上面级开放式电气智能健康监测与管理系统技术方案

本发明专利技术设计一种上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，以上面级电气系统故障诊断及预测评估等健康管理需求为目标。在对上面级电气系统工作原理进行分析的基础上，通过电气系统故障机理分析，梳理典型故障模式与故障表征。针对上面级电气系统的故障诊断与预测评估需求，开展电气系统快速故障诊断、故障预测等算法研究与验证，为上面级电气系统健康监测提供功能实现提供技术支持。供功能实现提供技术支持。供功能实现提供技术支持。

【技术实现步骤摘要】
上面级开放式电气智能健康监测与管理系统


[0001]本专利技术涉及上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，属于智能故障诊断健康管理技术研究领域。

技术介绍

[0002]上面级一般是在基础级运载火箭上增加的相对独立的一级(或多级)，具有较强的任务适应性，能够完成轨道机动、有效载荷分离等任务。上面级一般具有多次起动、长时间工作、自主飞行等特点，具备多星发射和轨道部署能力，是提高火箭性能和任务适应能力的有效途径之一。
[0003]由于任务的特殊性，上面级需要部署高比冲推进技术、高精度自主导航和组合导航控制技术及其他先进技术，这就使得上面级电气系统复杂程度和智能化程度大幅提高，由早期简单的指令发送发展到多处理器、自动故障诊断并重构的多功能复杂智能系统，为运载火箭发射的敏捷控制、设备测试和数据分析自动化提供硬件基础。新型运载火箭的上面级电气系统采用一体化设计，这使得电气系统方案具有良好的通用性、独立性和适应性。
[0004]上面级电气系统主要由控制系统、GNC系统、测量通信系统、器上电源及供配电系统和地面测试系统。各个系统的功能要求如下：
[0005]1)控制系统实现上面级的自主控制和管理，对电气系统健康状态进行监控、冗余、容错和重构管理，实施上面级时钟管理功能；
[0006]2)GNC系统完成上面级姿态稳定与控制、导航和轨道部署任务；
[0007]3)测量通信系统实现遥测、遥控和跟踪测量功能；
[0008]4)器上电源及供配电系统实现对上面级设备进行供电和配电能源管理功能；r/>[0009]5)地面测试系统实现对上面级的飞行控制和实时全程监控。
[0010]新一代运载火箭上面级电气系统主要采用1553B总线架构，箭上设备大多为具有独立处理功能的智能设备，其电气系统的总体框架如图1所示。
[0011]由于太空环境复杂恶劣且多变，上面级电气系统很可能会发生器件损毁、通讯中断等情况。上面级电气系统测试过程中根据出现故障的影响程度，可分为安全性故障和非安全性故障，具体故障模式可见表2。安全性故障属于比较严重的故障，一方面会造成相关人员的人身安全伤害，演变成技术安全事故；另一方面会对测试设备乃至箭上产品造成不可挽回的损坏，丧失其基本功能。
[0012]表1上面级电气系统常见故障模式
[0013][0014]由于上面级电气系统复杂，在系统测试中故障出现的部位和类型难以预料，故障诊断也没有固定模式。因此测试前要做好制定相应问题的应急处理预案，由于安全性故障与非安全性故障造成的危害程度不同，因此在两类故障的处理上也不尽相同。
[0015]安全性故障常用的处理步骤为：1)断电，切断危险源，防止危险扩大。2)全面记录现场情况：包括故障发生的时间、地点、时机、环境条件，故障产品的名称、型(代)号、图号、编号、批次等全面信息；汇总、核实情况、作好记录，必要时对故障现象进行拍照和摄像。3)分析、处理问题。及时发现、处理问题，减小设备损失。平台、箭机、伺服系统等箭上设备和地面各单机在发生故障时会有不同的表现形式：电压、电流、频率、反馈指示、状态指示等，应及时发现问题并上报。当遇到伺服系统乱摆、喷油等严重故障时，为确保箭上设备及人员安全，可直接断电。由于此类问题发生突然、影响严重，须立即切断箭上及地面设备电源。应尽量使用多媒体设备对系统测试全程进行记录，为分析处理问题提供可靠依据。
[0016]非安全性故障常用的处理步骤为：1)保护现场，冻结状态；全面记录故障现象；召集有关人员，初步分析，统一描述。2)根据情况，进行故障复现。3)根据故障现象、复现结果、分析结果，形成处理方案后实施排故。非安全性问题占系统测试故障的大多数，此类问题有充足时间供分析排查。尽量保持箭上及地面设备状态，保护好测试现场，不要轻易改变接口和电连接器，勿使故障现象消失，便于查找和分析故障原因。
[0017]随着空间技术的发展和空间任务的需求，未来上面级电气系统将向承担多种空间任务的方向发展，这就对上面级电气系统的可靠性提出了更高的要求，同时，电气系统在故障条件下能够完成相关工作的能力也愈发重要。

技术实现思路

[0018]本专利技术技术解决问题是：克服现有技术的不足，针对上面级的长时间在轨多任务要求的工作条件，提供了上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，具备对上面级电气系统进行故障诊断、定位与告警能力。
[0019]本专利技术的技术方案是：一种上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，该系统包括健康状态数据采集子系统、上面级健康管理子系统和地面健康管理子系统；
[0020]健康状态数据采集子系统，对电气系统中各设备健康状态数据进行数据转换、时间同步之后发送至上面级健康管理子系统，所述设备健康状态数据包括传感器采集的设备运行状态数据和电气系统控制解算数据，设备运行状态数据包括温度、压力、位移、应变、电压电流、磁场强度；
[0021]上面级健康管理子系统，将电气系统中各设备健康状态数据存储至上面级数据库；对电气系统中的单机设备进行BIT测试；根据电气系统中各设备的健康状态数据和BIT测试结果，采用推理机分别对每个单机设备进行故障诊断与隔离，同时将各单机设备的BIT测试结果和获取的电气系统中各设备健康状态数据发送给地面健康管理子系统；
[0022]地面健康管理子系统，将电气系统中各设备的健康状态数据和BIT测试结果存储；根据电气系统中各设备的健康状态数据和BIT测试结果，采用智能诊断算法，对飞行过程的电气系统的健康状态进行综合分析和二次诊断，实现故障精确检测和定位，给出电气系统整体健康状态信息。
[0023]本专利技术与现有技术相比的有益效果是：
[0024](1)、本专利技术采用开放式、层次化设计方法，设计一种上面级智能化电气系统的开放式健康监测与管理总体架构，形成底层传感器及BIT测试、区域级推理诊断、平台级推理诊断的分层分布式推理机制，解决了系统与智能化先进电气技术验证原理样机及其他设备兼容运行时的功能扩展问题。
[0025](2)、本专利技术采用多种算法融合的健康管理分析，相比传统的健康检测方法，本专利技术将基于信号处理、隐马尔科夫模型、多信号模型和可靠性分析等故障诊断评估算法进行融合分析，对电气系统设备故障进行检测、分析、定位，将电气系统故障检测率提升到95％以上。
[0026](3)、针对上面级电气系统的故障诊断与预测评估需求，开展电气系统快速故障诊断等算法研究与验证，为上面级电气系统健康监测提供功能实现提供技术支持。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例上面级电气系统总体架构；
[0028]图2为本专利技术实施例上面级健康监测与管理系统架构设计图；
[0029]图3为本专利技术实施例小波变换框图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。
[0031]1、上面级健康监测与管理系统架构
[0032]上面级健康监测与管理系统按照空间分布情况，可分为三个层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，其特征在于包括健康状态数据采集子系统、上面级健康管理子系统和地面健康管理子系统；健康状态数据采集子系统，对电气系统中各设备健康状态数据进行数据转换、时间同步之后发送至上面级健康管理子系统，所述设备健康状态数据包括传感器采集的设备运行状态数据和电气系统控制解算数据，设备运行状态数据包括温度、压力、位移、应变、电压电流、磁场强度；上面级健康管理子系统，将电气系统中各设备健康状态数据存储至上面级数据库；对电气系统中的单机设备进行BIT测试；根据电气系统中各设备的健康状态数据和BIT测试结果，采用推理机分别对每个单机设备进行故障诊断与隔离，同时将各单机设备的BIT测试结果和获取的电气系统中各设备健康状态数据发送给地面健康管理子系统；地面健康管理子系统，将电气系统中各设备的健康状态数据和BIT测试结果存储；根据电气系统中各设备的健康状态数据和BIT测试结果，采用智能诊断算法，对飞行过程的电气系统的健康状态进行综合分析和二次诊断，实现故障精确检测和定位，给出电气系统整体健康状态信息。2.根据权利要求1所述的一种上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，其特征在于上面级电气系统包括控制设备、导航制导设备、测量通信设备、供配电设备；对于控制设备和导航制导设备，地面健康管理子系统采用基于隐马尔科夫模型的故障诊断算法进行故障诊断；对于测量通信设备，地面健康管理子系统采用基于信号处理的故障诊断算法进行故障诊断；对于供配电设备，采用基于高斯混合模型的故障诊断算法进行故障诊断。3.根据权利要求2所述的一种上面级开放式电气智能健康监测与管理系统，其特征在于基于隐马尔科夫模型的故障诊断算法步骤如下：S1.1、对控制设备和导航制导设备获取的健康状态数据进行数据标准化处理，即将所有的数据处理为统一的数据格式；S1.2、将经过标准化处理之后的健康状态数据采用指数移动平均平滑法进行平滑处理；S1.3、对平滑处理之后的健康状态数据，选用PCA主成分分析法进行特征提取，得到PCA降维后的特征参数集；S1.4、将PCA降维后的特征参数集，进行阈值判断的方法，对控制设备和导航制导设备进行初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：张恒浩，申麟，王书廷，高朝辉，张展智，徐振亮，刘丙利，唐琼，张霞，王小锭，刘岱，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：