提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，属于卫 星总体设计技术领域。
【背景技术】
[0002] 航天器姿态感知系统包含的各类敏感器为航天器提供位置与姿态信息，在导航与 姿态控制中起着举足轻重的作用。各类统计数据表明，敏感器也是航天器控制系统中极易 发生故障的部分，因此航天器姿态感知系统故障诊断是航天器故障诊断的重点研宄方向。
[0003] 目前，敏感器的研制过程为：先从性能和功能的角度出发完成构型设计，在此基础 上，针对给定的敏感器构型开展故障诊断方法的研宄，这种方式存在的问题是由于敏感器 构型已经确定，因此故障诊断可用的信息数量与质量是不变的，现有诊断方法的研宄只能 根据这些信息最大程度的实现敏感器的故障诊断，这是一种治标不治本的思路。本发明期 望从敏感器设计阶段就开始考虑故障诊断问题，尽量保证提供给故障诊断的信息数量与质 量最优，为故障诊断方法的研宄与应用营造一个有利环境，进而最大限度地提高敏感器故 障诊断能力。
[0004] 由于陀螺是航天器姿态感知系统的核心部件，并且配置个数较多，构型较为复杂， 因此以陀螺为对象研宄提高可诊断性的优化配置方法（又称为可诊断性设计方法）更具代 表性，但本发明提出的方法可推广应用于其它敏感器可诊断性设计中。
【发明内容】
[0005] 本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，克服现有技术的不足，提供一种 提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，通过考虑航天器姿态感知系统故 障诊断问题，从根本上提高其故障诊断能力。
[0006] 本发明的技术解决方案是：
[0007] 提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，包括步骤如下：
[0008] (1)初始化粒子群参数，所述粒子群参数包括粒子个数、粒子的位置与速度、粒子 和粒子群最优故障诊断距离；
[0009] (2)根据粒子位置生成航天器陀螺安装矩阵H;
【主权项】
1. 提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，其特征在于步骤如下： (1) 初始化粒子群参数，所述粒子群参数包括粒子个数、粒子的位置与速度、粒子和粒 子群最优故障诊断距离； (2) 根据粒子位置生成航天器陀螺安装矩阵H;
其中，X=[Xlx2…x2n]表示粒子的位置，n表示航天器陀螺的个数，H为n行3列矩 阵，每一行代表一个航天器陀螺的安装位置； (3) 根据步骤（2)获得的陀螺安装矩阵判断航天器陀螺是否具有可检测性和可分离 性，若同时满足则进入步骤（4)，否则进入步骤（7); (4) 根据步骤（2)获得的陀螺安装矩阵计算故障诊断距离； (5) 判断步骤（4)中计算得到的故障诊断距离是否大于当前粒子的最优故障诊断距 离，若大于，则利用此时的故障诊断距离及其对应的粒子位置更新当前粒子的最优故障诊 断距离及其对应的粒子位置，并进入步骤（6)，否则进入步骤（7); (6) 判断步骤（4)中计算得到的故障诊断距离是否大于粒子群的最优故障诊断距离， 若大于，则利用此时的故障诊断距离及其对应的粒子位置更新粒子群的最优故障诊断距离 及其对应的粒子位置； (7) 若粒子群的所有粒子都已执行步骤（2)-(6)(若粒子由于不满足步骤（3)的条件而 未执行步骤（4)_(6)，也认为该粒子已执行步骤（2)-(6))，则判断粒子群的最优故障诊断 距离是否满足规定要求，若满足进入步骤（9)，若不满足则进入步骤（8);如果粒子群中仍 存在粒子没有执行步骤（2) _(6)，则从中挑选一个粒子执行步骤（2)-(6); (8) 更新各粒子的速度与位置，并重复步骤（2)-(7); (9) 结束。
2. 如权利要求1所述的提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，其特 征在于：所述步骤（3)中判断陀螺组件具有可检测性和可分离性的具体方式如下： (3a)对步骤（2)得到的航天器陀螺安装矩阵H增加一行和一列作为矩阵H的第一行和 第一列，得到矩阵H'，其中第一行用于存储变量标号，第一列用于存储陀螺标号 {C"C2，…，CJ; (3b)对矩阵H' (2:n+l，2:4)进行DM分解，获得最大匹配集，并针对最大匹配集中每 条边相关的变量标号和陀螺标号，采用有向连线进行连接，连线方向由陀螺输出标号指向 变量标号；其中H' (2:n+l，2:4)表示由矩阵H'的第2行到n+1行以及第2列到第4列构 成的矩阵； 设M是图G中边集的子集，如果M中任何两边都不具有相同顶点，则称M是G的一个匹 配；若在图G中不存在另一个匹配N，使N中边的个数大于M中边的个数，则称M为最大匹 配集。 (3c)假设步骤（3b)得到的最大匹配集包含的陀螺标号为{CpC^Cj，其中iG{1，? ? ?，n}，jG{1，? ? ?，n}，1G{1，? ? ?，n}，且i乒j乒 1 ({Ci,Cj,CJ为陀螺标号 {A，C2，…，CJ中的任意三个，并不一定是矩阵H'中的前三行），根据下列规则对变量编号 {Vi,v2,v3}添加标识： (3cl)若陀螺标号（^的出度为1，则与之连接的变量标号VJI加标识为{CJ，mG{1,2,3}； (3c2)若陀螺标号(^的出度为2,并且与之连接的其中一个变量标号的标识为{CJ或 {Cj}，则与之连接的另外一个变量标号Vq的标识为{Ci，CJ或IA，C」}，qG{1，2, 3}; (3c3)若两个陀螺输出标号(^与q出度都为2,并且与相同的两个变量标号VjP乂8相 连接，则这两个变量标号的标识都为IA，C」}，pG{1，2, 3}，gG{1，2, 3}，p乒g; (3c4)若（3cl)、（3c2)、（3c3)所述的三种情况均不满足，则每个变量标号的标识都为{ci； Cj, CJ； (3d)根据下述规则对不包含于最大匹配集的陀螺标号添加标识，即除{CpC^Ci}以外 的陀螺编号； 对于陀螺标号ch，将该行所有非零元素对应的变量标号的标识以及ch进行并运算，作 为陀螺标号Ch的标识，其中hG{1，. . .，n}，且h乒i乒j乒1 ; (3e)依次从步骤（3a)得到的H'中删除最大匹配集每条边对应的行，对剩余矩阵重复 步骤（3b) - (3d)，得到所有可能的陀螺标号的标识，每次只能删除最大匹配集一条边对应的 行； (3f)根据所有陀螺标号的标识进行可诊断性分析： (3f1)若所有陀螺标号标识的并集能够覆盖QC2，…，Cn，则所有陀螺具有可检测性； (3f2)对于航天器陀螺的每个标号，若分属于不同的陀螺标号标识集合，则所有陀螺具 有可分离性。
3. 如权利要求1所述的提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，其特 征在于：所述步骤（4)中计算故障诊断距离的具体方式如下： (4a)根据陀螺的安装矩阵H，获得矩阵V=InXn-H(HTHrHT; 其中，矩阵V的具体形式
，InXn表示n行n列的单位矩阵； L. /*心 /川」 (4b)根据得到的矩阵V，依据下列公式计算故障诊断距离：
其中，\彦示矩阵V的第e行第e列元素，V%表示矩阵V的第e列中除VM外绝 对值最大的元素，即Vse=max(||Vle||，||V2e||，…，||V(e_1)e||，||V(e+1)e||，...，||Vj|)， e，s^ {l，...，n}，曰s^e〇
4. 如权利要求1所述的提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，其特 征在于：所述步骤（8)中更新粒子群参数的具体方式如下： 利用下式对粒子d的位置与速度进行更新： vd(k+l) = ?vd(k)+c1r1(pd(k)-x d(k))+c2r2(pg(k)-xd(k)) xd(k+l) = xd(k)+vd(k+l) 其中，^表示粒子d的速度，x，表示粒子d的位置，pd表示粒子d最优故障诊断距离对 应的粒子位置，pg表示粒子群最优故障诊断距离对应的粒子位置，《、c表示随机数。
【专利摘要】本发明一种提高故障可诊断性的航天器姿态感知系统优化配置方法，步骤如下：初始化粒子群参数；生成陀螺安装矩阵；判断陀螺是否具有可检测性和可分离性；根据陀螺安装矩阵计算故障诊断距离；判断该故障诊断距离是否大于当前粒子记录的最优故障诊断距离，若大于则利用该故障诊断距离及其对应的粒子位置更新粒子的最优故障诊断距离及其对应的粒子位置；判断该故障诊断距离是否大于粒子群记录的最优故障诊断距离，若大于则更新粒子群的最优故障诊断距离及其相应的位置；判断粒子群的最优故障诊断距离是否满足规定要求；更新粒子群参数；本发明对故障诊断的考虑前移到整个设计阶段，为故障诊断方法研究提供有利条件，填补了国内外在技术领域的空白。
【IPC分类】G05D1-08, G05B13-04
【公开号】CN104614989
【申请号】CN201410827911
【发明人】王大轶, 刘文静, 何英姿, 邢琰, 刘成瑞
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年12月26日