CN106777997A - 一种航天器健康状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种航天器健康状态评估方法，用于解决现有航天器健康状态评估方法对不同级别对象健康状态评估主观性强、工程实现适应性差的技术问题；首先确定某次评估的指标体系，区分常规指标和核心指标；然后确定常规指标的权值系数；以航天器实测数据和历史信息作为评估数据；建立分层评估模型；按照分层评估模型将指标项的评分和权重相结合，从底层逐层计算最后得到顶层健康状态指数评分。本发明提高了航天器健康状态评估方法的客观性，为航天器在轨健康状态评估提供了一种易于操作的方法。

Description

一种航天器健康状态评估方法

技术领域

本发明属于航天测量与控制领域，具体涉及一种针对航天器健康状态的评估方法。

背景技术

健康状态评估是确保航天器安全稳定工作的关键技术之一。完整的健康状态评估主要包括状态监测、状态确定、状态分级、状态预测等内容。需要通过研究航天器数据信息，确定航天器的实时工作状态。航天器健康状态还与航天器系统的内部结构特征密切相关，需要将系统按其结构分层并综合评估各层次的健康状态。

将航天器按照结构分为多个层次，如最底层的功能部件、能够独立工作的分系统、由分系统配合工作得到的整体系统。这些层次是一种递阶关系，下一级对象集合组成上一级对象，顶层对象的状态取决于低层对象的工作方式和状态。为评价上一层级的健康状态，一般需要评价其下一层级对象的健康状态。评估时，需要对评估对象设定评价指标以确定评估对象的状态，例如在部件级可设定状态特征量，即表征部件健康状态的物理量如电压、电流、温度、转速，作为评价指标，如偏离正常状态的程度、发生异常或故障的可能性、剩余寿命。这些指标也适用于对上一层级的对象，此时就需要根据系统结构，将下一层级对象的健康状态指标向上“综合”，得到上一层级对象的健康状态。

目前常用的健康评估方法主要有层次分析法、贝叶斯、神经网络等方法，对于航天器健康评估的实际应用中，这些方法都存在各自的缺点，层次分析法参数的选择量化以及权值的确定受主观因素影响太大，贝叶斯方法需要知道航天器内在的关联关系，对分系统以及整星级评估模型关系错综复杂，计算量大，适用性很差，而基于神经网络的评估方法需要建立在大量的训练数据基础上，并进行不断的反馈迭代更新才可能获得相对准确的结果，存在收敛速度慢，无法满足实时评估需求。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种航天器健康状态评估方法，通过指标项确定、权值系数确定、指标项达标系数测试、健康指数计算四个步骤处理，从航天器实测数据、历史信息、故障信息中获取航天器的健康状态评估结果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

(1)选取评估对象的测量参数、功能性能项作为指标集合，并将会导致评估对象无法运行或功能丧失的指标作为核心指标，指标集合中的其余指标作为常规指标；

(2)确定每一常规指标权值系数α_i＝V_c×v_r，其中，V_c为类别常数，

v_r为冗余系数，v_r＝n_o/n_u，n_u≠0，当描述的对象为部件时，n_o指需要在线工作的同种部件个数，n_u指可用的同种部件个数；当描述的对象为参数时，n_o指确定测量数据数值需要的测点个数，n_u指确定测量数据数值可用的测点个数；

(3)对每一指标项的达标系数进行测试确定；

当常规指标项为某一测量参数或可用参数表征的性能项时，指标项达标系数式中，x_t表示t时刻指标项数值，表示指标项正常值上限，x表示指标项正常值下限，和为退化模型的形状调节系数，Δλ为精度控制系数，取值为0.00001～0.001，为上边界宽度控制系数，N₁为上边界宽度控制倍率，取0.5～2，为下边界宽度控制系数，N₂为下边界宽度控制倍率，取0.5～2；

当常规指标项为某一功能项时，指标项达标系数

当核心指标项为某一测量参数或可用参数表征的性能项时，指标项达标系数

当核心指标项为某一功能项时，指标项达标系数

(4)采用健康指数E表示评估对象的健康状态，

式中，A为常规指标权值系数之和，N为常规指标个数；M为核心指标个数。

本发明的有益效果是：在航天器测量数据及其分析处理结果的基础上定义了达标系数的概念，并提出了基于Logistic回归模型的达标系数计算方法，该方法根据航天器测量数据及其门限阈值直接计算达标系数，能有效减少了人为因素在航天器健康评估中的影响；同时该方法符合测量数据与健康指数的退化规律，适应非对称型健康指数退化模型，评估精度可控。本发明将航天器评估所需的指标分为核心指标与常规指标，并在评估算子中给予不同的权重，所得的评估结果更符合航天器实际情况，方法所需参数设置简单，参数设置对结果影响小，评估方法客观性强。本发明的评估过程简洁明了，可为航天器健康评估的工程化应用提供有力的方法支撑。

附图说明

图1是本发明的方法框架图。

图2是本发明的指标项确定流程图。

图3是本发明的权值系数确定流程图。

图4是本发明的达标系数测试流程图。

图5是本发明的健康指数计算流程图。

图6是本发明的达标系数客观评价方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的一种航天器健康状态的评估方法，包括指标项确定、权值系数确定、指标项达标系数测试、健康指数计算四个步骤。指标项确定用于确定指标项集合，并区分核心指标和常规指标。权值系数确定对每一常规指标项进行权值系数确定。指标项达标系数测试对每一指标项的达标系数进行确定。健康指数计算使用前三个步骤输出的核心指标及其达标系数、常规指标及其权值系数和达标系数进行健康指数E的计算。

指标项确定选取评估对象的测量参数、功能性能项作为指标集合，并按照是否会导致评价对象无法运行或功能丧失来区分核心指标和常规指标。

权值系数确定对每一常规指标项依据评估对象冗余、类别情况，按照公式(1)进行权值系数确定。

α_i＝V_c×v_r……………………………………………(1)

式中：

V_c为类别常数，根据参数类别对健康状态评价的影响我们得到不同类别常数如下：

v_r为冗余系数，v_r＝n_o/n_u,(n_u≠0)，当描述的对象为部件时，n_o指需要在线工作的同种部件个数，n_u指可用的同种部件个数；当描述的对象为参数时，n_o指确定测量数据数值需要的测点个数，n_u指确定测量数据数值可用的测点个数；当冗余系数计算结果等于1时，表明已经是最小完整系统，当冗余系数计算结果大于1时，表明已经不是完整系统；当可用部件或测点数为0时，表明该部件不健康或测点无效(权值为1，达标系数为0)。

指标项达标系数测试对每一指标项的达标系数进行测试确定，测试的方法分为客观评价和分级评价两种。达标系数测试的基础为航天器的测量数据及其分析处理结果数据。按照客观评价为主的原则，对每一项常规指标和核心指标给出其达标系数。

指标项达标系数测试对每一指标项的达标系数进行测试确定。达标系数测试的基础为航天器的测量数据及其分析处理结果数据。

当常规指标项为某一测量参数或可用参数表征的性能项时，指标项达标系数的计算见公式(2)：

式中：

x_t——t时刻指标项数值。

正常值上限。

x正常值下限。

为退化模型的形状调节系数，Δλ为精度控制系数，定义达标系数多少为不健康状态的临界值，通常取0.00001～0.001。

为上边界宽度控制系数，N₁为上边界宽度控制倍率，通常取0.5～2。

为下边界宽度控制系数，N₂为下边界宽度控制倍率，通常取0.5～2。

实测值与正常值门限的偏差超过δ，则达标系数接近0。

当常规指标项为某一功能项时，指标项达标系数P_i的计算见公式(3)：

当核心指标项为某一测量参数或可用参数表征的性能项时，指标项达标系数的计算见公式(4)：

式中：

x_t——t时刻指标项数值。

正常值上限。

x正常值下限。

为退化模型的形状调节系数，Δλ为精度控制系数，定义达标系数多少为不健康状态的临界值，通常取0.00001～0.001。

为上边界宽度控制系数，N₁为上边界宽度控制倍率，通常取0.5～2。

为下边界宽度控制系数，N₂为下边界宽度控制倍率，通常取0.5～2。

实测值与正常值门限的偏差超过δ，则达标系数接近0。

当核心指标项为某一功能项时，指标项达标系数Q_j的计算见公式(5)：

健康指数计算使用前三个步骤输出的核心指标及其达标系数、常规指标及其权值系数和达标系数进行健康指数E的计算。健康指数用E表示，用于评价评估对象的健康状态，E的计算见公式(6)。

式中：α_i——常规指标项的权值系数，权值系数依据公式(1)计算；A——常规指标项权值系数之和，P_i——各常规指标项的达标系数，依据公式(2)或公式(3)计算；Q_j——核心指标达标系数，依据公式(4)或公式(5)计算；N——常规指标项个数；M——核心指标项个数。

以下是本方法具体实施示例。

参照图1，其为本方法框架图，首先进行步骤1-1指标项确定，该步骤选取评估对象的测量参数、功能性能项作为指标集合，并按照是否会导致评价对象无法运行或功能丧失来区分核心指标和常规指标，以便进行后续评估工作。其次进行步骤1-2权值系数确定，该步骤对每一常规指标项进行权值系数确定，对每一常规指标项依据对健康状态评价的影响程度给出一个取值在0～1之间的权值系数。然后进行步骤1-3指标项达标系数测试，对每一指标项的达标系数进行测试确定，测试的方法分为客观评价和分级评价两种,最后进行步骤1-4健康指数计算,使用前三个步骤输出的核心指标及其达标系数、常规指标及其权值系数和达标系数进行健康指数E的计算。

参照图2，其为本方法指标项确定的流程图。首先进行步骤2-1，确定评估对象功能指标数目n。然后进行步骤2-2，给功能指标序数i赋初值1。接着进行步骤2-3，读取第i项功能指标。然后执行2-4步骤，确定该指标的评估方法为分级评估还是客观评估。接着执行步骤2-5，依据该指标项是否对评估对象的健康状态有决定性影响确定该指标项是核心指标还是常规指标。然后进行步骤2-6，判断是否处理完所有的功能指标，如已处理完所有功能指标，则执行2-8步骤，确定评估对象性能指标数目m。否则，执行步骤2-7，对序数i进行+1赋值后转至步骤2-3。步骤2-8确定评估对象性能指标数目执行后，进行步骤2-9，给性能指标序数j赋初值1。接着进行步骤2-10，读取第j项性能指标。然后执行2-11步骤，确定该指标的评估方法为分级评估还是客观评估。接着执行步骤2-12，依据该指标项是否对评估对象的健康状态有决定性影响确定该指标项是核心指标还是常规指标。然后进行步骤2-13，判断是否处理完所有的性能指标，如已处理完所有性能指标，则执行2-15步骤，确定评估对象参数指标数目s。否则，执行步骤2-14，对序数j进行+1赋值后转至步骤2-10。步骤2-15确定评估对象参数指标数目s执行后，进行步骤2-16，给性能指标序数k赋初值1。接着进行步骤2-17，读取第k项参数指标。然后执行2-18步骤，确定该指标的评估方法为分级评估还是客观评估。接着执行步骤2-19，依据该指标项是否对评估对象的健康状态有决定性影响确定该指标项是核心指标还是常规指标。然后进行步骤2-20，判断是否处理完所有的参数指标，如已处理完所有参数指标，则指标项确定过程结束。否则，执行步骤2-21，对序数k进行+1赋值后转至步骤2-17。

参照图3，其为本方法权值系数确定的流程图。首先进行步骤3-1读取评估对象功能指标个数n。然后进行步骤3-2，给功能指标序数i赋初值1，核心指标数目q赋初值0，常规指标数目p赋初值0。接着进行步骤3-3，判定第i项功能指标是否核心指标，若是核心指标，则进行步骤3-6，给核心指标数目q进行q＝q+1赋值后转到步骤3-8。若是常规指标，则进行步骤3-4，依据评估对象以及评估指标冗余、类别情况进行权值系数确定。然后进行步骤3-5，对常规指标个数p进行+1赋值。接着执行步骤3-7，判断是否处理完所有的功能指标，如已处理完所有功能指标，则执行3-9步骤，读取评估对象性能指标数目m。否则，执行步骤3-8，对序数i进行+1赋值后转至步骤3-3。步骤3-9读取评估对象性能指标个数执行后，进行步骤3-10，给性能指标序数j赋初值1。接着进行步骤3-11，判定第j项性能指标是否核心指标，若是核心指标，则进行步骤3-14，给核心指标数目q进行+1赋值后转到步骤3-16。否则，则进行步骤3-12，依据评估对象冗余、类别情况进行权值系数确定。然后进行步骤3-13，对常规指标个数p进行+1赋值。接着执行步骤3-15，判断是否处理完所有的性能指标，如已处理完所有功能指标，则执行3-17步骤，读取评估对象性能指标数目m。否则，执行步骤3-16，对序数j进行+1赋值后转至步骤3-11。步骤3-17读取评估对象参数指标个数执行后，进行步骤3-18，给参数指标序数k赋初值1。接着进行步骤3-19，判定第k项参数指标是否核心指标，若是核心指标，则进行步骤3-22，给核心指标数目q进行+1赋值后转到步骤3-24。否则，则进行步骤3-20，依据评估对象冗余、类别情况进行权值系数确定。然后进行步骤3-21，对常规指标个数p进行+1赋值。接着执行步骤3-23，判断是否处理完所有的参数指标，如已处理完所有参数指标，则权值系数确定过程结束。否则，执行步骤3-24，对序数j进行+1赋值后转至步骤3-19。

参照图4，其为本方法达标系数测试的流程图。首先进行步骤4-1，读取评估对象核心指标个数q。然后进行步骤4-2，给核心指标序数j赋初值1。接着进行步骤4-3，获取第j项核心指标测量数据，此处测量数据可以是评估对象的测量数据及其分析处理结果数据。然后进行步骤4-4，计算并记录核心指标达标系数，此处要按照指标项确定中得到的结果采取分级评价或客观评价的方式对达标系数进行计算。接着进行步骤4-5，判断是否处理完所有的核心指标，如已处理完所有核心指标，则执行4-7步骤，读取评估对象常规指标个数p。否则，执行步骤4-6，对序数j进行+1赋值后转至步骤4-3。步骤4-7执行后，进行步骤4-8，给常规指标序数i赋初值1。接着进行步骤4-9，获取第i项常规指标测量数据或分析处理结果数据。然后进行步骤4-10，计算并记录常规指标达标系数，此处要按照指标项确定中得到的结果采取分级评价或客观评价的方式对达标系数进行计算。接着进行步骤4-11，判断是否处理完所有的常规指标，如已处理完所有常规指标，则达标系数测试过程结束。则指标项确定过程结束。否则，执行步骤4-12，对序数i进行+1赋值后转至步骤4-9。

参照图5，其为本方法健康指数计算的流程图。首先进行步骤5-1，读取评估对象核心指标个数q。然后进行步骤5-2，给核心指标序数j赋初值1。接着进行步骤5-3，读取第j项核心指标达标系数。然后进行步骤5-4，判断是否处理完所有的核心指标，如已处理完所有核心指标，则执行5-6步骤，读取评估对象常规指标个数p。否则，执行步骤5-5，对序数j进行+1赋值后转至步骤5-3。步骤5-6执行后进行步骤5-7，给常规指标序数i赋初值1。接着进行步骤5-8，读取第i项常规指标达标系数和权值系数。然后进行步骤5-9，判断是否处理完所有的常规指标，如已处理完所有常规指标，则转至步骤5-11，计算并输出评估对象健康状态指数E。否则，执行步骤5-10，对序数i进行+1赋值后转至步骤5-8。步骤5-11执行后，健康指数计算过程结束。

参照图6，参数正常值范围为图中给出了健康状态达标系数随参数的变化而变化的过程。

表1为评估某卫星太阳翼健康状态的实例。

Claims (1)

1.一种航天器健康状态评估方法，其特征在于包括下述步骤：

(1)选取评估对象的测量参数、功能性能项作为指标集合，并将会导致评估对象无法运行或功能丧失的指标作为核心指标，指标集合中的其余指标作为常规指标；

(2)确定每一常规指标权值系数α_i＝V_c×v_r，其中，V_c为类别常数，

v_r为冗余系数，v_r＝n_o/n_u，n_u≠0，当描述的对象为部件时，n_o指需要在线工作的同种部件个数，n_u指可用的同种部件个数；当描述的对象为参数时，n_o指确定测量数据数值需要的测点个数，n_u指确定测量数据数值可用的测点个数；

(3)对每一指标项的达标系数进行测试确定；

当常规指标项为某一测量参数或可用参数表征的性能项时，指标项达标系数式中，x_t表示t时刻指标项数值，表示指标项正常值上限，表示指标项正常值下限，和为退化模型的形状调节系数，Δλ为精度控制系数，取值为0.00001～0.001，为上边界宽度控制系数，N₁为上边界宽度控制倍率，取0.5～2，为下边界宽度控制系数，N₂为下边界宽度控制倍率，取0.5～2；

当常规指标项为某一功能项时，指标项达标系数

当核心指标项为某一测量参数或可用参数表征的性能项时，指标项达标系数

当核心指标项为某一功能项时，指标项达标系数

(4)采用健康指数E表示评估对象的健康状态，

$E=\left\{\begin{array}{c}{\left(\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}{Q}_j\right)}^{\frac{1}{M}},N=0,M\≥1\\ \underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{P}_i,N\≥1,M=0\\ {(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{P}_i\·\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Π}}}{Q}_j)}^{\frac{1}{M+1}},M\≥1,N\≥1\end{array}\right.,$

式中，A为常规指标权值系数之和，N为常规指标个数；M为核心指标个数。