CN111079227B

CN111079227B - 航天器热控功能系统健康评估建模方法

Info

Publication number: CN111079227B
Application number: CN201911292729.XA
Authority: CN
Inventors: 冻伟东; 潘顺良; 杨硕
Original assignee: Beijing Space Technology Research and Test Center
Current assignee: Beijing Space Technology Research and Test Center
Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2039-12-12
Also published as: CN111079227A

Abstract

本发明涉及一种航天器热控功能系统健康评估建模方法，包括以下步骤：a.将航天器划分为不同的功能系统，根据各功能系统进行功能系统层建模；b.根据航天器各功能系统中的各部件进行部件层建模；c.将每个部件的健康状态分配到不同的指标上，进行指标层建模；d.根据各指标进行参数层建模。本发明构建的模型其底层参数将测试性设计与健康评估直接关联起来，将测试性设计与健康评估形成闭环关系，这样健康评估同时关联了可靠性设计、测试性设计和健康管理，整合健康管理的全阶段和全方位，在很大程度上降低了健康管理构建的难度。

Description

航天器热控功能系统健康评估建模方法

技术领域

本发明涉及航天器健康管理与建模仿真领域，尤其涉及一种航天器热控功能系统健康评估建模方法。

背景技术

航天器系统复杂由多个单机或者部件组成，恶劣的轨道运行环境会带来各种形式的故障，发生故障后一旦不能及时发现和处置，就可能导致器毁人亡的严重后果。健康管理技术监测能够实时监测、评估、预测和处置故障，是保障卫星系统安全运行的有力工具。

健康评估技术是健康管理的关键技术，是在对历史数据和监测数据进行分析的基础上，通过各种评判算法来综合评估系统的健康状态，对设备的老化及时发出警报并给出相应原因，从而为维修决策提供依据，使故障发生之前得到处置，将系统恢复到健康状态，能有效提升航天器系统安全性与可靠性、降低有效生命周期运行成本。

健康评估建模技术是对健康评估进行量化，在设计阶段进行设计验证的基础。当前的建模技术复杂，所需的数据和参数繁多，实时计算量大，难以满足器载健康管理功能的实时需要，也无法满足系统级设计评估和功能系统间协同设计的需要。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种航天器热控功能系统健康评估建模方法。

为实现上述发明目的，本发明提供一种航天器热控功能系统健康评估建模方法，包括以下步骤：

a.将航天器划分为不同的功能系统，根据各功能系统进行功能系统层建模；

b.根据航天器各功能系统中的各部件进行部件层建模；

c.将每个部件的健康状态分配到不同的指标上，进行指标层建模；

d.根据各指标进行参数层建模。

根据本发明的一个方面，将航天器中复杂度较高的功能系统分解为多层不同的功能系统后再进行功能系统的部件层建模；

将功能系统中较复杂的部件分解为多层部件层后建模。

根据本发明的一个方面，在所述a步骤中，航天器中每个功能系统的健康状况设置一定的权重，所有功能系统的权重和为1，然后分别对每个功能系统进行健康评估建模，完成航天器层健康评估建模。

根据本发明的一个方面，在所述b步骤中，按照内部功能逻辑关系将功能系统分解为单机部件，按照功能系统内部单机部件之间的功能依赖关系建模。

根据本发明的一个方面，所述功能依赖关系包括热冗余备份关系、冷备份关系和串联关系；

功能系统中互为备份的单机部件权重相同，按照串联关系为不同的部件分配健康权重。

根据本发明的一个方面，在所述c步骤中，将每个部件的健康状态分配到不同的指标上，每个指标设定一定的权重，一般指标对应单机部件内部关键期间的健康状态，一个部件所包含指标的健康权重总和为1。

根据本发明的一个方面，在所述d步骤中，参数层建模是将每个指标的取值看作一个多元函数的取值，函数的每一个变量对应一个参数，每个参数对应一个具体的航天器遥测测点取值。

根据本发明的航天器热控功能系统健康评估建模方法能够取得以下有益效果：

本发明采用图形化方式对航天器典型功能系统热控系统进行健康评估建模，可对热控的控制逻辑部件、测量传感器、流体回路等各组成单机和部件进行快速有效的建模，构建的图形化健康评估模型便于理解、沟通和交流，也便于将不同功能系统的健康评估模型集成为航天器级的健康评估模型，同时保持健康评估模型与系统组成模型、可靠性模型和可测试性模型的高度一致性、可对应性和关联性，可应用于航天器健康管理全周期使用。

能够快速构建健康评估模型：图2至图9所示使用图形化建模语言，可通过绘图软件或者开发建模工具软件，通过拖放不同建模图形符号的方式，快速完成不同阶段健康评估模型的搭建；

与可靠性结构一致性好：该模型直接来源自系统单机和部件的连接依赖关系，因此系统的可靠性模型高度一致，可靠性与健康管理和健康评估直接相关，将健康评估与可靠性设计形成闭环，直接提高了可靠性设计的有效性；

本发明构建的模型便于集成为大型复杂系统的健康评估模型：模型中的“系统”和“部件”均可分为多级，因此可以将复杂模型拆解为多个子模型分别进行建模，适用于多个单位协同参与复杂航天器系统设计场景；

本发明构建的模型其底层参数将测试性设计与健康评估直接关联起来，将测试性设计与健康评估形成闭环关系，这样健康评估同时关联了可靠性设计、测试性设计和健康管理，整合健康管理的全阶段和全方位，在很大程度上降低了健康管理构建的难度；

本发明构建的模型既包含上层功能系统和单机部件，又能够直接对应到遥测参数层次，适用于全周期使用：论证和系统设计阶段依次构建功能系统级别和部件级别模型，进行健康指标分配。在方案和初样设计阶段，将健康指标分配到不同的“指标”和“参数”上，在轨运行阶段使用遥测参数直接计算出系统健康状况。

本发明构建的模型进行健康评估的计算量小，方便在星载嵌入式计算机中实现，以实现星载实时健康评估、故障预测和维修支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示意性表示根据本发明的航天器热控功能系统健康评估建模方法的流程图；

图2～图5表示根据本发明的一种是实施方式的模型要素图形符号；

图6～图9表示根据本发明的一种实施方式的模型关系图形符号。

图10示意性表示根据本发明的一种实施方式的健康评估模型层级架构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

图1示意性表示根据本发明的航天器热控功能系统健康评估建模方法的流程图。如图1所示，根据本发明的航天器热控功能系统健康评估建模方法包括以下步骤：

b.根据航天器各功能系统中的各部件进行部件层建模；

d.根据各指标进行参数层建模。

根据本发明的上述航天器热控功能系统健康评估建模方法，可以将航天器中复杂度较高的功能系统分解为多层不同的功能系统后再进行功能系统的部件层建模，将功能系统中较复杂的部件分解为多层部件层后建模。

在上述a步骤中，航天器中每个功能系统的健康状况设置一定的权重，所有功能系统的权重和为1，然后分别对每个功能系统进行健康评估建模，完成航天器层健康评估建模。

在上述b步骤中，按照内部功能逻辑关系将功能系统分解为单机部件，按照功能系统内部单机部件之间的功能依赖关系建模。其中，功能依赖关系包括热冗余备份关系、冷备份关系和串联关系。功能系统中互为备份的单机部件权重相同，按照默认的串联关系为不同的部件分配健康权重。

在上述c步骤中，将每个部件的健康状态分配到不同的指标上，每个指标设定一定的权重，一般指标对应单机部件内部关键期间的健康状态，一个部件所包含指标的健康权重总和为1。

在上述d步骤中，参数层建模是将每个指标的取值看作一个多元函数的取值，函数的每一个变量对应一个参数，每个参数对应一个具体的航天器遥测测点取值。

在本发明中，建模流程可以从系统论证阶段开始，功能系统层和部件层建模对应系统论证阶段，指标层和参数层对应方案设计阶段。

以下以一种具体实施方式对本发明的上述方法作进一步说明。

图2～图5表示根据本发明的一种是实施方式的模型要素图形符号；图6～图9表示根据本发明的一种实施方式的模型关系图形符号。由图2～图5和图6～图9可知，在本实施方式中，健康评估建模图形符号包括两类，模型要素图形符号和模型关系图形符号，要素图形符号如附图2～图5包括系统、部件、指标和参数，模型关系图形符号如附图6～图9连接不同的模型要素，包括热冗余备份、冷备份、串联和函数关系。

在本实施方式中，功能系统的图形化符号为矩形如附图2所示，航天器表示为一个系统，航天器包含的各功能系统，如控制、能源、推进和热控等，都建模表示为一个功能系统。功能系统可以由下一级功能系统组成，也可以由部件组成。

部件如附图3所示为一菱形符号，指功能系统内部的单机设备、组件或者部件，复杂单机设备还可以进一步拆分为几个部件，部件之间可以是冷备份关系、热冗余备份关系和串联关系，每个部件设置一个健康权重。简单部件的健康取值直接由其指标确定。

指标即健康指标，如附图4所示为一圆形符号，用来表示部件的健康，一个部件包含一个或多个健康指标，每个指标分配一个权重，部件的健康状况取值为其所有指标取值的累加和。每个指标包含一个或者多个健康参数，指标与参数之间为函数关系。

参数及健康监测参数，符号如附图5所示，直接对应部件的遥测参数或者测点参数，一个指标对应一或多个参数，一个参数可以对应一或多个指标。

在本实施方式中，模型关系图形符号如附图6～图9所示，包含四个不同的图形符号，分别为热冗余备份关系、冷备份关系、串联关系和函数关系关系，用来表示部件之间的逻辑关系。

图10示意性表示根据本发明的一种实施方式的健康评估模型层级架构图。表1为健康评估模型要素计算表。

模型标识	模型名称	所属	权重	取值
					A01	xx飞行器	0		0.99
s01	GNC	A01	0.2	0.995
					s04	热控	A01	0.15	0.990
gr01	控制与传感	s04	0.4	1.0
					gr02	执行	s04	0.6	1.0
r01_g02	泵	r02	0.6	0.999
					r02_g02	温控阀	r02	0.4	1.0

表1

如图10和表1所示，首先将航天器划分为7个不同功能系统，分配不同的权重，对应复杂功能系统，如GNC，再拆分为三个功能系统，相同级不同功能系统之间为串联关系，总权重和为1，如此完成了功能系统层建模。以热控功能系统为例进行部件层建模，其中将控制与传感部件、流体回路部件分别进行拆分，部件之间的关系可以是冷备份、热备份或串联关系。最后识别了每个部件的健康指标和对应的遥测参数。

实时健康状况评估计算是一个自底而上的流程，首先将获得的最新测点取值赋给参数，通过函数计算得到健康指标的最新值，然后根据每个指标的权重计算上一级部件的取值健康状况取值，继续按照权重和部件健康取值能得到上一级部件或者功能系统健康的取值，最后得到整个航天器健康状况的取值。

根据本发明的上述实施方式，本发明提出一种图形化建模体系，由一系列的图形化建模符号组成，利用图形化符号构建航天器复杂功能系统的健康模型，对其进行健康状态评估，既能适应简单功能部件、又能适应复杂机电部件，计算量较小适合运行于星载计算机，实现在轨实时自主健康评估，支持航天器热控功能系统在轨自主健康管理。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种航天器热控功能系统健康评估建模方法，包括以下步骤：

b.根据航天器各功能系统中的各部件进行部件层建模；

d.根据各指标进行参数层建模；

在所述d步骤中，参数层建模是将每个指标的取值看作一个多元函数的取值，函数的每一个变量对应一个参数，每个参数对应一个具体的航天器遥测测点取值。

2.根据权利要求1所述的航天器热控功能系统健康评估建模方法，其特征在于，将航天器中复杂度较高的功能系统分解为多层不同的功能系统后再进行功能系统的部件层建模；

将功能系统中较复杂的部件分解为多层部件层后建模。

3.根据权利要求2所述的航天器热控功能系统健康评估建模方法，其特征在于，在所述a步骤中，航天器中每个功能系统的健康状况设置一定的权重，所有功能系统的权重和为1，然后分别对每个功能系统进行健康评估建模，完成航天器层健康评估建模。

4.根据权利要求2所述的航天器热控功能系统健康评估建模方法，其特征在于，在所述b步骤中，按照内部功能逻辑关系将功能系统分解为单机部件，按照功能系统内部单机部件之间的功能依赖关系建模。

5.根据权利要求4所述的航天器热控功能系统健康评估建模方法，其特征在于，所述功能依赖关系包括热冗余备份关系、冷备份关系和串联关系；

6.根据权利要求2所述的航天器热控功能系统健康评估建模方法，其特征在于，在所述c步骤中，将每个部件的健康状态分配到不同的指标上，

每个指标设定一定的权重，指标对应单机部件内部关键期间的健康状态，

一个部件所包含指标的健康权重总和为1。