CN110297258A - 一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法及系统，所述方法包括：利用定时器获取单机设备的遥测数据序列；计算遥测数据序列在时间维度上的梯度值，梯度值为零则判别单机设备出现重启失败异常；对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，使用低通滤波器对差分离散序列进行低通滤波并获取该序列的极值点；若差分离散序列为高频信号且有极值点，则判断单机设备出现单次重启异常；若差分离散序列为低频信号且有极值点，则判断单机设备出现反复重启异常；若差分离散序列无极值点，则判断单机设备出现故障并重启成功。本发明的方法和系统能够实现单机设备的异常判别，防止漏判并提高单级设备故障类别的可定位性。

Description

一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法及系统

技术领域

本发明涉及卫星管控、仪器监控等应用领域，具体涉及一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法及系统。

背景技术

卫星遥测参数数据是专家学者及卫星地面运管人员了解卫星状态的唯一依据，卫星遥测参数判读是卫星运控与监管过程中重要的工作环节，根据其结果判别卫星单机设备或分系统的在轨运行状态。随着国家综合实力的增强和科技水平的提高，在轨运行的卫星日益增多，这些卫星功能设计复杂、下行的遥测参数格式多样、遥测参数维度达到上千维、遥测数据中存在野值，这些问题都给遥测数据的自动判读带来难度。通过使用专家总结的参数阈值进行人工判读仍然是地面运管人员遥测参数判读的主要方式。通过每天有限的卫星跟踪弧段进行人工判读将耗费大量的人力资源，判读效率和数据利用率低，还存在误判和漏判等问题。

目前，国内外专家学者对遥测参数通过规则库的自动判读方法做了较深入研究并取得了一些成果，但缺乏对随时间快速单调增长的计数类遥测参数的自动判读分析研究。

卫星在轨运行所处的空间环境十分复杂，卫星单机设备时刻受太阳活动、地磁暴和宇宙射线的威胁，尽管卫星在研制过程中严格遵守了质量要求并有冗余策略，但在复杂空间环境下卫星单机设备难免发生异常。地面运管人员只能依据每天有限的几次遥测参数数据下行了解卫星的工作状态，而通过专家阈值设置、重点参数设置以及参数数值曲线，很难在短时间内从众多参数图表中人工发现并定位卫星单机设备异常。尤其是随时间快速单调增长的计数类遥测参数，由于其快速增长特性，当发生异常后参数值又会快速增长，使得地面运管人员未能察觉到卫星跟踪弧段和非跟踪弧段期间单机设备何时发生异常。因此，目前的遥测参数判读缺乏准确性，以及对众多卫星任务和延时遥测参数异常判读的及时响应性，亟需更加高效、准确的参数自动判读系统。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中缺少对单调递增计数类参数异常自动判读的处理系统，导致卫星单机设备在运行出现异常时，无法及时准确地判别异常发生时间点和异常种类，提供一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法及系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，所述方法包括：

利用定时器获取单机设备的遥测数据序列；

计算遥测数据序列在时间维度上的梯度值，梯度值为零则判别单机设备出现重启失败异常；

对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，使用低通滤波器对差分离散序列进行低通滤波并获取该序列的极值点；若差分离散序列为高频信号且有极值点，则判断单机设备出现单次重启异常；若差分离散序列为低频信号且有极值点，则判断单机设备出现反复重启异常；若差分离散序列无极值点，则判断单机设备出现故障并重启成功。

作为上述方法的一种改进，所述遥测数据序列包括：实时遥测数据序列和延时遥测数据序列。

作为上述方法的一种改进，所述利用定时器获取单机设备的遥测数据序列之前还包括：

获取卫星下行的所有原始遥测数据并存储在卫星遥测数据原始数据库，获取卫星过境计划数据并存储在卫星任务过境计划原始数据库；所述卫星过境计划数据包括卫星的运行圈次，卫星过境开始时间和卫星过境结束时间；

根据卫星任务型号设定对应的遥测参数库表，设置数据库表及卫星遥测参数变量的访问信息，设置相应卫星过境计划数据的访问参数信息；

获取最近的卫星过境跟踪计划，从卫星任务过境计划原始数据库读取卫星过境开始时间和卫星过境结束时间，由此设定定时器数值。

作为上述方法的一种改进，所述对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，使用低通滤波器对差分离散序列进行低通滤波并获取该序列的极值点；具体包括：

遥测数据序列为x₀,x₁,x₂,x₃,...,x_N；则一阶差分计算公式如下：

Δy_i＝x_i-x_i-1,i＝1,…N

得到差分离散序列：Δy₁,Δy₂,Δy₃,....,Δy_N；

并根据以下公式获取差分离散序列的极值点：

Δy_p为极值点

Δy_p为非极值点。

作为上述方法的一种改进，所述获取该序列的极值点之后还包括：去除遥测数据序列中的野值点的步骤；所述野值点的计算过程为：

若两个相邻的极值点Δy_p和Δy_p+1满足：

其中，f^-1(Δy_p+1)＝x_p+1，则x_p＝f^-1(Δy_p)为野值点。

一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，所述系统包括定时器调度模块、梯度处理模块、重启失败判别模块、遥测数据一阶差分模块、低通滤波器模块、极值点提取模块、重启故障判别模块和反复复位故障判别模块；

所述定时器调度模块，用于利用定时器获取单机设备的遥测数据序列；

所述梯度处理模块，用于计算遥测数据序列在时间维度上的梯度值；

所述重启失败判别模块，用于当遥测数据序列的梯度值为零，判别单机设备的主机处于重启失败异常；

所述遥测数据一阶差分处理模块，用于对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列；

所述低通滤波器处理模块：用于对差分离散序列进行低通滤波，判断差分离散序列为高频信号还是低频信号；

所述极值点提取模块：用于提取差分离散序列中的极值点；若无极值点，则判断单机设备出现故障并重启成功；

所述重启故障判别模块：用于根据差分离散序列为高频信号且有极值点，则判别单机设备在某个时间点发生了重启，单机设备出现单次重启异常；

所述反复复位故障判别模块：用于根据差分离散序列为低频信号且有极值点，则判别单机设备出现反复重启异常。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：卫星遥测数据原始数据库、卫星任务过境计划原始数据库、遥测参数库表配置模块、卫星任务过境计划数据库表配置模块和定时器设置模块；

所述卫星遥测数据原始数据库，用于存储卫星下行的所有原始遥测数据。

所述卫星任务过境计划原始数据库，用于存储卫星过境计划数据，包括卫星的运行圈次，卫星过境开始时间，卫星过境结束时间；

所述卫星任务遥测参数库表配置模块，用于根据卫星任务型号设定对应的遥测参数库表，设置数据库表及卫星遥测参数变量的访问信息；

所述卫星任务过境计划数据库表配置模块，用于根据卫星任务型号设置相应卫星过境计划数据的访问参数信息；

所述定时器设置模块，用于获取最近的卫星过境跟踪计划，从卫星任务过境计划原始数据库读取卫星过境开始时间和卫星过境结束时间，由此设定定时器数值。

作为上述系统的一种改进，所述对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，具体为：

遥测数据序列为x₀,x₁,x₂,x₃,...,x_N；则一阶差分计算公式如下：

Δy_i＝x_i-x_i-1,i＝1,…N

得到差分离散序列：Δy₁,Δy₂,Δy₃,....,Δy_N。

作为上述系统的一种改进，所述提取差分离散序列中的极值点，具体为：

Δy_p为极值点

Δy_p为非极值点。

作为上述系统的一种改进，所述系统还包括：野值判别模块，用于去除遥测数据序列中的野值点；所述野值点的计算过程为：

若两个相邻的极值点Δy_p和Δy_p+1满足：

其中，f^-1(Δy_p+1)＝x_p+1，则x_p＝f^-1(Δy_p)为野值点。

本发明的优势在于：

1、本发明提供的基于遥测数据的卫星遥测参数判别方法及系统，充分利用了实时遥测数据和延时遥测数据，结合单调递增计数类遥测参数的函数性质规律，根据遥测数据的时间维度梯度、遥测数据序列一阶差分得到极值点、两类异常的频谱差异，实现了该类单机设备的异常判别，防止漏判并提高单级设备故障类别的可定位性；

2、本发明的方法提供的野值点的剔除，进一步提高了遥测参数异常情况自动判别的准确性；并采用卫星过境计划驱动遥测参数判别系统自动执行，提高了自动化；可配置化方式提高了系统的可复用性；

3、将结果输出并以曲线直观显示；克服了现有遥测参数异常阈值检测方法和人工判读的局限，为卫星管控人员分析卫星工作状态提供了自动化、高效准确、直观的方法。

附图说明

图1是本发明的实施例1的单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法的流程图；

图2是本发明的实施例2的单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统的组成示意图；

图3是在一个时间段对星敏感器设备的遥测数据一阶离散差分序列的异常判别示意图；

图4是在另一个时间段对星敏感器设备的遥测数据一阶离散差分序列的异常判别示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

实施例1

本发明的原理为：单调递增计数类遥测参数数据在卫星单机设备正常运行时的性质具有单调递增性。通过卫星过境计划，驱动该系统自动执行遥测参数异常判别方法流程，通过时间维度梯度值计算和遥测数据一阶差分序列极值提取，实现不需要依赖基于阈值的专家系统对卫星遥测参数进行自动判读和单机设备异常检测的判别方法。

如图1所示，本发明的实施例1提供了一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，该方法使用卫星的实时、延时遥测数据，对卫星单机设备的异常状态自动判别，所述方法包括：

步骤1)根据待判读卫星任务、单机设备，配置遥测参数库表访问信息和任务过境计划库表访问信息；

步骤2)初始化系统参数，主要包括待访问任务单机设备实时、延时遥测参数表信息和最先到达的卫星任务过境计划信息，

步骤3)根据初始化的信息获取最近的卫星过境跟踪计划，遥测参数自动判别系统调度定时器启动；

当到达设定的时间点时，自动触发系统，从原始遥测数据库中分别提取卫星上一圈次传回地面的实时遥测数据序列和延时遥测数据序列。

步骤4)判断过境跟踪是否结束，如果为是，则开始执行遥测数据自动判别核心流程，进入步骤5)；否则，转入步骤3)；

步骤5)从卫星任务数据库中读取过境跟踪下行的实时、延时遥测数据并进行预处理；

步骤6)计算单机设备遥测数据序列进行在时间维度上的梯度值，梯度为零则可判别主机处于关机异常状态；

步骤7)对单机设备遥测参数数据序列进行一阶差分得到差分序列，并使用极值提取公式得到极值点和极值，使用低通滤波器对差分离散信号进行滤波，得到的信号极值点为反复复位异常点，其他为单机重启异常点，并对处理结果进行输出和可视化显示。

在正常状态下，随着时间增加，遥测数据序列中的遥测参数值以某个常量为单位呈单调递增变化。当某一时刻遥测数据序列中出现异常值时，该时刻的遥测参数值会呈现较大幅度的增大或减小，因此一阶差分后的遥测数据序列中该时刻对应的遥测数据值相比于其他时刻的值会有较大的波动。

该步骤具体包括：

对一阶差分后的遥测数据序列进行低通滤波处理，单机设备重启成功类异常和单机设备反复重启类异常在频谱上分别表现为高频信号和低频信号。因此，对一阶差分后的遥测数据序列使用低通滤波器进行处理，用来判别星单机频繁重启故障或重启故障。

提取遥测数据序列中的极值点，提取极值点的方法运用求导的方法。得到预处理后的遥测数据序列的一阶差分离散序列后，计算每一个数据点处的左导数与右导数，如果某个数据点是极值点，则该点处的左导数和右导数的乘积必然为负数。其计算公式如下式：

Δy_p为极值点

Δy_p为非极值点。

判别单机出现故障后重启成功的情况。卫星上某单机出现异常情况时，其产生的遥测数据序列经过一阶差分模块、低通滤波器模块的处理后，若极值点提取模块提取不到极值点，则表明该单机出现故障并且重启成功。

判别单机出现故障后，反复尝试重启，但始终重启失败的故障。卫星上某单机出现异常情况时，其产生的遥测数据序列经过一阶差分模块、低通滤波器模块的处理后，若极值点提取模块依然能够提取到极值点，则表明该单机出现故障，并且该单机反复尝试重启却始终重启失败。

遥测数据序列经过一阶差分处理后，如果该遥测数据序列在相邻两个时刻均出现极值，且乘积为负，其判别公式如下：

若两个相邻的极值点Δy_p和Δy_p+1满足：

其中，f^-1(Δy_p+1)＝x_p+1，则x_p＝f^-1(Δy_p)为野值点。

将经过上述处理后遥测数据序列绘制为曲线图，对异常信息进行可视化展示。

实施例2

如图2所示，本发明的实施例2提供了一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，该系统包括卫星遥测数据原始数据库、卫星任务过境计划原始数据库、遥测参数库表(实时、延时)配置模块、卫星任务过境计划数据库表配置模块、定时器自动调度模块、梯度处理模块、遥测数据一阶差分模块、低通滤波器模块、极值点提取模块、野值判别模块、重启故障判别模块、反复复位故障判别模块、结果输出与可视化模块。

卫星遥测数据原始数据库中存储的数据卫星下行的所有原始遥测数据。

卫星任务过境计划原始数据库中存储的数据为卫星的过境计划数据，包括卫星的运行圈次，卫星过境开始时间，卫星过境结束时间等。

卫星任务遥测参数库表配置模块：根据卫星任务型号设定对应的遥测参数库表，设置数据库表及卫星遥测参数变量的访问信息。

卫星任务过境计划数据库表配置模块：根据卫星任务型号，设置相应卫星过境计划数据的访问参数信息。从卫星任务过境计划原始数据库中读取卫星任务过境计划数据，解析卫星过境计划文件，获取卫星圈次数据、卫星过境时间数据。

定时器自动调度模块：根据卫星任务过境计划，调度执行遥测参数数据判别流程，驱动遥测参数判读自动执行。根据卫星任务过境计划数据库表配置模块读取的卫星过境时间，设定定时器数值，当到达设定的时间点时，自动触发系统，从原始遥测数据库中分别提取卫星上一圈次传回地面的实时遥测数据序列和延时遥测数据序列。

梯度处理模块：分别计算实时遥测数据序列和延时遥测数据序列在时间维度上的梯度值。

重启失败判别模块：如果遥测数据序列的时间维度梯度为零，则该遥测数据序列为异常遥测数据序列，表明单机发生重启失败异常。

遥测数据一阶差分处理模块：对实时遥测数据序列、延时遥测数据序列分别进行一阶差分处理。在正常状态下，随着时间增加，遥测数据序列中的遥测参数值以某个常量为单位呈单调递增变化。当某一时刻遥测数据序列中出现异常值时，该时刻的遥测参数值会呈现较大幅度的增大或减小，因此一阶差分后的遥测数据序列中该时刻对应的遥测数据值相比于其他时刻的值会有较大的波动。

低通滤波器处理模块：从信号处理角度，对一阶差分后的遥测数据序列进行低通滤波处理，单机设备重启成功类异常和单机设备反复重启类异常在频谱上分别表现为高频信号和低频信号。因此，对一阶差分后的遥测数据序列使用低通滤波器进行处理，用来判别星单机频繁重启故障或重启故障。

极值点提取模块：该模块用于提取遥测数据序列中的极值点，提取极值点的方法运用求导的方法。得到预处理后的遥测数据序列的一阶差分离散序列后，计算每一个数据点处的左导数与右导数，如果某个数据点是极值点，则该点处的左导数和右导数的乘积必然为负数。其计算公式如下式：

Δy_p为极值点

Δy_p为非极值点。

重启故障判别模块：该模块用于判别单机出现故障后重启成功的情况。卫星上某单机出现异常情况时，其产生的遥测数据序列经过一阶差分模块、低通滤波器模块的处理后，若极值点提取模块提取不到极值点，则表明该单机出现故障并且重启成功。

反复复位故障判别模块：该模块用于判别单机出现故障后，反复尝试重启，但始终重启失败的故障。卫星上某单机出现异常情况时，其产生的遥测数据序列经过一阶差分模块、低通滤波器模块的处理后，若极值点提取模块依然能够提取到极值点，则表明该单机出现故障，并且该单机反复尝试重启却始终重启失败。

野值判别模块：遥测数据序列经过一阶差分处理后，如果该遥测数据序列在相邻两个时刻均出现极值，且乘积为负，其判别公式如下：

若两个相邻的极值点Δy_p和Δy_p+1满足：

其中，f^-1(Δy_p+1)＝x_p+1，则x_p＝f^-1(Δy_p)为野值点。

结果输出与可视化模块：将经过上述处理后遥测数据序列绘制为曲线图，对异常信息进行可视化展示；如图3和图4所示。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，所述方法包括：

利用定时器获取单机设备的遥测数据序列；

计算遥测数据序列在时间维度上的梯度值，梯度值为零则判别单机设备出现重启失败异常；

对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，使用低通滤波器对差分离散序列进行低通滤波并获取该序列的极值点；若差分离散序列为高频信号且有极值点，则判断单机设备出现单次重启异常；若差分离散序列为低频信号且有极值点，则判断单机设备出现反复重启异常；若差分离散序列无极值点，则判断单机设备出现故障并重启成功。

2.根据权利要求1所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，其特征在于，所述遥测数据序列包括：实时遥测数据序列和延时遥测数据序列。

3.根据权利要求2所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，其特征在于，所述利用定时器获取单机设备的遥测数据序列之前还包括：

获取卫星下行的所有原始遥测数据并存储在卫星遥测数据原始数据库，获取卫星过境计划数据并存储在卫星任务过境计划原始数据库；所述卫星过境计划数据包括卫星的运行圈次，卫星过境开始时间和卫星过境结束时间；

根据卫星任务型号设定对应的遥测参数库表，设置数据库表及卫星遥测参数变量的访问信息，设置相应卫星过境计划数据的访问参数信息；

获取最近的卫星过境跟踪计划，从卫星任务过境计划原始数据库读取卫星过境开始时间和卫星过境结束时间，由此设定定时器数值。

4.根据权利要求1或2所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，其特征在于，所述对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，使用低通滤波器对差分离散序列进行低通滤波并获取该序列的极值点；具体包括：

遥测数据序列为x₀,x₁,x₂,x₃,...,x_N；则一阶差分计算公式如下：

Δy_i＝x_i-x_i-1,i＝1,…N

得到差分离散序列：Δy₁,Δy₂,Δy₃,....,Δy_N；

并根据以下公式获取差分离散序列的极值点：

为极值点

为非极值点。

5.根据权利要求4所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别方法，其特征在于，所述获取该序列的极值点之后还包括：去除遥测数据序列中的野值点的步骤；所述野值点的计算过程为：

若两个相邻的极值点Δy_p和Δy_p+1满足：

其中，f^-1(Δy_p+1)＝x_p+1，则x_p＝f^-1(Δy_p)为野值点。

6.一种单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，其特征在于，所述系统包括定时器调度模块、梯度处理模块、重启失败判别模块、遥测数据一阶差分模块、低通滤波器模块、极值点提取模块、重启故障判别模块和反复复位故障判别模块；

所述定时器调度模块，用于利用定时器获取单机设备的遥测数据序列；

所述梯度处理模块，用于计算遥测数据序列在时间维度上的梯度值；

所述重启失败判别模块，用于当遥测数据序列的梯度值为零，判别单机设备的主机处于重启失败异常；

所述遥测数据一阶差分处理模块，用于对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列；

所述低通滤波器处理模块：用于对差分离散序列进行低通滤波，判断差分离散序列为高频信号还是低频信号；

所述极值点提取模块：用于提取差分离散序列中的极值点；若无极值点，则判断单机设备出现故障并重启成功；

所述重启故障判别模块：用于根据差分离散序列为高频信号且有极值点，则判别单机设备在某个时间点发生了重启，单机设备出现单次重启异常；

所述反复复位故障判别模块：用于根据差分离散序列为低频信号且有极值点，则判别单机设备出现反复重启异常。

7.根据权利要求6所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，其特征在于，所述系统还包括：卫星遥测数据原始数据库、卫星任务过境计划原始数据库、遥测参数库表配置模块、卫星任务过境计划数据库表配置模块和定时器设置模块；

所述卫星遥测数据原始数据库，用于存储卫星下行的所有原始遥测数据；

所述卫星任务过境计划原始数据库，用于存储卫星过境计划数据，包括卫星的运行圈次，卫星过境开始时间，卫星过境结束时间；

所述卫星任务遥测参数库表配置模块，用于根据卫星任务型号设定对应的遥测参数库表，设置数据库表及卫星遥测参数变量的访问信息；

所述卫星任务过境计划数据库表配置模块，用于根据卫星任务型号设置相应卫星过境计划数据的访问参数信息；

所述定时器设置模块，用于获取最近的卫星过境跟踪计划，从卫星任务过境计划原始数据库读取卫星过境开始时间和卫星过境结束时间，由此设定定时器数值。

8.根据权利要求7所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，其特征在于，所述对遥测数据序列进行一阶差分得到差分离散序列，具体为：

遥测数据序列为x₀,x₁,x₂,x₃,...,x_N；则一阶差分计算公式如下：

Δy_i＝x_i-x_i-1,i＝1,…N

得到差分离散序列：Δy₁,Δy₂,Δy₃,....,Δy_N。

9.根据权利要求8所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，其特征在于，所述提取差分离散序列中的极值点，具体为：

为极值点

为非极值点。

10.根据权利要求9所述的单调递增计数类遥测参数异常自动判别系统，其特征在于，所述系统还包括：野值判别模块，用于去除遥测数据序列中的野值点；所述野值点的计算过程为：

若两个相邻的极值点Δy_p和Δy_p+1满足：

其中，f^-1(Δy_p+1)＝x_p+1，则x_p＝f^-1(Δy_p)为野值点。