[發明專利]一種衛星太陽電池在軌運行剩余壽命的建模與分析方法

在審

• 申請號: 201711065644.9
• 申請日: 2017-11-02
• 公開（公告）號: CN107729678A
• 公開（公告）日: 2018-02-23
• 發明（設計）人: 胡慶培;盛至冬;于丹
• 申請（專利權）人: 中國科學院數學與系統科學研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 李娜

技術領域

本發明涉及一種衛星太陽電池在軌運行剩余壽命的建模與分析方法，主要用于電池陣功率數據的失效模式分析。屬于質量與可靠性工程領域。

背景技術

衛星平臺的太陽能電池陣是關系到衛星能否正常工作的關鍵設備，但目前在該衛星平臺上大規模應用的可靠性設計分析中，依然長期沿用國外失效率數據，失效模式、退化規律研究不深入等問題，依然未得到有效的解決。對于常見的供電系統，其性能都會經歷一個緩慢衰減的過程。雖然衰減很緩慢，但是供電系統基本都會有幾年甚至幾十年的壽命，在其生命階段后期，總體的衰減量將累計到一定程度，就很有可能達不到為整個衛星平臺提供足夠電能的要求。所以，我們需要對電池陣的輸出功率進行監測，一是要判斷其是否還能滿足運行衛星正常工作的需求，另外也是為了能進一步準確預測其剩余壽命。現在已經有多種失效模型應用于擬合監測實際運行數據，但是，由于衛星是在太空中運行的，太空中未知和意外的環境因素突變會使得電池陣中部分元器件或者結構有所損壞，造成電池陣的輸出功能有突然的掉落。所以，緩慢的功率衰減和突然的功率掉落都會影響太陽能電池陣的壽命，我們需要對這種混合退化現象進行模型分析來分析其可靠性和壽命。

通常情況下，太陽能電池陣輸出功率會具有多個階段，這種現象可以被看做是混合了兩種失效模式——軟失效模式和硬失效模式。軟失效模式是指，太陽能電池陣的輸出功率具有的緩慢衰減飄移，這種緩慢的衰減往往是太陽能電池片的運行環境因素造成的，比如溫度、濕度和輻照影響。硬失效是指，太陽能電池陣的輸出功率曲線被拆成多段，每兩段之間具有突然的功率跳躍，這個跳躍一般是負向的，表現成功率突然掉落，出現這種現象的原因往往是太陽能電池陣中的部分元器件突然損壞或者失效，這種突然掉落會使得功率退化曲線被拆成了多個階段。而且這種損壞或失效，我們無法直接檢測到，因為太陽能電池陣的重量和數量都會有限制，安裝大量的傳感器來檢測每一個元器件是否工作正常是不現實的。我們不可避免必須要先從多階段退化數據中，分析出功率突變點的信息，然后才能分離出軟失效模式和硬失效模式。

現有針對具有變點退化數據的研究，都是假設了退化數據中存在變點的數量是一定的，已知的，而且模型中的每個階段之間都是相互獨立的。此外，很多失效模型都是只能處理一個變點的情況，這個無法提供足夠的信息來分析硬失效模式，將這些失效模型和擬合的算法拓展成多個變點的情況，也是很難的。對于我們需要分析的存在多個且數量未知的變點的退化數據，現有模型和算法是無法完成的。

為了解決這一難題，我們利用隱馬爾可夫模型建立失效模式模型，來表現退化數據的各種性質，并給出該模型的參數估計算法，算法的估計效果和收斂性分析，然后根據失效模式模型進行硅太陽能電池陣的可靠性分析，估計其剩余壽命。

發明內容

本發明的目的在于提供一種衛星太陽電池在軌運行剩余壽命的建模與分析方法，具體是提供了一種利用隱馬爾可夫模型分析具有多個變點的在軌運行數據的分析方法，以根據數據確定其失效模式和模型參數，并進行可靠性分析，給出其剩余壽命。

本發明一種衛星太陽電池在軌運行剩余壽命的建模與分析方法，其技術方案如下：

如圖3所示，該方法具體步驟如下：

步驟一：數據預處理。

對于遠遠超過均值的異常點，和偏離周邊數據較多的離群點進行剔除。

步驟二：周期項模型判別

利用以下潛周期模型，分析在軌數據的周期性質。

其中，y_t為需要分析的在軌數據，長度為t，總共具有k個潛周期，A_j為每個潛周期的振幅，ω_j為每個潛周期的頻率，為每個潛周期的初始相位，∈_t為誤差項。

計算：

根據|S_N(λ)|的圖形形狀，對潛周期模型中周期個數k，頻率ω_j進行估計，得到頻率ω_j的估計值以及相應的周期估計值

步驟三：缺失數據填充

隨著衛星所處位置的不同，相鄰兩天數據的一階差分Δy_t的大小正負也會不同。從理論上來講，在不同年份的相同一天(比如第2年的第50天和第3年的第50天)，太陽能電池陣輸出功率的一階差分應該近似。在上一步驟中，我們知道在軌數據具有周期性，而由于衰減率相對較小，在一個周期的短時間內(在這里，我們以一年為例)，可以近似為直線，那么就可以認為在一個周期內相鄰兩天的一階差分：