一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法
【专利摘要】一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法，能够在不需要对执行机构相关物理量进行直接测量的情况下，实现不同通道动量轮的故障隔离。该方法基本流程为：首先，建立用于描述执行机构和惯性敏感器之间输入输出关系的解析模型，选择执行机构故障隔离策略；然后，根据结构化残差设计要求，将非目标执行机构故障看作未知输入，设计未知输入观测器，获得与非目标执行机构故障解耦的残差，选取残差的范数作为残差评价值，并根据区间分析的方法得到相应的阈值，进而确定系统是否发生了目标执行机构故障，完成该残差的故障决策；最后，综合各个残差的故障决策结果，由故障分离策略确定系统执行机构故障的具体位置。
【专利说明】一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星姿态控制领域，涉及一种基于未知输入观测器的执行机构故障诊断方法。
【背景技术】
[0002]现代航天器大多结构复杂，工作环境恶劣，运行时间长，在轨工作过程中极易发生故障。一旦发生故障，若不采取积极有效的措施进行应对，很可能导致航天任务失败，从而带来巨大的资源浪费和不利的社会影响。
[0003]作为构成卫星的各个分系统中最关键也是最复杂的一个分系统，卫星姿态控制系统的可靠性是星上多个分系统正常运行的基本保障。如遥测遥控分系统要实现与地面站的通信，要求天线指向正确的位置；能源分系统要保障正常的电力供应，要求太阳帆板跟踪太阳；对于对地观测卫星而言，有效载荷的正常工作要求卫星进行高精度高稳定度姿态控制。因此，卫星姿态控制系统能否正常工作往往关系到整个航天任务的成败。
[0004]卫星姿态控制系统由姿态敏感器、控制器、执行机构和卫星本体一起构成闭环控制回路。基于姿态敏感器测量和确定卫星相对于空间某些已知基准目标的方位；控制器对测得的信息进一步处理后确定卫星姿态，并根据所确定的姿态按满足设计要求的控制律发出指令，控制执行机构按控制指令产生所需的控制力矩，实现卫星姿态控制。卫星姿态控制系统的故障率较高且危害较大。
[0005]为了提高卫星姿态控制系统的可靠性，一方面，应提高其组成部件如各敏感器、执行机构和控制器等自身的可靠性，降低发生故障的可能性；另一方面，应对关键部件采用冗余设计，并通过故障诊断技术消除或减弱故障造成的不利影响。
[0006]卫星姿态控制系统常用的执行机构包括飞轮、推力器、磁力矩器和重力梯度力矩执行机构。一般采用一致性检验的方法进行卫星姿态控制系统执行机构故障诊断，如通过实测动量轮角动量的变化和指令角动量变化的一致性检验进行故障隔离，但当执行机构的相关待测量不能轻易得到时，不适宜采用这种方法进行故障诊断。为了解决执行机构一致性检验所需要的相关量不易测量情况下卫星姿态控制系统执行机构的故障诊断问题，本发明提出一种基于未知输入观测器的卫星控制系统执行机构故障隔离方法。
【发明内容】
[0007]本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足，提供了一种基于未知输入观测器的卫星姿态控制系统执行机构的故障诊断方法。能够在执行机构一致性检验所需要的相关量不易测量的情况下，实现执行机构的故障隔离。
[0008]本发明的技术解决方案是:
[0009]一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障隔离方法，步骤如下:
[0010](I)建立用于描述星载的执行机构和惯性敏感器之间输入输出关系的故障诊断模型，确定故障隔离策略；[0011]卫星执行机构故障隔离的诊断模型为:
[0012]
【权利要求】
1.一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法，其特征在于步骤如下: (1)建立用于描述星载的执行机构和惯性敏感器之间输入输出关系的故障诊断模型，确定故障隔离策略； (2)根据步骤(1)中的系统故障隔离诊断模型确定基于未知输入观测器的执行机构故障隔离残差生成器； (3)根据步骤(2)中的残差生成器，计算残差评价值与相应的阈值，并确定残差的故障决策关系; (4)重新选定未知输入矩阵，重复执行步骤(2)-(3)，得到一组残差的故障决策结果，根据步骤(1)中确定的广义残差组S.，确定发生故障的执行机构的位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法，其特征在于:所述步骤(1)卫星执行机构故障隔离的诊断模型为:
3.根据权利要求1所述的一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法，其特征在于:所述步骤(2)基于未知输入观测器的执行机构故障隔离残差生成器为:
z{k + I) = Fz(k) + TBu(k) + Ky(k)
< x(k) = z(k) + Hy(k) r(k) = (l-CH)y(k)-Cz(k) 其中，i(々)表示动力学子系统状态量的估计值，r(k)表示残差，z(k)是中间变量，F、T、K、H表示相关的参数矩阵,满足以下条件 (1-HC)Fa=M T=1-HCF=TA-K1C
K2=FH
K=KJK2 其中，Fa表示故障输入矩阵，其列向量由故障向量fj组成，i=l,-,Na,且满足
4.根据权利要求1所述的一种基于未知输入观测器的卫星执行机构故障诊断方法，其特征在于:所述步骤(3)系统执行机构故障隔离的残差评价值计算方式如下:
Juio, r(k)= I r (k) | 其中，Juio,r(k)表示用于执行机构故障隔离的残差评价值； 与执行机构故障隔离的残差评价值相对应的阈值计算方式如下: 阐值
【文档编号】G05B23/00GK103676918SQ201310718816
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】邢琰, 王大轶, 何英姿, 熊凯 申请人:北京控制工程研究所