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摘要：针对卫星导航接收设备的技术特点和维护需求，基于故障检测与健康管理技术，提出了一种从射频前端、数字信号处理到算法实现全流程的预测与健康管理方案，搭建了卫星导航接收设备预测与健康管理系统体系结构；基于检测信息设置，完成信号处理与状态监测，开展卫星导航接收设备实时健康评估与寿命预测研究，根据评估与预测结果制定维护方案，实现卫星导航接收设备的健康管理，具有一定的工程推广价值。
关键词：预测与健康管理；卫星导航接收设备；健康评估；寿命预测
引言
现代飞机为完成从起飞、巡航、进场到着陆全过程的全天候、长航时、高安全性的飞行使命，对导航系统提出了具备全天候自主导航、保持长航时精度、提供全姿态的导航参数输出能力要求。卫星导航系统作为目前所有导航方式中精度最高的方式，被广泛应用于各类飞行器导航、着陆和精密测量等方面。然而，卫星导航本质上属于无线电导航，容易受到有意或无意的射频干扰，导致设备定位的精度及可靠性受到影响，因此在实际应用中常常采用惯性／卫星组合导航方式。在面向对导航精度要求高的任务时，卫星导航系统高可靠连续定位成为任务能否完成的关键因素。从目前应用看接收机问题是占组合问题的主要因素，而目前，对卫星导航接收机的故障诊断主要依靠于开机自检和基于算法的性能检测，可概括为：以余度管理和BIT为检测方法、以定期维护为主，采用多、勤、细来的方法预防卫星导航接收系统故障。实时故障检测能力不足，不具备向组合导航系统提供导航性能预估的能力，且事后维修的解决问题途径已经不能满足新一代飞行器的要求，因此对卫星导航接收系统全生命周期的故障预测与健康管理已变得至关重要。
故障预测与健康管理就是预测未来一段时间内系统失效可能性以及采取适当维护措施的能力。目前，PHM技术已在军用和民用领域广泛应用，比如航空、航天、装甲装备等。通过分析工程应用实例发现，PHM技术能够实现自主式保障，提高维修保障效率和任务成功率，有效降低维修费用，缩短维修时间。
1.PHM技术的应用和发展
PHM的关键技术主要包括先进的传感器技术、嵌入式测试诊断技术、数据传输技术、数据挖掘与信息融合技术、健康评估与故障预测技术和智能推理与决策支持技术。它对装备维修保障具有重要意义，主要包括：
1.1基于PHM的视情维修方式可以很好地解决盲目修理或失修问题。
1.2、PHM系统可依靠其强大的状态监控和故障预测能力，事先做出维修决策，减少维修次数，缩短维修时间，提高装备的维修保障效率和战备完好率。同时，可降低维修保障费用，提高经济效益。
1.3通过对装备状态的健康评估，实时掌握其运行状况，及时处理存在的问题，可极大地降低执行任务过程中故障引起的风险，提高遂行任务的能力。
2.卫星导航接收设备的PHM
卫星导航接收设备健康管理的出发点是从整体上提高卫星导航完成导航任务的可靠性和安全性。这种技术主要是借助于各种数据处理技术来诊断系统自身的健康状态，并在系统故障发生前对其进行预测，使卫星导航接收设备自身具有故障检测、隔离和性能检测，健康管理，故障预测功能，即通过消除和减弱有故障部件的影响，对故障进行预测，并对维修进行决策，从而最大程度地提高卫星导航完成导航任务的可靠性和安全性。
卫星导航接收设备健康管理的目的是预测卫星导航接收设备的性能，给出卫星导航接收设备的实时导航性能，关键是监测信息的选取和性能模型的建立。在进行卫星导航接收设备健康管理时，可充分利用卫星导航系统自身的先验信息、其他传感器的辅助信息和自身的冗余信息，构建健康管理数据库，形成PHM模型和知识库，提供系统维护方案，其系统体系结构如图１所示。
2.1检测信息设置
系统上电完成上电自检测、直接合理性检测、检测状态信息设置，具体检测信息如下：
１）针对射频信号设置信号幅度检测；
２）针对中频采样设计FFT变换，检测是否存在干扰；
３）针对测量信息，判断载波及多普勒处理结果；
４）基于卫星及时钟先验信息的时间位置信息判断，定位几何精度因子值判断，定位计数值判断等。建立从射频前端、数据采样、测量信息处理到定位解算全流程全方位的检测信息点设置。
2.2信号采集与处理
将数据处理成与要求的形式相一致；
１）采集2.1中设置的各类检测信息；
２）将采集到的检测信息处理为符合要求的格式。
2.3状态检测
根据检测信息（时延、多普勒、伪距）可能产生的影响（时间、速度、位置），梳理不同应用条件下的可用信息（高精度原子钟、惯导、双天线冗余信息），采用直接合理性和滤波器检测方法，实现输出信息可用性判断和故障检测，并形成系统的物理状态或性能，设计卫星导航接收设备的状态检测逻辑如图２所示。
2.3.1时钟检测
利用原子钟的高精度守时特性，当接收机解算后输出的整秒时刻和原子钟输出的整秒时刻超出检测门限后，认为导航信息不可信。
2.3.2速度检测
利用惯导系统与接收机系统速度之差进行判断，考虑惯导系统的漂移误差，当两者差值超出检测门限后，认为卫星信息不可信。为了减小接收机噪声的影响，对接收机速度和惯导速度的差值进行平滑滤波处理，根据平滑后的数据进行判断。
2.3.3位置检测
利用惯导系统与接收机系统位置之差进行判断，考虑惯导系统的漂移误差，当两者差值超出检测门限后，认为卫星信息不可信。为了减小接收机噪声的影响，对接收机位置和惯导位置的差值进行平滑滤波处理，根据平滑后的数据进行判断。
2.3.4伪距检测
利用惯导位置与卫星位置，得到计算伪距，和接收机对同一颗星的测量伪距进行比较，考虑惯导漂移，如果误差超过了允许的范围，则导航信息不可信
2.3.5多普勒检测
利用惯导速度与卫星速度，得到计算多普勒，和接收机对同一颗星的测量多普勒进行比较，考虑惯导漂移，如果误差超过了允许的范围，则导航信息不可信。
2.3.6双天线空间矢量冗余信息检测
基于具有几何约束关系的天线先验信息，在同一时刻将双天线对同一颗卫星的测量值做差，得到同一颗星测量值的单差结果。由于单差可以消除卫星钟差、对流层延迟和电离层延迟的影响，单差测量值是和天线空间基线相关的一个量值，如果单差值超过范围，则认为导航信息不可信。选择参考星，将同一时刻其他卫星同参考星的单差做差，得到卫星相对于参考星的双差结果。双差测量值是和天线空间基线相关的数值，如果双差后结果趋向于０，则认为导航信息不可信。
结语
随着PHM技术在军事和民用领域的广泛应用，世界各国对PHM技术的兴趣日渐浓厚。各国卫星系统在不断升级换代、逐步追求技术创新和应用拓展的同时，作为涉及领域广、设备组成复杂的工程系统，随着运行时间的逐渐增长稳定运行将面临着严峻的挑战。借鉴PHM概念和技术，构建了卫星导航定位系统的健康管理框架，为实现智能化的系统健康评估和管理维护奠定了基础。
参考文献
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