卫星导航定位系统与系统健康管理技术＊

赵 娜，刘春霞，孙 妍，李晓飞

（北京卫星导航中心，北京100094）

0 引 言

卫星导航定位系统主要通过卫星来测定用户的位置，它可以解决任何时间任何地点的“何时？何地？何速度？”问题。最早建立的卫星导航系统为GPS系统。为了对抗美国，俄罗斯军方建立了GLONASS。伽利略系统是欧洲对未来全球卫星导航系统的贡献，中国正在建设第一代区域导航系统。卫星导航系统所包含的软硬件设备类型复杂、数量繁多、规模庞大，同时集成度和复杂度较高，随着卫星导航系统服务的不断扩展和深化，系统稳定运行面临着越来越大的困难和压力。系统健康管理技术，即故障预测与健康管理（PHM）技术，可以利用尽可能少的传感器来采集系统的各种数据信息，借助各种智能推理算法来评估系统自身的健康状态，在系统故障发生前对其故障进行预测，并结合各种可利用的资源信息提供一系列的维修保障措施以实现系统的视情维修。通过论述卫星导航定位系统组成和运行现状，鉴于PHM技术的优势和应用，提出将PHM技术应用于卫星导航定位系统的运行维护过程中，以提高系统的维护效率、降低系统管理费用，增强系统服务的可靠性和稳定性。

1 卫星导航定位系统组成

卫星导航系统由空间段、控制段和用户段组成。

1）空间段

为了提供连续的导航定位服务能力，每个导航定位系统的星座均包含足够数量的卫星，以确保在每个站点可同时观测至少四颗卫星（GPS／GLONASS／伽利略／北斗卫星导航系统信息比较如表1所示）。同时，每颗卫星都配有一个平台，该平台装载原子钟、无线电收发设备、微处理设备和各种操控系统的辅助设备。

表1 GPS／GLONASS／伽利略／中国卫星导航系统信息比较列表

2）控制段

控制段由控制中心、监测站和地面天线组成。

控制中心主要负责收集各个监测站的跟踪数据，实时计算卫星轨道和时钟参数等注入信息，并规划调度地面天线向卫星进行注入，控制中心还负责卫星监控和系统管理。通常，控制中心由数据收发系统、数据处理系统、时间频率系统和系统管理控制系统组成。

监测站主要负责对所有卫星导航信号进行连续监测，为系统轨道测定、电离层计算等数据处理提供观测数据。主要由卫星监测终端、原子钟、数据处理设备及数据通信设备组成。

地面天线主要根据控制中心的规划调度向卫星发送控制指令和注入信息，同时接收卫星的遥测数据和测量数据。主要由发射链路、接收链路和回路验证设备组成。

3）用户段

用户段主要由用户终端组成，主要负责将卫星导航定位系统提供的导航信号和信息转化为用户关心的服务。

2 卫星导航定位系统运行现状

卫星导航定位系统的发展经历了从GPS独霸天下到四大系统并存、相互促进发展的GNSS时代，它不仅在最近几次战争中的精确打击和联合作战方面发挥着越来越重要的作用，其拓展应用更是渗透到国民经济、科学、社会和人民生活的方方面面，形成了大量的新兴产业[1]。今后，卫星导航定位系统的发展趋势主要包括：

1）系统现代化改造

在对星座进行不断的补网、组网的同时，不断提高导航信号设计及调制技术的综合性能，强化抗干扰、反欺骗等安全措施，增强导航作战能力。

2）系统间兼容互操作

随着卫星导航定位系统的不断增多，不论应用潜力有多大，不同系统间总存在某些“地方隔阂”，制约着GNSS应用的长期拓展。因此，解决不同系统间的兼容互操作问题，是未来必须面对和解决的一大挑战。

3）用户接收机的高度集成化

为了解决“城市峡谷”的信号阻挡和其他极端环境下的信号接收问题，作为GNSS信号和编码数量的日益增多的一个必然结果，更小、更轻、更多功能的高度集成化用户接收机是未来发展的一大主题。

4）应用领域的不断扩展

在憧憬美好前景的同时，我们必须清楚的认识到，卫星导航定位系统的建设和发展时间跨度长、经费投入大，自首颗卫星发射到系统正式运行都至少经历了十几年左右的历程（如表1所示）。随着系统运行时间的逐步增长，卫星及地面系统各类软硬件设备将逐步接近使用寿命，设备的长期损耗和老化，是威胁系统正常运行的重要因素之一。为了确保系统的连续稳定运行，对系统所有软硬件设备进行及时维护，不但可以大大降低维护成本，同时可以为系统的长期战略发展提供保障条件。

3 PHM技术的应用和发展

PHM的关键技术主要包括先进的传感器技术、嵌入式测试诊断技术、数据传输技术、数据挖掘与信息融合技术、健康评估与故障预测技术和智能推理与决策支持技术[2]。它对装备维修保障具有重要意义，主要包括：

1）基于PHM的视情维修方式可以很好地解决盲目修理或失修问题。

2）PHM系统可依靠其强大的状态监控和故障预测能力，事先做出维修决策，减少维修次数，缩短维修时间，提高装备的维修保障效率和战备完好率。同时，可降低维修保障费用，提高经济效益。

3）通过对装备状态的健康评估，实时掌握其运行状况，及时处理存在的问题，可极大地降低执行任务过程中故障引起的风险，提高遂行任务的能力。

4）在健康评估和故障预测的基础上，通过PHM系统中的决策支持系统可协同各个相关部门，优化资源配置，简化工作流程，解决传统维修保障模式“小而散”和保障效率低下的问题。

目前在国外尤其是美国，各种PHM系统已经逐步得到应用。在早期，PHM技术首先在陆军装备的直升机上得到了应用，形成了健康与使用监测系统（HUMS）。在航天领域，则早于20世纪70年代就提出了航天器综合健康管理（IVHM）的概念。在国防部门和各军种，随着故障监测和维修技术的迅速发展，先后开发应用的有飞机状态监测系统（ACMS）、发动机监测系统（EMS）、综合诊断预测系统（IDPS）以及海军的综合状态评估系统（ICAS）等。在国内，北京航空航天大学可靠性工程研究所较早地开展了PHM系统方法和技术应用方面的相关研究。

4 卫星导航定位系统的健康管理框架

卫星导航定位系统的空间段（即卫星系统）和控制段（运行控制系统）是生成和发播导航服务的基础设施，只有在卫星系统和运行控制系统正常运行的条件下，用户才能享用到系统提供的各类导航服务。因此，主要对卫星系统和运行控制系统的健康管理框架的建立进行讨论。

4.1 设备健康状态分类

卫星系统和运行控制系统所包含的分系统和设备数量巨大，工作频段跨度大，工作原理和功能各不相同，但从健康管理的角度可统一分为：正常、错误、异常、故障和损坏5种情况[3]。

1）正常

设备按预定方式运行，按规定性能指标完成全部预定功能。

2）错误

错误是设备或程序在运行中偶发的、非常驻的、非预定状态，错误可由于瞬时环境因素超限（如外部强干扰）引起，或由级联故障引起。这是一种短时间的非稳恒的状态，在消除引发错误的环境因素或级联故障后，设备能自动恢复预定运行状态，或通过复位、重启等方式实现自修复。

3）异常

异常是产品偏离预定运行方式或规定功能范围的状态，表现为功能降级。异常多由于设备内部某些电路器件在某些临界外部条件（如温度）的作用下偏离预定工作状态所致，是敏感于相应条件并在该条件下会重复出现的状态。

在引发异常的外部因素消除后，设备多能自动恢复预定运行状态。为保证设备在规范要求的范围内可靠地工作，应及时对出现异常的设备进行调整或采取维修措施。

4）故障

故障是产品不能执行规定功能的状态，表现为功能丧失。故障虽然可能以环境因素为诱因，但其内在原因主要是设备存在设计缺陷，或运行中电子器件因不能承受外部应力而发生内部硬件损伤或固件失忆。可采取故障禁锢、余度、容错等设计措施使系统或设备在出现故障时保持工作能力。为保证设备今后可靠地工作，必须对出现故障的设备进行检测和维修，排除故障。

5）损坏

损坏是产品中故障部件不可恢复的、不能执行规定功能的状态。损坏的产品可能通过更换故障部件等维修措施加以修复，也可能无法修复而报废。

根据以上定义，认为状态1）和2）属于健康，3）属于亚健康，4）和5）属于疾病。

4.2 系统健康管理框架组成

基于PHM的管理概念，卫星导航定位系统的健康管理框架主要由系统健康监测模块、系统健康评估和管理两大模块组成，具体结构如图1所示。

图1 卫星导航定位系统健康管理系统框架

4.2.1 系统健康监测系统

卫星系统和运行控制系统的健康监测主要包括历史信息数据库、设备状态实时监测系统和环境监测系统三大模块。

1）历史信息数据库

历史信息主要包括设备基本信息、设备维护记录以及运行过程中出现的健康问题等。

设备基本信息主要来自设计和生产过程的表征设备正常／故障状态的技术数据，主要用于界定设备的健康状态。

设备维护记录为设备正式上线运行后，历次维护过程中记录的相应状态信息，可以用来评估设备的健康状态、预测可能出现的故障问题，为设备后期维修计划的提供决策依据。

对于运行过程中出现的健康问题，详细记录其故障现象、排查流程、机理分析和解决措施，及时进行分类收集、共性分析和归纳整理，建立故障快速诊断系统，不但可以大大缩短故障排除和状态恢复的时间，同时可以针对系统可能出现的故障给出预警信息，以便系统对相应的设备进行视情维修。

根据系统组成和设备类型，卫星系统和运行控制系统分别建立相应的历史信息数据库后，需要不断根据系统的实际运行状况进行实时更新和维护，使其更加准确、全面的表征系统的真实状态。

2）设备状态实时监测系统

设备状态实时监测系统主要负责对卫星系统和运行控制系统关键设备的主要参数进行实时监测，各关键设备的主要参数分别由其内部传感器负责采集和输出，经过数据汇总处理，给出相应的告警信息。重点监测参数主要根据各系统（设备）的功能和健康特性进行选定。卫星系统和运行控制系统需要重点监测的系统（设备）及其关键参数如表2所示。

表2 重点系统（设备）及其关键参数实例列表

3）环境监测系统

环境监测系统主要完成空间电磁环境监测、地面干扰监测和气象数据监测。空间电磁环境监测主要由空间环境监测专用设备完成，可以借用专项研究中心的结果，提取出对卫星系统正常工作可能产生影响的信息，进行预报监测。地面干扰监测系统需与运行控制系统并置建立，主要对运行控制系统周围的电磁环境进行监测和预警。气象数据监测主要对温度、振动、湿度进行监测，

4.2.2 系统健康评估和管理系统

系统健康评估和管理系统包括告警信息综合处理模块、健康评估模块、故障预测模块和自动推理决策模块。

1）告警信息综合处理模块

告警信息综合处理模块主要对系统健康监测系统给出的各类告警信息进行分析、整理和汇集。

2）健康评估模块

根据各分系统（设备）的告警信息，健康评估模块判别其对应的健康状态。

3）故障预测模块

根据不同设备的故障产生机理，分别采用不同的预测方法。

基于性能参数的预测：该方法适用于主要性能指标具有连续变化范围的设备。在设备性能指标给出额定值和容限的基础上，通过加速失效试验，建立参数变化与故障（参数与寿命）的定量关系，用于故障预测。

基于基本工作状态的预测：该方法适用于基本工作状态数据可以反映健康状况的设备。例如，卫星系统的星载钟，当灯电压参数超限时，即说明目前该星载钟的工作处于异常状态，需要进行卫星钟切换操作。

基于健康状态的预测：根据健康监测系统给出的设备健康状态，同时结合设备的工作特性进行故障预测。该方法适用于处于亚健康状态时仍能继续工作的设备。该类设备在这种状态下工作不稳定，随着时间的增长其健康状态将继续恶化，最终导致设备故障。故障预测模块需要根据设备从亚健康到故障随时间的变化关系，进行相应的故障预测。

基于预警元件的预测：根据系统的长期运行经验或充分的验证试验，当某项性能参数超过特定范围或设备工作状态出现异常时，将预示某设备、系统即将出现故障或性能出现下降。对于该类参数或设备进行重点监测，制定合理的预警时间和预警范围，可以及时、有效的避免故障发生。

基于寿命的预测[4]：对于电子器件，例如电池、指示灯等，在其产品指标中有明确的寿命限制或动作次数限制。对这些电子器件，可使用卡尔曼滤波模型对基于多状态信息的剩余寿命进行预测，在器件使用到寿命后期时及时做出故障预报，予以更换。该方法在滤波理论的基础上，借助于概率统计理论，通过剩余寿命预测模型的建立及参数估计，有助于维修管理人员从定量的角度根据设备的状态信息确定其剩余寿命。

4）自助推理决策模块

自助推理决策模块接收来自告警信息综合处理模块、健康评估模块和故障预测模块处理的数据，结合系统工程建设任务安排，以系统可靠性最优、维修成本最小等目标做出维修决策，确立最佳维修时机。

5 结 论

随着PHM技术在军事和民用领域的广泛应用，世界各国对PHM技术的兴趣日渐浓厚。各国卫星导航定位系统在不断升级换代、逐步追求技术创新和应用拓展的同时，作为涉及领域广、设备组成复杂的工程系统，随着运行时间的逐渐增长稳定运行将面临着严峻的挑战。借鉴PHM概念和技术，构建了卫星导航定位系统的健康管理框架，为实现智能化的系统健康评估和管理维护奠定了基础。

[1]霍夫曼－韦伦霍夫，利希特内格尔，瓦斯勒.全球卫星导航系统[M].北京：测绘出版社，2009.

[2]孙 博，康 锐，谢劲松.故障预测与健康管理系统研究和应用现状综述[J].系统工程与电子技术，2007，29（10）：1762－1767.

[3]马飒飒，陈国顺，方兴桥.复杂装备故障预测与健康管理系统初探[J].计算机测量与控制，2010，18（1）：1－4.

[4]韩国泰.航空电子的故障预测与健康管理技术[J].航空电子技术，2009，40（1）：30－38.