一種基于模式演化的衛(wèi)星長期在軌運行狀態(tài)的預(yù)測方法，包括以下步驟：通過測控中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲得歷史遙測數(shù)據(jù)，通過地面觀測站設(shè)備接收衛(wèi)星載波信號后經(jīng)解調(diào)、譯碼、分路獲得實時遙測數(shù)據(jù)；對遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分段處理；再對各分段序列按時間和數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；然后采用聚類分析方法，并以標(biāo)準(zhǔn)化分段序列所對應(yīng)的變化模式作為分段序列的變化模式；采用函數(shù)逼近方法建立各模式的形式化模型，利用上述各分段序列的模式、時間長度及特征數(shù)據(jù)，建立模式演化過程模型，最后生成虛擬遙測數(shù)據(jù)，并基于虛擬遙測數(shù)據(jù)與實時遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以預(yù)測衛(wèi)星狀態(tài)并判斷衛(wèi)星運行狀態(tài)是否異常。本發(fā)明專利技術(shù)的方法可以更準(zhǔn)確、高效地預(yù)測衛(wèi)星長期運行狀態(tài)是否異常。
【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于衛(wèi)星在軌狀態(tài)預(yù)測領(lǐng)域，尤其涉及一種衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)建模與狀態(tài)預(yù)測 方法。
技術(shù)介紹
隨著衛(wèi)星數(shù)量、壽命和型號種類的不斷增加，維持其在軌安全可靠運行對其運行 管理技術(shù)的要求越來越高。衛(wèi)星長期在軌運行過程中，受空間環(huán)境以及原材料和元器件性 能退化等多種因素作用，其性能與功能可能會出現(xiàn)變化。分析衛(wèi)星遙測參數(shù)變化趨勢并建 立其形式化模型，預(yù)測衛(wèi)星在軌運行狀態(tài)，有助于在早期及時發(fā)現(xiàn)遙測參數(shù)的異常變化，有 效避免可能發(fā)生的重大故障，降低衛(wèi)星在軌運行風(fēng)險，提高衛(wèi)星在軌安全性和可靠性。目前，雖然已經(jīng)存在技術(shù)成熟的狀態(tài)預(yù)測方法，但主要解決短期狀態(tài)預(yù)測問題。另 外在軌航天器狀態(tài)變化情況復(fù)雜，現(xiàn)有方法不能完全適應(yīng)在軌航天器狀態(tài)的多種變化規(guī) 律，在用于在軌航天器狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測時其預(yù)測的性能無法滿足要求，對于某些特殊情況預(yù) 測性能甚至可能出現(xiàn)嚴(yán)重下降，更難以滿足長期預(yù)測狀態(tài)的要求。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)所要解決的技術(shù)問題是，針對目前衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)建模與狀態(tài)預(yù)測方法的不 足，提出一種，利用衛(wèi)星長期在軌運行 過程中所積累的大量遙測數(shù)據(jù)，建立遙測參數(shù)隨在軌運行時間變化的模型，并基于該模型 采用虛擬遙測數(shù)據(jù)生成方法預(yù)測衛(wèi)星長期在軌運行過程中的狀態(tài)，以更準(zhǔn)確高效地檢測衛(wèi) 星狀態(tài)是否異常。 為解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出的技術(shù)方案為一種基于模式演化的衛(wèi)星長期在 軌運行狀態(tài)的預(yù)測方法，包括以下步驟： (1)數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)備：通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對 所獲取的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，按時間先后順序?qū)?shù)據(jù)幀排序，剔除衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)中的 野點，生成按時間順序排列且有效的遙測參數(shù)工程值序列； (2)數(shù)據(jù)分段處理：構(gòu)造遙測參數(shù)工程值序列分段的時間規(guī)則，依據(jù)該時間規(guī)則 將前述遙測參數(shù)工程值序列劃分為時間上相連但不交的分段序列；計算各分段序列的匯總 特征數(shù)據(jù)，包括均值和標(biāo)準(zhǔn)差等； (3)分段序列標(biāo)準(zhǔn)化：對上述步驟（2)獲得的各分段序列按時間和數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) 化，獲得定義于區(qū)間上、取值服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列； (4)模式聚類：對所獲得的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列，根據(jù)序列的距離或相似性度量，采用 聚類分析方法將相互接近或相似的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列歸為一類，由此形成標(biāo)準(zhǔn)化分段序列的 變化模式，并以標(biāo)準(zhǔn)化分段序列所對應(yīng)的變化模式作為上述分段序列的變化模式； (5)模式建模：利用上述各變化模式中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列，采用函數(shù)逼近方 法建立各模式的形式化模型，描述該模式對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列中的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)在 上的變化規(guī)律；(6)模式演化建模：利用上述各分段序列的模式、時間長度及匯總特征數(shù)據(jù)，以各 分段序列的序號為索引變量，建立衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)模式演化過程模型，并描述各分段序列的 模式、時間長度及匯總特征數(shù)據(jù)隨其序號的變化； (7)虛擬遙測數(shù)據(jù)生成：依據(jù)上述獲得的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)模式演化過程模型以及各 模式的形式化模型，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生成虛擬遙測數(shù)據(jù)（虛擬遙測參數(shù)工程值）； (8)狀態(tài)預(yù)測及異常檢測：利用上述獲得的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)模式演化過程模型和各 模式的形式化模型預(yù)測衛(wèi)星狀態(tài)；通過地面觀測站設(shè)備接收衛(wèi)星載波信號，再經(jīng)解調(diào)、譯 碼、分路獲得實時遙測數(shù)據(jù)（實時遙測參數(shù)工程值），基于所生成的上述虛擬遙測數(shù)據(jù)與所 述實時遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以預(yù)測衛(wèi)星狀態(tài)并判斷衛(wèi)星運行狀態(tài)是否異常。 上述的，優(yōu)選的：所述步驟 (1)中，通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)具體包括：通過測控中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲 得歷史遙測數(shù)據(jù)，通過地面觀測站設(shè)備接收衛(wèi)星載波信號后經(jīng)解調(diào)、譯碼、分路獲得實時遙 測數(shù)據(jù)。 上述的，優(yōu)選的：所述步驟 (1) 中，剔除衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)中的野點主要采用中值濾波方法，其具體操作包括以下步驟： (11)給定窗口寬度為N= 2k+l，k為正整數(shù)，N表示窗口寬度的參數(shù)； (12)對i= 1，2，…，n-k，計算遙測數(shù)據(jù)序列位于窗口 內(nèi)的數(shù)據(jù)y;， yi+i，…，yi+Ni的中位數(shù)，記為 (13)人工判別遙測數(shù)據(jù)序列尸的前k個數(shù)據(jù)yi，y2，…，^是否為正常數(shù)據(jù)，若 否，則將非正常數(shù)據(jù)修正為正常數(shù)據(jù)；將修正后的T°的前k個數(shù)據(jù)記作I兔,…七，與序列 …，.爲(wèi).合并，得到序列AA，…，iU: (14)給定顯著性水平a，〇<a< 1，計算序列九，義"…，九的（1-a)/2和（1+a)/2 分位數(shù)，分別記為ZU。)/2和zu+aV2，并計算序列的（1-a)/2~（1+a)/2分位數(shù) 間距為：Ea=Z(l+a)/2_Z(la)/2； (15)根據(jù)下述規(guī)則判斷時刻tk的遙測數(shù)據(jù)是否為野點：若|.fu| >E0則時刻tk 的遙測數(shù)據(jù)為野點；否則為正常值；(16)對剔除野點的遙測數(shù)據(jù)序列T°，認(rèn)為所剔除數(shù)據(jù)等于其前一觀測時刻的遙測 數(shù)據(jù)值，并據(jù)此填充所剔除數(shù)據(jù)。 上述的，優(yōu)選的：所述步驟 (2) 中，構(gòu)造遙測參數(shù)工程值序列分段的時間規(guī)則的具體方法包括以下步驟： (21)繪制衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)曲線，忽略趨勢性，通過直觀分析、周期性分析、變點分析、 時間序列模式識別方法，分析相鄰固定時間間隔的分段序列變化模式的重復(fù)性或相似性；(22)設(shè)通過上述步驟（21)獲得如下信息：起自時間t,的相隔固定時間S,的時 間長度為t,的分段序列的變化具有重復(fù)或相似的模式，j= 1，2,. . .，m，這里要求諸t,為 允許的最小時間，并且根據(jù)衛(wèi)星軌道、衛(wèi)星和太陽位置的關(guān)系確定這一規(guī)律在衛(wèi)星整個在 軌期間都成立，則按如下方法確定f\(i): (221)搜索數(shù)據(jù)組合（\，Sj，t)，j= 1，2，...，m，若存在p，p彡m個數(shù)據(jù)組合，不 妨設(shè)為前P個，即（tj，5』，、），j= 1，2，.. .，p，滿足以下兩個條件：(a) 5 :=S2=. . ?= Sp=S=TT2+... +TP: (b)對任何j= 1，2,…，P，都有t.j=TT2+... +TJ1;則 定義遙測數(shù)據(jù)分段的（^，T2，…，Tp)-規(guī)則如下： (222)若不存在滿足上述條件（a)和（b)的數(shù)據(jù)組合，則通過人工指定方式定義遙 測數(shù)據(jù)分段的固定時間規(guī)則或者函數(shù)時間規(guī)則。 上述的，優(yōu)選的：所述步驟 (2) 中，依據(jù)所述時間規(guī)則將遙測參數(shù)工程值序列T劃分為分段序列是通過其階梯函數(shù) T(t)進(jìn)行，具體步驟包括： (31)根據(jù)分段的時間規(guī)則fT ( ?)，確定有限數(shù)據(jù)序列0 ^ 0 2，…，0 "，0 "+1如 下： 0!=t! (32)定義時間區(qū)間K 0 ;，0 i+J，i=l，2，…，m ;將階梯函數(shù)T(t)限制在各時間 區(qū)間Ji上，得到對應(yīng)的階梯函數(shù)：Kt) = T(t) ? 1( 0 t彡0 i+1)，t G上，i=l，2，…， m； (33)記n〇= 0,nm=n，對每個階梯函數(shù)T; (t)，i=l，2，…，m，取其 在時間區(qū)間1端點的函數(shù)值，并與遙測參數(shù)工程值序列T落入時間區(qū)間Ji內(nèi) 的數(shù)據(jù)合并，得到遙測參數(shù)工程值序列T的第i個分段序列，即定義為： 上述的，優(yōu)選的：所述步驟 (3) 中，對獲得的各分段序列Ti，i=l，2,…，m按時間和數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的具體操作包括以 下步驟：(41)利用分段序列中的遙測數(shù)據(jù)觀測值計算其均值yi和標(biāo)準(zhǔn)差〇i如下：(42)對分段序列1\進(jìn)行數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化，獲得標(biāo)準(zhǔn)化的遙測數(shù)據(jù)為： 本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點】
一種基于模式演化的衛(wèi)星長期在軌運行狀態(tài)的預(yù)測方法，包括以下步驟：(1)數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)備：通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)，并根據(jù)需要對所獲取的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，按時間先后順序?qū)?shù)據(jù)幀排序，剔除衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)中的野點，生成按時間順序排列且有效的遙測參數(shù)工程值序列；通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收設(shè)備接收衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)具體包括：通過測控中心數(shù)據(jù)系統(tǒng)獲得歷史遙測數(shù)據(jù)，通過地面觀測站設(shè)備接收衛(wèi)星載波信號后經(jīng)解調(diào)、譯碼、分路獲得實時遙測數(shù)據(jù)；(2)數(shù)據(jù)分段處理：構(gòu)造遙測參數(shù)工程值序列分段的時間規(guī)則，依據(jù)該時間規(guī)則將前述遙測參數(shù)工程值序列劃分為時間上相連但不交的分段序列；計算各分段序列的匯總特征數(shù)據(jù)；(3)分段序列標(biāo)準(zhǔn)化：對上述步驟(2)獲得的各分段序列按時間和數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，獲得定義于區(qū)間[0，1]上、取值服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列；(4)模式聚類：對所獲得的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列，根據(jù)序列的距離或相似性度量，采用聚類分析方法將相互接近或相似的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列歸為一類，由此形成標(biāo)準(zhǔn)化分段序列的變化模式，并以標(biāo)準(zhǔn)化分段序列所對應(yīng)的變化模式作為上述分段序列的變化模式；(5)模式建模：利用上述各變化模式中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列，采用函數(shù)逼近方法建立各模式的形式化模型，描述該模式對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化分段序列中的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)在[0，1]上的變化規(guī)律；(6)模式演化建模：利用上述各分段序列的模式、時間長度及特征數(shù)據(jù)，以各分段序列的序號為索引變量，建立衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)模式演化過程模型，并描述各分段序列的模式、時間長度及特征數(shù)據(jù)隨其序號的變化；(7)虛擬遙測數(shù)據(jù)生成：依據(jù)上述獲得的衛(wèi)星遙測數(shù)據(jù)模式演化過程模型以及各模式的形式化模型，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)生成虛擬遙測數(shù)據(jù)；(8)狀態(tài)預(yù)測及異常檢測：通過地面觀測站設(shè)備接收衛(wèi)星載波信號，再經(jīng)解調(diào)、譯碼、分路獲得實時遙測數(shù)據(jù)，基于所生成的上述虛擬遙測數(shù)據(jù)與所述實時遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以預(yù)測衛(wèi)星狀態(tài)并判斷衛(wèi)星運行狀態(tài)是否異常。...
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：金光，段翠英，楊天社，張永強，傅娜，吳冠，劉衍，陸崢，
申請(專利權(quán))人：中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南;43
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