一种卫星S4R电源系统状态量化评价方法技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星S4R电源系统状态量化评价方法，该方法具体包括：首先，根据实际在轨遥测的大范围时变特性，针对不同类型遥测，利用相应的处理方法对遥测数据进行清洗；并结合无量纲的健康度函数计算得到遥测数据的健康度，以此作为评价方法数据输入；其次，根据S4R电源系统的结构和运行特点，建立起包括遥测层、单机层、子系统层和系统层共四层状态评估指标体系；然后，利用层次分析法和变权理论得到状态评估指标体系中每个指标的权重；最后，利用物元理论构造评估物元，并基于状态评估指标体系，利用“层层递进”的运行状态量化评价模型计算得到卫星S4R电源系统状态量化结果。本发明专利技术不依赖历史数据，能够避免在轨遥测大范围时变的影响，实现卫星S4R电源系统在轨状态量化评价。状态量化评价。状态量化评价。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星S4R电源系统状态量化评价方法


[0001]本专利技术涉及卫星S4R电源系统在轨状态量化评价，涉及航天器自主运行管理领域。
技术背景
[0002]电源系统为整个航天器提供能源，一旦出现故障恐造成不可挽回的巨大损失，其安全稳定运行关系着整个航天任务的成败。据统计，约45％在轨故障是由电气系统的相关直流或间接导致，甚至导致航天器整星在轨失效时常发生，电源系统在轨状态监视十分重要。
[0003]卫星电源系统是多部件协同工作且关联性强的复杂系统，监测特征量类型和数量众多，其中S4R电源系统常用于低轨卫星中，其结构相比传统S3R更加复杂。卫星与一般稳定、非时变的地面电力变压器、发电机等设备不同，其在绕地球运行过程中，遥测具有时变的特点，如电源遥测在绕地球运行过程中，卫星遥测在阴影区和阳照区状态并不一致，负载用电情况还受任务约束；在遥测下传过程中受环境的干扰，会造成的遥测异常跳点(即野值)，它容易引起虚警和误报现象的发生；太阳电池阵受太阳入射角、地球反照、星体遮挡、温度交变、性能衰降、季节等影响，其在轨遥测数据正常值波动明显；若仅利用某时刻的遥测信息，会导致特征信息不准确，不利于做出客观的评估。卫星故障历史数据较少，且大量卫星设计状态唯一，不能利用已知故障历史数据对其它卫星状态进行划分，这对卫星的量化评估带来了难度。当系统发生异常引起状态改变时,往往不仅仅引起一个遥测量改变,相关的遥测量均会存在不同程度的变化。传统在轨状态监视往往仅关注单一遥测量的异常识别，没有从系统层面综合多方面信息来对电源系统的状态进行评估。
[0004]因此，如何针对在轨遥测数据进行清洗，以避免任务、轨道、地球反照、星体遮挡、温度交变等环境因素对状态量化评估的影响；寻求一种能够充分综合利用多方面遥测信息实现航天电源系统健康状态量化评价显得尤为重要和困难，这也对实现电源系统无人值守的在轨健康管理具有重要现实意义。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，为了准确获取电源系统的健康状态，本专利技术公开了一种卫星S4R电源系统状态量化评价方法，综合利用多方面遥测信息实现航天电源系统健康状态量化评价，其步骤包括：
[0006]S1，遥测数据清洗
[0007]本专利对周期性遥测在光照和阴影区数据进行分开处理，对非周期性遥测则直接进行处理，以避免短时任务对电源系统的影响。其中；
[0008]S11周期性遥测数据清洗具体为：
[0009]①
利用GNC分系统太阳辐射强度遥测获取卫星进出阴影区和光照区时间，进而得到两个区间下的各遥测数据。
[0010]②
对各遥测数据进行重采样，得到采样频率固定的遥测数据；
[0011]③
去除遥测中的野值；
[0012]④
求取两个区间遥测在固定时间段D内的平均值。
[0013]S12非周期性遥测数据清洗具体为：
[0014]去除非周期性遥测中的野值，并求取遥测在固定时间段D内的平均值。
[0015]S2，评估指标量化方法
[0016]利用“健康度”来表征遥测层当前遥测数据与期望值相比的相对偏差，取值范围为[0，1]。其中，当健康度越接近1，则表明遥测健康状态越差；当健康度越接近0，则表明指标健康状态越好。
[0017]电源系统遥测指标越接近允许值，其健康状态越好，健康度越低。卫星S4R电源系统遥测受空间辐射导致的性能衰降、运行时刻和星体遮挡等影响明显，其期望值应为一个随时间变化区间函数。在“倒梯形”无量纲化健康度计算式中，通过引入与时间相关的变化因子来描述遥测指标的健康程度：
[0018][0019]式中：x为经过步骤S1清洗后的遥测数据；g(x)为评判指标的健康度；α1、β2分别为遥测指标的上、下限值阈值；α2(1
‑
kt)～α2(1+kt)为各遥测指标的平常状态；α2为遥测指标的期望值；k为年度衰减因子，t为在轨工作时间，d因轨道、季节等因素引起的遥测的变化因子。
[0020]对于不受环境影响而变化的遥测(如二次电设备电压、太阳翼方阵展开状态等)，变化因子d设为0，年度衰减因子k设为0；
[0021]对于轨道、季节等因素影响的遥测(如太阳翼充电电流、供电电流等)，考虑实际情况波动因子d设为0.04，年度衰减因子k设为0.02。
[0022]卫星电源系统存在备份系统(如太阳翼方阵可设计存在互为备份的+Y翼和
‑
Y翼)，其综合健康度为：
[0023]g(x)＝Min[g
主
(x),g
备
(x)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0024]式中，g
主
(x)和g
备
(x)分别为主份和备份系统的健康度。
[0025]若某设备仅在阴影区或光照区工作，则仅取该设备在工作区间的遥测计算健康度。
[0026]若某设备在阴影区和光照区均工作，其综合健康度为：
[0027]g(x)＝Max[g
阴影
(x),g
光照
(x)]ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0028]式中，g
光照
(x)和g
阴影
(x)分别为指标在光照和阴影期的健康度。
[0029]S3，建立状态评估指标体系
[0030]从S4R电源系统组成和遥测构成出发，将S4R电源系统状态评估指标体系分为四
层：遥测层、单机层、子系统层和系统层。其中，系统层为S4R电源系统；子系统层为S4R电源系统一次电链路和二次电链路；单机层为构成S4R电源系统的单机，如太阳翼、蓄电池、二次设备等；遥测层为S4R电源系统设计的各单机的遥测指标。
[0031]S4，确定评判指标的权重
[0032]S41，确定各级评判指标的常权重
[0033]利用层次分析法来确定卫星S4R电源系统遥测层、单机层和子系统层各指标的常权值。
[0034]S42确定各级评判指标的变权重
[0035]常权重并不会随着指标值的变化而改变，当某个指标值出现异常时往往对评估结果的影响并不是很大，但这个异常可能会导致系统出现严重劣化，而变权重使得指标权重可以随着指标值劣化而重新计算，当某个指标值相对于其他指标值而言明显偏大时，其变权重则会较之前明显增大，这使得最终的评估值也会较之前变大，更加符合实际情况。本专利技术在获得常权重和各指标健康度的基础上，利用均衡函数分别获得状态评估指标体系中遥测层、单机层、子系统层和系统层各层内部指标的变权值；
[0036][0037][0038][0039]式中：和A
Rijk
分别为第i个子系统中的第j单机的第k个遥测指标对应的常权权重和变权权重；和A
Rij
分别为第i个子系统中的第j单机对应的常权权重和变权权重；和A
Ri
分别为第i个子系统对应的常权权重和变权权重；δ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星S4R电源系统状态量化评价方法，其特征在于，包括：对不同类型的在轨遥测数据，利用不同的方法进行遥测数据清洗，以祛除任务、轨道和野值等影响；再利用无量纲的健康度公式计算各指标健康度，以祛除太阳入射角、地球反照、星体遮挡、温度交变、空间辐射引起的性能衰降等影响；根据S4R电源系统的结构和运行特点，建立起包括遥测层、单机层、子系统层和系统层共四层状态评估指标体系；利用层次分析法和变权理论得到的状态评估指标体系中每个指标的权重；利用物元理论构造评估物元，并基于状态评估指标体系，利用“层层递进”的运行状态量化评价模型计算得到卫星S4R电源系统状态量化结果。2.如权利要求1所述的遥测数据清洗方法，其特征在于针对周期性遥测和非周期性遥测利用不同的方法进行处理，以尽量避免短时任务对电源系统的影响。包括：周期性遥测数据清洗具体为：(1)对GNC分系统太阳辐射强度遥测进行等时间间隔重采样，获得采样频率固定的遥测数据，并得到卫星进出阴影区和光照区时间；(2)利用基于莱特准则和小波变换的野值滤波方法去除周期性遥测中的野值，再进行等时间间隔重采样，获得采样频率固定的周期遥测数据D1。(3)根据获得卫星进出阴影区和光照区时间，将周期遥测数据D1按照光照和阴影区进行分开处理，并求取固定时间段D的均值。非周期遥测数据清洗方法为：(1)利用基于莱特准则和小波变换的野值滤波方法去除非周期性遥测中的野值。(2)求取非周期遥测在固定时间段D内的平均值。3.如权利要求1所述的指标健康度计算式，其特征在于：卫星S4R电源系统遥测受空间辐射导致的性能衰降、运行时刻和星体遮挡等影响明显，其期望值应为一个随时间变化区间函数。在“倒梯形”无量纲化的健康度计算式中通过引入与时间相关的变化因子来描述遥测指标的健康程度：式中：x为经过权利要求2所述遥测数据清洗后的数据；g(x)为评判指标的健康度；α1、β2分别为遥测指标的上、下限值阈值；α2(1
‑
kt)～α2(1+kt)为各遥测指标的平常状态；α2为遥测指标的期望值；k为年度衰减因子，t为在轨工作时间，d为因轨道、季节等因素引起遥测变化的因子。卫星电源系统存在备份系统(如太阳翼方阵可设计存在互为备份的+Y翼和
‑
Y翼)，其综
合健康度为：g(x)＝Min[g
主
(x),g
备
(x)]式中，g
主
(x)和g
备
(x)分别为主份和备份系统的健康度。若某设备仅在阴影区或光照区工作，则仅取该设备在工作区间的遥测计算健康度。若某设备在阴影区和光照区均工作，其综合健康度为：g(x)＝Max[g
阴影
(x),g
光照
(x)]式中，g
光照
(x)和g
阴影
(x)分别为指标在光照和阴影期系统的健康度。4.如权利要求3所述的指标健康度计算式，其指标中间值α2特征在于取发射5月后中旬的遥测平均值。5.如权利要求3所述的指...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨东，潘鑫，高芜赫，赵洪博，杨喆，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：