一种基于相关概率模型的故障检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于相关概率模型的故障检测方法，包括下列步骤：从多个遥测参数中选择待检测参数；在时间上将待检测参数划分成多个工作单元；在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工作单元的相关系数向量；为所述多个工作单元建立相关概率模型以确定所述多个工作单元的多元概率分布；通过主成分分析PCA对所述多元概率分布进行降维以获得一元概率分布；以及对所述一元概率分布的数据进行异常检测以确定异常的待检测参数。通过本发明专利技术，可以快速地在卫星故障早期检测出参数异常，由此有利于卫星的健康状态监测和系统维护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于相关概率模型的故障检测方法
本专利技术总的来说涉及卫星遥测数据异常检测领域，具体而言，涉及一种基于相关概率模型的故障检测方法。
技术介绍
随着我国航天事业的蓬勃发展，研发中和已在轨运行的卫星数量逐年增多，现代卫星正从单颗卫星向卫星网络发展。卫星作为一个复杂度较高、涉及技术较广且造价昂贵的综合性系统，并且由于所处空间环境的不确定性以及发射前测试的局限性，在轨运行期间不可避免地会出现一些异常或故障，遥测参数是反映卫星健康状态的重要依据。目前，国内广泛采用设定阈值的方法进行卫星异常检测。这种方法简单有效，误检率低，适用于最终发生了故障情况下的参数检测，但是这种方法也存在一定的弊端。首先，不同型号的卫星设计模式不同，工作状态以及遥测参数的设置也不同，需针对不同情况设置不同的阈值，但这需要耗费大量的人力；其次，阈值的设定需要丰富的专家经验，而且阈值设定的不理想极易引起误警或虚警，而为了达到平衡往往导致采用的阈值范围过大，这样便无法在故障早期发现异常。基于数据驱动的异常检测方法从数据出发，不需要专家知识和精确的数学物理模型，有较好的扩展性，近年来在异常检测领域得到广泛应用。基于数据驱动的异常检测方法主包括：基于统计的方法和基于机器学习的方法、如基于高斯模型、回归模型的方法；基于神经网络的方法；以及支持向量机的方法等。但是遥测参数本身对某些变化不敏感，而且在异常判决的时候往往要面临阈值选择的困扰。
技术实现思路
本专利技术的任务是，提供一种基于相关概率模型的故障检测方法，通过该方法，可以快速地在卫星故障早期检测出参数异常，由此有利于卫星的健康状态监测和系统维护。根据本专利技术，该任务通过一种基于相关概率模型的故障检测方法来解决，该方法包括下列步骤：从多个遥测参数中选择待检测参数；在时间上将待检测参数划分成多个工作单元；在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工作单元的相关系数向量；为所述多个工作单元建立相关概率模型以确定所述多个工作单元的多元概率分布；通过主成分分析PCA对所述多元概率分布进行降维以获得一元概率分布；以及对所述一元概率分布的数据进行异常检测以确定异常的待检测参数。在本专利技术的一个优选方案中规定，从多个遥测参数中选择待检测参数包括下列各项中的一个或多个：按照卫星分系统对遥测参数进行划分，并且对单个分系统的遥测参数进行检测以区分数据模式；将数值型数据和非数值型参数分开检测；根据工程经验、卫星设计原理和/或故障预案选择待检测参数；剔除具有强线性相关关系的遥测参数；以及根据故障发生前后遥测参数之间的相关关系是否发生变化来选择待检测参数或者根据遥测参数是否与温度有关来选取待检测参数。在本专利技术的另一优选方案中规定，在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工作单元的相关系数向量包括下列步骤：通过下列公式计算两个参数a、b之间的相关系数：其中n为一个工作单元内时间序列的长度，ai、bi分别为参数a、b在某一时刻的遥测值,分别为参数a、b在该工作单元内的遥测值的平均值；以及生成每个工作单元的相关系数以生成相关系数向量。在本专利技术的又一优选方案中规定，为所述多个工作单元建立相关概率模型以确定所述多个工作单元的多元概率分布包括下列步骤：通过下列公式确定M个p维相关系数向量l1、l2、…、lM，其中p＞1：其中μ和∑分别是p元正态总体的均值和协方差矩阵，其中：在本专利技术的一个扩展方案中规定，所述多元概率分布为多元正态分布，并且所述一元概率分布为一元正态分布。在本专利技术的一个优选方案中规定，对所述一元概率分布的数据进行异常检测以确定异常的待检测参数包括下列步骤：通过t-检验方法对经PCA降维后的数据进行异常检测；检测出异常数据后，将低维空间的数据重构到高维空间，并计算重构高维数据和原始高维数据的重构误差和每个分量对重构误差的贡献比例；确定贡献比例超过阈值的分量；以及根据所述分量确定异常的待检测参数。本专利技术至少具有下列有益效果：本专利技术通过使用相关概率模型来进行故障检测，可以在某参数发生异常的早期和/或发生缓慢的非显著异常时能够通过识别该参数的相关参数的变化来快速地在卫星故障早期检测出参数异常，从而有利于卫星健康状态监测和系统维护。附图说明下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本专利技术。图1示出了根据本专利技术的故障检测方法的流程；图2示出了工作单元划分的示意图；图3示出了经拟合的一元正态分布数据的示意图；以及图4示出了温度缓变异常的示意图。具体实施方式应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。在本专利技术中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。在本专利技术中，各实施例仅仅旨在说明本专利技术的方案，而不应被理解为限制性的。在本专利技术中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。在此还应当指出，在本专利技术的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本专利技术的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。在此还应当指出，在本专利技术的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本专利技术中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。另外，本专利技术的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。此外，本专利技术人经研究发现，卫星上50％以上的故障都是和温度相关的，与温度相关的参数异常大部分都是缓变异常，如图4所示某型号卫星测控分系统发生大功率故障时的温度异常。异常发生后，遥测参数值变化缓慢，直至超出报警门限，缓变异常从发生到被检测出需要较长一段时间，导致地面人员无法及时采取补救措施，酿成更大的事故。因此，如何在卫星故障早期快速、准确地检测出遥测参数的异常，成为亟需解决的问题。本专利技术基于数据驱动的方法，通过分析卫星参数间的相关关系，提取相关系数向量，建立相关系数向量的多元正态相关概率模型，然后对相关系数向量进行PCA降维,得到一系列满足一元正态分布的数据；最后通过t-检验对降维后的数据进行异常检测，并且可以通过计算重构误差贡献比例来判断发生异常的参数，为后续故障诊断大致确定方向。本专利技术能够快速地在卫星故障早期检测出参数异常、尤其是缓变异常，由此促进卫星的健康状态监测和系统维护。下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本专利技术。图1示出了根据本专利技术的故障检测方法100的流程。在步骤102，从多个遥测参数中选择待检测参数。在步骤104，在时间上将待检测参数划分成多个工作单元。在步骤106，在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工作单元的相关系数向量。在步骤108，为所述多个工作单元建立相关概率模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相关概率模型的故障检测方法，包括下列步骤：从多个遥测参数中选择待检测参数；在时间上将待检测参数划分成多个工作单元；在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工作单元的相关系数向量；为所述多个工作单元建立相关概率模型以确定所述多个工作单元的多元概率分布；通过主成分分析PCA对所述多元概率分布进行降维以获得一元概率分布；以及对所述一元概率分布的数据进行异常检测以确定异常的待检测参数。

【技术特征摘要】
1.一种基于相关概率模型的故障检测方法，包括下列步骤：从多个遥测参数中选择待检测参数；在时间上将待检测参数划分成多个工作单元；在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工作单元的相关系数向量；为所述多个工作单元建立相关概率模型以确定所述多个工作单元的多元概率分布；通过主成分分析PCA对所述多元概率分布进行降维以获得一元概率分布；以及对所述一元概率分布的数据进行异常检测以确定异常的待检测参数。2.根据权利要求1所述的方法，其中从多个遥测参数中选择待检测参数包括下列各项中的一个或多个：按照卫星分系统对遥测参数进行划分，并且对单个分系统的遥测参数进行检测以区分数据模式；将数值型数据和非数值型参数分开检测；根据工程经验、卫星设计原理和/或故障预案选择待检测参数；剔除具有强线性相关关系的遥测参数；以及根据故障发生前后遥测参数之间的相关关系是否发生变化来选择待检测参数或者根据遥测参数是否与温度有关来选取待检测参数。3.根据权利要求1所述的方法，其中在每个工作单元内确定所述多个遥测参数中的每两个参数之间的相关系数以确定该工...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙宇豪，张鸽，李国通，
申请(专利权)人：上海微小卫星工程中心，
类型：发明
国别省市：上海,31