專利名稱：一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)傳感器與執(zhí)行器的故障檢測與隔離方法，屬于航天航空領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)是保證衛(wèi)星正常運行的重要組成部分，它由衛(wèi)星本體、姿態(tài)敏感測量組件(如陀螺慣組、太陽敏感器、GPS等敏感器)、姿態(tài)控制執(zhí)行組件(如飛輪、力矩陀螺、噴氣裝置等執(zhí)行器)以及姿態(tài)控制器(如CPU、DSP等處理器)構(gòu)成，衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障多發(fā)生于敏感器(亦稱傳感器)和執(zhí)行器。目前故障診斷技術(shù)在航天領(lǐng)域已經(jīng)得到很大的發(fā)展，取得了很多理論研究成果與一定的實踐成果。按照故障診斷方法的分類，可將航天器故障診斷方法劃分為基于解析模型的方法、基于信號處理的方法和基于知識的方法。狀態(tài)觀測器和等價空間用于故障診斷都屬于解析模型的方法，都是較早成功應(yīng)用到故障診斷之中的方法，對它們的研究也最為深入?；谟^測器以及等價空間方法的故障診斷技術(shù)充分利用了被診斷對象的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)內(nèi)部的深層知識，能夠比較有效地對系統(tǒng)中的故障進(jìn)行檢測、分離和判別。故障診斷一般包含故障檢測(判斷故障是否發(fā)生)與故障隔離(判斷故障發(fā)生的具體位置)。故障診斷一般包括故障檢測和故障隔離，故障診斷觀測器是一種利用解析余度技術(shù)進(jìn)行故障檢測與隔離的方法。解析余度技術(shù)是20世紀(jì)70年代初提出的故障診斷方法， 在20世紀(jì)80年代末形成相對清晰的設(shè)計思路。解析余度技術(shù)是根據(jù)系統(tǒng)被控對象數(shù)學(xué)模型各個變量之間的解析關(guān)系，實時估計對象某些變量的值，并運用一些有效的算法檢測出發(fā)生故障的對象，當(dāng)一些變量發(fā)生變化時，用這些估計值作為余度信息，代替發(fā)生變化的這些變量值，使系統(tǒng)仍能工作。故障診斷觀測器方法最早由Beard提出，隨后經(jīng)許多學(xué)者不斷發(fā)展加以完善。對于被測狀態(tài)，殘差可定義為系統(tǒng)狀態(tài)估計值與測量值之差；對于不可測狀態(tài)，殘差可定義為系統(tǒng)的輸出估計值與輸出測量值之差。當(dāng)系統(tǒng)正常工作未發(fā)生故障時，殘差為零，發(fā)生故障時，殘差非零。等價空間是建立在動態(tài)系統(tǒng)的平衡計算研究之上的，它利用系統(tǒng)可測的輸入輸出變量來檢測系統(tǒng)數(shù)學(xué)方程的一致性?；诘葍r空間的故障診斷，其基本原理就是把測量到的系統(tǒng)輸出信號投影到與系統(tǒng)能觀測性子空間的正交補上，從而生成殘差，并根據(jù)等價空間的故障方向確定故障的位置。傳統(tǒng)的基于狀態(tài)觀測器和等價空間的故障診斷方法具有一定局限性，對于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)而言，如果其敏感器和執(zhí)行性都可能發(fā)生故障，那么單獨使用狀態(tài)觀測器或等價空間法進(jìn)行故障診斷，都需要提供額外的信息，如需要測量部件的溫度、電壓、電流等信息，或需要依賴額外的其他傳感器等硬件設(shè)置，這樣增加了硬件復(fù)雜度，從而降低了已有設(shè)備的有效利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是為了解決傳統(tǒng)故障診斷方法硬件復(fù)雜度高、控制精度低、故障診斷算法的有效性差的問題，提供了一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置及方法。本發(fā)明所述一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，衛(wèi)星上易發(fā)生故障的器件包括執(zhí)行器和敏感器，而各種敏感器中陀螺敏感器的使用率最高、發(fā)生故障的概率也最高，因此本發(fā)明主要針對執(zhí)行器和陀螺敏感器進(jìn)行故障診斷設(shè)計的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，所述衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置包括衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊、故障診斷觀測器、等價向量空間描述模塊和故障診斷與隔離模塊，衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊根據(jù)執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號構(gòu)建衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型，并輸出衛(wèi)星三軸角速率信號給陀螺敏感器，陀螺敏感器根據(jù)衛(wèi)星三軸角速率信號進(jìn)行工作輸出，故障診斷觀測器同時接收陀螺敏感器的輸出實際三軸角速率信號和執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號，故障診斷觀測器輸出衛(wèi)星三軸角速率殘差給故障診斷與隔離模塊，所述實際三軸角速率信號還輸出給等價向量空間描述模塊，等價向量空間描述模塊輸出等價向量，所述等價向量和衛(wèi)星三軸角速率殘差經(jīng)過故障診斷與隔離模塊處理后輸出故障分離結(jié)果，分離出的故障結(jié)果為是執(zhí)行器或陀螺敏感器發(fā)生故障；并能進(jìn)一步判斷出該故障部件的衛(wèi)星三軸中的哪個軸發(fā)生故障?；谒龅囊环N基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置的故障診斷方法，該方法包括以下步驟步驟一根據(jù)執(zhí)行器和陀螺敏感器的輸出信號，故障診斷觀測器輸出衛(wèi)星三軸角速率殘差；步驟二 根據(jù)陀螺敏感器的輸出信號由等價向量空間描述模塊構(gòu)造陀螺敏感器的等價空間描述，輸出的等價向量P用于判斷陀螺敏感器是否發(fā)生故障；步驟三根據(jù)步驟一獲取的衛(wèi)星三軸角速率殘差和步驟二獲取的等價向量p，由故障診斷與隔離模塊輸出故障分離結(jié)果，分離出的故障結(jié)果為是執(zhí)行器或陀螺敏感器發(fā)生故障；并能進(jìn)一步判斷出該故障部件的哪個軸發(fā)生故障。本發(fā)明的優(yōu)點1)本發(fā)明所提出的故障診斷方法充分利用了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)敏感器和執(zhí)行器與衛(wèi)星之間的特殊結(jié)構(gòu)關(guān)系，無需測量部件的溫度、電壓、電流等信息，在控制指令與陀螺組件測量輸出的基礎(chǔ)上即可實現(xiàn)故障診斷，充分地利用了系統(tǒng)的模型知識和陀螺輸出信息，無需依賴額外的傳感器，有利于提高故障診斷算法的有效性。2)本發(fā)明所提出的故障診斷方法利用了系統(tǒng)的解析冗余和陀螺組件的硬件冗余， 克服了傳統(tǒng)方法只能診斷傳感器或執(zhí)行器故障的局限性，增強了故障診斷與分離能力。3)本發(fā)明所提出的故障診斷方法算法簡明有效，計算量小，實時性好，便于進(jìn)行在軌實時故障診斷。


圖1是故障檢測與隔離的結(jié)構(gòu)圖；圖2是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)無故障時的三軸殘差的示意圖3是衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)無故障時的等價向量的示意圖；圖4是X軸執(zhí)行器發(fā)生突變故障時的三軸殘差的示意圖；圖5是X軸執(zhí)行器發(fā)生突變故障時的等價向量的示意圖；圖6是Z軸陀螺發(fā)生緩變變故障時的三軸殘差的示意圖；圖7是Z軸陀螺發(fā)生緩變變故障時的等價向量的示意圖；圖8是斜裝軸陀螺發(fā)生突變故障時的三軸殘差的示意圖；圖9是斜裝軸陀螺發(fā)生突變故障時的等價向量的示意圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，衛(wèi)星上易發(fā)生故障的器件包括執(zhí)行器和敏感器，而各種敏感器中陀螺敏感器的使用率最高、發(fā)生故障的概率也最高，因此本發(fā)明主要針對執(zhí)行器和陀螺敏感器進(jìn)行故障診斷設(shè)計的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，所述衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置包括衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊1、故障診斷觀測器2、等價向量空間描述模塊3和故障診斷與隔離模塊4，衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊1根據(jù)執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號構(gòu)建衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型，并輸出衛(wèi)星三軸角速率信號給陀螺敏感器，陀螺敏感器根據(jù)衛(wèi)星三軸角速率信號進(jìn)行工作輸出，故障診斷觀測器2同時接收陀螺敏感器的輸出實際三軸角速率信號和執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號，故障診斷觀測器2輸出衛(wèi)星三軸角速率殘差給故障診斷與隔離模塊4， 所述實際三軸角速率信號還輸出給等價向量空間描述模塊3，等價向量空間描述模塊3輸出等價向量，所述等價向量和衛(wèi)星三軸角速率殘差經(jīng)過故障診斷與隔離模塊4處理后輸出故障分離結(jié)果，分離出的故障結(jié)果為是執(zhí)行器或陀螺敏感器發(fā)生故障；并能進(jìn)一步判斷出該故障部件的衛(wèi)星三軸中的哪個軸發(fā)生故障。本發(fā)明的目的在于提出一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)故障診斷方法，對于常見的用于衛(wèi)星的三正裝一斜裝陀螺慣組，充分利用陀螺間的冗余關(guān)系， 將狀態(tài)觀測器和等價空間方法有機結(jié)合，從而得到更實用、簡潔、有效地衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)傳感器與執(zhí)行器的故障檢測與分離方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的對衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)建模，構(gòu)造故障診斷觀測器，用產(chǎn)生的殘差，來判斷包含敏感器和執(zhí)行器的故障軸；利用陀螺慣組的冗余測量數(shù)據(jù)，定義等價向量，根據(jù)有無故障時的等價向量范數(shù)范圍，設(shè)計故障檢測閾值，依據(jù)等價向量是否超過閾值實現(xiàn)陀螺慣組的故障檢測，故障診斷觀測器與等價向量相結(jié)合，可以實現(xiàn)對衛(wèi)星的陀螺傳感器與執(zhí)行器進(jìn)行故障檢測與隔離。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一做進(jìn)一步的說明衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊1構(gòu)建的衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型為
權(quán)利要求
1.一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，衛(wèi)星上易發(fā)生故障的器件包括執(zhí)行器和敏感器，而各種敏感器中陀螺敏感器的使用率最高、發(fā)生故障的概率也最高，其特征在于，針對執(zhí)行器和陀螺敏感器進(jìn)行故障診斷的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置包括衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊(1)、故障診斷觀測器O)、等價向量空間描述模塊 (3)和故障診斷與隔離模塊G)，衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊(1)根據(jù)執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號構(gòu)建衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型，并輸出衛(wèi)星三軸角速率信號給陀螺敏感器，陀螺敏感器根據(jù)衛(wèi)星三軸角速率信號進(jìn)行工作輸出，故障診斷觀測器O)同時接收陀螺敏感器輸出的實際三軸角速率信號和執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號，故障診斷觀測器(2)輸出衛(wèi)星三軸角速率殘差給故障診斷與隔離模塊 G)，所述實際三軸角速率信號還輸出給等價向量空間描述模塊(3)，等價向量空間描述模塊C3)輸出等價向量，所述等價向量和衛(wèi)星三軸角速率殘差經(jīng)過故障診斷與隔離模塊(4) 處理后輸出故障分離結(jié)果，分離出的故障結(jié)果為是執(zhí)行器或陀螺敏感器發(fā)生故障；并能進(jìn)一步判斷出該故障部件的衛(wèi)星三軸中的哪個軸發(fā)生故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，其特征在于，衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊(1)構(gòu)建的衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型為Ssshsssi2 i3 g _ A X2 ^\iy-iz)X2it)X3it)lix+Tjix Uz-I細(xì) X^IyYTyIIy (Ix-I)Xl(t)x2(t)/Iz+Tz/Iz為衛(wèi)星三軸角速率，yTxTyTz為衛(wèi)星三軸主軸慣量，為執(zhí)行器輸出的三軸轉(zhuǎn)矩，
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，其特征在于，故障診斷觀測器O)的觀測方程為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷 裝置，其特征在于，衛(wèi)星三軸角速率殘差
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置，其特征在于，等價向量空間描述模塊(3)構(gòu)建的等價向量ρ為 ρ = Vm = V (w+fs)，其中m是陀螺敏感器的測量輸出，w為噪聲，fs為陀螺傳感器故障標(biāo)識，fs = O表示無故障，fs = 1表示有故障，V是(1-n) X 1維待正定滿秩矩陣，且滿足下述條件
6.基于權(quán)利要求1所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置的故障診斷方法，其特征在于，該方法包括以下步驟步驟一根據(jù)執(zhí)行器和陀螺敏感器的輸出信號，故障診斷觀測器( 輸出衛(wèi)星三軸角速率殘差；步驟二 根據(jù)陀螺敏感器的輸出信號由等價向量空間描述模塊C3)構(gòu)造陀螺敏感器的等價空間描述，輸出的等價向量P用于判斷陀螺敏感器是否發(fā)生故障；步驟三根據(jù)步驟一獲取的衛(wèi)星三軸角速率殘差和步驟二獲取的等價向量P，由故障診斷與隔離模塊(4)輸出故障分離結(jié)果，分離出的故障結(jié)果為是執(zhí)行器或陀螺敏感器發(fā)生故障；并能進(jìn)一步判斷出該故障部件的哪個軸發(fā)生故障。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于，步驟一中的衛(wèi)星三軸角速率殘差的獲取過程為 步驟11、衛(wèi)星姿態(tài)動力學(xué)模型構(gòu)建模塊(1)根據(jù)執(zhí)行器輸出的轉(zhuǎn)矩信號
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于，步驟二中等價向量ρ按如下公式獲取ρ = Vm = V (w+fs)，其中m是陀螺敏感器的測量輸出，W =SSSXl X2 X3w為噪聲，fs為陀螺傳感器故障標(biāo)識，fs = 0表示無故障，fs = 1表示有故障， V是(1-n) X 1維待正定滿秩矩陣，且滿足下述條件VH = O,WT = -ηχη‘l-n式中H e Rlxn為陀螺敏感器安裝矩陣。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷方法，其特征在于，步驟三中故障診斷與隔離模塊(4)按如下邏輯輸出故障分離結(jié)果00無故障，衛(wèi)星三軸角速率殘差都小于軸故障檢測閾值ε工，等價向量ρ的范數(shù)I IPI 小于陀螺故障檢測閾值％ ；01:x軸執(zhí)行器發(fā)生故障，X軸的角速率殘Sr1U)大于軸故障檢測閾值小于設(shè)定的閾值；02:Υ軸執(zhí)行器發(fā)生故障，Y軸的角速率殘gr2(t)大于軸故障檢測閾值 P的范數(shù)I IPI I小于陀螺故障檢測閾值ε D ；03:Ζ軸執(zhí)行器發(fā)生故障，Z軸的角速率殘差1~3(0大于軸故障檢測閾值 P的范數(shù)I IPI I小于陀螺故障檢測閾值ε D ；10斜裝軸陀螺發(fā)生故障，衛(wèi)星三軸角速率殘差都小于軸故障檢測閾值ε 的范數(shù)I IpI I大于陀螺故障檢測閾值ε D ；11:x軸陀螺發(fā)生故障，X軸的角速率殘Sr1U)大于軸故障檢測閾值ε 的范數(shù)I IpI I大于陀螺故障檢測閾值eD ；12:Y軸陀螺發(fā)生故障，Y軸的角速率殘差1~2(0大于軸故障檢測閾值ε 的范數(shù)I IpI I大于陀螺故障檢測閾值eD ；13:Z軸陀螺發(fā)生故障，Z軸的角速率殘差1~3(0大于軸故障檢測閾值ε 的范數(shù)I IpI I大于陀螺故障檢測閾值eD。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷方法，軸故障檢測閾值S1 = Ao 80，陀螺故障檢測閾值ε D = 3 σ 8 ο，ο為陀螺噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差。，等價向量 ，等價向量 ，等價向量 ρ等價向量P t，等價向量P t，等價向量P t，等價向量P
全文摘要
一種基于狀態(tài)觀測器和等價空間的衛(wèi)星姿控系統(tǒng)故障診斷裝置及方法，屬于航天航空領(lǐng)域，本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)故障診斷方法硬件復(fù)雜度高、控制精度低、故障診斷算法的有效性差的問題。本發(fā)明方法包括步驟一根據(jù)執(zhí)行器和陀螺敏感器的輸出信號，故障診斷觀測器輸出衛(wèi)星三軸角速率殘差；步驟二根據(jù)陀螺敏感器的輸出信號由等價向量空間描述模塊構(gòu)造陀螺敏感器的等價空間描述，輸出的等價向量p用于判斷陀螺敏感器是否發(fā)生故障；步驟三根據(jù)步驟一獲取的衛(wèi)星三軸角速率殘差和步驟二獲取的等價向量p，由故障診斷與隔離模塊輸出故障分離結(jié)果，分離出的故障結(jié)果為是執(zhí)行器或陀螺敏感器發(fā)生故障；并能進(jìn)一步判斷出該故障部件的哪個軸發(fā)生故障。
文檔編號G05B23/02GK102176159SQ20111004779
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者張淼, 沈毅, 王振華, 紀(jì)延琚 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)