基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法
【专利摘要】基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法，能够在硬件冗余条件不满足的情况下，实现动量轮、陀螺和星敏感器的故障分离。该方法基本流程为：首先，建立用于描述执行机构、惯性敏感器和光学敏感器之间输入输出关系的解析模型；然后，基于模型分别设计两个状态估计器，第1个状态估计器产生的残差对执行机构故障和惯性敏感器故障都敏感，不受光学敏感器故障的影响；而第2个状态估计器的残差对惯性敏感器故障和光学敏感器故障都敏感，不受执行机构故障的影响。这样，通过同时检测两个状态估计器的残差并与在线计算的阈值相比较，可以区分执行机构故障、惯性敏感器故障和光学敏感器故障。
【专利说明】基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法
【技术领域】
[0001]本发明属于卫星姿态控制领域，涉及一种基于运动学和动力学模型的卫星控制系统执行机构和敏感器故障诊断方法。
【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]卫星姿态敏感器包括光学敏感器和惯性敏感器，其中，光学敏感器有太阳敏感器、地球敏感器等，惯性敏感器以陀螺为代表。一般采用一致性检验的方法进行卫星姿态敏感器故障诊断，如通过比较两个光学敏感器输出的方式进行故障检测，但当硬件冗余条件不满足时(如无故障光学敏感器个数少于2个)，不能采用这种方法进行故障诊断。为了解决硬件冗余条件不满足情况下卫星姿态控制系统执行机构与敏感器的故障诊断问题，本发明提出一种基于状态估计的执行机构、惯性敏感器和光学敏感器故障分离方法。
【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，提供了一种运动学和动力学模型的卫星姿态控制系统执行机构与敏感器的故障诊断方法，能够在硬件冗余条件不满足的情况下，实现执行机构、惯性敏感器和光学敏感器故障分离。
[0008]本发明的技术解决方案是:
[0009]基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障分离方法，步骤如下:
[0010](I)建立卫星动力学子系统故障诊断模型和卫星运动学子系统故障诊断模型；
[0011](2)根据步骤(I)中的动力学子系统故障诊断模型设计基于状态估计的残差生成器，计算残差评价值Jfd1-(k)与相应的阈值JFD1，th(k)；
[0012](3)根据步骤(1)中的运动学子系统故障诊断模型设计基于状态估计的残差生成器，计算残差评价值JFD2-(k)与相应的阈值JFD2，th(k)；
[0013](4)如果JFD1，Jk)>JFD1，th(k)并且JFD2，Jk)≤JFD2，th(k)，则卫星姿态控制系统的执行机构发生了故障；如果JFD1,r(k)>JFD1,th(k)并且JFD2,r(k)>JFD2,th(k)，则卫星姿态控制系统的惯性敏感器发生了故障；如果JFD1,r(k) ( JFD1,th(k)并且JFD2,r(k)>JFD2,th(k)，则卫星姿态控制系统的光学敏感器发生了故障；否则，卫星姿态控制系统的执行机构和敏感器没有发生故障。
[0014]所述步骤(1)中建立卫星动力学子系统故障诊断模型和卫星运动学子系统故障诊断模型，卫星动力学子系统故障诊断模型如下所示:
【权利要求】
1.基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法，其特征在于步骤如下: (I)建立卫星动力学子系统故障诊断模型和卫星运动学子系统故障诊断模型； (2 )根据步骤(1)中的动力学子系统故障诊断模型设计基于状态估计的残差生成器，计算残差评价值Jfd1-(k)与相应的阈值JFD1，th(k)； (3)根据步骤(1)中的运动学子系统故障诊断模型设计基于状态估计的残差生成器，计算残差评价值JFD2 Jk)与相应的阈值JFD2，th(k)；
(4)如果Jfd1-(k)>JFD1，th(k)并且Jfe^ (k) ^ JFD2，th(k)，则卫星姿态控制系统的执彳丁机构发生了故障；如果JFD1,r(k)>JFD1,th(k)并且JFD2,r(k)>JFD2,th(k)，则卫星姿态控制系统的惯性敏感器发生了故障；如果JFD1，rOO≤JFD1，th(k)并且JFD2，r(k)>JFD2，th(k)，则卫星姿态控制系统的光学敏感器发生了故障；否则，卫星姿态控制系统的执行机构和敏感器没有发生故障。
2.根据权利要求1所述的基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法，其特征在于:所述步骤(1)中建立卫星动力学子系统故障诊断模型和卫星运动学子系统故障诊断模型，卫星动力学子系统故障诊断模型如下所示:
3.根据权利要求1所述的基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法，其特征在于:所述步骤(2)中根据步骤(1)中的动力学子系统故障诊断模型设计基于状态估计的残差生成器，计算残差评价值与相应的阈值具体为: 基于状态估计的动力学子系统故障诊断残差生成器为:
4.根据权利要求1所述的基于运动学和动力学模型的卫星控制系统故障诊断方法，其特征在于:所述步骤(3)中根据步骤(1)中的运动学子系统故障诊断模型设计基于状态估计的残差生成器，计算残差评价值与相应的阈值具体为: 运动学子系统的残差值计算方式如下:
【文档编号】G05B23/02GK103676941SQ201310722240
【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】王大轶, 邢琰, 何英姿, 袁泉, 熊凯 申请人:北京控制工程研究所