多层级多类型不均衡数据下的航天器剩余寿命预测技术研究

The spacecraft is the main equipment to perform space mission. The reliability of spacecraft is important and the residual life is one of the important indexes. For spacecraft, the collected data are on-orbit operation data, on-orbit big performance data, expert knowledge and similar products data. They are imbalanced and in different levels from unit, subsystem and system. There is no effective methods for the residual life estimation of spacecraft currently. Hence, by considering the spacecraft units and system in the view of using multi-level, multi-source and imbalanced data, we study the residual life estimation of units based on the or-orbit operation data and incorporation of multi-source imbalanced data, respectively, together with the residual life estimation of system based on the incorporation of multi-level data. The results of residual life estimation are improved through the statistical methods of few failure and zero-failure data with small sample size, big performance data mining, incorporation of multi-source imbalanced data and residual life estimation of complex system. And the research is proved to be feasible and effective by applying to satellite. Further, the research could satisfy the demand of residual life estimation for spacecraft in engineering and support the operation of or-orbit operation policy.Therefore, the research is meaningful and practical.

航天器是执行航天任务的主要装备，它的可靠性至关重要，而剩余寿命是一个重要指标。航天器可收集到在轨运行时间数据、在轨遥测性能参数大数据、专家数据和相似产品数据等多类型数据，并分布在航天器单机、分系统和系统等不同层级，且数据量之间是不均衡的。当前国内外还没有形成比较成熟的工程化预测航天器剩余寿命的方法，因此本项目从充分利用多层级多类型不均衡数据的角度，以航天器单机和系统为对象，分别研究基于在轨运行时间数据和多类型不均衡数据融合的单机剩余寿命预测，以及基于多层级数据融合的系统剩余寿命预测，攻克小样本下极少失效和无失效数据的统计、性能参数大数据的挖掘、多类型不均衡数据的融合和复杂系统剩余寿命的预测等理论难题，提高剩余寿命预测结果的精度，并以某卫星为例开展应用研究，验证理论成果的可行性和有效性。本项目将满足航天器剩余寿命预测的迫切工程需求，并支撑其在轨运行策略的制定，具有重大的理论意义和应用价值。

剩余寿命是航天器可靠性的重要指标，如果不能准确预测航天器的剩余寿命，将影响航天器的有效使用，以及后续的生产和发射计划。因此，预测航天器的剩余寿命是十分必要的。但由于面临同型号装备数量小、系统级失效数据少、系统组成单元多、结构复杂的问题，造成航天器的剩余寿命预测研究难度很大。.本项目基于数据研究了航天器的在轨剩余寿命预测技术，包括基于在轨运行时间数据的单机剩余寿命预测、基于多类型不均衡数据融合的单机剩余寿命预测、基于多层级数据融合的系统剩余寿命预测和应用研究。.以卫星这种航天器为具体对象开展研究，取得了一系列理论突破，（1）针对基于在轨运行时间数据的卫星单机剩余寿命预测研究，提出了基于不等定时截尾数据的卫星在轨运行时间数据模型、基于信息熵和贝叶斯理论的卫星单机剩余寿命预测方法、基于修正因子的卫星单机剩余寿命预测方法和基于广义分布的卫星单机寿命模型，并开展了基于最小二乘法的卫星单机剩余寿命预测比较研究；（2）针对基于多类型不均衡数据融合的卫星单机剩余寿命预测研究，提出了基于相关度和遗传算法的性能参数特征提取方法、基于相似寿命模型的相似产品数据折算及剩余寿命预测方法、面向不同形式专家数据基于分布折算和贝叶斯的分类融合方法、基于分步综合的不均衡数据融合方法和基于贝叶斯的多类型数据相容性检验和融合方法；（3）针对基于多层级数据融合的卫星系统剩余寿命预测研究，提出了基于“金字塔”模型和结构函数的卫星系统层级可靠性结构模型、面向典型可靠性结构模型基于可靠度多阶矩的层级数据折算方法、基于多类型数据融合与多层级数据折算的卫星系统剩余寿命预测方法；（4）针对应用研究，从多个角度进行了分析，包括面向具体型号卫星的理论验证、面向在轨运行管理和维修决策的应用验证以及应用推广。.研究成果可以直接应用到具体型号卫星的剩余寿命预测，并将推广到长期合作的部分卫星管理单位，为高端装备制造管理和国防建设发挥作用。