多机理下的卫星寿命预测方法与应用

针对卫星寿命预测的需求和以往方法未考虑突发故障及退化失效的不足,提出了综合多种机理进行寿命预测的方法。归纳了星上产品的寿命特征和卫星到寿原因,指出了卫星随机失效的分布特征;针对随机失效,建立随单星工作时间和系统结构变化的剩余寿命预测模型,给出了利用动态的在轨工作状态数据求解多阶段分布参数的算法,从而实现剩余寿命的动态分析;综合随机失效、退化、消耗及其在轨变化规律,提出了适用于多机理的、竞争性的寿命预测方法。案例分析表明,综合考虑突发故障、退化失效和消耗,可以得到更合理的寿命预测结果,在星座维持策略中提高备份星计划的可信性。     

基于剩余推进剂估算的卫星寿命预测方法

针对地球静止轨道卫星在轨寿命问题,提出了通过星上液体剩余推进剂计算分析卫星在轨寿命的方法,研究了工程中影响卫星在轨寿命的因素,给出了适用于工程的卫星寿命预测方法,并通过工程进行了验证.      

基于不完美先验信息的随机系数回归模型剩余寿命预测方法

剩余寿命预测是设备预测与健康管理的核心问题，准确的剩余寿命预测可以在故障发生前进行有效的维护保养，以减小设备故障发生的概率。针对实际剩余寿命预测中先验信息不足或缺乏的问题，提出一种克服不完美先验信息影响的启发式剩余寿命预测方法。首先，利用非线性随机系数回归模型进行退化建模。其次，证明了基于单个设备现场退化数据，期望最大化（EM）算法的参数估计结果收敛于极大似然估计（MLE）算法的参数估计结果，并提出一种合理融合先验信息和现场信息的启发式剩余寿命预测方法。最后，通过数值仿真数据和实际锂电池退化数据对提出的结论和方法进行了验证，结果表明:启发式剩余寿命预测方法相比传统贝叶斯方法能够较好地克服不完美先验信息的影响，更为准确的预测设备地实际剩余寿命。      

基于并联贮箱结构的卫星推进剂剩余量测量方法

星上推进系统推进剂剩余量测量是卫星在轨管理的重要工作,事关卫星剩余寿命估计和离轨时机的选择,对于提高卫星效率具有重大的意义．中国现有的推进剂剩余量计算方法只适用于传统的双贮箱结构,不适用于桁架式卫星平台的多贮箱并联结构,为此必须开发新的计算方法,同时提高计算精度．比较多种推进剂剩余量测量方法,重点论述两种可用于并联贮箱结构的测量方法．     

导航卫星原子钟舱温度控制方法及其验证

原子钟是导航卫星的重要组成部分,可为卫星系统提供高准确及高稳定度的时间频率源.原子钟工作性能与环境温度变化密切相关,为保证其在轨连续、稳定运行,热控系统需为其提供良好的工作温度环境.本文以某导航卫星原子钟舱温度控制为研究内容,给出原子钟舱热控设计方案、控制算法,并进行仿真分析和试验验证.在轨遥测数据表明,卫星原子钟舱热控方案和控制算法设计合理,仿真分析及试验结果有效,各原子钟在轨工作温度满足要求,原子钟温度稳定度满足并优于设计指标近一个数量级.     

考虑随机效应的多源信息融合剩余寿命预测

为了合理利用同类设备的先验信息，提高参数估计和剩余使用寿命（RUL）预测精度，提出一种基于多源信息融合并考虑随机效应的RUL预测方法。利用考虑随机效应的线性Wiener过程对设备的退化过程进行建模；利用期望最大化（EM）算法，融合先验退化信息和先验失效寿命数据信息，计算模型中的未知参数；根据Wiener过程参数估计的性质，提出一种基于多源信息融合并考虑随机效应的非线性Wiener过程参数估计方法；利用激光器数据和疲劳裂纹数据进行实验验证。实验结果表明：与基于历史退化数据或失效寿命数据的方法相比，所提方法能有效提高参数估计和RUL预测的精度。     

基于相关分析和组合神经网络的退化预测

产品剩余寿命预测是加速退化试验和故障预测与健康管理两大热点领域中的关键技术之一.为了解决复杂退化的预测问题,提出了一种新型预测方法,对退化轨迹能够实现较长距离的预测.此方法首先对复杂退化数据进行小波变换,通过Durbin-Watson方法和偏相关图分析各级分解序列的自相关性,最后根据序列的特点,组合BP(Back Propagation)和小波神经网络对退化轨迹进行预测.为了验证所提组合神经网络方法的有效性,采用小波神经网络的预测结果进行对比分析.实际退化数据的预测结果表明,所提方法比单独采用小波神经网络,具有更小的均方差(MSE,Mean Square Error),对剩余寿命(RUL,Remaining Useful Life)也具有更高的预测精度.     

面向装备RUL预测的平行仿真技术

装备平行仿真是系统建模与仿真领域的新兴仿真技术,已经成为研究热点。在装备维修保障领域中,分析了装备剩余寿命（RUL）预测存在的突出问题,即模型参数固定、不具备自适应演化能力,成为阻碍实现装备剩余寿命自适应预测的首要因素。结合装备平行仿真理论,在建模分析的基础上提出了面向装备剩余寿命预测的平行仿真框架,该框架以Wiener状态空间模型为基础仿真模型,在动态注入的装备退化观测数据驱动下,利用期望最大化（EM）算法在线更新模型参数,并利用卡尔曼滤波（KF）算法实现仿真输出数据与观测数据的同化（DA）,从而实现仿真模型动态演化,使得仿真输出不断逼近装备真实退化状态,为准确预测剩余寿命提供高逼真度仿真模型和数据输出。以某轴承性能退化数据为数据驱动源,对该框架进行了验证,仿真结果表明平行仿真方法能准确仿真装备性能退化过程,在提高预测精度的基础上实现了装备剩余寿命的自适应预测,有力证明了平行仿真方法的可行性和有效性。      

循环电载荷下大功率LED金引线疲劳断裂寿命预测

随着大功率发光二极管（LED）在照明领域的普及与广泛应用,可靠性逐渐成为研究的重点。大功率LED封装器件中金引线疲劳断裂失效一直是制约其可靠性的重要因素。通过针对大功率LED封装器件中的金引线力学仿真与功率循环试验相结合的方法,首先确定循环电载荷条件下该型LED的主要失效原因为金引线疲劳断裂,其次提出基于电流加速模型的加速因子提取方法和基于应变幅值的Coffin-Manson解析寿命预测方法,最终完成对LED金引线疲劳断裂寿命的预测和试验验证。研究结果表明:所提方法具有较高的寿命预测精度,可以满足大功率LED封装器件可靠性快速、准确评估的要求。      

纤维增强复合材料疲劳寿命预测及损伤分析模型研究进展

随着纤维增强复合材料主承力结构在多领域内的广泛应用,疲劳成为复合材料结构设计必须面对的问题,出现了大量用于复合材料结构疲劳寿命预测及损伤演化的分析模型与方法。目前的复合材料疲劳性能分析模型可以分为疲劳寿命模型、唯象模型和渐进损伤模型。对这3类模型的发展情况进行了综述和对比分析。其中,疲劳寿命模型原理相对简单,适用于工程结构的寿命估算;唯象模型建立了材料剩余强度/刚度与循环数的数学关系,可以预测结构的寿命与材料剩余力学性能;渐进损伤模型不仅可以预测结构寿命和材料剩余力学性能,还能分析结构疲劳损伤机理。对各类疲劳性能分析模型的发展趋势进行了讨论。指出了降低实施成本和提高通用型是各类疲劳性能分析模型有待解决的问题。      

基于北斗导航检测平台的时间量值传递系统研究

研究了基于北斗卫星的北京市导航检测平台的时间量值传递系统,它以卫星共视法作为数据比对的条件,采用修正值预估技术和相位补偿技术来提高铷钟的准确度与稳定度。本系统可实时地将地方原子时标与UTC（NIM）进行比对溯源,实现北斗卫星导航检测平台的时间量值可靠传递,保证地方原子时标与国家时间基准UTC（NIM）同步差在±10ns以内,以满足北斗导航产品研制、开发和应用的需要。     

基于北斗导航检测平台的时间量值传递系统研究

研究了基于北斗卫星的北京市导航检测平台的时间量值传递系统,它以卫星共视法作为数据比对的条件,采用修正值预估技术和相位补偿技术来提高铷钟的准确度与稳定度。本系统可实时地将地方原子时标与UTC（NIM）进行比对溯源,实现北斗卫星导航检测平台的时间量值可靠传递,保证地方原子时标与国家时间基准UTC（NIM）同步差在±10ns以内,以满足北斗导航产品研制、开发和应用的需要。     

Design of BDS-3 integrity monitoring and preliminary analysis of its performance

With the improvement in the service accuracy and expansion of the application scope of satellite navigation systems, users now have high demands for system integrity that are directly related to navigation safety. As a crucial index to measure the reliability of satellite navigation systems, integrity is the ability of the system to send an alarm when an abnormity occurs. The new-generation Beidou Navigation Satellite System (BDS-3) prioritized the upgrading of system integrity as an important objective in system construction. Because the system provides both basic navigation and satellite-based augmentation system (SBAS) services by the operational control system, BDS-3 adopts an integrated integrity monitoring and processing strategy that applies satellite autonomous integrity monitoring and ground-based integrity monitoring for both the basic navigation service and SBAS navigation service. BDS-3 also uses an improved and refined integrity parameter system to provide slow, fast and real-time integrity parameters for basic navigation, and provide SBAS-provided integrity information messages in accordance with Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA) specification and dual frequency, multi-constellation (DFMC) specification to support the SBAS signal frequency, single constellation operation and DFMC operation respectively. The performance of BDS-3 system integrity monitoring is preliminarily verified during on-orbit testing in different states, including normal operation, satellite clock failure and satellite ephemeris failure. The results show that satellite autonomous integrity monitoring, ground-based integrity monitoring and satellite-based augmentation all correctly work within the system. Satellite autonomous integrity monitoring can detect satellite clock failure but not satellite orbit failure. However, ground-based integrity monitoring can detect both. Moreover, the satellite-based augmentation integrity system monitors the differential range error after satellite ephemeris and clock error corrections based on user requirements. Compared to the near minute-level time-to-alert capability of ground-based integrity monitoring, satellite autonomous integrity monitoring reduces the system alert time to less than 4 s. With a combined satellite-ground monitoring strategy and the implementation of different monitoring technologies, the BDS-3 integrity of service has been considerably improved.     

A new stochastic model considering satellite clock interpolation errors in precise point positioning

Precise clock products are typically interpolated based on the sampling interval of the observational data when they are used for in precise point positioning. However, due to the occurrence of white noise in atomic clocks, a residual component of such noise will inevitable reside within the observations when clock errors are interpolated, and such noise will affect the resolution of the positioning results. In this paper, which is based on a twenty-one-week analysis of the atomic clock noise characteristics of numerous satellites, a new stochastic observation model that considers satellite clock interpolation errors is proposed. First, the systematic error of each satellite in the IGR clock product was extracted using a wavelet de-noising method to obtain the empirical characteristics of atomic clock noise within each clock product. Then, based on those empirical characteristics, a stochastic observation model was structured that considered the satellite clock interpolation errors. Subsequently, the IGR and IGS clock products at different time intervals were used for experimental validation. A verification using 179 stations worldwide from the IGS showed that, compared with the conventional model, the convergence times using the stochastic model proposed in this study were respectively shortened by 4.8% and 4.0% when the IGR and IGS 300-s-interval clock products were used and by 19.1% and 19.4% when the 900-s-interval clock products were used. Furthermore, the disturbances during the initial phase of the calculation were also effectively improved.     

BDS/GPS组合的H-ARAIM PBN和ADS-B应用可用性评估

水平-先进接收机自主完好性监测(H-ARAIM)属欧美大力发展的新型机载自主卫星导航完好性监测技术。从H-ARAIM的基于性能的导航(PBN)和广播式自动相关监视(ADS-B)应用方法出发,基于美国全球卫星导航系统(GPS)和中国自主北斗卫星导航系统(BDS)组合系统,综合考虑不同卫星故障概率、不同星座故障概率、不同星钟星历误差配置以及不同星座配置,全面仿真评估了H-ARAIM的PBN和ADS-B应用全球可用性,结果表明:卫星和星座故障概率变化,对水平保护级(HPL)结果的影响不足0.1%,PBN和ADS-B均可实现全球100%可用性;星钟星历误差变化,会导致较大幅度的HPL变化,最大值可达20 m,但对PBN和ADS-B应用可用性没有显著影响;不同星座配置会对全球和亚太区域平均99.9%HPL结果及PBN和ADS-B应用可用性产生显著影响,HPL变化幅度达到32 m,可用性随星座配置不同而变化,最差可降低到96%。所取成果可为北斗民航应用提供坚实的理论参考和可靠的技术支撑。     

发展我国的空间用高准确度原子钟

原子钟在科学技术、军事和商业中应用甚广,在空间任务,特别是卫星导航系统中起着决定性作用。目前我国还没有自己的空间用高准确度原子频标,发展适合空间应用的星载原子钟是我们面临的迫切任务。     

利用条件平差实现导航星座自主守时方法

针对导航星座自主导航系统的重要组成部分———自主守时系统,提出了一种简便易行的新算法:根据星间测距数据,采用条件平差进行自主守时计算;并且介绍了此方法基本原理和实现思路。自主守时仿真计算表明,此方法守时同步误差不累积,距离测量误差0.1m时,时间同步误差均方根小于0.4m。     

含钟差修正的脉冲星和太阳观测组合导航

为提高深空探测器巡航段的导航定位精度和钟差修正能力,提出一种利用X射线脉冲星和太阳观测信息的组合导航方法.利用脉冲星导航的脉冲到达时间测量值,同时利用太阳敏感器、分光计分别测量太阳视线矢量和探测器相对于太阳的径向速度,并将星载时钟钟差增广为状态变量,构建组合导航系统,利用基于扩展卡尔曼滤波的UD(Upper triangular matrix-Diagonal matrix)分解信息融合算法进行状态估计.仿真结果表明,该方法能有效解决因钟差漂移引起的导航滤波发散问题,同脉冲星导航相比,该方法提高了定位精度和钟差修正能力.     

基于星间链路的导航卫星时间自主恢复策略

基于北斗导航卫星星间链路的测距与数传功能，针对自主导航时卫星时频子系统异常导致载荷系统断电重启的情况，提出了一种基于星载计算机自主计时及星间链路误差校正的策略.在载荷系统重启时间内，利用星载计算机守时，并通过十秒稳定度预报晶振频率漂移量的方法，维持星钟在重启时间内的稳定.载荷系统重启后，星载计算机授时给导航任务处理机，通过误差分析计算出总误差.该误差在星间链路建链误差允许范围内，然后通过星间链路对星钟误差进行校正恢复，重新实现星地时间同步.