留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于时序插补生成式对抗网络的卫星遥测参数异常检测方法

杜晓龙 白萌

杜晓龙, 白萌. 基于时序插补生成式对抗网络的卫星遥测参数异常检测方法[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0099
引用本文: 杜晓龙, 白萌. 基于时序插补生成式对抗网络的卫星遥测参数异常检测方法[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0099
DU Xiaolong, BAI Meng. Anomaly Detection Method for Satellite Telemetry Parameters Based on Time-Series Imputation Generative Adversarial Networks (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(4): 1-12 doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0099
Citation: DU Xiaolong, BAI Meng. Anomaly Detection Method for Satellite Telemetry Parameters Based on Time-Series Imputation Generative Adversarial Networks (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, 2025, 45(4): 1-12 doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0099

基于时序插补生成式对抗网络的卫星遥测参数异常检测方法

doi: 10.11728/cjss2025.04.2024-0099 cstr: 32142.14.cjss.2024-0099
基金项目: 中国科学院空间科学战略性先导科技专项项目(XDA15040100)和中国科学院青年创新促进会项目(E1213A05)共同资助
详细信息
    作者简介:
    • 杜晓龙 男, 2000年6月出生于河南省南阳市, 现为中国科学院国家空间科学中心在读硕士研究生, 主要研究方向为卫星智能运控技术、卫星健康管理等. E-mail: duxiaolong22@mails.ucas.ac.cn
    • 白萌 女, 1987年6月出生, 高级工程师, 中国科学院国家空间科学中心运控部副主任, 青促会会员. 全面主持空间科学卫星在轨运行管理, 长期深耕于智能运控技术研究. E-mail: baimeng@nssc.ac.cn
  • 中图分类号: V474

Anomaly Detection Method for Satellite Telemetry Parameters Based on Time-Series Imputation Generative Adversarial Networks

  • 摘要: 为确保卫星的安全稳定运行, 及时进行遥测参数的数据挖掘、态势分析及异常响应至关重要. 鉴于现有方法在处理卫星遥测参数异常时存在的局限性, 本文提出一种基于时序插补和生成式对抗网络的异常检测方法. 该方法通过一维卷积神经网络提取时序特征, 并利用生成式对抗网络对遥测参数的分布进行建模, 创新性地采用基于插补的检测方式, 有效提高了异常检测的准确性和对复杂异常情况的适应能力. 基于真实卫星数据和公开数据集的测试结果表明, 与多种已有方法相比, 本文方法在多数数据集上获得了最高的F1分数, 并在不同异常浓度下显示出良好的稳定性. 这一研究成果为卫星任务的地面运控进行卫星态势分析和异常处置提供了有力的决策支持.

     

  • 图  1  三种时序数据异常类型

    Figure  1.  Three time-series data exception types

    图  2  滑动窗口处理时序数据示意

    Figure  2.  Schematic diagram of sliding window processing timing data

    图  3  TiGAN异常检测算法框架

    Figure  3.  Framework of TiGAN anomaly detection algorithm

    图  4  一维卷积过程

    Figure  4.  Process of one-dimensional convolution

    图  5  平滑卷积检测示例

    Figure  5.  Smooth convolution detection example

    图  6  预测型方法的检测逻辑

    Figure  6.  Detection logic of predictive methods

    图  7  重构型方法的检测逻辑

    Figure  7.  Detection logic of reconstructed methods

    图  8  插补方法的检测逻辑

    Figure  8.  Detection logic of interpolation methods

    图  9  算法检测效果显示

    Figure  9.  Display of algorithm detection effect

    图  10  不同方法生成数据效果对比

    Figure  10.  Comparison of data generated by different methods

    图  11  各种算法检测结果的F1分数对比

    Figure  11.  F1 score comparison of detection results of various algorithms

    图  12  不同异常浓度对算法有效性的影响

    Figure  12.  Display of algorithm detection effect

    表  1  实验环境配置

    Table  1.   Setting of the experimental environment

    软硬件平台版本参数
    CPUAMD Ryzen 5700 X
    GPUNVIDIA Geforce RTX 4060
    操作系统Windows11
    Python3.9.18
    Pytorch2.1.1
    CUDA12.2
    下载: 导出CSV

    表  2  实验数据集数据分布情况

    Table  2.   Data distribution of experimental datasets

    数据集 序列数 序列平均长度 2σ/(%) 3σ/(%) 异常占比/(%)
    AWS 17 3985 4.46 1.35 9.32
    DY 5 6665 0.098 0.098 0.44
    RK 7 5210 0.71 0.22 0.79
    ZK 4 8129 0.18 0.16 0.43
      2σ和3σ分别代表超过平均值2个标准差(2σ)和3个标准差(3σ)的数据点占比.
    下载: 导出CSV

    表  3  各种检测算法在数据集上的检测结果对比

    Table  3.   Comparison of detection results of various detection algorithms on datasets

    数据集 指标 TiGAN Z-score LOF DBSCAN Bi-LSTM TAnoGAN
    DY F1 0.8824 0.7582 0.7018 0.4751 0.6955 0.8842
    Rec 0.7895 0.6106 0.5405 0.3115 0.9997 0.9411
    Pre 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 0.5332 0.8338
    Acc 0.9871 0.9961 0.9974 0.9932 0.5362 0.9913
    RK F1 0.7595 0.5969 0.3435 0.4684 0.7430 0.7239
    Rec 0.7124 0.5418 0.8894 0.3788 0.9987 0.8131
    Pre 0.8133 0.6643 0.2128 0.6135 0.5916 0.6253
    Acc 0.9615 0.9883 0.8887 0.9805 0.6548 0.9566
    ZK F1 0.8861 0.6846 0.2874 0.5495 0.4815 0.5160
    Rec 0.9159 0.7199 0.6445 0.4464 0.9970 0.9837
    Pre 0.8581 0.6526 0.1849 0.7143 0.3174 0.3498
    Acc 0.9823 0.9917 0.8707 0.9930 0.5534 0.8918
    AWS F1 0.5470 0.2156 0.2039 0.1053 0.3755 0.3078
    Rec 0.8733 0.2714 0.7600 0.0563 0.8760 0.7909
    Pre 0.39818 0.1788 0.1177 0.8135 0.2390 0.1911
    Acc 0.6161 0.7861 0.3557 0.8960 0.3611 0.4064
      加粗字体表示该指标下的最高值.
    下载: 导出CSV

    表  4  特征学习模块对检测结果影响的对比

    Table  4.   Comparison of the influence of feature learning modules on detection results

    F1 score有特征学习模块无特征学习模块
    序列10.65230.6132
    序列20.65310.2203
    序列30.86590.1403
    下载: 导出CSV

    表  5  插补数量对检测结果影响的对比

    Table  5.   Comparison of the influence of the number of interpolations on the test results

    F1 score序列1序列2序列3
    mask=0000
    mask=10.64290.46980.8552
    mask=30.65230.51520.8552
    mask=50.65230.34210.8670
    mask=100.65230.65310.8659
    mask=150.61320.64520.8670
    mask=200.65230.22030.8479
    下载: 导出CSV
  • [1] 王赤. 大力发展空间科学 推动我国空间活动高质量发展[J]. 中国科学基金, 2024, 38(2): 363-364

    WANG Chi. Developing space science vigorously to promote high-quality development of space activities in China[J]. Bulletin of National Natural Science Foundation of China, 2024, 38(2): 363-364
    [2] 王赤, 邹自明, 胡晓彦, 等. 空间科学大数据与航天强国[J]. 科学通报, 2024, 69(9): 1132-1136

    WANG Chi, ZOU Ziming, HU Xiaoyan, et al. Big data in space science and great power of space[J]. Chinese Science Bulletin, 2024, 69(9): 1132-1136
    [3] 薛玉雄, 杨生胜, 把得东, 等. 空间辐射环境诱发航天器故障或异常分析[J]. 真空与低温, 2012, 18(2): 63-70 doi: 10.3969/j.issn.1006-7086.2012.02.001

    XUE Yuxiong, YANG Shengsheng, BA Dedong, et al. Analyze of spacecraft system failures and anomalies attributed to the natural space radiation environment[J]. Vacuum and Cryogenics, 2012, 18(2): 63-70 doi: 10.3969/j.issn.1006-7086.2012.02.001
    [4] 王亚坤, 杨凯飞, 张婕, 等. 卫星在轨故障案例与人工智能故障诊断[J]. 中国空间科学技术, 2022, 42(1): 16-29

    WANG Yakun, YANG Kaifei, ZHANG Jie, et al. Case study of in-orbit satellite failures and artificial intelligence based failure detection[J]. Chinese Space Science and Technology, 2022, 42(1): 16-29
    [5] 王彧泽, 吕良庆, 何睿. 航天器数据定义方法及其工具设计[J]. 航天器工程, 2024, 33(1): 62-67

    WANG Yuze, LYU Liangqing, HE Rui. Spacecraft data definition method and tool design[J]. Spacecraft Engineering, 2024, 33(1): 62-67
    [6] 杨甲森. 卫星遥测数据相关性知识发现方法研究[D]. 北京: 中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心), 2019

    YANG Jiasen. Research on correlation Knowledge Discovery Method of Satellite Telemetry Data[D]. Beijing: Chinese Academy of Sciences (National Space Science Center, the Chinese Academy of Sciences), 2019
    [7] CHIKODILI N B, ABDULMALIK M D, ABISOYE O A, et al. Outlier detection in multivariate time series data using a fusion of K-medoid, standardized euclidean distance and Z-score[C]//Proceedings of the 3rd International Conference on Information and Communication Technology and Applications. Minna: Springer, 2021: 259-271
    [8] TSIGKRITIS T, GROUMAS G, SCHNEIDER M. On the use of k-NN in anomaly detection[J]. Journal of Information Security, 2018, 9(1): 70-84 doi: 10.4236/jis.2018.91006
    [9] SHERIDAN K, PURANIK T G, MANGORTEY E, et al. An application of DBSCAN clustering for flight anomaly detection during the approach phase[C]//Proceedings of the AIAA Scitech 2020 Forum. Orlando: AIAA, 2020: 1851
    [10] 胡智超, 余翔湛, 刘立坤, 等. 基于上下文生成对抗网络的时间序列异常检测方法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2024, 56(5): 1-11 doi: 10.11918/202212029

    HU Zhichao, YU Xiangzhan, LIU Likun, et al. A time series anomaly detection method based on contextual generative adversarial network[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2024, 56(5): 1-11 doi: 10.11918/202212029
    [11] ZHOU T, MA Z Q, WEN Q S, et al. FEDformer: frequency enhanced decomposed transformer for long-term series forecasting[C]//Proceedings of the 39th International Conference on Machine Learning. Baltimore: PMLR, 2022: 27268-27286
    [12] BASHAR A, NAYAK R. TAnoGAN: time series anomaly detection with generative adversarial networks[C]//Proceedings of 2020 IEEE Symposium Series on Computational Intelligence. Canberra: IEEE, 2020: 1778-1785
    [13] LIN S Y, CLARK R, BIRKE R, et al. Anomaly detection for time series using VAE-LSTM hybrid model[C]//Proceedings of the ICASSP 2020 - 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing. Barcelona: IEEE, 2020. DOI: 10.1109/ICASSP40776.2020.9053558
    [14] PAPARRIZOS J, KANG Y H, BONIOL P, et al. TSB-UAD: an end-to-end benchmark suite for univariate time-series anomaly detection[J]. Proceedings of the VLDB Endowment, 2022, 15(8): 1697-1711 doi: 10.14778/3529337.3529354
    [15] DARBAN Z Z, WEBB G I, PAN S R, et al. Deep learning for time series anomaly detection: a survey[J]. ACM Computing Surveys, 2025, 57(1): 15
    [16] GOODFELLOW I, POUGET-ABADIE J, MIRZA M, et al. Generative adversarial nets[C]//Proceedings of the 27th International Conference on Neural Information Processing Systems. Montreal: MIT Press, 2014: 2672-2680
    [17] AHMAD S, LAVIN A, PURDY S, et al. Unsupervised real-time anomaly detection for streaming data[J]. Neurocomputing, 2017, 262: 134-147 doi: 10.1016/j.neucom.2017.04.070
    [18] XU S Y, LIU H Y, DUAN L T, et al. An improved LOF outlier detection algorithm[C]//Proceedings of 2021 IEEE International Conference on Artificial Intelligence and Computer Applications. Dalian: IEEE, 2021: 113-117
    [19] MISHRA S, KSHIRSAGAR V, DWIVEDULA R, et al. Attention-based Bi-LSTM for anomaly detection on time-series data[C]//Proceedings of the 30th International Conference on Artificial Neural Networks. Bratislava: Springer, 2021: 129-140
    [20] 赵玉炜, 苏举. 基于参数自适应优化聚类的卫星状态异常检测方法[J]. 空间科学学报, 2023, 43(5): 927-937 doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0054

    ZHAO Yuwei, SU Ju. Satellite anomaly detection method based on parameter adaptive optimization clustering[J]. Chinese Journal of Space Science, 2023, 43(5): 927-937 doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0054
  • 加载中
图(12) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  228
  • HTML全文浏览量:  45
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 

    0(来源:Crossref)

    0(来源:其他)

出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-03
  • 录用日期:  2025-07-10
  • 修回日期:  2024-12-12
  • 网络出版日期:  2024-12-17

目录

    /

    返回文章
    返回