一种基于关联关系的在轨卫星受空间环境影响的预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航天器在轨运行管理技术领域，尤其涉及一种基于关联关系的在轨卫 星受空间环境影响的预警方法。
【背景技术】
[0002] 国内外统计表明，地球辐射带（以下简称辐射带）造成的空间辐射环境是引起航 天器故障异常的主要原因之一。美国NGDC(国家地球物理数据中心）收集的1966-1994年 期间的5000多次故障记录中，约一半诊断为由空间环境引起，其中空间辐射环境诱发的约 2300次。美国Hecht和Remez等人1996年的统计表明，"过去近40年航天器发生的故障 和异常中，前30年由设计和空间环境引起的超过40%，最近10年仍有36%。"当前，我国航 天器受空间辐射环境影响导致故障的情况也时有发生。
[0003] 分析研宄表明，航天器故障的根源是空间辐射环境引起的各种空间辐射效应。主 要包括：单个高能粒子导致器件逻辑反转或闩锁的单粒子效应，高能电子在航天器内部累 积产生的充放电效应，高能粒子通过电离和原子位移导致的辐射剂量效应等。这些效应可 以直接引起星上计算机伪指令、航天器或组部件材料性能退化、器件锁定和烧毁，导致控制 计算机紊乱、航天器姿态失控或反转、能源缺失，甚至造成航天器减寿或失效，极大地影响 了航天装备体系的效能发挥。
[0004] 因此，有效评估空间辐射环境效应对航天器在轨运行的影响，研宄空间辐射环境 效应与航天器在轨异常间的关联关系，建立基于空间辐射环境效应机理的在轨航天器预警 方法，可以根据空间环境预报结果，系统地对在轨航天器受空间环境影响的危害性进行评 估，并在空间环境事件发生后对在轨航天器可能发生的故障、异常或状态跳变进行预警，通 过在轨安全操作及时处理，或采取措施预防异常的重复发生，从而保障航天器在轨安全可 靠运行，确保航天任务的圆满完成。
[0005]目前在工程应用和研宄领域主要基于航天器下传的遥测参数开展故障诊断与预 警技术及方法研宄工作，空间环境相关研宄机构也基于空间环境信息提出预报。
[0006] 1基于航天器遥测参数的故障诊断及预警方法
[0007] 1)基于信号处理的故障诊断方法。该方法是诊断领域应用较早的方法之一，主要 采用阈值模型。信号分析采用较多的主要有时域、频域、幅值、时-频域特性分析等。信号 处理方法主要有：峰值、均方根值、波峰系数、波形系数、偏斜度指标等参数分析，相关分析 法，包络分析法，最大熵谱法，倒频谱法，同步信号平均法，自回归谱分析法，小波分析，分形 分析等。信号分析方法是其它诊断方法的基础。
[0008] 2)基于规则的专家系统诊断方法。基于规则的方法又称产生式方法，早期的故障 诊断专家系统都是基于规则的，这些规则是从专家的经验中总结出来，用来描述故障和征 兆的关系。该方法的优点是知识表示简单、直观、形象、方便，使用直接的知识表示和相对简 单的启发式知识，诊断推理速度快；要求数据的存储空间相对较小；易于编程和易于开发 出快速原型系统。缺点是知识库覆盖的故障模式有限，对未出现过的和经验不足的故障诊 断就显得无能为力；当知识库中没有相应的与征兆匹配的规则时，易造成误诊或诊断失败。
[0009] 3)基于故障树的诊断方法。故障树是一种体现故障传播关系的有向图，它以诊断 对象最不希望发生的事件作为顶事件，按照对象的结构和功能关系逐层展开，直到不可分 事件（底事件）为止。它的优点是能够实现快速诊断；知识库很容易动态修改，并能保持一 致性；概率推理可在一定程度上被用于选择规则的搜寻通道，提高诊断效率；诊断技术与 领域无关，只要相应的故障树给定，就可以实现诊断。缺点是由于故障树是建立在元件联系 和故障模式分析的基础之上的，因此不能诊断不可预知的故障；诊断结果严重依赖故障树 信息的完全程度。
[0010] 4)其他方法，如基于神经网络的诊断方法、基于模型的故障诊断方法、基于Petri 网的故障诊断方法、多传感器信息融合的故障诊断方法等。
[0011] 现有可查的故障预警方法主要是对航天器遥测参数的未来变化趋势进行预测，将 预测得到的参数值代入故障诊断系统进行诊断，所得到的诊断结果即为预警结果。
[0012] 2基于空间环境信息的预警方法
[0013]国内专门研宄空间环境的机构（如中科院空间中心，紫金山天文台等）结合空间 环境模型及数据，根据观测到的太阳活动，对未来一段时间内的空间环境事件及地磁活动 水平进行预测和预报，根据不同级别的质子事件、电子事件以及地磁暴等事件，对在轨运行 的航天器运行安全提出普适性的预警。
[0014] 基于空间环境信息的预警方法也存在一定的局限性，首先目前通过空间环境监测 机构得到的空间环境信息大多描述的是全球范围内的平均值，不同轨道的航天器经历空间 环境存在较大的差别，仅靠平均化的空间环境数据难于得到某航天器所处轨道的精确数 值；其次由于航天器的抗辐射设计程度存在差异，选用的元器件的单粒子翻转阈值和抗辐 射总剂量不同，空间环境对航天器的影响机理和程度也不相同，单从空间环境的角度难以 量化评价其对某航天器的影响程度，因此基于空间环境数据的预警方法效果有限。
[0015] 上述方法均从航天器遥测数据的变化规律出发，研宄诊断与预警方法。但在实际 在轨管理工作中发现，80%的异常由空间环境因素触发，且很多异常所关联的遥测参数会 在发生异常时产生突变，难以通过遥测参数预测的方式发现。因此对于此类异常，现有预警 方法效果较差。
【发明内容】
[0016] 为解决上述问题，本发明提供一种基于关联关系的在轨卫星受空间环境影响的预 警方法，其通过单粒子效应与卫星在轨异常关联关系分析和根据星载高能粒子通量探测设 备实时数据对卫星在轨异常进行预警，具有可信度、针对性及准确性高的优势。
[0017] 本发明的基于关联关系的在轨卫星受空间环境影响的预警方法，其包括：
[0018] 步骤1，对粒子效应与卫星在轨异常关联关系进行分析，获得可信度及相关度超过 设定阈值的两者间时域的关联关系Xo(T):
[0019] 步骤11，对某历史时段T内的卫星搭载的星载高能粒子通量探测设备的探