要依靠地面测控站进行诊断，这使得卫星的故障诊断受限于地面测控站的位置和测控弧段，同时也给地面测控站的测控人员带来了很大的判断压力。

目前国内开发了很多卫星故障诊断系统，但大多数的卫星故障诊断系统都是通过卫星过境时根据接收的卫星的遥测数据，利用地面强大的计算资源对卫星某个分系统进行地面诊断。如大部分卫星故障诊断系统的知识库借助于现有的数据库(如oracle、SQL server等)实现，这些数据库在计算资源紧缺的星载计算机上难以实现。

而且，卫星故障诊断系统常用的limit-check和Persistence-Counter等故障检测方法，基于limit-check的故障检测方法是将决策函数值和事先设定的门限值相比较，当决策函数值超过门限值时，就认为有故障发生，反之就认为没有故障发生，通常采用产生式规则表达这种条件-结果关系。由于卫星运行的环境比较恶劣，受各种干扰噪声的影响，可能某些信号会出现瞬时与理论值不一致的情况，因此会导致过高的虚警现象。

Michael A.Swartwout等人针对产生式规则的缺点提出持续性计数(Persistence-Counter)的方法并应用于研制的Sapphire和Emerald等卫星，可以明显降低虚警率，然而持续性计数的方法对于噪声干扰下的故障检测能力仍然存在不足，如对周期性故障信号的检测具有时延大的缺点。存在以上缺点的原因主要有两点：(1)在实际的检测中，由于受环境、条件、检测内容和技术手段的影响，检测值本身存在着一定的不确定性，这种不确定性是由于事物之间差异的中间过渡性所引起的划分上的不确定性，它是事物本身固有的不精确性。而基于limit-checking的故障检测方法通过精确的门限值划分不精确的检测值，势必会带来虚警和漏报；(2)完全根据采样时刻的值而不考虑时间因素难免受到噪声等环境不确定性因素的影响。

因此，建立具有良好的自主性、实时性和实用性的卫星自主故障诊断系统意义重大，以期克服目前卫星的故障诊断完全依靠地面测控站的现状，减轻地面测控站的压力，实现卫星故障的自主诊断，提高卫星的自主运行能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种卫星自主故障诊断方法及其诊断系统，针对现有技术中的缺陷，可以降低卫星自主故障诊断专家系统设计的复杂度，提高卫星故障的诊断效率，提高卫星间的协同诊断能力。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一方面，本发明提供了一种卫星自主故障诊断方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)构建通过与卫星专业设计人员交流、阅读卫星设计资料或故障模式影响与分析等方式获取卫星故障模式及卫星故障之间的因果关系并将所得的故障知识用Petri网描述的知识库和模糊规则库；

(2)接收卫星的实时遥测数据，并根据模糊规则库中的规则对卫星的实时遥测数据进行基于模糊集的故障检测；

(3)根据上述故障检测的结果与知识库进行故障推理，根据知识库中存储的卫星故障模式及卫星故障之间的因果关系输出相应的故障对策。

在本发明的一个实施例中，上述步骤(1)还包括一对知识库进行校验的步骤。

进一步，所述知识库的校验包括矛盾规则的校验、冗余规则的校验、不完全规则的校验和循环规则的校验。

进一步，所述矛盾规则的校验是指检验知识库中是否至少存在2条规则，在相同的条件下导致矛盾的结论。

进一步，所述冗余规则的校验是指检验知识库中是否存在不必要的规则。

进一步，所述不完全规则的校验是指检验知识库中是否存在缺失的规则。

进一步，所述循环规则的校验是指检验知识库中是否存在一组规则的条件和结论被链接成一个循环的环。

在本发明的一个实施例中，上述步骤(2)中的故障检测包括精确输入模糊化处理、模糊推理判决和非模糊化输出。

在本发明的一个实施例中，上述步骤(3)中的故障推理包括故障反向推理、正向推理和故障解释输出。

进一步，所述知识库中的故障分为部件级故障、分系统级故障和系统级故障。

进一步，在所述故障推理中，首先进行反向推理，即先检测系统级故障，如果检测到存在系统级故障，则进行反向推理，寻找导致该系统级故障的初始故障集合；反向推理完成以后或没有检测到系统级故障，再进行正向推理。

进一步，反向推理只在检测到系统级故障后进行，系统级故障解决之后进行正向推理，以检测并诊断部件级故障及分系统级故障。

另一方面，本发明提供了一种卫星自主故障诊断系统，其特征在于，它包括：

数据输入装置，用于接收卫星的实时遥测数据，并进行滤波、剔除错误帧、遥测数据变换等数据预处理任务，然后输入所述故障检测装置；

故障检测装置，对卫星的实时遥测数据进行基于模糊集的故障检测，并由故障检测结果启动所述故障推理装置进行推理；

故障推理装置，根据所述故障检测装置的故障检测结果进行故障推理；及

故障对策输出装置，根据所述故障推理装置的故障推理，得到相应的故障对策并输出。

在本发明的一个实施例中，所述故障检测装置包括：

模糊化接口模块，将卫星的实时遥测数据转化成模糊量，以便所述模糊推理模块进行模糊推理；

模糊规则库，用于存放根据卫星领域故障诊断专家的经验及事实组成的规则知识，包含了模糊推理时所需要的事实和推理规则；

规则编辑接口模块，用于对所述模糊规则库中存放的规则知识进行增加、删除和修改等操作；

模糊推理模块，应用模糊规则库中的模糊规则对所述模糊化接口模块转化的模糊量进行运算，以求得模糊输出；及

非模糊化接口模块，用于将所述模糊推理模块得到的模糊输出转换成非模糊值输出，实现从输出域上的模糊子空间到普通清晰子空间的映射。

在本发明的一个实施例中，所述故障推理装置包括：

综合数据库，用来存放卫星运行的动态参数、变量的初始状态和所述推理模块在推理过程中得到的中间数据；

知识库，用来存储用Petri网表示的卫星及卫星各分系统的故障知识，具体包括事实、诊断规则和故障对策；

数据接口模块，用来接收所述故障检测模块的检测输出；

推理模块，根据综合数据库的数据(初始故障征兆)、卫星的实时遥测数据和知识库的知识(诊断规则)进行推理，并将诊断结果输出；

解释模块，用来解释由所述推理模块推出诊断结论的推理过程，从而增加诊断结论的可信性；

代理模块，主要用来保存诊断结果，执行故障对策；及

协作模块，为其他卫星提供诊断服务，接收并解释其他卫星的服务请求。

进一步，所述故障推理装置还包括一人工知识获取接口模块，通过人工知识获取接口模块对知识库进行行故障知识的增、删、修改等操作。

进一步，所述故障推理装置还包括一自动知识获取模块，通过知识自动获取模块从所述综合数据库获取知识并添加到所述知识库中。

本发明的一种卫星自主故障诊断方法及其诊断系统，将卫星的故障分为部件级故障、分系统级故障和系统级故障，采用基于模糊集的故障检测方法，将精确的传感器采样值模糊化，以隶属度属于各模糊子集，为各模糊子集定义不同的报警权值，通过计算时间窗内的报警权值之和与报警阈值的关系决定是否报警，能够有效克服常用故障检测方法的缺点，有效降低虚警率和漏报率，当某个故障由多个子故障引起时，按照与各子故障相对应系统的可靠性进行启发式搜索，优先沿可靠性低的系统对应的子故障节点搜索；此外，为了适应以后分布式卫星之间的协同诊断，还设计了协作接口，用来为其他卫星提供诊断服务，实现了本发明的目的。

附图说明

图1为本发明的卫星自主故障诊断系统的系统结构图；

图2为本发明的故障检测装置的系统框图；

图3为本发明的模糊集的隶属函数示例的示意图；

图4为本发明的故障推理装置的系统框图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，本发明的卫星自主故障诊断系统，它包括：数据输入装置10、故障检测装置20、故障推理装置30和故障对策输出装置40；数据输入装置10用于接收卫星的实时遥测数据，并进行滤波、剔除错误帧、遥测数据变换等数据预处理任务，然后输入故障检测装置20；故障检测装置20对卫星的实时遥测数据进行基于模糊集的故障检测，并由故障检测结果启动故障推理装置30进行推理；故障推理装置30根据故障检测装置20的故障检测结果进行故障推理；故障对策输出装置40根据故障推理装置30的故障推理，得到相应的故障对策并输出。

如图2所示，故障检测装置20包括模糊化接口模块21、模糊规则库22、规则编辑接口模块23、模糊推理模块24和非模糊化接口模块25；模糊化接口模块21将卫星的实时遥测数据转化成模糊量，以便所述模糊推理模块进行模糊推理，模糊化实质上是通过人的主观评价，将一个实际测量的精确数值映射为该值对于其所处域上模糊集的隶属函数(如图3所示)。

$S=\underset{j=0}{\overset{w-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\left(x_j\right){\mathrm{\ξ}}_i---\left(1\right)$

模糊规则库22用于存放根据卫星领域故障诊断专家的经验及事实组成的规则知识，包含了模糊推理时所需要的事实和推理规则；模糊推理模块24是故障检测装置20的核心，模糊推理模块24应用模糊规则库22中的模糊规则对所述模糊化接口模块转化的模糊量进行运算，以求得模糊输出；它实质上是一套决策逻辑，通过模仿人脑的模糊性思维方式，应用模糊规则库的模糊规则，推出系统在新的输入或状态作用下应有的输出或结论。根据模糊规则库中存储的模糊子集的报警权重ξ_i和报警阈值τ，考虑到时间因素对检测结果的影响，定义窗函数S，当S大于报警阈值τ，则认为存在故障，否则认为不存在故障。规则编辑接口模块23用于对模糊规则库24中存放的规则知识进行增加、删除和修改等操作。

非模糊化接口模块25用于将所述模糊推理模块得到的模糊输出转换成非模糊值输出，实现从输出域上的模糊子空间到普通清晰子空间的映射。

如图4所示，故障推理装置30包括综合数据库31、知识库32、数据接口模块33、推理模块34、解释模块35、代理模块36和协作模块37；综合数据库31用来存放卫星运行的动态参数、变量的初始状态和所述推理模块在推理过程中得到的中间数据，其内容是动态变化的；知识库32用来存储用Petri网表示的卫星及卫星各分系统的故障知识，具体包括事实、诊断规则和故障对策，Petri网能够很好的描述卫星各故障间的因果层次关系；知识库32是故障推理装置30的核心。

数据接口模块33用来接收故障检测模块20的检测输出；推理模块34根据综合数据库31的数据(初始故障征兆)、卫星的实时遥测数据和知识库32的知识(诊断规则)进行推理，并将诊断结果输出；推理模块34主要解决基于知识和可测量信号推断出故障的部件或原因，以及故障可能引发的危险(故障的评估)等问题。

解释模块35用来解释由推理模块34推出诊断结论的推理过程，说明得出的结论所基于的事实和知识，从而增加诊断结论的可信性；代理模块36主要用来保存诊断结果，执行故障对策；协作模块37为故障推理装置30的功能扩展，通过协作模块37为其他卫星提供诊断服务或请求相邻卫星提供诊断服务。

故障推理装置30还包括一人工知识获取接口模块38，通过人工知识获取接口模块38对知识库32进行行故障知识的增、删、修改等操作；故障推理装置30还包括一自动知识获取模块39，通过知识自动获取模块39从综合数据库31获取知识并添加到知识库32中；知识库32通过人工或自动方式获取领域知识，使本发明的卫星自主故障诊断系统的领域知识一致、完备与正确。

本发明的卫星自主故障诊断方法，它包括如下步骤：

(1)构建通过与卫星专业设计人员交流、阅读卫星设计资料或故障模式影响与分析等方式获取卫星故障模式及卫星故障之间的因果关系并将所得的故障知识用Petri网描述的知识库和模糊规则库；

(2)接收卫星的实时遥测数据，并根据模糊规则库中的规则对卫星的实时遥测数据进行基于模糊集的故障检测；

(3)根据上述故障检测的结果与知识库进行故障推理，根据知识库中存储的卫星故障模式及卫星故障之间的因果关系输出相应的故障对策。

在本发明的卫星自主故障诊断系统建立的初期，由于系统规模较小，知识内容也相对简单，经过领域专家、知识工程师和系统设计人员的共同努力，可以保证所使用的领域知识是一致的、正确的和完备的。但是随着系统中新知识的不断增加，知识库的规模变得越来越大，知识库中知识单元之间的相互影响和相互联系随之变得复杂，难以跟踪和分析，在这种情况下，知识库的校核(Verification)和验证(Validation)就变得非常重要。

在本发明的卫星自主故障诊断方法中，上述步骤(1)还包括一对知识库进行校验的步骤，知识库的校验包括矛盾规则的校验、冗余规则的校验、不完全规则的校验和循环规则的校验；矛盾规则的校验是指检验知识库中是否至少存在2条规则，在相同的条件下导致矛盾的结论；冗余规则的校验是指检验知识库中是否存在不必要的规则；不完全规则的校验是指检验知识库中是否存在缺失的规则；循环规则的校验是指检验知识库中是否存在一组规则的条件和结论被链接成一个循环的环；知识库的校验为Petri网的高效正确的推理提供了保证。

在本发明的卫星自主故障诊断方法中，上述步骤(2)中的故障检测包括精确输入模糊化处理、模糊推理判决和非模糊化输出。

在本发明的卫星自主故障诊断方法中，上述步骤(3)中的故障推理包括故障反向推理、正向推理和故障解释输出；所述知识库中的故障分为部件级故障、分系统级故障和系统级故障。

在所述故障推理中，首先进行反向推理，即先检测系统级故障，如果检测到存在系统级故障，则进行反向推理，寻找导致该系统级故障的初始故障集合；反向推理完成以后或没有检测到系统级故障，再进行正向推理；这样做的原因主要是因为在卫星的设计过程中采用了部分冗余设计以提高系统的可靠性。

反向推理只在检测到系统级故障后进行，系统级故障解决之后进行正向推理，以检测并诊断部件级故障及分系统级故障，保证了高优先级的系统级故障能够优先得到响应。

为了保证程序的效率和良好的可移植性，我们基于以上思路采用C/C++设计了本发明的卫星自主故障诊断系统。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (17)

1、一种卫星自主故障诊断方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(1)构建通过与卫星专业设计人员交流、阅读卫星设计资料或故障模式影响与分析等方式获取卫星故障模式及卫星故障之间的因果关系并将所得的故障知识用Petri网描述的知识库和模糊规则库；

(2)接收卫星的实时遥测数据，并根据模糊规则库中的规则对卫星的实时遥测数据进行基于模糊集的故障检测；

(3)根据上述故障检测的结果与知识库进行故障推理，根据知识库中存储的卫星故障模式及卫星故障之间的因果关系输出相应的故障对策。

2、如权利要求1所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，上述步骤(1)还包括一对知识库进行校验的步骤。

3、如权利要求2所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，所述知识库的校验包括矛盾规则的校验、冗余规则的校验、不完全规则的校验和循环规则的校验。

4、如权利要求3所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，所述矛盾规则的校验是指检验知识库中是否至少存在2条规则，在相同的条件下导致矛盾的结论。

5、如权利要求3所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，所述冗余规则的校验是指检验知识库中是否存在不必要的规则。

6、如权利要求3所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，所述不完全规则的校验是指检验知识库中是否存在缺失的规则。

7、如权利要求3所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，所述循环规则的校验是指检验知识库中是否存在一组规则的条件和结论被链接成一个循环的环。

8、如权利要求1所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，上述步骤(2)中的故障检测包括精确输入模糊化处理、模糊推理判决和非模糊化输出。

9、如权利要求1所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，上述步骤(3)中的故障推理包括故障反向推理、正向推理和故障解释输出。

10、如权利要求1所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，所述知识库中的故障分为部件级故障、分系统级故障和系统级故障。

11、如权利要求10所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，在所述故障推理中，首先进行反向推理，即先检测系统级故障，如果检测到存在系统级故障，则进行反向推理，寻找导致该系统级故障的初始故障集合；反向推理完成以后或没有检测到系统级故障，再进行正向推理。

12、如权利要求10所述的卫星自主故障诊断方法，其特征在于，反向推理只在检测到系统级故障后进行，系统级故障解决之后进行正向推理，以检测并诊断部件级故障及分系统级故障。

13、一种卫星自主故障诊断系统，其特征在于，它包括：

数据输入装置，用于接收卫星的实时遥测数据，并进行滤波、剔除错误帧、遥测数据变换等数据预处理任务，然后输入所述故障检测装置；

故障检测装置，对卫星的实时遥测数据进行基于模糊集的故障检测，并由故障检测结果启动所述故障推理装置进行推理；

故障推理装置，根据所述故障检测装置的故障检测结果进行故障推理；及

故障对策输出装置，根据所述故障推理装置的故障推理，得到相应的故障对策并输出。

14、如权利要求13所述的卫星自主故障诊断系统，其特征在于，所述故障检测装置包括：

模糊化接口模块，将卫星的实时遥测数据转化成模糊量，以便所述模糊推理模块进行模糊推理；

模糊规则库，用于存放根据卫星领域故障诊断专家的经验及事实组成的规则知识，包含了模糊推理时所需要的事实和推理规则；

规则编辑接口模块，用于对所述模糊规则库中存放的规则知识进行增加、删除和修改等操作；

模糊推理模块，应用模糊规则库中的模糊规则对所述模糊化接口模块转化的模糊量进行运算，以求得模糊输出；及

非模糊化接口模块，用于将所述模糊推理模块得到的模糊输出转换成非模糊值输出，实现从输出域上的模糊子空间到普通清晰子空间的映射。

15、如权利要求13所述的卫星自主故障诊断系统，其特征在于，所述故障推理装置包括：

综合数据库，用来存放卫星运行的动态参数、变量的初始状态和所述推理模块在推理过程中得到的中间数据；

知识库，用来存储用Petri网表示的卫星及卫星各分系统的故障知识，具体包括事实、诊断规则和故障对策；

数据接口模块，用来接收所述故障检测模块的检测输出；

推理模块，根据综合数据库的数据(初始故障征兆)、卫星的实时遥测数据和知识库的知识(诊断规则)进行推理，并将诊断结果输出；

解释模块，用来解释由所述推理模块推出诊断结论的推理过程，从而增加诊断结论的可信性；

代理模块，主要用来保存诊断结果，执行故障对策；及

协作模块，为其他卫星提供诊断服务，接收并解释其他卫星的服务请求。

16、如权利要求15所述的卫星自主故障诊断系统，其特征在于，所述故障推理装置还包括一人工知识获取接口模块，通过人工知识获取接口模块对知识库进行行故障知识的增、删、修改等操作。

17、如权利要求15所述的卫星自主故障诊断系统，其特征在于，所述故障推理装置还包括一自动知识获取模块，通过知识自动获取模块从所述综合数据库获取知识并添加到所述知识库中。

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