CN111553059B - 一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法 - Google Patents

一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法，所述方法包括：确定卫星需要执行的各个任务；确定卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图，所述卫星层级的功能结构框图包括多个分系统；利用卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图和每个分系统的任务健康度，对每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度进行评估；对各个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别进行加权和累加处理，得到卫星任务健康度和卫星风险健康度。

Description

一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法
技术领域
本发明涉及卫星领域，特别涉及一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法。
背景技术
由于卫星结构复杂，工作环境恶劣，其在发射乃至在轨运行中很容易发生故障，导致任务失败，而卫星造价高昂，其发射成本与维修成本也十分巨大，所以在发射前或运行中评估卫星的健康状态以及任务完成能力，对于提高任务成功率，节约费用具有重要意义。
在卫星系统中，单机的健康状态往往可以通过遥测参数来直接获得，但是对于卫星的整体健康状态以及卫星整体完成任务的能力以及承担任务失败的能力缺乏适宜的计算方法以及准确的表达方式。
现有技术：本发明接近的现有技术是《一种航天器综合能力评估方法》，公开了一种航天器综合能力评估方法，用于解决航天器能力表达不直观，无法在其应用规划中提供最直接有效的决策信息的问题，引入了健康状态与风险状态作为重要的评估关键的输入因子，在此基础上从载荷性能和平台性能两个方面评估单星综合能力值。该方法结合了健康状态与风险状态两个维度对卫星的健康状态进行评估，通过融合健康因子与风险因子对整体进行评价，但是该发明未考虑卫星部件的层级结构关系，只考虑的卫星的载荷与平台，未对卫星自身部件之间的典型结构关系建立针对性的计算方法，同时在健康与风险两个维度上并没有提出更为准确的计算方式。
发明内容
本发明实施例提供一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法，实现卫星各层级的健康评估。
本发明实施例提供一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法，所述方法包括：
确定卫星需要执行的各个任务；
确定卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图，所述卫星层级的功能结构框图包括多个分系统；
利用卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图和每个分系统的任务健康度，对每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度进行评估；
对各个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别进行加权和累加处理，得到卫星任务健康度和卫星风险健康度。
优选地，所述每个分系统的任务健康度是每个分系统完成每个任务的能力度量值；所述每个任务的卫星层级的任务健康度是卫星完成每个任务的能力度量值；所述每个任务的卫星层级的风险健康度是卫星能够承受每个任务执行过程中的风险的能力度量值；所述卫星任务健康度是卫星完成各个任务的综合能力度量值；所述卫星风险健康度是卫星能够承受各个任务执行过程中的风险的综合能力度量值。
优选地，所述利用卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图和每个分系统的任务健康度，对每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度进行评估包括：
对于卫星需要执行的任意一个任务，确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的任务健康度；
根据所述卫星层级的功能结构框图包括的多个分系统之间的连接结构以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
优选地，每个分系统包括一个或多个单机，所述确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的任务健康度包括：
对于所述卫星层级的功能结构框图中的任意一个分系统，获取所述分系统中包括的每个单机的任务健康度；
若所述分系统包括一个单机，则将所述单机的任务健康度作为所述分系统的任务健康度；
若所述分系统包括多个单机，则根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度。
优选地，所述每个单机的任务健康度是每个单机完成每个任务的能力度量值。
优选地，所述根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度包括：
若所述分系统包括的多个单机以串联方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000031
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为分系统中单机的个数；
Figure BDA0002453956470000032
为分系统中第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以并联方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000033
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为分系统中单机的个数；
Figure BDA0002453956470000034
为分系统中第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以冷备方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000041
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中1个主份单机和n-1个冷份单机；
Figure BDA0002453956470000042
和
Figure BDA0002453956470000043
分别为主份单机和各冷份单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以串联、并联、冷备中的至少两种方式连接，则根据连接方式对应的公式以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的任务健康度。
优选地，所述方法还包括：
确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的风险健康度，其包括：
对于所述卫星层级的功能结构框图中的任意一个分系统，若所述分系统包括一个单机，则将所述单机的任务健康度作为所述分系统的风险健康度；
若所述分系统包括多个单机，则根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度。
优选地，所述根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度包括：
若所述分系统包括的多个单机以串联方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000044
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；n为该分系统中串联单机的个数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；βi为第i个单机的权重；
Figure BDA0002453956470000045
为第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以并联方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000051
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；e为自然对数，α为常系数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；n为该分系统中并联或冗余热备单机的个数；βi为第i个单机的权重；
Figure BDA0002453956470000052
为第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以冷备方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000053
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；α为常系数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中，其中1个主份单机和n-1个冷份单机；β1和β2～βm分别为主份单机和各冷份单机的权重；
Figure BDA0002453956470000054
为第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以串联、并联、冷备中的至少两种方式连接，则根据连接方式对应的公式以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的风险健康度。
优选地，所述根据所述卫星层级的功能结构框图包括的多个分系统之间的连接结构以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度包括：
若所述多个分系统以串联方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000055
Figure BDA0002453956470000056
其中，hk satellite和
Figure BDA0002453956470000061
分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数；
Figure BDA0002453956470000062
为第i个分系统的任务健康度；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；βi为第i个分系统的权重；
若所述多个分系统以并联方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000063
Figure BDA0002453956470000064
其中，hk satellite和rhk satellite分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数；
Figure BDA0002453956470000065
为第i个分系统的任务健康度；α为常系数；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；βi为第i个分系统的权重；
若所述多个分系统以冷备方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000066
Figure BDA0002453956470000067
其中，hk satellite和rhk satellite分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数，其中1个主份分系统和n-1个冷份分系统；
Figure BDA0002453956470000068
为第i个分系统的任务健康度；
Figure BDA0002453956470000069
和
Figure BDA00024539564700000610
分别为主份分系统和各冷份分系统的任务健康度；α为常系数；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；β1和β2～βm分别为主份分系统和各冷份分系统的权重。
优选地，所述对各个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别进行加权和累加处理，得到卫星任务健康度和卫星风险健康度，通过以下公式实现：
Figure BDA0002453956470000071
Figure BDA0002453956470000072
Figure BDA0002453956470000073
其中，h和rh分别为卫星任务健康度和卫星风险健康度；p为卫星需要执行的任务个数；ak为第k个任务在所有任务中的权重；
Figure BDA0002453956470000074
和
Figure BDA0002453956470000075
分别为第k个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
本发明提供的基于任务健康度与风险健康度耦合的卫星健康度计算方法，结合卫星的层级结构关系，提出不同典型结构的健康度计算方法，综合考虑各个层级的任务完成能力与承受风险的能力，更加准确的计算出多维度的健康度评估结果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法的第一流程示意图；
图2是是本发明实施例提供的一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法的第二流程示意图；
图3是本发明实施例提供的单机并联结构图；
图4是本发明实施例提供的单机串联结构图；
图5是本发明实施例提供的单机冷备结构图；
图6是本发明实施例提供的分系统并联结构图；
图7是本发明实施例提供的分系统串联结构图；
图8是本发明实施例提供的分系统冷备结构图；
图9是本发明实施例提供的卫星完成任务1的层级结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1是本发明实施例提供的一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法的第一流程示意图，如图1所示，步骤包括：
步骤S101：确定卫星需要执行的各个任务。
步骤S102：确定卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图，所述卫星层级的功能结构框图包括多个分系统。
步骤S103：利用卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图和每个分系统的任务健康度，对每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度进行评估，其中，所述每个分系统的任务健康度是每个分系统完成每个任务的能力度量值；所述每个任务的卫星层级的任务健康度是卫星完成每个任务的能力度量值；所述每个任务的卫星层级的风险健康度是卫星能够承受每个任务执行过程中的风险的能力度量值。
所述步骤S103可以包括：对于卫星需要执行的任意一个任务，确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的任务健康度，并根据所述卫星层级的功能结构框图包括的多个分系统之间的连接结构以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
每个分系统包括一个或多个单机。
其中，所述确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的任务健康度包括：对于所述卫星层级的功能结构框图中的任意一个分系统，获取所述分系统中包括的每个单机的任务健康度，其中，所述每个单机的任务健康度是每个单机完成每个任务的能力度量值；若所述分系统包括一个单机，则将所述单机的任务健康度作为所述分系统的任务健康度；若所述分系统包括多个单机，则根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度。
对于所述分系统包括多个单机的情况，所述根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度包括以下任意一种情况：
(1)若所述分系统包括的多个单机以串联方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000091
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为分系统中单机的个数；
Figure BDA0002453956470000092
为分系统中第i个单机的任务健康度；
也就是说，根据以上述公式形式表达的分系统层级串联结构策略以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的任务健康度。
(2)若所述分系统包括的多个单机以并联方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000093
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为分系统中单机的个数；
Figure BDA0002453956470000094
为分系统中第i个单机的任务健康度；
也就是说，根据以上述公式形式表达的分系统层级并联结构策略以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度。
(3)若所述分系统包括的多个单机以冷备方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000101
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中1个主份单机和n-1个冷份单机；
Figure BDA0002453956470000102
和
Figure BDA0002453956470000103
分别为主份单机和各冷份单机的任务健康度；
也就是说，根据以上述公式形式表达的分系统层级冷备结构策略以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度。
(4)若所述分系统包括的多个单机以串联、并联、冷备中的至少两种方式连接，则根据连接方式对应的公式以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的任务健康度。
其中，所述根据所述卫星层级的功能结构框图包括的多个分系统之间的连接结构以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度可以具体包括以下任意一种情况：
(1)若所述多个分系统以串联方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000104
Figure BDA0002453956470000105
其中，hk satellite和
Figure BDA0002453956470000106
分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数；
Figure BDA0002453956470000107
为第i个分系统的任务健康度；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；βi为第i个分系统的权重；
也就是说，根据以上述公式形式表达的卫星层级串联结构策略以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
(2)若所述多个分系统以并联方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000111
Figure BDA0002453956470000112
其中，hk satellite和rhk satellite分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数；
Figure BDA0002453956470000113
为第i个分系统的任务健康度；α为常系数；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；βi为第i个分系统的权重；
也就是说，根据以上述公式形式表达的卫星层级并联结构策略以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
(3)若所述多个分系统以冷备方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000114
Figure BDA0002453956470000115
其中，hk satellite和rhk satelite分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数，其中1个主份分系统和n-1个冷份分系统；
Figure BDA0002453956470000116
为第i个分系统的任务健康度；
Figure BDA0002453956470000117
和
Figure BDA0002453956470000118
分别为主份分系统和各冷份分系统的任务健康度；α为常系数；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；β1和β2～βm分别为主份分系统和各冷份分系统的权重；
也就是说，根据以上述公式形式表达的卫星层级冷备结构策略以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
(4)若所述多个分系统以串联和并联的方式连接，则根据多个分系统的连接方式对应的公式以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
步骤S104：对各个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别进行加权和累加处理，得到卫星任务健康度和卫星风险健康度，其中，所述卫星任务健康度是卫星完成各个任务的综合能力度量值；所述卫星风险健康度是卫星能够承受各个任务执行过程中的风险的综合能力度量值。
卫星任务健康度和卫星风险健康度可以通过以下公式实现：
Figure BDA0002453956470000121
Figure BDA0002453956470000122
Figure BDA0002453956470000123
其中，h和rh分别为卫星任务健康度和卫星风险健康度；p为卫星需要执行的任务个数；ak为第k个任务在所有任务中的权重；
Figure BDA0002453956470000124
和
Figure BDA0002453956470000125
分别为第k个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
基于上述实施例，所述方法还可以包括确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的风险健康度的步骤，具体为：对于所述卫星层级的功能结构框图中的任意一个分系统，若所述分系统包括一个单机，则将所述单机的任务健康度作为所述分系统的风险健康度；若所述分系统包括多个单机，则根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度。
对于所述分系统包括多个单机的情况，所述根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度可以具体包括以下任意一种情况：
(1)若所述分系统包括的多个单机以串联方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000131
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；n为该分系统中串联单机的个数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；βi为第i个单机的权重；
Figure BDA0002453956470000132
为第i个单机的任务健康度；
也就是说，根据以上述公式形式表达的分系统层级串联结构策略以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的风险健康度。
(2)若所述分系统包括的多个单机以并联方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000133
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；e为自然对数，α为常系数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；n为该分系统中并联或冗余热备单机的个数；βi为第i个单机的权重；
Figure BDA0002453956470000134
为第i个单机的任务健康度；
也就是说，根据以上述公式形式表达的分系统层级并联结构策略以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度。
(3)若所述分系统包括的多个单机以冷备方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure BDA0002453956470000135
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；α为常系数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中，其中1个主份单机和n-1个冷份单机；β1和β2～βm分别为主份单机和各冷份单机的权重；
Figure BDA0002453956470000141
为第i个单机的任务健康度；
也就是说，根据以上述公式形式表达的分系统层级冷备结构策略以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度。
(4)若所述分系统包括的多个单机以串联、并联、冷备中的至少两种方式连接，则根据连接方式对应的公式以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的风险健康度。
本发明提供了一种包含任务健康度和风险健康度的卫星健康层级评估体系，其综合考虑卫星系统的任务完成能力以及不能完成规定任务的系统承受能力。
下面结合图2至图8进行详细说明。
本发明将卫星系统划分为单机、分系统、整星三个层级，适用于卫星在发射前，在轨运行中的任务健康度和风险健康度的评估。其中，所述单机是具备监测能力的最小功能模块，如飞轮单机。
本发明在进行任务健康度以及风险健康度计算时，假定卫星中各层级都可以划分为串并联结构或冷备结构。其中，任务健康度是评估对象完成各项既定任务的综合能力，用h表示，取值范围[0,1]，h＝0表示无法完成既定任务，h＝1表示能够很好地完成既定任务；系统风险健康度表示评估对象承受各项任务执行过程中的风险的综合能力，用rh表示，取值范围[0,1]，当rh＝1时，表示该对象执行功能的过程中无风险，当rh＝0时，表示该对象执行功能的过程中风险最大。
图2是是本发明实施例提供的一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法的第二流程示意图，如图2所示，步骤包括：
步骤一：基于卫星任务建立各层级功能结构框图，具体地说，通过划分系统的结构功能，建立系统各任务的功能结构框图模型。
卫星在轨运行期间需要根据预定计划执行多项任务，基于各项任务需求的不同，对卫星进行层级划分和功能逻辑关系构建。为直观与定量分析卫星在执行各项任务时的任务健康度和风险健康度，规定卫星层主要由参与任务的分系统构成，分系统层由主要参与任务的单机构成，根据需求构建卫星和分系统两个层级的功能结构图。
功能结构框图其基本思想是根据系统组成单元之间的功能相关性，描述功能与系统功能之间的逻辑关系。功能结构框图由代表产品或功能的方框、连线、逻辑节点等相关图元组成。通过功能结构框图可以对系统各部分的功能结构以及逻辑关系进行简化，以期更为直观与定量分析。功能结构框图通常包含几种典型功能结构模型。
(1)串联模型
在串联结构中，系统内所有的单元必须正常运行，整个系统才可以正常运行，对于处于串联系统中的单元，如果任意一个单元出现故障，那么系统将会出现故障。
对于卫星系统，分别建立如图4所示的由各单机组成的分系统，如图7所示的由各分系统组成的整星系统的功能结构性框图。
(2)并联模型
在并联结构中，系统内只要有一个单元正常运行，整个系统就可以正常运行。对于处在并联系统中的单元，只有所有的单元出现故障，系统才会出现故障。
对于卫星系统，分别建立如图3所示的由各单机组成的分系统，如图6所示的由各分系统组成的整星系统的功能结构性框图。
(3)冷备形式
在冷备结构中，正常情况下，备份与工作部件并联连接，但是不工作，当工作部件出现故障时，备份将接入电路进行工作只有当工作件与备份都失效的时候系统才会出现故障。
对于卫星系统，分别建立如图5所示的由各单机组成的分系统，如图8所示的由各分系统组成的整星系统的功能结构性框图。
(4)复杂形式
对于某些系统，单元结构不能简单的分解成串联和并联的关系，结构复杂连接在一起构成子系统。
步骤二：获取特定任务下单机的任务健康度及风险健康度。
对于单机层次，其任务健康度可以在获取遥测参数的基础上，通过数据驱动、物理模型构建等方法评估其完成各项任务的能力。比如《一种基于多属性评价的卫星电源健康度计算方法》，《一种基于模糊贝叶斯网络的设备故障预测与健康评估方法》等方法计算卫星单机的健康状态，可以表示其在某一任务下的任务健康度，而单机层次由于不可再分，其任务不能完成的风险就是其自身健康度，因此本申请认为单机的任务健康度与风险健康度相等。
步骤三：计算特定任务下分系统的任务健康度以及风险健康度
(1)对于存在单机并联结构的分系统，如图3所示，n个单机通过并联组成分系统，其中任意一个单机能够正常工作，则分系统就能够正常工作，只有当所有的单机都失效时分系统才失效，其分系统的任务健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000161
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为该分系统中并联的单机的个数；
Figure BDA0002453956470000162
为第i个单机的任务健康度。
分系统的风险健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000163
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；e为自然对数，α为常系数，通常取(1-e)-1；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度，默认为1；n为该分系统中并联或冗余热备单机的个数；βi为第i个单机的权重；
Figure BDA0002453956470000164
为第i个单机的任务健康度。
(2)对于存在单机串联结构的分系统，如图4所示，n个单机通过串联组成分系统，只有n个单机都正常工作时，分系统才能正常工作，其中一个单机失效，则整个分系统无法正常工作。
分系统的任务健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000171
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为该分系统中串联单机的个数；
Figure BDA0002453956470000172
为第i个单机的任务健康度。
分系统的风险健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000173
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；n为该分系统中串联单机的个数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度，默认为1；βi为第i个单机的权重，可以通过计算或者专家打分获得；
Figure BDA0002453956470000174
为第i个单机的任务健康度。
(3)冷备结构
对于存在冷备结构的分系统，如图5所示，在冷备结构中，正常情况下，备份与工作部件并联连接，但是不工作，当工作部件出现故障时，备份将接入电路进行工作只有当工作件与备份都失效的时候系统才会出现故障。
分系统的任务健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000175
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中有n-1个冷份；
Figure BDA0002453956470000176
和
Figure BDA0002453956470000177
分别为主份和各冷份单机的任务健康度，当冷份单机未启用时，其健康度为1。
分系统的风险健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000181
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；α为常系数，通常取(1-e)-1；rhsubsystem(0)为该单元的初始风险健康度，默认为1；n为该分系统中冗余子单元的个数，其中，有n-1个冷份；β1和β2～βn分别为主份单机和各冷份单机的权重，计算方法同样为上述改进层次分析法；
Figure BDA0002453956470000182
为第i个单机的任务健康度，当冷份单机未启用时，其健康度为1。
(4)混合形式
由串联形式和并联形式一起构成的分系统的任务健康度与风险健康度计算，可以先计算其中的串联或并联部分，然后进一步化简模型继续计算，通过逐步计算和化简，直到计算出分系统的风险健康度。
步骤四：计算特定任务下整星的任务健康度和风险健康度。
(1)对于存在分系统并联结构的整星系统，如图6所示，m个分系统通过并联组成整星系统，其中任意一个分系统能够正常工作，则整星系统就能够正常工作，只有当所有的分系统都失效时整星系统才失效。
整星系统的任务健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000183
其中，hk satellite为第k个任务下整星系统的任务健康度；m为该整星系统中并联的分系统的个数；
Figure BDA0002453956470000184
为第i个分系统的任务健康度。
整星系统的风险健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000185
其中，rhk satellite为第k个任务下整星的风险健康度；α为常系数，通常取(1-e)-1；rhsatellite(0)为该整星的初始风险健康度，默认为1；m为该整星中并联或冗余热备分系统的个数；βi为第i个分系统的权重；
Figure BDA0002453956470000186
为第i个分系统的风险健康度。
(2)对于存在分系统串联结构的整星系统，如图7所示，m个分系统通过串联组成整星系统，只有m个分系统都正常工作时，整星系统才能正常工作，其中一个分系统失效，则整个整星系统无法正常工作。
整星系统的健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000191
其中，hk satellite为第k个任务下整星系统的任务健康度；m为整星系统中串联分系统的个数；
Figure BDA0002453956470000192
为第i个分系统的任务健康度。
整星系统的风险健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000193
其中，
Figure BDA0002453956470000194
为第k个任务下整星系统的风险健康度；m为该单元中串联分系统的个数；rhsatellite(0)为该整星系统的初始风险健康度，默认为1；βi为第i个分系统的权重，；
Figure BDA0002453956470000195
为第i个分系统的风险健康度。
(3)冷备结构
对于存在冷备结构的整星系统，如图8所示，在冷备结构中，正常情况下，备份与工作部件并联连接，但是不工作，当工作部件出现故障时，备份将接入电路进行工作只有当工作件与备份都失效的时候系统才会出现故障。
整星的任务健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000196
其中，
Figure BDA0002453956470000197
为第k个任务下整星系统的任务健康度；m为该整星系统中冗余分系统的个数，其中有m-1个冷份；
Figure BDA0002453956470000198
和
Figure BDA0002453956470000199
分别为主份和各冷份子单元的任务健康度，当冷份子单元未启用时，其健康度为1。
分系统的风险健康度的算法为：
Figure BDA0002453956470000201
其中，rhk satellite为第k个任务下整星系统的风险健康度；α为常系数，通常取(1-e)-1；rhsatellite(0)为该整星系统的初始风险健康度，默认为1；m为该单元中冗余分系统的个数，其中，有m-1个冷份；β1和β2～βm分别为主份分系统和各冷份分系统的权重；
Figure BDA0002453956470000202
为第i个子单元的任务健康度，当冷份子单元未启用时，其健康度为1。
(4)混合形式
由串联形式和并联形式一起构成的整星系统的任务健康度与风险健康度计算，可以先计算其中的串联或并联部分，然后进一步化简模型继续计算，通过逐步计算和化简，直到计算出分系统的风险健康度。
步骤五：计算整星系统任务健康度与风险健康度。
根据卫星在执行各项任务过程中的任务健康度，计算卫星整星的任务健康度：
Figure BDA0002453956470000203
Figure BDA0002453956470000204
其中，ak为卫星第k个任务在所有任务(p个任务)中的权重，由专家经验给出，
Figure BDA0002453956470000205
为卫星在执行第k个任务时的任务健康度。
任务健康度为系统完成不同既定任务的综合能力度量，用于实时评估对象执行任务的健康状态，从而加以监控。
根据卫星在执行各项任务过程中的任务健康度，计算卫星整星的风险健康度：
Figure BDA0002453956470000211
Figure BDA0002453956470000212
其中，ak为卫星第k个任务在所有任务(p个任务)中的权重，由专家经验给出，
Figure BDA0002453956470000213
为卫星在执行第k个任务时的任务健康度。
风险健康度为评估对象承受各项任务执行过程中的风险的综合能力风险健康度用于对潜在的风险进行提前预警，从而支撑任务制定、维修维护等决策。
本发明综合考虑系统的结构功能关系、系统可靠性框图、子系统的健康度、子系统完成规定任务的能力以及子系统不能完成规定任务对系统的危害程度，采用任务健康度和风险健康度的概念，解决了可划分为串并联结构以及冷备结构的系统的评估问题，同时提出了用底层结构的任务健康度计算上一层级的风险健康度的方法，结合风险健康度的物理含义，优化了其计算框架。
应用案例
本发明提供了一种任务健康度和风险健康度融合的卫星健康层级评估方法，卫星典型部件的健康度以及功能结构为例说明本方法的实施过程。
步骤一：基于卫星任务建立各层级功能结构框图。
分析卫星的既定任务，卫星任务包括任务1，任务2，任务3。
在此案例以任务1为例，根据完成任务1参与的单机以及分系统及其关联关系建立起针对任务1的功能结构框图，如图7所示，考虑卫星中的电源系统，信号系统，姿态控制系统以及推进系统，建立功能结构框图。
步骤二：获取单机的任务健康度。
对于单机层次，由于其功能不可再分，其任务失败的风险就是其自身的健康度，其健康度可以在获取遥测参数的基础上，通过数据驱动，物理模型构建等方法进行健康度的计算，方法如《一种基于多属性评价的卫星电源健康度计算方法》，《一种基于模糊贝叶斯网络的设备故障预测与健康评估方法》等。而单机由于其功能不可再分，其任务失败造成的风险就等于其自身的任务健康度，所以认为其风险健康度等于任务健康度，经计算，单机的任务健康度数值如下表所示：
单机名称 任务健康度
天线 0.94
接收机 0.95
发射机 0.97
陀螺组件A 0.90
陀螺组件B 0.86
滚动地平仪 0.83
俯仰地平仪 0.95
电源1 0.98
备份电源1 0.95
备份电源2 0.96
步骤三、计算特定任务下分系统的任务健康度及风险健康度。
以测量分系统为例，由功能结构框图可得针对任务1，各单机之间并联连接，所以根据公式计算：
Figure BDA0002453956470000221
由专家打分或其他方法得到测量系统4个组成部分的权重为
β1...β4＝(0.27,0.16,0.10,0.47)
Figure BDA0002453956470000231
即，测量分系统的任务健康度为0.999881，风险健康度为0.944619。
以信号分系统为例，由功能结构框图可得针对任务1，各单机之间并联连接，所以根据公式计算
Figure BDA0002453956470000232
通过专家打分或其他方法得信号系统3个组成部分的权重为
β1...β3＝(0.16,0.30,0.54)
Figure BDA0002453956470000233
即，信号分系统的任务健康度为0.866210，风险健康度为0.830869。
以电源分系统为例，由功能结构框图可得针对任务1，电源1与备份电源之间是冷备连接，所以根据公式计算
Figure BDA0002453956470000234
通过专家打分或其他方法得电源系统3个组成部分的权重为
β1...β3＝(0.16,0.30,0.54)
Figure BDA0002453956470000235
即，电源分系统的任务健康度为0.921324，风险健康度为0.863755。
步骤四、计算特定任务下整星系统任务健康度以及风险健康度。
由步骤二及步骤三中方法计算各分系统的任务健康度和风险健康度，如下表所示：
分系统名称 任务健康度 风险健康度
电源分系统 0.921324 0.863755
信号分系统 0.866210 0.830869
测量分系统 0.999881 0.944619
推进分系统 0.923612 0.875737
下面根据上文中的方法对整星系统在任务1下的任务健康度及风险健康度计算。
整星系统在任务1下的的任务健康度：
电源分系统、信号分系统、推进分系统以及测量分系统之间是串联连接的，所以整星系统在任务1下的任务健康度为：
Figure BDA0002453956470000241
整星系统在任务1下的风险健康度为：
通过专家打分或其他方法得系统4个组成部分的权重为β1...β4＝(0.17,0.07,0.59,0.17)。
Figure BDA0002453956470000242
即整星系统在任务1下的任务健康度为0.737097，风险健康度为0.605428。
步骤五：计算卫星整星的任务健康度与风险健康度。
根据以上步骤，计算在不同任务下卫星整星健康度，同时利用专家打分法，层次分析法等方法计算出不同任务所占的比重ak，计算结果如下：
任务名称 任务健康度 权重
任务1 0.737 0.5
任务2 0.865 0.1
任务3 0.784 0.4
计算卫星整星的任务健康度：
Figure BDA0002453956470000251
因此求得整星的任务健康度为0.7681。表明该卫星仍具有较强能力完成各项任务。
根据以上步骤，计算在不同任务下卫星整星风险健康度，同时利用专家打分法，层次分析法等方法计算出不同任务所占的比重ak，计算结果如下：
任务名称 风险健康度 权重
任务1 0.605 0.5
任务2 0.765 0.1
任务3 0.684 0.4
计算卫星整星的风险健康度：
Figure BDA0002453956470000252
因此求得整星的风险健康度为0.6526。相较于任务健康度，较低的风险健康度能够对卫星任务中的潜在风险进行预警。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种任务健康和风险健康耦合的卫星健康度评估方法，其特征在于，所述方法包括：
根据卫星需要执行的每个任务，确定卫星执行每个任务所需的分系统；
根据卫星执行每个任务所需的分系统，确定卫星执行每个任务的卫星层级的功能结构框图，其中卫星执行的每个任务对应一个卫星层级，每个卫星层级的功能结构框图包括卫星执行该任务所需的多个分系统和所述多个分系统之间的连接结构；
利用卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图的所述多个分系统之间的连接结构和所述多个分系统中每个分系统的任务健康度，对卫星需要执行的每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度进行评估；
对卫星需要执行的每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别进行加权和累加处理，得到卫星任务健康度h和卫星风险健康度rh；
Figure FDF0000016674660000011
Figure FDF0000016674660000012
Figure FDF0000016674660000013
其中，p为卫星需要执行的任务个数；ak为第k个任务在所有任务中的权重；
Figure FDF0000016674660000014
和
Figure FDF0000016674660000015
分别为第k个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述每个分系统的任务健康度是每个分系统完成每个任务的能力度量值；
所述每个任务的卫星层级的任务健康度是卫星完成每个任务的能力度量值；
所述每个任务的卫星层级的风险健康度是卫星能够承受每个任务执行过程中的风险的能力度量值；
所述卫星任务健康度是卫星完成各个任务的综合能力度量值；
所述卫星风险健康度是卫星能够承受各个任务执行过程中的风险的综合能力度量值。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用卫星执行每个任务时的卫星层级的功能结构框图和每个分系统的任务健康度，对每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度进行评估包括：
对于卫星需要执行的任意一个任务，确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的任务健康度；
根据所述卫星层级的功能结构框图包括的多个分系统之间的连接结构以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个分系统包括一个或多个单机，所述确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的任务健康度包括：
对于所述卫星层级的功能结构框图中的任意一个分系统，获取所述分系统中包括的每个单机的任务健康度；
若所述分系统包括一个单机，则将所述单机的任务健康度作为所述分系统的任务健康度；
若所述分系统包括多个单机，则根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述每个单机的任务健康度是每个单机完成每个任务的能力度量值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的任务健康度包括：
若所述分系统包括的多个单机以串联方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000031
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为分系统中单机的个数；
Figure FDF0000016674660000032
为分系统中第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以并联方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000033
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为分系统中单机的个数；
Figure FDF0000016674660000034
为分系统中第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以冷备方式连接，则该分系统的任务健康度通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000035
其中，hsubsystem为分系统的任务健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中1个主份单机和n-1个冷份单机；
Figure FDF0000016674660000036
和
Figure FDF0000016674660000037
分别为主份单机和各冷份单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以串联、并联、冷备中的至少两种方式连接，则根据连接方式对应的公式以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的任务健康度。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定卫星层级的功能结构框图中包括的每个分系统的风险健康度，其包括：
对于所述卫星层级的功能结构框图中的任意一个分系统，若所述分系统包括一个单机，则将所述单机的任务健康度作为所述分系统的风险健康度；
若所述分系统包括多个单机，则根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据所述分系统包括的多个单机之间的连接方式以及每个单机的任务健康度，确定所述分系统的风险健康度包括：
若所述分系统包括的多个单机以串联方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000041
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；n为该分系统中串联单机的个数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；βi为第i个单机的权重；
Figure FDF0000016674660000042
为第i个单机的健康度；
若所述分系统包括的多个单机以并联方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000043
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；e为自然对数，α为常系数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；n为该分系统中并联或冗余热备单机的个数；βi为第i个单机的权重；
Figure FDF0000016674660000044
为第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以冷备方式连接，则该分系统的风险健康度通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000045
其中，rhsubsystem为分系统的风险健康度；α为常系数；rhsubsystem(0)为该分系统的初始风险健康度；n为该分系统中冗余单机的个数，其中，其中1个主份单机和n-1个冷份单机；β1和β2～βm分别为主份单机和各冷份单机的权重；
Figure FDF0000016674660000046
为第i个单机的任务健康度；
若所述分系统包括的多个单机以串联、并联、冷备中的至少两种方式连接，则根据连接方式对应的公式以及该分系统中每个单机的任务健康度，确定该分系统的风险健康度。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述卫星层级的功能结构框图包括的多个分系统之间的连接结构以及每个分系统的任务健康度，确定每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度包括：
若所述多个分系统以串联方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000051
Figure FDF0000016674660000052
其中，hk satellite和
Figure FDF0000016674660000053
分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数；
Figure FDF0000016674660000054
为第i个分系统的任务健康度；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；βi为第i个分系统的权重；
若所述多个分系统以并联方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000055
Figure FDF0000016674660000056
其中，hk satellite和rhk satellite分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数；
Figure FDF0000016674660000057
为第i个分系统的任务健康度；α为常系数；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；βi为第i个分系统的权重；
若所述多个分系统以冷备方式连接，则每个任务的卫星层级的任务健康度和风险健康度分别通过以下公式确定：
Figure FDF0000016674660000058
Figure FDF0000016674660000059
其中，hk satellite和rhk satellite分别为第k个任务下的卫星任务健康度和卫星风险健康度；m为第k个任务的卫星层级的功能结构框图中分系统的个数，其中1个主份分系统和n-1个冷份分系统；
Figure FDF00000166746600000510
为第i个分系统的任务健康度；
Figure FDF00000166746600000511
和
Figure FDF00000166746600000512
分别为主份分系统和各冷份分系统的任务健康度；α为常系数；rhsatellite(0)为卫星初始风险健康度；β1和β2～βm分别为主份分系统和各冷份分系统的权重。
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