北斗卫星导航系统智能运行维护理论与实践

　　本书在总结北斗系统运行维护经验的基础上，根据北斗三号系统星地一体化运行特点，以服务为核心，融合系统内外多维多源数据，应用人工智能、大数据、云计算等新技术手段，提出了北斗三号系统智能运行维护体系、要素和方法，解决了系统数据信息联通、融合、挖掘和应用问题，开展了系统实时在线评估、快速故障诊断定位、故障预测与预警、辅助决策支持等具体场景应用，可有效实现北斗系统平稳过渡和系统稳定运行，对北斗系统运行风险进行精确定量分析和智能管控，提高北斗系统运行管理科学化水平，确保北斗系统安全、可靠、稳定运行，提供优质服务。

　　杨长风，男，北斗卫星导航系统工程总设计师，主持设计了北斗多功能融合、相控阵星间链路、新型导航信号等创新技术体制，统筹构建形成了国内首个规模化、融合化、大众化服务的航天工程活性生态体系，实现了两年发射18箭30星、星地组网一次性圆满成功的“北斗速度”；主持完成北斗工程管理和技术报告120余部，主编出版《北斗二号卫星工程系统工程管理》，获钱学森杰出贡献奖，以及多项国家部委级科技进步奖。

第1章概论1
1.1北斗系统概况1
1.1.1北斗系统基本组成1
1.1.2北斗系统特点2
1.2北斗系统运维概况2
1.2.1北斗系统运维特点和要求2
1.2.2北斗系统运维发展历程3
1.2.3北斗系统运维现状6
1.2.4北斗系统运维面临的挑战8
1.3发展趋势与机遇11
1.3.1国外卫星导航系统运维体系发展情况11
1.3.2航天器健康管理技术发展情况21
1.3.3人工智能与大数据技术发展及其在系统运维中的应用情况28
1.3.4现代信息技术给北斗系统运维带来的机遇37
第2章北斗系统智能运维理论与技术体系40
2.1概述40
2.2北斗系统智能运维理论40
2.2.1北斗系统运维理论基础40
2.2.2北斗系统智能运维“三环三融合”原理42
2.2.3北斗系统智能运维理论模型47
2.2.4北斗系统智能运维内涵与特征47
2.3北斗系统智能运维技术体系50
2.3.1体系构建目标50
2.3.2北斗系统智能运维技术体系架构51
2.3.3数据感知融合技术51
2.3.4系统运行评估技术55
2.3.5系统故障诊断预测技术57
2.3.6系统运维决策技术58
2.4北斗系统智能运维技术发展路线60
2.4.1北斗系统智能运维发展思路60
2.4.2北斗系统智能运维发展路线图的绘制61
2.4.3北斗系统智能运维分阶段建设内容61
第3章北斗系统数据感知融合64
3.1概述64
3.2数据类型与标准64
3.2.1卫星导航数据65
3.2.2在轨遥测数据67
3.2.3星间链路数据68
3.2.4监测评估数据69
3.2.5地面试验测试数据75
3.2.6质量问题信息78
3.2.7数据标准78
3.3数据监测感知78
3.3.1监测体系78
3.3.2数据采集策略79
3.3.3传感技术81
3.3.4数据互联接口81
3.4数据联通与数据管理81
3.4.1数据存储81
3.4.2数据查询83
3.4.3数据备份83
3.4.4数据维护84
3.4.5数据安全85
3.5数据融合85
3.5.1数据清洗和预处理技术86
3.5.2数据融合技术88
3.6数据应用场景89
第4章北斗系统运行评估95
4.1概述95
4.2北斗系统运行状态评估96
4.2.1卫星系统运行状态评估96
4.2.2地面运控系统运行状态评估102
4.2.3测控系统运行状态评估103
4.2.4星间链路运行管理系统运行状态评估104
4.3北斗系统服务性能评估106
4.3.1空间信号的质量评估106
4.3.2空间信号的性能评估108
4.3.3定位导航授时服务性能评估113
4.3.4星基增强服务性能评估118
4.3.5短报文通信服务性能评估119
4.4北斗系统运行质量风险评估119
4.4.1北斗系统运行风险综合评估119
4.4.2北斗系统运行可靠性评估124
4.4.3质量问题综合分析130
4.5常用技术方法130
4.5.1贝叶斯网络方法131
4.5.2基于贝叶斯神经网络融合分析方法131
4.5.3基于信息流的网络可用性可靠性建模分析方法132
4.6应用示例133
4.6.1北斗系统服务性能监测评估133
4.6.2卫星关键单机状态评估141
4.6.3卫星系统运行状态监测评估147
4.6.4地面运控系统风险评估151
4.6.5基于数据融合的综合可用性评估154
第5章北斗系统故障诊断与预测157
5.1概述157
5.2故障报警分级标准157
5.2.1卫星系统故障报警分级标准158
5.2.2地面各系统故障报警分级标准159
5.3系统智能故障诊断160
5.3.1服务级智能故障感知160
5.3.2运行级智能故障诊断160
5.4系统智能故障预测170
5.4.1整星智能寿命预测171
5.4.2单机/设备智能寿命预测172
5.5常用技术方法175
5.5.1智能故障诊断方法175
5.5.2智能故障预测方法181
5.6应用示例185
5.6.1空间信号异常诊断示例185
5.6.2基于规则的卫星故障诊断示例188
5.6.3基于数据驱动的卫星故障诊断示例188
5.6.4基于系统集成的卫星故障诊断示例191
5.6.5地面运控系统定轨业务故障诊断示例192
5.6.6星载氢钟故障预测示例203
第6章北斗系统运维决策207
6.1概述207
6.2常态运维调度207
6.2.1多系统联合运维调度207
6.2.2可视化运维支撑209
6.3故障处置决策211
6.3.1卫星在轨故障处置211
6.3.2基于在轨技术支持系统的故障处置流程优化212
6.4系统运行风险管控213
6.4.1基于后果的系统风险分级分类管控213
6.4.2基于多层级的风险分级管控214
6.5常用技术方法216
6.5.1基于状态监测的预测维护规划方法217
6.5.2基于遗传算法的多约束智能优化方法221
6.5.3支持多平台数据的可视化决策支持技术223
6.6应用示例226
6.6.1基于可用性分析评价的星座薄弱环节分析与备份策略优化研究226
6.6.2主备星载原子钟时频信号无缝切换方法231
6.6.3系统多通道融合互备决策235
6.6.4能源智能控制决策235
6.6.5姿态智能控制决策237
第7章北斗系统智能运维平台239
7.1概述239
7.2智能运维平台总体架构与系统组成239
7.2.1平台总体架构239
7.2.2平台系统组成239
7.2.3平台与各系统间接口关系242
7.3系统主要功能243
7.3.1云平台与监控调度子系统功能243
7.3.2管理与监控子系统功能243
7.3.3信息交互共享子系统功能245
7.3.4载荷信号监测评估与维护子系统功能246
7.3.5健康状态评估与维护子系统功能247
7.3.6卫星系统性能评估与仿真子系统功能247
7.3.7故障诊断子系统功能248
7.3.8星座运行风险评估与预警子系统功能248
7.3.9质量综合分析评估子系统功能249
7.3.10运维决策可视化子系统功能249
7.4技术指标体系262
7.4.1数据感知融合262
7.4.2系统运行评估264
7.4.3系统故障诊断预测264
7.4.4系统运维保障265
7.5智能运维平台主要特点265
名词说明266
参考文献270
后记273