自主健康管理是实现航天器在轨自主化运行的关键技术之一。航天器自主健康管理可在没有地面测控人员参与的条件下,确保航天器在未知和不确定运行环境下的可靠性与安全性,减少对地面操作的依赖,降低航天器在轨管理成本,其研究具有重要的现实意义和工程价值。论文以典型的航天器推进系统(DFH-4推进系统和DS-1推进系统)为研究对象,系统深入地研究了航天器系统在轨自主健康管理所涉及的若干关键技术,包括强鲁棒性的故障检测与诊断算法、故障可恢复性评估、故障条件下的系统重构等,并设计实现了自主健康管理原型系统。论文的主要研究工作和结论如下:针对航天器推进系统故障检测过程中所面临的类别不平衡以及误分代价不等等问题,引入代价敏感机制及边界控制策略,提出了一种边界可调整的代价敏感支持向量数据描述方法(Cost-Sensitive Support Vector Data Description with Boundary Calibration,CS-SVDD-BC)。在此基础上,针对CS-SVDD-BC参数依赖经验取值存在的不足,提出了基于粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)的CS-SVDD-BC参数优选方案;针对静态CS-SVDD-BC对推进系统故障检测存在较高误判风险以及标准SVDD训练效率低的问题,提出了基于增量学习的Inc CS-SVDD-BC方法。推进系统试车数据的验证结果表明,相对于静态CS-SVDD-BC,基于PSO的参数优化选取大幅降低了故障检测的误判率与平均误分代价;Inc CS-SVDD-BC的在线自适应学习能力,有效增强了正常样本空间与故障空间的可分离性,提高了故障检测的及时性和有效性。针对航天器推进系统工作过程的时变性以及故障“双向传递”的特点,提出了Z-检验和解析冗余关系方法相结合的、面向时态的诊断方法。该方法基于解析冗余关系的残差表征时不变的系统结构特征信息,有效避免了对系统时变工作过程获取故障诊断判据的难题,而结构特征信息的时不变性,又有效克服了“故障双向传递”造成的故障定位困难。同时为解决系统建模误差以及环境噪声等随机因素的干扰,利用Z-检验方法实现了对残差在不确定条件下故障影响趋势的准确判断,从而确保了故障诊断过程的强鲁棒性。推进系统故障仿真数据的验证结果表明,该方法简单易实现,能够实现对航天器推进系统工作过程的实时、高效故障定位,适用于航天器推进系统的在轨自主故障诊断。针对推进系统故障的可恢复性能评估问题,结合系统结构配置栅格图,提出了航天器推进系统基于系统属性空间的故障可恢复性分析框架,并给出了三种评估故障可恢复性的度量准则:覆盖率、冗余度以及基于部件可靠性的平均无故障时间估计。基于上述度量准则,对DFH-4以及DS-1推进系统增压气路部分进行了故障可恢复性评估,验证了提出的三种故障可恢复性度量方式的有效性,评估结果均达到了设计指标要求。针对已有的航天器系统配置与重构问题求解存在的知识表示繁杂以及求解效率低等问题,基于问题转换求解的思想,提出了将推进系统的配置与重构问题转换成最优可满足问题进行求解的问题描述框架,并设计实现了一种新的最优搜索策略——CWBA*。DS-1航天器推进系统单故障以及多故障情形下的验证结果表明,由于CWBA*采用了紧配合的搜索方式,在搜索效率上较已有的CDA*提升了近一个数量级,更适用于执行快速响应的航天器系统配置与重构问题。针对航天器推进系统在轨自主健康管理的工程实用问题,在对自主健康管理系统功能需求分析的基础上,分析设计并开发实现了自主健康管理软硬件原型系统。DFH-4推进系统仿真数据验证表明,设计开发的推进系统故障检测与报警模块具备良好的检测性能,运行稳定和可靠;DS-1推进系统多故障情形下的验证结果表明,设计开发的推进系统配置与重构模块能够快速给出满足推进系统故障控制要求的最优重构方案,并具备较好的扩展能力。同时,为解决航天器自主健康管理基于传统遥测方式信息获取能力有限的问题,实现在轨信息获取,设计实现了APSDR-I型航天器在轨实时状态记录系统。现场试车信号采集结果表明,APSDR-I记录系统运行状态良好,数据记录准确,具备多路信号同时在线采集记录的能力。
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