及时发现和治疗可能的早期故障,卫星将有效地减少他们可能造成的损失和危害。虽然已经完成了大量的工作关于故障检测问题,卫星初始故障相关的问题没有解决。本文提出了一种新的卫星潜在故障检测方法相结合的思想偏差在无人监督的故障检测方法和分类监管故障检测方法。首先,该方法使用动态线性判别分析(LDA)找到一个最优投影向量将在轨正常历史数据尽可能多的数据。第二,假设下的参数服从多维高斯分布,它适用于正常的历史数据和最优投影向量建立正常模型。最后,它采用偏心的gydF4y2Ba
发射火箭的降低成本和制造卫星,卫星在轨道的数量每年增加,带来巨大的社会经济效益(gydF4y2Ba
目前常见的方法用于检测卫星故障是比较遥测参数直接与预设阈值(gydF4y2Ba
基于模型的卫星故障检测方法比阈值比较聪明,常常将故障检测、隔离和恢复功能(gydF4y2Ba
近年来,数据驱动的故障检测方法已成为一个热门研究课题由于低专家参与的优势,建模效率高和高可伸缩性(gydF4y2Ba
监督故障检测方法的核心思想是分类。这些方法学习和建立一个分类器从正常的历史数据和各种真实或模拟的故障数据。如果在轨数据被分类器,分类为正常类故障的在轨数据将是免费的。相反,如果在轨数据归类为故障分类器类,在轨数据会以某种方式被认为是错误的。代表监督故障检测方法是线性判别分析(LDA) (gydF4y2Ba
现有的研究基础上,提出了一种新的卫星潜在故障检测方法相结合的思想偏差在无人监督的故障检测方法和分类监管故障检测方法。我们工作的主要贡献总结如下:gydF4y2Ba
本文首先使用分类的想法来找到一个最优投影向量分离从正常在轨数据历史数据。具体地说,本文考虑了故障检测问题转换成一个二进制分类问题,利用LDA找到最优投影向量的在轨遥测数据可以区别于正常的历史数据最大程度。gydF4y2Ba
本文然后使用偏差的概念测试故障是否发生在在轨数据。具体地说,一个正常的使用正常的历史数据和构建的模型最优投影向量,和故障是由测试是否正常在轨数据模型的偏差超过阈值。gydF4y2Ba
本文的组织结构如下:简要介绍LDA节中给出gydF4y2Ba
线性判别分析,也称为Fisher判别分析(gydF4y2Ba
我们假设投影向量gydF4y2Ba
我们预计,同一个类的样本尽可能聚集在一起后的投影向量gydF4y2Ba
在方程(gydF4y2Ba
方程的优化问题(gydF4y2Ba
从方程(gydF4y2Ba
传统LDA同时包含正常的训练数据类(0)和故障(第1类)样本。然而,在卫星故障检测领域,多数样品用于训练样本是正常的。因此,本文提出了一种新方法,它将正常的正常历史样本(类0)样品和食品的在轨样品需要测试故障(第1类)样本。传统LDA和LDA的新使用本文所示的数字gydF4y2Ba
利用LDA的比较:(一)传统LDA和(b)本文提出了LDA的使用。gydF4y2Ba
本文打算使用滑动窗口和假设检验的方法来检测故障是否发生在在轨数据。故障检测的总体想法如下:gydF4y2Ba
滑动窗口的长度gydF4y2Ba
LDA用于查找最优投影向量gydF4y2Ba
一个正常的模型是使用正常的历史数据gydF4y2Ba
在轨数据是否gydF4y2Ba
可以看出,传统的利用LDA是静态的。最优投影向量将固定一旦确定了训练数据。摘要LDA的新用途是动态的。每个滑动窗口的在轨数据gydF4y2Ba
后最优投影向量gydF4y2Ba
在本文中,LDA的目标函数gydF4y2Ba
自gydF4y2Ba
为了获得正常的波动范围gydF4y2Ba
自gydF4y2Ba
作为gydF4y2Ba
正火后gydF4y2Ba
此外,我们还可以得到方程(gydF4y2Ba
因此,分子的gydF4y2Ba
使用gydF4y2Ba
因此,分母gydF4y2Ba
总之,分子的gydF4y2Ba
因此,我们可以使用非中心gydF4y2Ba
整体的伪代码基于动态LDA的故障检测方法如下:gydF4y2Ba
每个参数的正常历史样本gydF4y2Ba
一个滑动窗口的长度gydF4y2Ba
在轨数据gydF4y2Ba
LDA用于查找最优投影向量gydF4y2Ba
正常模式的使用gydF4y2Ba
LDA目标函数的值gydF4y2Ba
确定是否gydF4y2Ba
寻找最优投影向量的计算成本为每个窗口主要由矩阵求逆、矩阵乘法,解决特征值问题。这三个部分的时间复杂性gydF4y2Ba
数值模拟实验包括三个故障进行验证本文提出的方法的有效性。所示的系统建模gydF4y2Ba
在方程(gydF4y2Ba
本文四个评价指标:故障检测率(罗斯福)、误警率(远),F1值,和AUC值作为评价的指标选择故障检测结果:gydF4y2Ba
数值例的其他参数设置如下。样品的总数是120400其中60200是正常的历史样本和60200在轨测试样品。滑动窗口长度是300,和滑动窗口的时间间隔是100年正常的历史数据和在轨实验中的数据。使用滑动窗口后,600年窗户从正常的历史数据获得和在轨数据。第一个300 windows 600的在轨数据是正常的窗户,而最后300 windows是错。信噪比(信噪比)设置为30 dB (gydF4y2Ba
摘要八常见的故障检测方法被选作比较的方法,即隔离森林(IForest) [gydF4y2Ba
热电偶的参数设置。gydF4y2Ba
| 方法gydF4y2Ba | 参数设置gydF4y2Ba |
|---|---|
| IForestgydF4y2Ba |
|
| OCSVMgydF4y2Ba | 内核=“线性”,ν= 0.6,污染= 0.05gydF4y2Ba |
| 然而,gydF4y2Ba |
|
| LOFgydF4y2Ba |
|
| 苏格兰哈里法克斯银行gydF4y2Ba |
|
九个故障检测方法的检测结果的错误gydF4y2Ba
5故障检测方法的检测结果的错误gydF4y2Ba
九个故障检测方法的检测结果的错误gydF4y2Ba
5故障检测方法的检测结果的错误gydF4y2Ba
从图可以看出gydF4y2Ba
5故障检测方法的检测结果的错误gydF4y2Ba
这三个故障模拟随机摘要[100倍gydF4y2Ba
故障检测性能的比较三个缺点。gydF4y2Ba
| 评价指标gydF4y2Ba | IForestgydF4y2Ba | OCSVMgydF4y2Ba | 然而,gydF4y2Ba | LOFgydF4y2Ba | 苏格兰哈里法克斯银行gydF4y2Ba |
|
PCA + SPEgydF4y2Ba | PCA + CIgydF4y2Ba | 该方法gydF4y2Ba |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 罗斯福为gydF4y2Ba |
85.75gydF4y2Ba | 41.61gydF4y2Ba | 91.57gydF4y2Ba | 91.8gydF4y2Ba | 83.63gydF4y2Ba | 90.27gydF4y2Ba | 45.39gydF4y2Ba | 90.00gydF4y2Ba | 88.66gydF4y2Ba |
| 远的gydF4y2Ba |
5.37gydF4y2Ba | 5.31gydF4y2Ba | 6.07gydF4y2Ba | 6.49gydF4y2Ba | 5.96gydF4y2Ba | 5.68gydF4y2Ba | 5.61gydF4y2Ba | 5.64gydF4y2Ba | 4.95gydF4y2Ba |
| F1的gydF4y2Ba |
0.896gydF4y2Ba | 0.517gydF4y2Ba | 0.926gydF4y2Ba | 0.926gydF4y2Ba | 0.881gydF4y2Ba | 0.921gydF4y2Ba | 0.589gydF4y2Ba | 0.920gydF4y2Ba | 0.916gydF4y2Ba |
| AUC为gydF4y2Ba |
0.964gydF4y2Ba | 0.791gydF4y2Ba | 0.977gydF4y2Ba | 0.976gydF4y2Ba | 0.957gydF4y2Ba | 0.978gydF4y2Ba | 0.804gydF4y2Ba | 0.978gydF4y2Ba | 0.976gydF4y2Ba |
| 罗斯福为gydF4y2Ba |
5.80gydF4y2Ba | 45.07gydF4y2Ba | 6.49gydF4y2Ba | 6.76gydF4y2Ba | 6.19gydF4y2Ba | 5.65gydF4y2Ba | 6.11gydF4y2Ba | 5.94gydF4y2Ba | 99.47gydF4y2Ba |
| 远的gydF4y2Ba |
5.37gydF4y2Ba | 5.13gydF4y2Ba | 5.85gydF4y2Ba | 6.34gydF4y2Ba | 5.71gydF4y2Ba | 5.10gydF4y2Ba | 5.87gydF4y2Ba | 5.75gydF4y2Ba | 4.86gydF4y2Ba |
| F1的gydF4y2Ba |
0.103gydF4y2Ba | 0.533gydF4y2Ba | 0.115gydF4y2Ba | 0.118gydF4y2Ba | 0.110gydF4y2Ba | 0.101gydF4y2Ba | 0.108gydF4y2Ba | 0.106gydF4y2Ba | 0.973gydF4y2Ba |
| AUC为gydF4y2Ba |
0.511gydF4y2Ba | 0.794gydF4y2Ba | 0.522gydF4y2Ba | 0.516gydF4y2Ba | 0.509gydF4y2Ba | 0.507gydF4y2Ba | 0.537gydF4y2Ba | 0.517gydF4y2Ba | 0.998gydF4y2Ba |
| 罗斯福为gydF4y2Ba |
5.42gydF4y2Ba | 59.44gydF4y2Ba | 6.40gydF4y2Ba | 6.74gydF4y2Ba | 5.81gydF4y2Ba | 5.53gydF4y2Ba | 6.90gydF4y2Ba | 6.84gydF4y2Ba | 99.96gydF4y2Ba |
| 远的gydF4y2Ba |
5.48gydF4y2Ba | 5.37gydF4y2Ba | 5.92gydF4y2Ba | 6.14gydF4y2Ba | 5.79gydF4y2Ba | 5.40gydF4y2Ba | 5.70gydF4y2Ba | 5.54gydF4y2Ba | 5.07gydF4y2Ba |
| F1的gydF4y2Ba |
0.097gydF4y2Ba | 0.659gydF4y2Ba | 0.113gydF4y2Ba | 0.118gydF4y2Ba | 0.103gydF4y2Ba | 0.099gydF4y2Ba | 0.121gydF4y2Ba | 0.121gydF4y2Ba | 0.975gydF4y2Ba |
| AUC为gydF4y2Ba |
0.506gydF4y2Ba | 0.856gydF4y2Ba | 0.522gydF4y2Ba | 0.514gydF4y2Ba | 0.503gydF4y2Ba | 0.500gydF4y2Ba | 0.560gydF4y2Ba | 0.523gydF4y2Ba | 1.000gydF4y2Ba |
从表可以看出gydF4y2Ba
图gydF4y2Ba
两个故障检测方法的检测结果错误gydF4y2Ba
很明显从图gydF4y2Ba
比较的故障检测结果与不同的断层大小:(a)不同断层F1值大小和(b) AUC值不同的故障情况。gydF4y2Ba
如数据所示gydF4y2Ba
为什么该方法显著差异检测的缺点吗gydF4y2Ba
最优投影向量的变化为不同的缺点:(a)最优投影向量的gydF4y2Ba
从图可以看出gydF4y2Ba
最优投影向量的每个组件的大小决定了不同参数的缩放程度gydF4y2Ba
从图可以看出gydF4y2Ba
传统的故障检测方法,如OCSVM IForest, PCA,静态方法。学习过程完成后,他们将使用一个固定和不变的模型检测的缺点。虽然资讯方法是动态的,它能公平对待每个参数。他们没有上述动态过程扩大故障参数的权重和抑制无关的参数的权重。因此,其他八个方法没有有效的缺点gydF4y2Ba
2020年6月28日,一个错误发生在一个卫星有效载荷的重要组成部分。postfailure分析显示,故障已经生成并发展了很长一段时间。然而,由于第一次出现故障和小的大小初始故障,故障没有及时发现和处理。最后,关键组件的状态变得不可用。本文共1315515个样本相关的五个遥测参数错误的组件收集从卫星测量和控制系统从2018年11月10日12:15:04 19:59:39 2019年12月2日,如图gydF4y2Ba
生为断层相关参数遥测数据。gydF4y2Ba
第一个样本总数的266540个样本被选为正常的历史数据,而接下来的197000个样本被选为测试数据。滑动窗口长度还设置为300的测试数据和历史数据正常,但滑动窗口的时间间隔设置为100。滑动窗口提取后,共有2663个窗户被从正常的历史数据,获得和共有1968个窗口获得的测试数据。第一个324 windows的1968测试windows是正常的,而随后的windows是错。该方法的显著性水平设置为0.0001,而其他的实验参数中给出的相同部分gydF4y2Ba
比较真实的卫星故障检测性能的错。gydF4y2Ba
| 评价指标gydF4y2Ba | IForestgydF4y2Ba | OCSVMgydF4y2Ba | 然而,gydF4y2Ba | LOFgydF4y2Ba | 苏格兰哈里法克斯银行gydF4y2Ba |
|
PCA + SPEgydF4y2Ba | PCA + CIgydF4y2Ba | 该方法gydF4y2Ba |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 罗斯福(%)gydF4y2Ba | 22.57gydF4y2Ba | 88.19gydF4y2Ba | 95.82gydF4y2Ba | 97.54gydF4y2Ba | 29.46gydF4y2Ba | 81.80gydF4y2Ba | 59.78gydF4y2Ba | 85.79gydF4y2Ba | 99.94gydF4y2Ba |
| 远(%)gydF4y2Ba | 2.05gydF4y2Ba | 7.60gydF4y2Ba | 9.65gydF4y2Ba | 12.28gydF4y2Ba | 2.63gydF4y2Ba | 3.22gydF4y2Ba | 2.34gydF4y2Ba | 1.75gydF4y2Ba | 1.17gydF4y2Ba |
| F1gydF4y2Ba | 0.367gydF4y2Ba | 0.929gydF4y2Ba | 0.969gydF4y2Ba | 0.975gydF4y2Ba | 0.453gydF4y2Ba | 0.897gydF4y2Ba | 0.746gydF4y2Ba | 0.922gydF4y2Ba | 0.999gydF4y2Ba |
| AUCgydF4y2Ba | 0.899gydF4y2Ba | 0.960gydF4y2Ba | 0.990gydF4y2Ba | 0.992gydF4y2Ba | 0.888gydF4y2Ba | 0.971gydF4y2Ba | 0.934gydF4y2Ba | 0.988gydF4y2Ba | 1gydF4y2Ba |
5故障检测方法的检测结果为真正的卫星故障:(a) IForest方法,(b) OCSVM方法,(c)资讯的方法,(d) LOF方法,(e)苏格兰哈里法克斯银行(HBOS)方法,(f)gydF4y2Ba
它可以概括从图gydF4y2Ba
基于现有的卫星故障检测方法的分析和比较,提出了一种新的潜在故障检测方法,结合无监督学习的核心思想和监督学习。然后,验证了该方法的有效性和优越性通过一个数值模拟案例和一个真正的故障情况。本文只研究线性高斯系统。如果系统不符合联合高斯分布和线性的假设,该方法的检测效果可能会减少。由于方差LDA的不敏感,该方法适用于检测的轻微的异常变化意味着方差而不是轻微的异常变化。gydF4y2Ba
热电偶的网站gydF4y2Ba
IForestgydF4y2Ba
OCSVM内核:它指定内核类型使用的算法。ν:训练误差的上界和下界的支持向量的分数。污染:污染的数量数据集,即。在数据集,异常值的比例。gydF4y2Ba
然而,gydF4y2Ba
LOFgydF4y2Ba
苏格兰哈里法克斯银行gydF4y2Ba
数值例中的数据包括用于支持本研究的文章。真正的卫星故障数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。gydF4y2Ba
作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba
这项研究受到了北斗导航在轨支持系统(批准号JKBDZGDH01)和国家特殊支持高层次人才计划(批准号WRJH19DH01)。gydF4y2Ba