遥测数据驱动的航天器电源机理模型输入输出参数的动态更新方法

本发明属于航天器电源系统，具体涉及一种航天器电源机理模型领域。

背景技术：

1、航天器结构组成复杂，软硬件系统众多。电源系统是航天器上产生、储存、调节、变换和分配电能的系统，负责为航天器各系统和载荷在轨工作的各个阶段提供和分配电能。经过数十年的发展，航天器电源已形成一套完整的体系，其典型部件主要包括太阳能电池阵、蓄电池组、电源控制器及负载等。

2、电源作为航天器在轨运行中唯一的电能来源，电源系统的工作状态直接影响整个飞行任务的成败。为保证航天器在轨的长期稳定运行，对航天器电源建立模型是实现设计验证、运行维护、健康状态管理的重要手段。

3、现有的航天器电源建模方法主要包括机理建模和数据驱动建模。其中，机理建模运用等效电路、数据拟合以及控制理论等方法体系建立变量间的数学关系。但机理模型通常为静态模型，易失真，难以满足在轨运行的动态化需求。数据驱动建模方法通过挖掘数据中的内在信息建立数学模型并表达系统运行状态，但针对复杂系统建模缺乏先验知识，可能导致输入-输出映射复杂，模型收敛困难。以上两种通用建模方法在航天器电源的建模应用中均存在不足，难以适应航天器电源复杂工况下的故障预测和健康状态评估。

4、将遥测数据融合到机理模型中，主要存在以下技术难题：

5、模型的保真度：目前已建立的太阳电池阵、蓄电池组及电源控制器的机理模型过于理想，存在较大失真，将遥测数据融合到模型中，难以保证模型的保真度。

6、模型的动态性：航天器电源在轨运行工况复杂，导致目前对电源各种工况的建模不充分，数据样本分布不平衡，模型动态性差，难以实现虚实同步。

7、模型的验证：将遥测数据融合到机理模型中通常缺乏验证手段，难以保证模型输出的准确性和稳定性，对于出现的问题难以及时发现和修正。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种遥测数据驱动的航天器电源机理模型输入输出参数的动态更新方法，解决现有技术中的航天器电源建模方法存在的静态模型易失真，难以满足在轨运行的动态化需求，以及针对复杂系统建模缺乏先验知识，模型输入-输出映射复杂、收敛困难，导致其难以适应航天器电源复杂工况下的故障预测和健康状态评估的问题。

2、遥测数据驱动的航天器电源机理模型输入输出参数的动态更新方法，所述方法包括：构建航天器电源机理模型；采集遥测数据，对所述遥测数据进行预处理，得到处理后的数据；将所述处理后的数据输入到所述机理模型中，所述模型根据数据特征对实时遥测数据进行处理与运算，得到输出数据，实现对模型输入输出参数的动态更新；

3、进一步地，所述航天器电源机理模型包括：太阳电池阵模型、电源控制器模型、蓄电池组模型和负载模型；

4、进一步地，所述遥测数据包括：光照期、地影期、初入影期的遥测数据；

5、进一步地，所述光照期、地影期、初入影期的遥测数据包括：太阳电池阵温度、太阳入射角、太阳电池阵输出电流、母线电压、母线电流、蓄电池组充放电电流、蓄电池组充放电电压；

6、进一步地，所述对遥测数据进行预处理包括：数据清洗、特征选择、数据集成；

7、进一步地，所述数据清洗包括：去除重复数据、处理异常值；所述特征选择包括：排除无用的特征；所述数据集成包括：将经过预处理后的数据按时间维度保存并导出为新的时间序列数据集；

8、进一步地，所述方法还包括：将所述时间序列数据集按照时间顺序依次输入至所述机理模型中，得到与所述时间序列数据集相同维度的输出数据；

9、遥测数据驱动的航天器电源机理模型输入输出参数的动态更新系统，所述系统包括：用于构建航天器电源机理模型的建模模块；用于采集遥测数据并对所述遥测数据进行预处理的数据采集处理模块；用于将处理后的数据输入到所述机理模型，得到输出数据的数据更新模块。

10、本发明的有益效果：

11、本发明实现了机理模型输入输出参数的动态更新，可获得明显的应用效果，具体如下：

12、高保真机理模型构建：本发明基于航天器电源的运行机理和失效模式建立系统的等效性机理模型，并通过高效的数据预处理对遥测数据进行处理和转换，以使其有效融入机理模型。

13、模型的动态同步：本发明将遥测数据输入到机理模型中，结合航天器电源的动态输入/输出特性，获得模型的动态输出，实现模型与在轨航天器运行状态的虚实同步。

14、有效的反馈和验证机制：本发明将模型参数的动态输出与实际遥测数据进行比较和验证，及时调整算法和模型，提高模型动态输出的保真度。

15、本发明结合机理模型能够表征实际运行物理规律和遥测数据具有动态更新的特点，将遥测数据融合进机理模型中，实现模型输入输出参数的动态更新。其中，机理模型为遥测数据提供物理输出特性以及特征选择的方向，遥测数据弥补机理模型输入输出泛化能力差的不足。将遥测数据融入机理模型中，有效提高机理模型的实时性，可以快速响应数据变化和修正的需求，可使多尺度模型更好的映射实体全方位的信息。

16、现有航天器电源系统，通常依靠遥测数据监测电源系统的运行状态，遥测数据与机理模型的融合不够紧密。与现有技术相比，本发明创新性地提出了遥测数据驱动的航天器电源系统机理模型输入输出参数的动态更新方法，通过选择电源系统的遥测数据特征，实时修正机理模型的输入与输出，弥补机理模型动态性差的不足，实现运行状态的实时动态监测。

17、本发明对于航天器电源系统的研发验证与智能运行维护具有重要的应用价值，根据“在轨”、“地面”各一套的原则，本发明可辅助航天器电源的全寿命周期建立数字伴飞模型，根据实时遥测数据模拟在轨航天器运行状态，预测、指导和决策在轨航天器电源实体的运行。

18、相比于现有模型设计，本发明的主要优势为：

19、准确度高：航天器电源机理建模基于物理学原理、经验知识等多种信息，融合遥测数据输入参数后，模型的输出趋于真实在轨工况，具有更高的准确度。

20、可控性强：遥测数据驱动的航天器电源机理建模过程中，各种变量和参数可以进行精确的控制和调整，以满足不同的需求和条件。

21、实时性好：遥测数据的特征具有良好的动态性，可实时表征航天器电源的运行状态，使用其修正机理模型的输入与输出可获得较好的模型实时特性。

22、通过遥测数据动态更新机理模型的输入输出，有助于更清晰地了解系统的行为，更准确地预测未来的发展趋势。相比于传统建模方法需要收集一定时间段内的数据，建立离线模型。本发明可利用实时遥测数据，实现模型的动态输入与动态输出，可以更及时、准确地反映航天器电源系统的实时变化情况。另外，传统建模方法的模型假设可能与实际系统行为不完全匹配，因此模型的输出精度理论上较低。本发明使用遥测数据动态更新模型的输入输出，可以根据实际系统行为进行更精准的调整，从而提高模型的输出精度。

23、本发明适用于对航天器电源系统的研发验证与智能运行维护、辅助航天器电源的全寿命周期建立数字伴飞模型，根据实时遥测数据模拟在轨航天器运行状态，预测、指导和决策在轨航天器电源实体的运行。