基于dtw的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的發(fā)展，越來(lái)越多的技術(shù)都要依賴于衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)，所以衛(wèi)星的正常工作關(guān) 系到眾多行業(yè)和領(lǐng)域；衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)遙測(cè)數(shù) 據(jù)異常對(duì)于判斷衛(wèi)星可能出現(xiàn)各種各樣的故障具有決定性作用；
[0003] 閾值法是衛(wèi)星測(cè)控中心監(jiān)測(cè)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)異常的一種常用方法。其主要原理是根 據(jù)每一個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)的自身性質(zhì)與功能要求，設(shè)置報(bào)警門(mén)限，當(dāng)遙測(cè)數(shù)據(jù)值超過(guò)報(bào)警門(mén)限時(shí)， 判斷參數(shù)異常，屬于異常點(diǎn)檢測(cè)，但有一些衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)值總是在門(mén)限內(nèi)波動(dòng)，即使衛(wèi)星部 件出現(xiàn)異常，其值仍然未超出設(shè)定門(mén)限造成故障漏報(bào)。
[0004] 另外，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)中的偏航姿態(tài)角進(jìn)行分析，偏航姿態(tài)角的整體變化趨 勢(shì)如圖2所示，其細(xì)節(jié)變化如圖3所示，得出衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)具有明顯地周期性，且該特性已 與衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)提供單位進(jìn)行了確認(rèn)。通過(guò)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的每個(gè)周期進(jìn)行分析，可以得出衛(wèi) 星在該周期之內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。
[0005] 以固定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)分段能夠反映出原始測(cè)試數(shù)據(jù)的周期特性，具有一 定的合理性，但是各個(gè)分段序列之間的耦合度不夠高，存在一定的偏差，如圖4,隨著時(shí)間的 推進(jìn)這種偏差會(huì)愈發(fā)明顯，因此，若按照固定周期對(duì)原始測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，則分段不夠準(zhǔn) 確，進(jìn)而可能影響后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘質(zhì)量。綜上，目前還需要更為合理的分段方法對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù) 據(jù)進(jìn)行分段，并在此基礎(chǔ)之上實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)。
[0006] 而衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)有其自身特點(diǎn)，比如：存在微小偏差等，這些特點(diǎn)致使在針對(duì)衛(wèi)星 遙測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)中采用經(jīng)典的時(shí)間序列相似性度量方法，如歐式距離、皮爾森相關(guān)系 數(shù)等，體現(xiàn)出不適應(yīng)性。經(jīng)典的時(shí)間序列度量方法，不能針對(duì)時(shí)間序列存在微小偏移實(shí)現(xiàn)異 步度量使得度量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。因此， 在衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)中還需應(yīng)用更具適應(yīng)性的相似性度量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的檢測(cè)方法存在的異常參數(shù)未超過(guò)報(bào)警門(mén)限導(dǎo)致 的衛(wèi)星部件異常漏檢的問(wèn)題、以固定點(diǎn)數(shù)對(duì)具有周期特性的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段存在較 大偏差的問(wèn)題和時(shí)間序列存在微小偏移而使度量結(jié)果不夠準(zhǔn)確進(jìn)而導(dǎo)致異常檢測(cè)結(jié)果不 夠準(zhǔn)確的問(wèn)題。
[0008] 基于DTW的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方法，包括下述步驟：
[0009] 步驟一：以幅角突變點(diǎn)為標(biāo)識(shí)進(jìn)行分段，獲取含有類別標(biāo)簽的時(shí)間序列，包括時(shí)間 序列X= Ix1, X2，…，xn}，對(duì)應(yīng)類別標(biāo)簽L= ΙΛ，I2，…，IJ ;其中η為含有類別標(biāo)簽的時(shí)間 序列數(shù)目，1 = 1，2, ···，(： ；c為類別數(shù)目；
[0010] 步驟二：計(jì)算出含有類別標(biāo)簽的時(shí)間序列中各類別類內(nèi)的DTW距離均值 歹={瓦,^…忑}，其中5的計(jì)算方式如下：
[0011]
[0012] 其中，另表示第1類的類內(nèi)距離均值，HI1表示第1類的成員數(shù)目， 4 表示第1類的所有成員，DTW(Xli, Xlj)表示計(jì)算義^與X υ之間的DTW距 離，i = 1，2,…，mfl，j = i+1，i+2,…，m1;
[0013] 步驟三：獲取待進(jìn)行異常檢測(cè)的時(shí)間序列x'，獲取方式為提取最新衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù) 中相鄰兩個(gè)幅角突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間之內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)為X' ；
[0014] 步驟四：計(jì)算出待檢測(cè)的時(shí)間序列X'與含有類別標(biāo)簽的時(shí)間序列X之間的DTW距 離序列D = W1, d2,…，dn}，其中屯，的計(jì)算方式如下：
[0015] dr = DTff (x' , x i>)
[0016] 其中，屯，表示D的第i'個(gè)元素，Xi，表示X的第i'個(gè)序列，i' = 1，2,…，η;
[0017] 步驟五：采用基于DTW距離的KNN分類方法，根據(jù)設(shè)定的K近鄰數(shù)目對(duì)待檢測(cè)的時(shí) 間序列X'進(jìn)行預(yù)分類，確定待檢測(cè)的時(shí)間序列X'的準(zhǔn)所屬類別1'，其中K = 1，2,…，η ;準(zhǔn) 所屬類別1'為1，2,…，c中確定的某個(gè)數(shù)；
[0018] 步驟六：確定待檢測(cè)的時(shí)間序列X'與準(zhǔn)所屬類別1'之間的最小DTW距離dmin;
[0019] 步驟七：判斷dmin與ρ·耳之間的大小關(guān)系，其中P為用戶設(shè)定的異常檢測(cè)敏感系 數(shù)，得出待檢測(cè)的時(shí)間序列X'的異常檢測(cè)結(jié)果，其判斷規(guī)則為：若<^ >夂4,則待檢測(cè)的 時(shí)間序列X'判定為異常序列，否則待檢測(cè)的時(shí)間序列X'判定為正常序列。
[0020] 本發(fā)明針對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，首先，根據(jù)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的周期特性對(duì)衛(wèi)星遙測(cè) 數(shù)據(jù)進(jìn)行分段；然后，采用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW)距離對(duì)分段后得到 的時(shí)間序列之間的相似性進(jìn)行度量，最后，結(jié)合K最近鄰（K-Nearest Neighbor，KNN)算法 以及衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)最新衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)，能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星異常狀 態(tài)監(jiān)測(cè)。
[0021] 針對(duì)按照固定點(diǎn)對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)分段效果不理想的情況，如圖4所示，本發(fā)明提 出了按照衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)中的幅角突變點(diǎn)為標(biāo)識(shí)進(jìn)行分段的方法，其分段效果如圖5所示， 以幅角為標(biāo)識(shí)進(jìn)行分段的分段結(jié)果更為緊湊，各個(gè)分段序列之間的耦合度更高、更為合理。
[0022] 對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)是對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘的一項(xiàng)重要功能。 而衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)有其自身特點(diǎn)，比如存在微小偏移等，這些特點(diǎn)致使在針對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù) 的異常檢測(cè)中采用經(jīng)典的時(shí)間序列相似性度量方法，如歐式距離、皮爾森相關(guān)系數(shù)等，體現(xiàn) 出不適應(yīng)性。經(jīng)典的時(shí)間序列度量方法，不能針對(duì)時(shí)間序列存在微小偏移實(shí)現(xiàn)異步度量使 得度量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，進(jìn)而導(dǎo)致對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)的異常檢測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)確。本發(fā)明采用動(dòng) 態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW)距離對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間序列之間的距離進(jìn)行 度量，能夠?qū)崿F(xiàn)異步度量，解決了由于時(shí)間序列存在微小偏移而使度量結(jié)果不夠確的問(wèn)題。
[0023] 而且，本發(fā)明結(jié)合K最近鄰居（K-Nearest Neighbor，KNN)分類算法以及衛(wèi)星遙測(cè) 數(shù)據(jù)歷史多維時(shí)間序列對(duì)最新遙測(cè)時(shí)間序列進(jìn)行異常檢測(cè)，有效地解決現(xiàn)有的檢測(cè)方法存 在的異常參數(shù)未超過(guò)報(bào)警門(mén)限導(dǎo)致的衛(wèi)星部件異常漏檢的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1為本發(fā)明的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0025] 圖2為偏航姿態(tài)角測(cè)試序列示例圖；
[0026] 圖3為偏航姿態(tài)角測(cè)試序列前450點(diǎn)示例圖；
[0027] 圖4為偏航姿態(tài)角測(cè)試序列固定點(diǎn)分段疊加繪圖結(jié)果圖；
[0028] 圖5為偏航姿態(tài)角測(cè)試序列以幅角分段疊加繪圖結(jié)果圖；
[0029] 圖6 (a)為訓(xùn)練樣本正常模式1示例圖；
[0030] 圖6 (b)為訓(xùn)練樣本正常模式2示例圖；
[0031] 圖6(c)為訓(xùn)練樣本正常模式3示例圖；
[0032] 圖7為未注入異常的測(cè)試樣本示例圖；
[0033] 圖8為注入脈沖型異常后的樣本示例圖；
[0034] 圖9為注入階躍型異常后的樣本示例圖；
[0035] 圖10為注入漸變型異常后的樣本示例圖；
[0036] 圖11為注入周期型異常后的樣本示例圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0037] 一：結(jié)合圖1說(shuō)明本實(shí)施方式，基于DTW的衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù)異常檢測(cè)方 法，包括下述步驟：
[0038] 步驟一：以幅角突變點(diǎn)為標(biāo)識(shí)進(jìn)行分段，獲取含有類別標(biāo)簽的時(shí)間序列，包括時(shí)間 序列X= Ix1, X2，…，xn}，對(duì)應(yīng)類別標(biāo)簽L= ΙΛ，I2，…，IJ ;其中η為含有類別標(biāo)簽的時(shí)間 序列數(shù)目，1 = 1，2, ···，(： ；c為類別數(shù)目；
[0039] 步驟二：計(jì)算出含有類別標(biāo)簽的時(shí)間序列中各類別類內(nèi)的DTW距離均值 歹$，···,幻，其中寫(xiě)的計(jì)算方式如下：
[0040]
[0041] 其中，石表示第1類的類內(nèi)距離均值，Hi1表示第1類的成員數(shù)目， A =|χη,χ/2，·、χΛ",}表示第1類的所有成員，DTWU li, Xlj)表示計(jì)算X1A X υ之間的DTW距 離，i = 1，2,…，mfl，j = i+1，i+2,…，m1;
[0042] 步驟三：獲取待進(jìn)行異常檢測(cè)的時(shí)間序列x'，獲取方式為提取最新衛(wèi)星遙測(cè)數(shù)據(jù) 中相鄰兩個(gè)幅角突變點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)間之內(nèi)的測(cè)試數(shù)據(jù)為X' ；
[0043] 步驟四：計(jì)算出待檢測(cè)的時(shí)間序列X'與含有類別標(biāo)簽的時(shí)間序列X之間的DTW距 離序列D = W1, d2,…，dn}，其中屯，的計(jì)算方式如下：
[0044] Clr=DTW(X^xr)
[0045] 其中，屯，表示D的第i'個(gè)元素，Xi，表示X的第i'個(gè)序列，i' = 1，2,…，η;
[0046] 步驟五：采用基于DTW距離的KNN分類方法，根據(jù)設(shè)定的K近鄰數(shù)目對(duì)待檢測(cè)的時(shí) 間序列X'進(jìn)行預(yù)分類，確定待檢測(cè)的時(shí)間序列X'的準(zhǔn)所屬類別1'，其中K = 1，2,…，η ;準(zhǔn) 所屬類別1'為1，2,…，c中確定的某個(gè)數(shù)；
[0047] 步驟六：確定待檢測(cè)的時(shí)間序列X'與準(zhǔn)所屬類別1'之間的最小DTW距離dmin;
[0048] 步驟七：判斷dmin與之間的大小關(guān)系，其中P為用戶設(shè)定的異常檢測(cè)敏感系 數(shù)，得出待檢測(cè)的時(shí)間序列X'的異常檢測(cè)結(jié)果，其判斷規(guī)則為：若尤^ 則待檢測(cè)的 時(shí)間序列X'判定為異常序列，否則待檢測(cè)的時(shí)間序列X'判定為正常序列。
【具體實(shí)施方式】 [0049] 二