專利名稱：一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星姿態(tài)控制領(lǐng)域，涉及一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代航天器大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，運行時間長，在軌工作過程中極易發(fā)生故障。一旦發(fā)生故障，若不采取積極有效的措施進行應(yīng)對，很可能導(dǎo)致航天任務(wù)失敗，從而帶來巨大的資源浪費和不利的社會影響。
作為構(gòu)成衛(wèi)星的各個分系統(tǒng)中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的一個分系統(tǒng)，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性是星上多個分系統(tǒng)正常運行的基本保障。如遙測遙控分系統(tǒng)要實現(xiàn)與地面站的通信，要求天線指向正確的位置；能源分系統(tǒng)要保障正常的電力供應(yīng)，要求太陽帆板跟蹤太陽；對于對地觀測衛(wèi)星而言，有效載荷的正常工作要求衛(wèi)星進行高精度高穩(wěn)定度姿態(tài)控制。因此，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)能否正常工作往往關(guān)系到整個航天任務(wù)的成敗。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)由姿態(tài)敏感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)和衛(wèi)星本體一起構(gòu)成閉環(huán)控制回路?；谧藨B(tài)敏感器測量和確定衛(wèi)星相對于空間某些已知基準目標的方位；控制器對測得的信息進一步處理后確定衛(wèi)星姿態(tài)，并根據(jù)所確定的姿態(tài)按滿足設(shè)計要求的控制率發(fā)出指令，控制執(zhí)行機構(gòu)按控制指令產(chǎn)生所需的控制力矩，實現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)控制。衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障率較高且危害較大。為了提高衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)的可靠性，一方面，應(yīng)提高其組成部件如各敏感器、執(zhí)行機構(gòu)和控制器等自身的可靠性，降低發(fā)生故障的可能性；另一方面，應(yīng)對關(guān)鍵部件采用冗余設(shè)計，并通過故障診斷技術(shù)消除或減弱故障造成的不利影響。衛(wèi)星姿態(tài)敏感器包括光學(xué)敏感器和慣性敏感器，其中，光學(xué)敏感器有太陽敏感器、地球敏感器等，慣性敏感器以陀螺為代表。一般采用一致性檢驗的方法進行衛(wèi)星姿態(tài)敏感器故障診斷，如通過比較兩個光學(xué)敏感器輸出的方式進行故障檢測，但當(dāng)硬件冗余條件不滿足時(如無故障光學(xué)敏感器個數(shù)少于2個)，不能采用這種方法進行故障診斷。為了解決硬件冗余條件不滿足情況下衛(wèi)星姿態(tài)敏感器的故障診斷問題，本發(fā)明提出基于多層狀態(tài)估計器的光學(xué)敏感器和慣性敏感器故障診斷方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星姿態(tài)敏感器故障診斷方法。能夠在硬件冗余條件不滿足的情況下，實現(xiàn)光學(xué)敏感器和慣性敏感器的故障隔離。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法，步驟如下(I)建立用于描述星載的光學(xué)敏感器和慣性敏感器之間輸出關(guān)系的故障診斷模型，即衛(wèi)星俯仰通道故障診斷模型和衛(wèi)星滾動-偏航通道故障診斷模型，
衛(wèi)星俯仰通道故障診斷模型形式如下所示xp (k+1) = ApXp (k) +BpUp (k)yp (k) = CpXp (k)其中，k表示離散的時間，Xp(k)表示第k步的俯仰通道狀態(tài)量，Ap表示俯仰通道狀態(tài)矩陣，Bp表示俯仰通道輸入矩陣，up (k)表示俯仰通道輸入量，yp(k)表示俯仰通道觀測量，Cp表示俯仰通道觀測矩陣；衛(wèi)星滾動-偏航通道故障診斷模型形式如下所示xr (k+1) = ArXr (k) +BrUr (k)yr (k) = CrXr (k)其中，X1^ (k)表示第k步的滾動-偏航通道狀態(tài)量，Ar表示滾動-偏航通道狀態(tài)矩陣，表示滾動-偏航通道輸入矩陣，ujk)表示滾動-偏航通道輸入量，^(k)表示滾動-偏航通道觀測量，Cr示滾動-偏航通道觀測矩陣；(2)根據(jù)步驟⑴中的俯衛(wèi)星仰通道故障診斷模型和衛(wèi)星滾動-偏航通道故障診斷模型設(shè)計基于俯仰通道故障診斷模型的第I層狀態(tài)估計器和基于滾動-偏航通道故障診斷模型的第I層狀態(tài)估計器；基于俯仰通道故障診斷模型的第I層狀態(tài)估計器形式為
權(quán)利要求
1.一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于步驟如下 (1)建立用于描述星載的光學(xué)敏感器和慣性敏感器之間輸出關(guān)系的故障診斷模型，即衛(wèi)星俯仰通道故障診斷模型和衛(wèi)星滾動-偏航通道故障診斷模型， 衛(wèi)星俯仰通道故障診斷模型形式如下所示 Xp (k+1) = ApXp (k) +BpUp (k) yp* (k) = CpXp (k) 其中，k表示離散的時間，xp (k)表示第k步的俯仰通道狀態(tài)量，Ap表示俯仰通道狀態(tài)矩陣，Bp表示俯仰通道輸入矩陣，up (k)表示俯仰通道輸入量，yp (k)表示俯仰通道觀測量，Cp表示俯仰通道觀測矩陣； 衛(wèi)星滾動-偏航通道故障診斷模型形式如下所示 xr (k+1) = Arxr (k) +BrUr (k) yr (k) = Crxr (k) 其中，& (k)表示第k步的滾動-偏航通道狀態(tài)量，\表示滾動-偏航通道狀態(tài)矩陣，Br表示滾動-偏航通道輸入矩陣，ur (k)表示滾動-偏航通道輸入量，yr (k)表示滾動-偏航通道觀測量，Cr表示滾動-偏航通道觀測矩陣； (2)根據(jù)步驟(I)中的俯衛(wèi)星仰通道故障診斷模型和衛(wèi)星滾動-偏航通道故障診斷模型設(shè)計基于俯仰通道故障診斷模型的第I層狀態(tài)估計器和基于滾動-偏航通道故障診斷模型的第I層狀態(tài)估計器； 基于俯仰通道故障診斷模型的第I層狀態(tài)估計器形式為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于 所述俯仰通道狀態(tài)量Xp (k)的形式為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于 所述滾動-偏航通道狀態(tài)量的形式為
全文摘要
一種基于多層狀態(tài)估計器的衛(wèi)星控制系統(tǒng)故障診斷方法，能夠在硬件冗余條件不滿足的情況下，實現(xiàn)光學(xué)敏感器和慣性敏感器的故障隔離。該方法基本流程為首先，建立用于描述光學(xué)敏感器和慣性敏感器之間輸出關(guān)系的解析模型；然后，基于模型分別設(shè)計兩層狀態(tài)估計器，第1層狀態(tài)估計器產(chǎn)生的殘差對光學(xué)敏感器故障和慣性敏感器故障都敏感，而第2層狀態(tài)估計器的殘差不受慣性敏感器故障的影響。這樣，通過檢測第1層狀態(tài)估計器的殘差并與事先設(shè)定的閾值相比較，可以判斷是否發(fā)生故障；如果發(fā)生故障，可以根據(jù)第2層狀態(tài)估計器的殘差區(qū)分光學(xué)敏感器故障和慣性敏感器故障。
文檔編號G01C25/00GK102735259SQ20121020191
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月18日
發(fā)明者劉成瑞, 劉文靜, 張國琪, 江耿豐, 熊凱, 王南華, 王大軼, 邢琰 申請人:北京控制工程研究所