10.4.3 自主健康管理
航天器长期运行在恶劣的空间环境中，难免会出现故障。自主健康管理技术可以增强航天器的可靠性、降低维护成本、提高航天器的寿命，对于保障航天器的安全稳定运行具有重要意义。故障预测与健康管理是美国在联合攻击机项目研究中提出的技术理念，其初衷是利用人工智能技术来模拟真实系统的正常运行和异常状况。后来，故障预测与健康管理逐渐发展成一个范畴很大的技术领域，所采用的技术手段也不限于人工智能技术。健康管理作为航天器实现智能自主控制亟须突破的关键技术之一，是从系统层面克服产品固有可靠性不足、提升航天器安全可靠稳定运行能力的有效手段。
目前，航天器控制系统的健康管理技术，可以概括为“硬件备份+解析冗余+专家支持+安全模式”。然而，近几年来国内外多次出现的由于控制分系统故障而导致航天器业务中断甚至整个航天器完全失效的严重事件表明：现有健康管理技术与航天器安全可靠稳定运行需求之间的差距较大。根据健康管理技术的定义内涵，下面分别从故障预警技术、故障诊断技术和寿命预测技术三个方面，介绍自主健康管理技术。
1）故障预警技术
航天器控制系统的故障预警技术，能够提取微小故障的特征信息，对系统未来可能发生的故障进行预测，在故障发生之前给出报警，采取适当的处置策略进行及时干预，尽量使故障不扩大、不扩散，有效避免航天器任务的间断，最大限度地发挥航天器能力。因此，故障预警技术是实现控制系统健康管理、确保航天器安全稳定运行的重要前提；其目的在于“提前发现征兆、适时维保系统、确保业务连续”。
当前，美国开发了航天领域第一套功能较为完善的基于分粒度建模和多模推理的航天器趋势分析系统（AMTAS），对包括控制系统在内的多个分系统遥测数据进行自动趋势分析，以避免潜在问题发生，并修复检测到的故障。瑞典空间物理学院研制了卫星异常分析和预测系统（SAAPS），其异常状态预测模型由神经网络在指定的异常状态数据集中训练得到，对控制系统等故障预警的准确率大于70%，并能够给出预警的可信度。意大利VITR-OCISET公司为欧盟发射的XMM-Newton科学探测卫星专门开发了一个交互式遥测数据分析工具，其通过对控制系统等分系统的遥测数据进行分析，能够确认遥测数据的偏差，判定设备恶化的运行模式，检测和隔离整星及各分系统设备的故障，进而确保航天器健康状态、延长在轨寿命。
2）故障诊断技术
航天器控制系统的故障诊断技术能够快速检测并准确定位故障源，为后续系统重构和容错控制决策实施提供依据，以期在故障发生之后，采取合理可行的措施，通过花费最小代价来最大限度地恢复系统的既定功能与性能。因此，故障诊断技术是实现控制系统健康管理、确保航天器安全稳定运行的关键核心；其目的在于“准确定位故障、采取合理措施、辅助重构决策”。
美国的自由号空间站研制了姿态确定与控制系统的维护与诊断系统（MDS），其分为在线系统和离线推理系统两个部分：在线系统嵌入自由号空间站的姿态确定与控制系统中，主要用于实现数据收集、数据压缩、数据传输和简单的推理；离线推理系统主要分为三个模块，即故障诊断模块、预测模块和辅助维修模块。Livingstone软件利用系统行为和内部结构模型（组件连接模型、转换模型和行为模型），来实现故障诊断。其结合冲突指向搜索和快速命题推理等算法，消除了人工智能中演绎和反推之间的矛盾，实现了快速的搜索和推理。该软件已成功应用于“深空一号”探测器、“x-37”飞行器和“Earth Observing One”任务，使航天器具备了自主故障诊断与系统重构的能力。
3）寿命预测技术
航天器控制系统的寿命预测技术，能够根据当前航天器的实际在轨运行状态，构建出“正常到异常到失效”的故障演化模型，进而可以提前预知航天器的在轨剩余服役时间，为后续任务调整、重构方案实施、离轨策略制定等提供科学依据。因此，寿命预测技术是实现航天器健康管理、确保安全稳定运行的重要手段，其目的在于“预测剩余寿命、提前制定预案、择机离轨替换”。
当前，美国Honeywell公司通过测量航天器控制系统中陀螺部件的激光强度和读出强度，导出了每个模式下的电压及相关参数，将最近1 000 h的性能数据进行预定的多项式拟合，进而能够根据预定的临界工作温度来生成寿命性能特性数据，从而外推并预测出航天器控制系统中关键部件——激光陀螺的剩余寿命。
目前自主健康诊断技术的挑战在于：一方面，对于航天器而言，其运行状态往往综合反映在多维遥测数据中，且受到高低温、辐照、应力等复杂空间环境影响，需要综合多方面的因素进行考虑；另一方面，航天产品在轨失效的样本数量有限，现有技术难以综合利用设计、研制、试验和在轨的多源数据，导致难以准确地进行分析。随着智能诊断技术和数据挖掘技术的不断发展，上述自主健康管理技术的难题也将得到解决。
通过对航天器控制系统智能健康管理技术发展情况的详细调研可以发现：健康管理作为航天器智能自主控制系统的重要支撑，为航天器在轨自主运行提供了稳定可靠的自检、自治、自救能力，是未来实现大规模星群自适应、自组织、智能化发展的重要保障；同时，随着大数据时代的迅速崛起，人工智能技术的发展为航天产业赋能。发展航天器控制系统的智能健康管理技术既是航天产业发展的必然阶段，也是航天强国建设的时代需求。将人工智能技术与健康管理技术融合，必将成为航天器从自动化向智能化发展的新起点。