基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法及评估系统技术方案

一种基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法，其步骤包括：根据卫星系统的物理结构确定系统层次结构，根据卫星系统各部件及系统各层次结构之间的功能关系确定系统部件与功能的映射关系；然后确定特征量参数，确定健康状态下特征量参数的均值和标准差；根据观测的特征量数据，采用特征参数加权融合方法计算部件健康状态指标值；确定下一层次各元素对上一层次的实际贡献度，并基于各元素的实际贡献度获得相对权重，再逐层确定卫星系统各层次的健康状态值；最后根据设定的健康阈值和危险阈值，评估卫星系统的健康状态。本发明专利技术能够较好地刻画系统的高冗余、可重构、非线性等特点，克服了传统方法不能反映复杂系统非线性以及涌现性等缺陷。

【技术实现步骤摘要】
基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法及评估系统
本专利技术属于在轨卫星健康管理和故障诊断领域，尤其涉及一种基于实测数据的在轨卫星健康状态评估方法及评估系统。
技术介绍
目前卫星在轨健康状态评估主要采用加权方法，即对系统元素的健康状态加权获得系统健康状态，其主要问题是难以体现卫星系统的复杂冗余关系、可重构特性和非线性关系。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对目前卫星在轨健康状态评估方法的不足，提出一种基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法及评估系统，该评估方法及评估系统是基于卫星系统结构和在轨实测数据可进行从部件到系统的多级健康状态评估。为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为一种基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法，其步骤包括：(1)构建系统的部件功能映射图：根据卫星系统的物理结构确定系统层次结构，根据卫星系统各部件及系统各层次结构之间的功能关系，确定系统部件与功能的映射关系，可得到树形结构的部件功能映射图；在部件功能映射图构造过程中，优选的，不考虑被隔离的异常部件，即认为被隔离部件不参与系统功能的执行。(2)评估部件健康状态，评估对象为系统时需要确定出系统中所有各部件的健康状态才能逐层开展后期系统的评估工作；如果不是评估系统整体健康状态，而是评估系统中某几个分系统的健康状态时，只需确定出该分系统下的各部件健康状态即可，同时也要确定该分系统组成部件之间的逻辑关系；具体包括：(2.1)确定能够表征所监测的卫星各部件健康状态的特征量参数，确定完全健康状态下这些特征量参数的均值和标准差；(2.2)根据观测的部件的特征量数据，采用特征参数加权融合方法计算部件健康状态指标值；需要进一步指出，树形结构的部件功能映射图中，最底层是部件，不同的部件通过实际的映射关系与低层次系统功能关联，低层次功能通过映射关系与高层次功能关联；因此，部件功能映射图中的系统元素包括部件和功能两种，评估部件的健康状态是第一步，利用部件健康状态指标值，通过指标综合的方式逐层度量上一级乃至系统级完成对应功能的能力，这种能力也被认为是系统(包括实际应用中的分系统)的健康状态的度量；因此，后续的步骤即是评估系统健康状态；(3)评估系统健康状态，包括：(3.1)确定下一层次各元素对上一层次的实际贡献度，并基于各元素的实际贡献度获得相对权重；(3.2)根据卫星系统各元素之间的逻辑关系以及所述的部件健康状态指标值和相对权重，逐层确定卫星系统完成各个功能的能力，即对应于卫星系统各层次的健康状态；此处的功能是指上述构建的部件功能映射图中的功能，度量完成功能的能力指标即是健康状态指标，指标取值越大，完成该功能的能力越强，对应该元素的健康状态越高；指标取值越小，完成该功能的能力越小，对应该元素的健康状态越低；最终获得的系统功能的能力度量指标值(同时也是系统健康状态指标值)是系统健康状态的量化，一般而言，指标值越高，系统健康状态程度越高；(3.3)设定健康状态指标值的健康阈值和危险阈值，若健康状态指标值不低于健康阈值，则认定卫星系统处于健康状态；若健康状态指标值低于健康阈值但不低于危险阈值，则认定卫星系统处于亚健康状态；若健康状态指标值低于危险阈值，则认定卫星系统处于不健康状态。本专利技术所述健康状态指标值取值为[0,1]区间内的数值；当指标值为0时，健康程度最低，当指标值为1时，健康程度最高。实际应用中可根据特定情形自行设定系统健康状态指标值的健康阈值和危险阈值，当指标值超过健康阈值，可以认为系统状态是健康的；当指标值低于健康阈值但不低于危险阈值，可以认为系统处于亚健康状态，即健康程度不够理想，但是仍然具有完成规定功能所需要的能力；当指标值低于危险阈值，可以认为系统处于不健康状态，意味着系统完成其规定功能是危险的，即难以保证其能够完成规定功能。优选的，所述健康阈值设定为0.8，所述危险阈值设定为0.6。上述本专利技术的技术方案主要是基于以下思路：利用部件功能映射图描述系统动态冗余和可重构特征，利用元素健康状态指标值(亦称健康度)对权重进行修正以体现非线性特性，进而提出一种基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法。上述的卫星在轨健康状态评估方法，优选的，所述步骤(1)的具体操作步骤包括：(1.1)根据评估对象的系统层次结构和功能关系，按照自上而下的顺序对卫星系统的功能进行分解，直至无法继续分解或根据评估要求不需要继续分解为止；(1.2)为完成每一系统层次的系统功能，要求其下一层次的系统部件或低层次系统功能全部或部分得以实现，并据此确定直接参与实现该系统功能的系统部件或低层次系统功能，进而确定所有映射到该系统功能的相关系统部件或低层次系统功能的逻辑关系，得到部件功能映射图。上述的卫星在轨健康状态评估方法，更优选的，设所述部件功能映射图的某非叶节点为s，s对应于卫星系统更高层次的特定系统功能；其子节点为e1,e2,…,em，元素e1,e2,…,em是完成特定系统功能s的相关系统部件或低层次系统功能，则所述逻辑关系是指为完成特定系统功能s对e1,e2,…,em提出的逻辑要求；所述逻辑关系包括采用两种工作逻辑，即逻辑“与”关系和逻辑“或”关系；所述逻辑“与”关系是指完成特定系统功能s需要e1,e2,…,em全部完成其功能；所述逻辑“或”关系是指完成特定系统功能s只要e1,e2,…,em中某个元素完成其功能。上述的卫星在轨健康状态评估方法，进一步优选的，在所述部件功能映射图中，所述逐层确定卫星系统完成各个功能的能力是指由下往上逐层确定卫星系统各功能层的健康状态指标值，具体如下：若完成特定系统功能s对e1,e2,…,em提出的要求为逻辑“与”关系，设构成特定系统功能s的m个元素的健康状态指标值分别为H1,…,Hm，则s的健康状态指标值为：若完成特定系统功能s对e1,e2,…,em提出的要求为逻辑“或”关系，设构成特定系统功能s的m个元素的健康状态指标值为H1,…,Hm，且H1,…,Hm对应的实际贡献度为W1,…,Wm，则s的健康状态指标值为：上述的卫星在轨健康状态评估方法，优选的，所述步骤(2)中，特征参数加权融合方法的具体操作包括：(2.1)设有p个特征量，完全健康状态下第i个特征量的均值和标准差分别为μi和σi，采用层次分析法确定各特征参数的权重，记权重向量为w＝(w1w2…wp)(2.2)获取当前时刻观测的部件健康状态的特征量数据，记为列向量Xobs；记Xobs＝(x1,…xp)T,T为转置符号，xi是Xobs的第i个分量；采用z-score标准化公式对进行其处理，第i个特征量的标准化结果zi为标准化后的特征量为列向量Zobs；(2.3)根据Logistic变换利用部件的特征量数据计算部件健康状态指标值H，即上述的卫星在轨健康状态评估方法，优选的，所述实际贡献度是根据各元素的健康水平对其原始贡献度进行修正后获得的；所述原始贡献度的确定方法包括：根据下一层次各元素对上一层次元素作用的大小，利用层次分析法，确定下一层次各元素对上一层次的原始贡献度。上述的卫星在轨健康状态评估方法，更优选的，基于参评元素健康状态指标值对原始贡献度进行修正，得到修正后的所述实际贡献度具体为：上式中，Wi为实际贡献度；w1,...,wm为原始贡献度；Hi为参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法，其步骤包括：(1)构建系统的部件功能映射图：根据卫星系统的物理结构确定系统层次结构，根据卫星系统各部件及系统各层次结构之间的功能关系，确定系统部件与功能的映射关系；(2)评估部件健康状态，包括：(2.1)确定能够表征所监测的卫星各部件健康状态的特征量参数，确定完全健康状态下这些特征量参数的均值和标准差；(2.2)根据观测的部件的特征量数据，采用特征参数加权融合方法计算部件健康状态指标值；(3)评估系统健康状态，包括：(3.1)确定下一层次各元素对上一层次的实际贡献度，并基于各元素的实际贡献度获得相对权重；(3.2)根据卫星系统各元素之间的逻辑关系以及所述的部件健康状态指标值和相对权重，逐层确定卫星系统完成各个功能的能力，即对应于卫星系统各层次的健康状态值；(3.3)设定健康状态指标值的健康阈值和危险阈值，若健康状态指标值不低于健康阈值，则认定卫星系统处于健康状态；若健康状态指标值低于健康阈值但不低于危险阈值，则认定卫星系统处于亚健康状态；若健康状态指标值低于危险阈值，则认定卫星系统处于不健康状态。

【技术特征摘要】
1.一种基于部件功能映射图的卫星在轨健康状态评估方法，其步骤包括：(1)构建系统的部件功能映射图：根据卫星系统的物理结构确定系统层次结构，根据卫星系统各部件及系统各层次结构之间的功能关系，确定系统部件与功能的映射关系；(2)评估部件健康状态，包括：(2.1)确定能够表征所监测的卫星各部件健康状态的特征量参数，确定完全健康状态下这些特征量参数的均值和标准差；(2.2)根据观测的部件的特征量数据，采用特征参数加权融合方法计算部件健康状态指标值；(3)评估系统健康状态，包括：(3.1)确定下一层次各元素对上一层次的实际贡献度，并基于各元素的实际贡献度获得相对权重；(3.2)根据卫星系统各元素之间的逻辑关系以及所述的部件健康状态指标值和相对权重，逐层确定卫星系统完成各个功能的能力，即对应于卫星系统各层次的健康状态值；(3.3)设定健康状态指标值的健康阈值和危险阈值，若健康状态指标值不低于健康阈值，则认定卫星系统处于健康状态；若健康状态指标值低于健康阈值但不低于危险阈值，则认定卫星系统处于亚健康状态；若健康状态指标值低于危险阈值，则认定卫星系统处于不健康状态。2.根据权利要求1所述的卫星在轨健康状态评估方法，其特征在于，所述步骤(1)的具体操作步骤包括：(1.1)根据评估对象的系统层次结构和功能关系，按照自上而下的顺序对卫星系统的功能进行分解，直至无法继续分解或根据评估要求不需要继续分解为止；(1.2)为完成每一系统层次的系统功能，要求其下一层次的系统部件或低层次系统功能全部或部分得以实现，并据此确定直接参与实现该系统功能的系统部件或低层次系统功能，进而确定所有映射到该系统功能的相关系统部件或低层次系统功能的逻辑关系，得到部件功能映射图。3.根据权利要求2所述的卫星在轨健康状态评估方法，其特征在于，设所述部件功能映射图的某非叶节点为s，s对应于卫星系统的特定系统功能；其子节点为e1,e2,…,em，元素e1,e2,…,em是完成特定系统功能s的相关系统部件或低层次系统功能，则所述逻辑关系是指为完成特定系统功能s对e1,e2,…,em提出的逻辑要求；所述逻辑关系包括采用两种工作逻辑，即逻辑“与”关系和逻辑“或”关系；所述逻辑“与”关系是指完成特定系统功能s需要e1,e2,…,em全部完成其功能；所述逻辑“或”关系是指完成特定系统功能s只要e1,e2,…,em中某个元素完成其功能。4.根据权利要求3所述的卫星在轨健康状态评估方法，其特征在于，在所述部件功能映射图中，所述逐层确定卫星系统完成各个功能的能力是指由下往上逐层确定卫星系统各功能层的健康状态指标值，具体如下：若完成特定系统功能s对e1,e2,…,em提出的要求为逻辑“与”关系，设构成特定系统功能s的m个元素的健康状态指标值分别为H1,…,Hm，则s的健康状态指标值为：若完成特定系统功能s对e1,...

【专利技术属性】
技术研发人员：金光，陆峥，刘强，张永强，罗鹏程，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43