4. 异常类型与告警需求分析
遥测参数在正常工况下并非恒定不变，而是围绕某个工作点、按某种节律、与其它参数保持某种约束关系地变化。异常识别的本质，是判断“这种变化方式是否偏离了它应有的形态”。因此，在写任何阈值或算法之前，必须先回答两个问题：偏离的形态属于哪一类，以及这类偏离需要多快、多强地被通知。前者决定检测方法，后者决定告警等级。本节把工程中最常见的六类异常形态逐一拆开，并给出可落地的告警分级口径。
一、六类异常形态的判别特征
跳变指参数在极短时间内发生远超正常波动幅度的阶跃，典型特征是“单点或两三点内突变、之后维持在新水平”。例如某电源模块输出电压正常在 28.0±0.3 V 波动，若某一帧直接变为 31.5 V 并保持，即为跳变。判别要点是变化率而非绝对偏差：用相邻采样点差分 |x[k]−x[k−1]| 与历史差分分布比较，超过 6σ 或超过工程限幅即触发。跳变常对应开关误动、单粒子翻转、传感器瞬时失效。
漂移是参数缓慢、持续地偏离基准，单点变化率很小，但累积偏差显著。它最容易被固定阈值漏检，因为每一帧都在“合格范围”内。判别应使用滑动窗口内的趋势斜率或与基准曲线的残差累积。例如陀螺零偏在 8 小时内从 0.02°/h 漂到 0.15°/h，单帧差分几乎不可见，但线性拟合斜率显著非零。漂移多对应温漂、老化、标定失效。
卡滞指参数失去变化能力，长时间保持同一数值或同一量化台阶。判别特征是方差趋零：在应持续波动的窗口内，标准差低于正常下限，或连续 N 帧完全相等。卡滞与“稳定”必须区分——稳定是低幅波动，卡滞是零波动。它常对应传感器输出冻结、数据链缓存、采集通道死锁。
周期破坏针对本应具有节律的参数，如太阳翼驱动电流、热控加热器占空比、自旋体转速相关量。正常时其自相关函数在特定周期处有明显峰值，频谱在基频及谐波处集中。异常表现为周期丢失、周期漂移或谐波结构畸变。判别可用自相关峰值衰减、主频偏移量、谱熵上升。它常对应机构卡阻、控制律异常、时钟失步。
关联失效指单个参数各自看都正常，但参数之间的约束关系被破坏。例如母线电流与各分路电流之和应近似相等，若总电流正常、分路也正常，但两者不再守恒，说明存在未监测的泄漏或测量链路错位。判别方法是建立残差 r = f(x₁,x₂,…)，监测 r 是否超出正常带。这类异常最难用单参数阈值发现，必须依赖多参数模型。
渐变故障是漂移与关联失效的复合形态：多个参数沿同一物理机理缓慢退化，早期各自不越限，但联合残差持续增大。例如蓄电池内阻上升会同时表现为充电电压偏高、放电电压偏低、温升加快。判别应使用多参数退化指标并做趋势外推，估计剩余可用时间。
二、从形态到告警等级：分级口径
告警等级不能只按“偏差大小”划分，而应同时考虑响应紧迫度与影响范围。工程上通常采用四级：
- 一级（紧急）：跳变越限、关联失效已确认。特征是“已经发生且可能继续恶化”，要求秒级上报、立即处置。例如母线电压跳变超过 ±5% 且持续 3 帧以上。
- 二级（重要）：卡滞、周期破坏。特征是“功能已受损但未立即危及安全”，要求分钟级确认并干预。例如太阳翼驱动电流连续 20 帧零波动。
- 三级（关注）：漂移、渐变故障早期。特征是“尚未越限但趋势明确”，要求趋势跟踪、纳入计划处理。例如陀螺零偏斜率连续 2 小时超过 0.01°/h²。
- 四级（提示）：统计特征轻微偏移，如均值偏移小于 1σ、谱熵略升。仅记录归档，供事后分析。
三、检测参数与判据的落地示例
以某卫星电源母线电压为例，采样周期 1 s，正常范围 27.5～28.5 V，历史差分标准差 σ_d = 0.05 V。可定义如下判据（示例参数，非实测）：
跳变：|x[k] - x[k-1]| > 6 * σ_d = 0.30 V，且连续 2 帧成立 → 一级
漂移：30 分钟窗口线性拟合斜率 |k| > 0.02 V/min → 三级
卡滞：10 分钟窗口标准差 < 0.005 V → 二级
关联失效：|I_bus - ΣI_branch| > 0.5 A 持续 5 帧 → 一级
周期破坏：自相关主峰衰减 > 40% 或主频偏移 > 5% → 二级
渐变故障：内阻估计值连续 6 小时单调上升且斜率 > 阈值 → 三级这些判据的共同点是：先定义正常形态，再定义偏离形态，最后映射到等级。阈值不是拍脑袋定的，而是从历史正常数据中统计得到，并随工况（如光照区/阴影区）分段设置。若不分段，阴影区电压本就偏低，会被误判为漂移。
四、告警需求分析表（可直接填写）
| 异常形态 | 核心判据 | 建议等级 | 响应时限 | 典型对象 |
|---|---|---|---|---|
| 跳变 | 相邻差分 > 6σ_d | 一级 | 秒级 | 母线电压、指令电流 |
| 漂移 | 窗口斜率超限 | 三级 | 小时级 | 陀螺零偏、温度基准 |
| 卡滞 | 窗口标准差趋零 | 二级 | 分钟级 | 传感器输出、编码器 |
| 周期破坏 | 自相关/主频畸变 | 二级 | 分钟级 | 驱动电流、转速 |
| 关联失效 | 约束残差超限 | 一级 | 秒级 | 电流守恒、功率平衡 |
| 渐变故障 | 多参数趋势外推 | 三级 | 小时级 | 蓄电池内阻、效率 |
实际落地时，建议先对每个遥测参数标注它“可能属于哪几类异常”，再为每类异常选择判据和等级。一个参数可以同时受多条规则监控，但同一时刻只应上报最高等级，避免重复告警。规则之间要有优先级和抑制关系：例如已确认跳变时，同一参数的漂移告警应被抑制，否则会持续刷屏。完成这一步，后续的阈值整定、算法实现和告警收敛才有明确的依据。