1 引言

航天任务具有政治影响大、风险高、投资大、周期长等特点，因此保证航天任务的顺利实施是一个至关重要的目标。卫星以及有效载荷通常是高可靠性的设计，但是由于空间环境的复杂性及地面测试条件的局限性，卫星以及有效载荷在运行时仍然有出现故障的可能性。尽管现在各国都在开展卫星故障的研究，但由于卫星是一个典型的复杂系统，这类系统的特点就是子系统交互关联，在其性能、功能提高的同时，由于组成环节和影响因素的增加，发生故障的潜在可能性也随之增大，甚至发生连锁反应，引起整个任务流程的失败甚至引起整个系统的瘫痪。

故障预测与健康管理技术，英文缩写PHM（Prognostics and Health Management）技术，是采用传感器信息、专家知识及维修保障信息，借助各种智能算法与推理模型实现系统运行状态的监测、预测、判别及管理，实现低虚警率的故障检测与隔离。

卫星的健康管理一般指与其健康状态直接相关的管理活动，即了解卫星及其组成部分的状态，在出现功能失效时将其恢复到正常状态，而在系统故障后将安全风险和对任务的影响降到最小。随着现代卫星复杂性、综合化、智能化程度的不断提高，传统单一的卫星分系统故障诊断技术已不能满足飞行任务的需要。故障预测与健康管理技术在航天领域的应用能显著提高卫星系统的健壮性、可靠性，提高地面测试的效率、减少故障率，是未来的发展趋势。

本文针对故障预测与健康管理技术在卫星测试领域的应用现状、前景进行了分析并对未来应用进行了研究探索。

2 故障预测与健康管理技术与卫星测试

2.1 故障预测与健康管理技术简述

预测，即预先诊断部件或系统完成其功能的状态，包括确定部件的残余寿命或正常工作的时间长度等。健康是指与期望的正常性能状态相比较的性能下降或偏差程度。健康管理以诊断、预测为主要手段，根据诊断/预测信息、可用资源和使用需求对部件或系统的配置管理或维修活动做出适当决策。故障是指不能完成规定功能或性能退化不满足规定要求的状态^[1-2]。

故障预测与健康管理技术的提出和发展的主要目的是降低使用与保障费用，提高装备系统安全性、战备完好性和任务成功性，实现基于状态的维修和自主式保障。

2.2 卫星测试简述

卫星综合测试是指对电气性能或功能的测试，定性或定量地对卫星的功能和性能进行评定，证明其功能、性能指标满足总体设计要求，并具备卫星发射的条件。卫星综合测试是系统级的电性能测试，是集测量、电子、通信、计算机、工程管理等多学科于一体、科学性与工程性相结合的综合技术。在卫星发射前，对卫星性能分析、功能验证的最终审查，是航天器质量保证的关键步骤。卫星综合测试工作包括测试设计，测试实施，测试总结等方面^[3]。

卫星测试领域已越来越多增加自动化手段及独立的算法实现测试实施和测试数据管理，但仍需要人工操作和监管，而对以卫星为对象进行测试数据建模，建立健康监控系统，利用评估机制实时监测，并进行故障预测、自动处理，实现应用于测试的健康管理系统，可大幅度提高卫星测试系统的智能化和自动化水平。

3 国内外故障预测与健康管理技术发展现状

3.1 国外产业现状

国外已经在多个航天器上进行了搭载试验，并有地面航天器集成健康管理系统应用，包括航天飞机、深空一号、对地观测一号、X-33、X-34、X-37等，自主健康管理系统的发展是一个从简单到复杂、从局部到整体的不断提高完善的过程，应用了多个型号进行搭载试验，逐渐开展验证和完善系统功能。

目前，国外航天器的健康管理系统从单一的故障诊断工具应用，向集成硬件、软件、系统状态监测、故障预测、故障诊断和故障修复为一体的航天器集成健康管理系统发展。

在卫星测试领域内，NASA开发了便携式健康算法测试系统，便携式健康管理算法测试系统简称PHALT。其设计目的是提高算法的成熟度和可信度，以评估航天器系统的健康状况。系统包括一个集成的硬件、软件环境，在图形编程环境中开发系统健康管理算法，使用系统仿真或测试数据回放进行测试与改进，并在实时硬件环境下进行对测试对象的评估。集成的硬件和软件开发环境提供从算法开发到实时实现的无缝链接。硬件的可移植性使测试设备之间的传输变得快速和方便。这种硬件/软件体系结构具有足够的灵活性，可支持多种诊断应用程序和测试硬件，用于客户对算法的诊断。

PHALT系统可实时捕获和回访试验台数据，并能够修改数据（如注入模拟故障），使用了多种数据输入源执行算法测试，包括实时数据采集、测试数据回放、系统模拟，并提供系统反馈以评估闭环诊断响应和模拟控制。数据一经系统获取，就可以通过开发人员感兴趣的健康评估功能进行处理。数据调节模块、故障模拟和诊断/预测模块对这些功能进行了分类。在数据调节模块中，数据可以被修改和过滤以确保其他分析模块可使用一致的数据集。当实际测试硬件不方便、不可取或不具备发生故障条件时，故障模拟模块可以将故障叠加在标称系统数据上。诊断/预测模块是系统的核心，提供一种机制用于定义和测试用户可以使用的任何数量的健康管理算法。

在分析数据后，系统能够对结果进行反馈。闭环系统中的任何模拟故障都需反馈给被测对象，以确保系统对故障有代表性的响应。此外，在进行故障诊断的情况下，可能需要采取措施补救或减轻故障修正模块提供了一种机制，用于选择适当的修复策略。

通过使用实时图形用户界面进行系统操作和维护，用于加载预定义的测试场景，根据跟定初始化系统，运行测试场景，以及从数据存储模块上载数据以供进一步分析。数据存储模块提供一致性好且有序的数据用于存储系统生成测试数据。

3.2 国内产业现状

我国航天领域对健康管理系统的应用处于探索阶段，主要集中在健康管理系统体系架构与标准规范、系统设计、实验验证与评价等基础研究上。在工程应用方面，多个单位针对遥感、导航、深空、载人、小卫星等多个领域提出了健康管理功能的具体实现方案和思路。例如航天五院总体部针对遥感卫星提出了高分三号卫星自主健康管理系统，支持事件报告、在轨实时监测等功能，针对导航卫星提出了自主健康管理系统的架构实现方案，针对深空探测器提出了自主运行策略。航天五院载人航天总体部提出一种用于空间站的在轨自主健康管理系统分层体系结构。航天东方红卫星公司提出了一种包含整星级、系统级、部件级的基于星务管理系统的小卫星自主健康管理系统。

在我国已经发射的嫦娥任务以及在研的火星着陆巡视器任务中，也具备自主健康管理功能。例如嫦娥四号中具备自主热控管理、蓄电池组过放电保护管理、数管计算机重要数据保护和恢复、单粒子翻转诊断和处理等功能。火星着陆巡视器具备卫星管理单元心跳监测、通信故障检测、整器故障联合处置、总线下位机故障检测和处置、供电故障诊断和切换等功能^[4-6]。

在卫星测试领域，院航天器测试中心有健康管理相关应用实现：

母线品质监测系统

随着航天器的难度不断增大，每秒1帧的传统遥测无法实现对母线品质的全面有效监测。母线电压高速采集测试设备用于实现卫星电性能测试时对母线电压、电流信号的高速采集、滤波处理、频域分析、数值存储等功能。它是卫星电性能测试时母线品质因数的重要监测工具。为评价卫星电源性能提供可靠的测试数据^[7]。

分级报警机制

分级报警机制支持建立多级健康等级管理：整星级健康管理、分系统健康管理、单机健康管理、功能及性能级健康管理。系统可根据当前整星工作状态和参数状态对异常问题进行分级报警，对测试过程中不同卫星、不同等级的报警信息以不同颜色和声音进行区分提示，有效提高测试人员获取报警信息的准确性和及时性。目前，此方法应用于多星并行测试系统中。

智能应急处理技术

智能应急处理技术是对测试中遇到的故障进行智能决策，在获取到判读软件的报警信息后，能根据当前的测试状态对故障进行综合分析，快速完成推理过程后生成相应的应急指令链，辅助测试人员及时有效地应对异常情况。

目前，此方法应用于多星并行测试系统中，并开展了结果分析。

某型号双星并行热试验阶段，使用智能应急处理技术，将测试故障预案自动化处理，自动化率达到90.5%，试验期间共出现故障问题7个，其中智能处理软件共处理应急故障6项，处理率85.7%，正确率100%。

3.3 技术差距

通过对比国外航天器自主健康管理技术的发展，国内自主健康管理技术还存在一定的差距，主要体现在以下几个方面：

① 自动化故障检测技术不足，无论卫星还是飞船，仍然是以人工数据判读模式为主，还需要大量人员进行地面测试和在轨飞行监控。

② 故障诊断主要针对航天器的关键分系统，覆盖性不全。

③ 开展故障自主检测、隔离和恢复的策略都是针对某个关键点开展的，系统级的理论和方法缺乏统一、完善的使用。

④ 国内关于健康管理技术的理论研究虽然很多，对相关理论研究成果的试验验证却比较缺乏，在实际中的应用更少。

⑤ 在航天器领域内，缺少成熟的推理诊断软件工具和开发环境。

4 故障预测与健康管理技术在卫星测试系统的应用探索

4.1 发展必要性

故障预测与健康管理技术在国外已有30多年的发展历史，是一项能够显著降低维修、使用和保障费用，提高装备安全性和可用性的综合性技术。

结合国内实际卫星测试现状分析对PHM技术的需求主要体现在以下几个方面：

① 故障诊断手段以被动为主，实现方式为，故障发生后，地面测试人员通过遥测参数做出故障的分析诊断，再通过上行指令或物理排查的方式进行故障恢复。

② 测控通道资源浪费，卫星遥测参数在故障发生时大部分遥测参数无异常情况，使用编排好的遥测参数格式进行下传会延误重要故障参数的下传，是排故工作错过宝贵的应急处理时机和重要故障参数。

③ 时效性较差，地面测试过程中即使故障出现，发现故障的时间多依赖测试人员的反应，易导致人为原因的延时，及故障发生后继续进行误操作的可能性，导致对卫星故障、健康管理时效性较差。

④ 故障处理效果对人员依赖性大，故障发生时，需要依赖当班测试人员对故障立即进行判断，更多的依赖测试人员及指挥的经验和相关的故障预案等文件，导致对故障的处理时间和处理水平都较大程度受限于人为因素。

⑤ 健康管理级别较低，目前卫星健康管理级别为一级，即卫星测控系统仅完成数据采集、遥测下行和执行工作，但不对优先级进行区分，分析判断、决策都由地面测试人员来完成。

4.2 技术解决途径

提升测试平台决策能力，建立PHM技术的智能测试系统。建立基于PHM技术的智能测试系统，实现测试过程健康管理及评估功能、故障预测及预处理功能。系统具体实现步骤：

① 形成具有星地接口的一套地面PHM系统，实现通信卫星综合测试全过程故障检测、故障鉴定与隔离、故障预测、健康评估。

② 对星上单机进行目标性物理建模和统计建模分析，提高面向星上产品硬件测试的评估能力和精度指标。

③ 建立数据接收处理系统：对健康监测数据库进行实时分析处理，实现故障预测和健康评估功能。

④ 建立数据分析挖掘系统：应用专家系统对测试库数据进行数据挖掘、分析推理、知识获取，给出故障处理决策。

5 结束语

在卫星测试中引入PHM技术，增加卫星健康管理的地面验证系统，可以提高判读等级，并且在一定程度上加强对故障诊断的自动化程度，为后续相关卫星型号研制中逐渐加入健康管理系统做好前期准备工作。同时，可以优化测试流程和测试项目，实现测试过程的全自动运行。

参考文献

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作者简介

王爽  （1986），女，满族，黑龙江省绥化市，硕士，高级工程师，现为中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部测试工程师，研究方向为通信与导航系列卫星综合测试。