基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法与流程

1.本发明涉及航天器自主健康管理技术领域，特别涉及一种基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法。


背景技术：

2.随着航天器智能技术以及人工智能的发展，以及航天器在轨赋能技术的提升，星载计算机对异构航天器各个分系统的信息数据处理和管理能力均有较大的提升，这为异构航天器信息数据自适应智能化管理提供了良好的技术基础。另外，随着载荷数字化技术在航天器上的普遍应用以及航天器在轨服务应用技术的提出，航天器软硬件在轨赋能也将越来越普遍和频繁，与此同时将会带来异构航天器信息数据更新频度加快。
3.航天器的信息数据包含航天器各个分系统的重要状态，反映航天器的性能特征或功能状态，是对航天器进行健康诊断和故障预测的重要依据。目前航天器的信息数据分析和判断依赖于遥测参数的数据类型、阈值范围、数据处理方法，而这些内容都来自于地面工作人员对专门的格式文件进行人工编辑和更新，当遥测参数的数量增多，异构航天器的数目日益庞大，每个航天器载荷的功能各不相同，异构航天器的功能频繁更新时，格式文件的再编辑将会带来巨大的人工负荷以及潜在的可靠性风险。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法，以解决现有的航天器遥测参数处理带来巨大的人工负荷以及潜在的可靠性风险的问题。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法，包括：
6.多任务标准平台被配置为对有效载荷的机械接口、电子接口和数据接口进行标准化设计，以实现以下效果：
7.当异构航天器发生在轨软件功能升级或硬件在轨装配和服务需求时，不同功能模块或相同功能模块替换后，多任务标准平台能够快速检测到新替换的模块；
8.数据格式标准平台被配置为使得异构航天器的卫星平台和有效载荷的信息数据格式采用规范、通用的数据格式，以及使得异构航天器的星载信息传输系统采用通用模型，以实现对异构对象的设计规范化和管理通用化。
9.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，所述数据格式标准平台还被配置为：
10.将异构航天器的信息数据进行标准化归类，将其分为：用于表征硬件基础健康状态的模拟量、用于预测硬件老化趋势的统计量、用于快速诊断的状态量以及用于应用功能生成的海量数据，以实现以下效果：
11.当异构航天器在轨赋能后，不借助地面干预，自主通过标准化设计的信息数据格
式和处理方法完成健康状态的自适应管理。
12.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，异构航天器的有效载荷被配置为：
13.基于机械接口和电子接口标准化设计实现在轨即插即用、以及自动采集模拟量、以及通过标准的阈值范围进行自适应健康状态判别；以及
14.基于数据接口标准化设计实现星载自主健康管理软件的在轨自适应运行。
15.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，异构航天器仅实时下传遥测参数中的故障事件包以及用于载荷应用生成的海量应用数据，以大幅度减少测控资源的浪费。
16.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，异构航天器的有效载荷的信息数据分为表征硬件健康状态的模拟量、体现功能完备性的数字量以及用于功能合成的应用数据，以使得异构航天器的卫星平台和有效载荷的信息数据格式能够采用规范、通用的数据格式，以及使得异构航天器的星载信息传输系统采用通用模型。
17.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，对异构航天器的有效载荷的硬件接口采用标准化设计，以能够实现以下功能：
18.在异构航天器功能发生变更或者由于硬件故障需要在轨维修装配时，能够在快速检测到新模块后，登记该新模块的模拟量数据采集，动态配置系统级功能，采用通用的数据结构以及处理方法对采集的模拟量进行健康评估；以及
19.异构航天器的有效载荷功能发生变换时，采用统一的数据源操作机制，，以能够实现以下效果：
20.不依赖于人工帮助和地面支持，由统一的信息流格式实现对功能流程的标准化健康评估，自动识别出信息数据健康度的判别方法，健康度的判别方法包括趋势分析、边界检测、均值检查，期望值检查和偏差检查，能够依靠航天器软件自适应的标准化设计，实现强适应性的正常运行。
21.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，异构航天器的有效载荷的硬件接口采用标准化设计包括：
22.异构航天器的模拟量均通过模拟量采集终端进行采集，模拟量采集终端按照标准化的模拟量阈值范围对异构航天器的硬件健康状态进行判断，判断结果通过总线统一发送给星载计算机。
23.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，有效载荷的软件功能与异构航天器的任务相关，当异构航天器在轨赋能后，其功能相关的信息数据通过标准化的数据接口，进行健康状态的自适应判断。
24.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，异构航天器采用信息数据标准化以用于异构航天器健康度的自适应管理包括：
25.进行信息数据结构标准化设计，具备标准化接口的载荷采用通用化设计的信息数据接口，每个标准化设计的载荷均通过总线向星载计算机发送表征单机健康状态的信息数据参数表，所述参数表包含2比特的参数数量、参数长度、参数代号、以及4比特的参数值、参数类型、统计方式、判断阈值，所述判断阈值包括上边界和下边界；其中，参数代号采用子地
址和顺序号统一编排的方式；参数类型用来区分状态量以及统计量；统计方式供星载计算机选择基本的数学处理方法，包含上下边界判断、均值统计、标准差统计、变化率计算；星载计算机对于需要依据长期数据进行趋势判断的信息数据，以参数代号为检索标志存储在内存中，定时进行变化率的计算；
26.进行故障事件包标准化设计，星载计算机接收到载荷发送的遥测参数，依据参数类型进行健康判断，再将判断的结果写入通用化的故障事件包中，故障事件包包含2比特的故障包个数、参数代号、1比特的故障类型、4比特的时间码。
27.可选的，在所述的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，星载计算机写入故障事件包的方法包括：
28.针对状态量参数：为了节省遥测资源，星载计算机仅在故障事件包中写入状态为异常的参数代号以及异常时间码，该类型的故障包中故障类型定为1；
29.针对统计量参数：对于计算均值的遥测量，当均值跳变的幅度超过门限值时，则将此现象加入故障事件包，故障类型定位2；
30.对于计算变化率的遥测量，当一定时长的变化率超过门限值，则将此类现象加入故障事件包，故障类型定为3；
31.其它类型的统计量可根据标准化载荷的实际遥测统计方法依此类推。
32.本发明的发明人通过研究发现，传统的航天器数据管理策略大多通过星载计算机收集各个分系统的信息数据，通过测控通道下传到地面，由地面通过专门的规则格式文件进行故障诊断。这种航天数据管理方法存在以下几点缺陷：
33.测控通道资源的浪费。航天器在轨运行的生命周期中，一部分遥测参数长期显示状态正常，一部分遥测参数用来辅助故障诊断，这就导致正常运行状态下航天器测控通道资源的浪费。
34.遥测数据更新维护的人力资源浪费。随着航天器硬件接口标准化技术的推进，大批量航天器在长寿命运行期间，极有可能出现在轨硬件替换以及软件重新赋能的情况。目前遥测数据的处理与维护通过软件和配置文件共同完成，遥测处理软件依赖于遥测配置文件去对数据的正确性进行判读，而该文件均采用传统的人工输入及维护模式，浪费人力资源的同时，也存在数据编辑错误的风险。
35.健康管理实时性不足。目前航天器健康管理的现状是将大部分的信息数据下传到地面进行处理，当某些航天器可视弧段较短，仅通过可视弧段的实时遥测以及大批量的延时遥测进行航天器健康管理，则会造成航天器健康管理实时性不足。
36.基于以上洞察，本发明的发明人发现，为克服现有技术的不足，当前需要解决的问题重点在于，提出异构航天器需具备对信息数据格式进行标准化设计和自主判读管理的能力，从而实现从系统设计到自主故障诊断的异构航天器信息一体化管理，以达到提升异构航天器自主健康管理效率的目的。
37.在本发明提供的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法中，针对异构航天器遥测数据来源结构复杂、类别错综繁冗、同类设计对象之间信息规范度差异大等问题，本发明的设计方案拟采用多任务标准平台，对有效载荷的机械、电子和数据接口进行标准化设计，当异构航天器有在轨软件功能升级或硬件存在在轨装配和服务需求时，不同功能模块或相同功能模块替换后，都能快速检测到新替换的模块。同时，异构航天器的平
台和载荷信息数据格式采用规范、通用的兼容技术，航天器星载信息传输系统采用通用模型，从而实现对可替换、多特征、同类异构对象的设计规范化和管理通用化。
附图说明
38.图1是本发明一实施例中的基于标准化接口设计的异构航天器总线架构示意图；
39.图2是本发明一实施例中的基于标准化接口设计的异构航天器信息数据流示意图。
具体实施方式
40.下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。
41.应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。
42.在本发明中，除非特别指出，“布置在
…
上”、“布置在
…
上方”以及“布置在
…
之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在
…
上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在
…
下或下方”，反之亦然。
43.在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
44.在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
45.在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本技术的公开范围或记载范围。
46.在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。
47.另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。
48.以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
49.本发明的目的在于提供一种基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法，以解决现有的航天器遥测参数处理带来巨大的人工负荷以及潜在的可靠性风险的问题。
50.为实现上述目的，本发明提供了一种基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法，包括：多任务标准平台被配置为对有效载荷的机械接口、电子接口和数据接口进行标准化设计，以实现以下效果：当异构航天器发生在轨软件功能升级或硬件在轨装配
和服务需求时，不同功能模块或相同功能模块替换后，多任务标准平台能够快速检测到新替换的模块；数据格式标准平台被配置为使得异构航天器的卫星平台和有效载荷的信息数据格式采用规范、通用的数据格式，以及使得异构航天器的星载信息传输系统采用通用模型，以实现对异构对象的设计规范化和管理通用化。
51.针对异构航天器遥测数据来源结构复杂、类别错综繁冗、同类设计对象之间信息规范度差异大等问题，本发明的设计方案拟采用多任务标准平台，对有效载荷的机械、电子和数据接口进行标准化设计，当异构航天器有在轨软件功能升级或硬件存在在轨装配和服务需求时，不同功能模块或相同功能模块替换后，都能快速检测到新替换的模块。同时，异构航天器的平台和载荷信息数据格式采用规范、通用的兼容技术，航天器星载信息传输系统采用通用模型，从而实现对可替换、多特征、同类异构对象的设计规范化和管理通用化。
52.航天器载荷的信息数据可分为表征硬件健康状态的模拟量、体现功能完备性的数字量以及用于功能合成的应用数据，对异构航天器载荷的硬件采用标准化设计的方案，在异构航天器功能发生变更或者由于硬件故障需要在轨维修装配时，则能在快速检测到新模块后，登记该新模块的模拟量数据采集，动态配置系统级功能，采用通用的数据结构以及处理方法对采集的模拟量进行健康评估；另外，异构航天器载荷功能发生变换时，该技术的设计方案采用统一的数据源操作机制，能不依赖于人工帮助和地面支持，由统一的信息流格式实现对功能流程的标准化健康评估，自动识别出信息数据健康度的判别方法，包括趋势分析、边界检测、均值检查，期望值检查、偏差检查等健康评估方法，即能依靠航天器软件自适应的标准化设计，实现强适应性的正常运行。
53.异构航天器载荷硬件接口采用标准化设计，如图1所示，异构航天器的模拟量均通过模拟量采集终端进行采集，模拟量采集终端按照标准化的模拟量阈值范围对异构航天器的硬件健康状态进行判断，判断结果通过总线统一发送给星载计算机。载荷的软件功能与异构航天器的任务相关，当异构航天器在轨赋能后，其功能相关的信息数据可通过标准化的数据接口，进行健康状态的自适应判断。异构航天器采用信息数据标准化设计方案用于异构航天器健康度的自适应管理手段如下：
54.首先，包括信息数据结构标准化设计技术：如图2所示，具备标准化接口的载荷采用通用化设计的信息数据接口，如表1所示，每个标准化设计的载荷均通过总线向星载计算机发送表征单机健康状态的信息数据参数表，该参数表包含参数的数量、参数长度、参数代号、参数值、参数类型、统计方式以及判断阈值。其中，参数代号采用子地址和顺序号统一编排的方式；参数类型用来区分状态量以及统计量；统计方式供星载计算机选择基本的数学处理方法，包含上下边界判断、均值统计、标准差统计、变化率计算等。
55.表1通用化设计的信息数据接口
[0056][0057]
星载计算机具备大容量的存储能力，对于需要依据长期数据进行趋势判断的信息数据，以参数代号为检索标志存储在内存中，定时进行变化率的计算。
[0058]
其次，包括故障事件包标准化设计技术：如图2所示，星载计算机接收到载荷发送的遥测参数，依据参数类型进行健康判断，再将判断的结果写入通用化的故障事件包中，如表2所示：
[0059]
表2通用化设计的故障事件包
[0060][0061]
如图2所示，星载计算机写入故障事件包的方法有：
[0062]
针对状态量参数：为了节省遥测资源，星载计算机仅在故障事件包中写入状态为异常的参数代号以及异常时间码。该类型的故障包中故障类型定为1。
[0063]
针对统计量参数：对于计算均值的遥测量，当均值跳变的幅度超过门限值时，则将此现象加入故障事件包，故障类型定位2；对于计算变化率的遥测量，当一定时长的变化率超过门限值，则将此类现象加入故障事件包，故障类型定为3；其它类型的统计量可根据标准化载荷的实际遥测统计方法依此类推。
[0064]
本发明提出了一种基于信息数据标准化设计的异构航天器自适应管理技术，其创新点和优势在于：
[0065]
将异构航天器的信息数据进行标准化归类，即用于表征硬件基础健康状态的模拟量、用于预测硬件老化趋势的统计量、用于快速诊断的状态量以及用于应用功能生成的海量数据，当异构航天器在轨赋能后，不借助地面干预，自主通过标准化设计的信息数据格式和处理方法完成健康状态的自适应管理；
[0066]
异构航天器载荷基于硬件标准化设计实现在轨即插即用，自动采集模拟量且通过标准的阈值范围进行自适应健康状态判别；
[0067]
异构航天器载荷基于数据接口标准化设计实现星载自主健康管理软件的在轨自适应运行；
[0068]
遥测参数中仅实时下传故障事件包以及用于载荷应用生成的海量应用数据，以大
幅度减少测控资源的浪费。
[0069]
综上，上述实施例对基于标准化设计的异构航天器信息数据自适应管理方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
[0070]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0071]
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。