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(1.航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，西安 710065;2.航空工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所飛行器控制一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065)

0 引言

現(xiàn)代飛機(jī)為完成從起飛、巡航、進(jìn)場到著陸全過程的全天候、長航時(shí)、高安全性的飛行使命，對導(dǎo)航系統(tǒng)提出了具備全天候自主導(dǎo)航、保持長航時(shí)精度、提供全姿態(tài)的導(dǎo)航參數(shù)輸出能力要求。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為目前所有導(dǎo)航方式中精度最高的方式，被廣泛應(yīng)用于各類飛行器導(dǎo)航、著陸和精密測量等方面。然而，衛(wèi)星導(dǎo)航本質(zhì)上屬于無線電導(dǎo)航，容易受到有意或無意的射頻干擾，導(dǎo)致設(shè)備定位的精度及可靠性受到影響，因此在實(shí)際應(yīng)用中常常采用慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航方式。在面向?qū)?dǎo)航精度要求高的任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)高可靠連續(xù)定位成為任務(wù)能否完成的關(guān)鍵因素。從目前應(yīng)用看接收機(jī)問題是占組合問題的主要因素，而目前，對衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的故障診斷主要依靠于開機(jī)自檢和基于算法的性能檢測，可概括為：以余度管理和BIT為檢測方法、以定期維護(hù)為主，采用多、勤、細(xì)來的方法預(yù)防衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)故障。實(shí)時(shí)故障檢測能力不足，不具備向組合導(dǎo)航系統(tǒng)提供導(dǎo)航性能預(yù)估的能力，且事后維修的解決問題途徑已經(jīng)不能滿足新一代飛行器的要求，因此對衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)全生命周期的故障預(yù)測與健康管理已變得至關(guān)重要。

故障預(yù)測與健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)就是預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)失效可能性以及采取適當(dāng)維護(hù)措施的能力[1-5]。目前，PHM技術(shù)已在軍用和民用領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，比如航空、航天、裝甲裝備等。通過分析工程應(yīng)用實(shí)例發(fā)現(xiàn)，PHM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自主式保障，提高維修保障效率和任務(wù)成功率，有效降低維修費(fèi)用，縮短維修時(shí)間。

PHM技術(shù)是一項(xiàng)新的維修保障技術(shù)，代表了維修理念的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的基于傳感器的診斷轉(zhuǎn)向智能系統(tǒng)的預(yù)測，極大促進(jìn)了“狀態(tài)維修”取代“事后維修”和“定期維修”的過程?；诮】倒芾砑夹g(shù)，開展衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的健康管理具有十分重要意義。

本文針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)和維護(hù)需求，基于健康管理技術(shù)，搭建衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備預(yù)測與健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備全生命周期的分析和維護(hù)。通過仿真試驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的健康管理方案能夠有效提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可用性、降低故障影響率和保證任務(wù)有效性，具有一定的工程推廣價(jià)值。

1 健康管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

健康管理系統(tǒng)的關(guān)鍵是數(shù)據(jù)的獲得和模型的建立，其核心技術(shù)是診斷推理技術(shù)。一般實(shí)現(xiàn)健康管理的方法有基于小波變換的奇異點(diǎn)檢測算法、極大似然檢驗(yàn)法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法以及大數(shù)定律等[6-8]。對于衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備目前主要停留在故障檢測層面，Calgary大學(xué)的一個(gè)小組，對衛(wèi)星導(dǎo)航異常檢測和抑制技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，常用的方法包括自主完好性檢測、信號強(qiáng)度檢測以及冗余信息檢測[9]。

PHM系統(tǒng)一般應(yīng)具備以下幾點(diǎn)要素[10-12]：

1)設(shè)備數(shù)據(jù)采集、處理、特征值提取的功能；

2)根據(jù)特征數(shù)據(jù)，借助冗余信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢測的功能；

3)根據(jù)系統(tǒng)模型和故障檢測技術(shù)，對故障進(jìn)行檢測、隔離的功能；

4)對即將發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)測，估計(jì)系統(tǒng)剩余壽命的功能；

5)根據(jù)檢測結(jié)果，制定維護(hù)方案的功能。

2 衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的PHM

衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備健康管理的出發(fā)點(diǎn)是從整體上提高衛(wèi)星導(dǎo)航完成導(dǎo)航任務(wù)的可靠性和安全性。這種技術(shù)主要是借助于各種數(shù)據(jù)處理技術(shù)來診斷系統(tǒng)自身的健康狀態(tài)，并在系統(tǒng)故障發(fā)生前對其進(jìn)行預(yù)測，使衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備自身具有故障檢測、隔離和性能檢測，健康管理，故障預(yù)測功能，即通過消除和減弱有故障部件的影響，對故障進(jìn)行預(yù)測，并對維修進(jìn)行決策，從而最大程度地提高衛(wèi)星導(dǎo)航完成導(dǎo)航任務(wù)的可靠性和安全性。

衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備健康管理的目的是預(yù)測衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的性能，給出衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的實(shí)時(shí)導(dǎo)航性能，關(guān)鍵是監(jiān)測信息的選取和性能模型的建立。

在進(jìn)行衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備健康管理時(shí)，可充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自身的先驗(yàn)信息、其他傳感器的輔助信息和自身的冗余信息，構(gòu)建健康管理數(shù)據(jù)庫，形成PHM模型和知識庫，提供系統(tǒng)維護(hù)方案，其系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備PHM系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 檢測信息設(shè)置

系統(tǒng)上電完成上電自檢測、直接合理性檢測、檢測狀態(tài)信息設(shè)置，具體檢測信息如下：

1)針對射頻信號設(shè)置信號幅度檢測；

2)針對中頻采樣設(shè)計(jì)FFT變換，檢測是否存在干擾；

3)針對測量信息，判斷載波及多普勒處理結(jié)果；

4)基于衛(wèi)星及時(shí)鐘先驗(yàn)信息的時(shí)間位置信息判斷，定位幾何精度因子值判斷，定位計(jì)數(shù)值判斷等。

建立從射頻前端、數(shù)據(jù)采樣、測量信息處理到定位解算全流程全方位的檢測信息點(diǎn)設(shè)置。

2.2 信號采集與處理

將數(shù)據(jù)處理成與要求的形式相一致；

1)采集2.1中設(shè)置的各類檢測信息；

2)將采集到的檢測信息處理為符合要求的格式。

2.3 狀態(tài)檢測

根據(jù)檢測信息(時(shí)延、多普勒、偽距)可能產(chǎn)生的影響(時(shí)間、速度、位置)，梳理不同應(yīng)用條件下的可用信息(高精度原子鐘、慣導(dǎo)、雙天線冗余信息)，采用直接合理性和濾波器檢測方法，實(shí)現(xiàn)輸出信息可用性判斷和故障檢測，并形成系統(tǒng)的物理狀態(tài)或性能，設(shè)計(jì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的狀態(tài)檢測邏輯如圖2所示。

圖2 故障狀態(tài)檢測

2.3.1 時(shí)鐘檢測

利用原子鐘的高精度守時(shí)特性，當(dāng)接收機(jī)解算后輸出的整秒時(shí)刻和原子鐘輸出的整秒時(shí)刻超出檢測門限后，認(rèn)為導(dǎo)航信息不可信。

2.3.2 速度檢測

利用慣導(dǎo)系統(tǒng)與接收機(jī)系統(tǒng)速度之差進(jìn)行判斷，考慮慣導(dǎo)系統(tǒng)的漂移誤差，當(dāng)兩者差值超出檢測門限后，認(rèn)為衛(wèi)星信息不可信。

為了減小接收機(jī)噪聲的影響，對接收機(jī)速度和慣導(dǎo)速度的差值進(jìn)行平滑濾波處理，根據(jù)平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

2.3.3 位置檢測

利用慣導(dǎo)系統(tǒng)與接收機(jī)系統(tǒng)位置之差進(jìn)行判斷，考慮慣導(dǎo)系統(tǒng)的漂移誤差，當(dāng)兩者差值超出檢測門限后，認(rèn)為衛(wèi)星信息不可信。

為了減小接收機(jī)噪聲的影響，對接收機(jī)位置和慣導(dǎo)位置的差值進(jìn)行平滑濾波處理，根據(jù)平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

2.3.4 偽距檢測

利用慣導(dǎo)位置與衛(wèi)星位置，得到計(jì)算偽距，和接收機(jī)對同一顆星的測量偽距進(jìn)行比較，考慮慣導(dǎo)漂移，如果誤差超過了允許的范圍，則導(dǎo)航信息不可信。

2.3.5 多普勒檢測

利用慣導(dǎo)速度與衛(wèi)星速度，得到計(jì)算多普勒，和接收機(jī)對同一顆星的測量多普勒進(jìn)行比較，考慮慣導(dǎo)漂移，如果誤差超過了允許的范圍，則導(dǎo)航信息不可信。

2.3.6 雙天線空間矢量冗余信息檢測

基于具有幾何約束關(guān)系的天線先驗(yàn)信息，在同一時(shí)刻將雙天線對同一顆衛(wèi)星的測量值做差，得到同一顆星測量值的單差結(jié)果。由于單差可以消除衛(wèi)星鐘差、對流層延遲和電離層延遲的影響，單差測量值是和天線空間基線相關(guān)的一個(gè)量值，如果單差值超過范圍，則認(rèn)為導(dǎo)航信息不可信。

選擇參考星，將同一時(shí)刻其他衛(wèi)星同參考星的單差做差，得到衛(wèi)星相對于參考星的雙差結(jié)果。雙差測量值是和天線空間基線相關(guān)的數(shù)值，如果雙差后結(jié)果趨向于0，則認(rèn)為導(dǎo)航信息不可信。

2.4 健康評估與壽命預(yù)測

診斷和匯報(bào)衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備的健康狀態(tài)，給出導(dǎo)航性能預(yù)估，并給出其剩余壽命。

2.4.1 健康評估

采用接收機(jī)自主完好性檢測方法，對衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備進(jìn)行故障檢測，預(yù)測衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備性能，并給出位置信息精度指示。一般的接收機(jī)自主完好性檢測方法主要有卡爾曼濾波、最大間隔法、偽距比較法、最小二乘殘差法、奇偶空間法等[13-14]。本文采用最小平方殘余法[9]。過程如下：

1)構(gòu)建檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量SSE。

SSE=[Δρ]TΔρ

其中:Δρ為偽距殘差向量。當(dāng)系統(tǒng)無故障時(shí)歸一化統(tǒng)計(jì)量SSE/σ2服從自由度為M-4的χ2分布χ2(n-4)；當(dāng)存在故障時(shí)SSE/σ2服從自由度為M-4的非中心化的分布χ2(n-4,λ)，M為衛(wèi)星顆數(shù)。

2)根據(jù)虛警率PFA計(jì)算檢測門限T。

3)根據(jù)漏警率PMD計(jì)算最小非中心分布參數(shù)λmin。

4)計(jì)算水平保護(hù)門限HPL。

其中：

A=(GTG)-1GT

S=I-G(GTG)-1GT

G=HQ-1

H為地心地固坐標(biāo)系下最小二乘解算得到的雅可比矩陣，Q為坐標(biāo)變換矩陣，λ為經(jīng)度，φ為緯度。

5)完好性檢測可用性判斷：

如果HPL

如果HPL≥HAL，完好性檢測方法不可用，不再進(jìn)行故障檢測和故障隔離。

6)故障檢測：

在檢測方法可用時(shí)進(jìn)行故障檢測，如果SSE/σ2>T2則存在故障星，執(zhí)行故障隔離，否則沒有故障星。

7)故障隔離：

在有故障時(shí)，計(jì)算每顆衛(wèi)星的殘差(SiΔρ)2/Sii，殘差最大的星即為故障星。

完好性檢測算法的前提是可見星必須大于5顆，這是制約完好性檢測的主要因素，如果由于衛(wèi)星信號遮擋等因素造成可見星少于5顆，稱存在完好性檢測漏洞，完好性檢測失效。為提高完好性檢測效率可采用慣性輔助的衛(wèi)星完好性檢測方法。

8)性能預(yù)測：

性能預(yù)測有如下兩種方法：利用標(biāo)準(zhǔn)偏差與當(dāng)前衛(wèi)星精度因子投影到3個(gè)方向，利用實(shí)際的偽距殘差與當(dāng)前衛(wèi)星精度因子投影到3個(gè)方向。本文采用第二種方法。

其中：

P=(GTG)-1

2.4.2 壽命預(yù)測

壽命預(yù)測需要對系統(tǒng)的健康水平進(jìn)行建模，并建立相應(yīng)的專家系統(tǒng)來預(yù)測系統(tǒng)和部件的剩余壽命。為此建立衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的健康水平同系統(tǒng)的工作時(shí)間(還有溫度、電磁環(huán)境、加速度、飛行高度等)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健康退化過程

壽命預(yù)測的內(nèi)容包括：

1)評價(jià)當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)處于何種健康狀態(tài)，正常狀態(tài)、性能下降狀態(tài)或者功能失效狀態(tài)；

2)當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)處于性能下降狀態(tài)時(shí)，判斷是何種原因引起的健康水平下降，并評價(jià)當(dāng)前健康狀態(tài)，偏離其正常程度的大?。?/p>

3)預(yù)測衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的未來健康水平，包括兩個(gè)任務(wù)：

a)研究未來的一段時(shí)間衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)是否正常地完成其功能要求；

b)分析衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的剩余壽命的大小。

對于衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的壽命預(yù)測模型，通過收集影響系統(tǒng)的因素?cái)?shù)據(jù)，可以采用隨機(jī)時(shí)間序列預(yù)測法、平滑預(yù)測法、回歸預(yù)測法、模糊預(yù)測法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法和灰色理論預(yù)測法等方法實(shí)現(xiàn)。

2.5 PHM模型和知識庫

根據(jù)影響衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備工作的因素建立衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)健康管理模型；

根據(jù)模型預(yù)測與實(shí)測數(shù)據(jù)形成知識庫，并完成對模型的校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)分析。

2.6 維護(hù)方案與人機(jī)交互

維護(hù)方案，根據(jù)評估和預(yù)測結(jié)果決定采用標(biāo)定維護(hù)、更換關(guān)鍵模塊或者更換系統(tǒng)的方案。

人機(jī)交互，衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備與操作人員的人機(jī)接口。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

某次綜合試驗(yàn)，載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)包括大機(jī)動(dòng)、振動(dòng)、以及靜止?fàn)顟B(tài)下的多徑影響，通過本文所述的綜合健康管理方法，準(zhǔn)確檢測出多徑信號影響，剔除單顆衛(wèi)星多徑信號，給出了正確的導(dǎo)航定位結(jié)果，預(yù)測出天線性能惡化，并在載體上予以更換。

3.1 多徑信號試驗(yàn)

設(shè)置多徑信號，在300～900秒1號星加300米誤差，在400～500秒之間3號星加300米誤差，在500～700秒之間6號星加500米誤差，如圖4所示。

圖4 多徑信號及其故障檢測

通過第2.4.1節(jié)給出的故障檢測方案，檢測出單顆星偽距300 m的跳變誤差，并剔除該顆故障星，HPL及誤差預(yù)測符合設(shè)計(jì)要求。在2顆或3顆星的偽距由于多徑跳變的情況下，完好性檢測無法檢測和剔除故障星，但通過2.3節(jié)給出的狀態(tài)檢測，判定接收機(jī)定位無效，并且輸出的HPL和誤差預(yù)測均為最大值，如圖4所示。

3.2 天線性能檢測

檢測原理：通過判斷中頻幅度大小實(shí)現(xiàn)對天線、電纜和射頻通道的性能檢測，在中頻幅度采樣小于正常值的2/3時(shí)報(bào)故障。

根據(jù)設(shè)計(jì)中頻噪聲值90 000對應(yīng)信號強(qiáng)度-6 dBm，報(bào)故門限2/3對應(yīng)中頻噪聲幅度值60 000，對應(yīng)的信號強(qiáng)度為-9 dBm。熱噪聲功率譜密度為-174 dBm/Hz，則20 MHz帶寬內(nèi)的總能量為-101 dBm。接收機(jī)與天線的總增益需要滿足(101-9=92)dB要求，不會(huì)報(bào)故。

接收機(jī)設(shè)計(jì)的增益為68 dB，因此天線到接收機(jī)射頻前端的增益要求最低為24 dB。在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)中頻幅度值低于檢測門限60 000，并且報(bào)天線開路狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 中頻幅度天線開路檢測

事后分析，天線增益在高低溫環(huán)境下小于24 dB，高低溫下天線增益低于設(shè)計(jì)指標(biāo)。準(zhǔn)確定位天線故障，在更換天線器件后，接收機(jī)工作正常。

通過上述實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的衛(wèi)星導(dǎo)航接收設(shè)備健康管理方案的正確性。

4 結(jié)束語

以上介紹了針對衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的健康管理方案，該方法充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的工作特性，從衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)健康管理的體系結(jié)構(gòu)、方法和手段以及衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的壽命預(yù)估模型等方面研究了衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)的健康管理，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了方案的正確性。其中相關(guān)方法已應(yīng)用在實(shí)際工程中，系統(tǒng)總體方案具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。