提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，屬于衛(wèi) 星總體設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)包含的各類敏感器為航天器提供位置與姿態(tài)信息，在導(dǎo)航與 姿態(tài)控制中起著舉足輕重的作用。各類統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，敏感器也是航天器控制系統(tǒng)中極易 發(fā)生故障的部分，因此航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)故障診斷是航天器故障診斷的重點研宄方向。
[0003] 目前，敏感器的研制過程為：先從性能和功能的角度出發(fā)完成構(gòu)型設(shè)計，在此基礎(chǔ) 上，針對給定的敏感器構(gòu)型開展故障診斷方法的研宄，這種方式存在的問題是由于敏感器 構(gòu)型已經(jīng)確定，因此故障診斷可用的信息數(shù)量與質(zhì)量是不變的，現(xiàn)有診斷方法的研宄只能 根據(jù)這些信息最大程度的實現(xiàn)敏感器的故障診斷，這是一種治標(biāo)不治本的思路。本發(fā)明期 望從敏感器設(shè)計階段就開始考慮故障診斷問題，盡量保證提供給故障診斷的信息數(shù)量與質(zhì) 量最優(yōu)，為故障診斷方法的研宄與應(yīng)用營造一個有利環(huán)境，進而最大限度地提高敏感器故 障診斷能力。
[0004] 由于陀螺是航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)的核心部件，并且配置個數(shù)較多，構(gòu)型較為復(fù)雜， 因此以陀螺為對象研宄提高可診斷性的優(yōu)化配置方法（又稱為可診斷性設(shè)計方法）更具代 表性，但本發(fā)明提出的方法可推廣應(yīng)用于其它敏感器可診斷性設(shè)計中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種 提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，通過考慮航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)故 障診斷問題，從根本上提高其故障診斷能力。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0007] 提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，包括步驟如下：
[0008] (1)初始化粒子群參數(shù)，所述粒子群參數(shù)包括粒子個數(shù)、粒子的位置與速度、粒子 和粒子群最優(yōu)故障診斷距離；
[0009] (2)根據(jù)粒子位置生成航天器陀螺安裝矩陣H;
【主權(quán)項】
1. 提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，其特征在于步驟如下： (1) 初始化粒子群參數(shù)，所述粒子群參數(shù)包括粒子個數(shù)、粒子的位置與速度、粒子和粒 子群最優(yōu)故障診斷距離； (2) 根據(jù)粒子位置生成航天器陀螺安裝矩陣H;
其中，X=[Xlx2…x2n]表示粒子的位置，n表示航天器陀螺的個數(shù)，H為n行3列矩 陣，每一行代表一個航天器陀螺的安裝位置； (3) 根據(jù)步驟（2)獲得的陀螺安裝矩陣判斷航天器陀螺是否具有可檢測性和可分離 性，若同時滿足則進入步驟（4)，否則進入步驟（7); (4) 根據(jù)步驟（2)獲得的陀螺安裝矩陣計算故障診斷距離； (5) 判斷步驟（4)中計算得到的故障診斷距離是否大于當(dāng)前粒子的最優(yōu)故障診斷距 離，若大于，則利用此時的故障診斷距離及其對應(yīng)的粒子位置更新當(dāng)前粒子的最優(yōu)故障診 斷距離及其對應(yīng)的粒子位置，并進入步驟（6)，否則進入步驟（7); (6) 判斷步驟（4)中計算得到的故障診斷距離是否大于粒子群的最優(yōu)故障診斷距離， 若大于，則利用此時的故障診斷距離及其對應(yīng)的粒子位置更新粒子群的最優(yōu)故障診斷距離 及其對應(yīng)的粒子位置； (7) 若粒子群的所有粒子都已執(zhí)行步驟（2)-(6)(若粒子由于不滿足步驟（3)的條件而 未執(zhí)行步驟（4)_(6)，也認(rèn)為該粒子已執(zhí)行步驟（2)-(6))，則判斷粒子群的最優(yōu)故障診斷 距離是否滿足規(guī)定要求，若滿足進入步驟（9)，若不滿足則進入步驟（8);如果粒子群中仍 存在粒子沒有執(zhí)行步驟（2) _(6)，則從中挑選一個粒子執(zhí)行步驟（2)-(6); (8) 更新各粒子的速度與位置，并重復(fù)步驟（2)-(7); (9) 結(jié)束。
2. 如權(quán)利要求1所述的提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，其特 征在于：所述步驟（3)中判斷陀螺組件具有可檢測性和可分離性的具體方式如下： (3a)對步驟（2)得到的航天器陀螺安裝矩陣H增加一行和一列作為矩陣H的第一行和 第一列，得到矩陣H'，其中第一行用于存儲變量標(biāo)號，第一列用于存儲陀螺標(biāo)號 {C"C2，…，CJ; (3b)對矩陣H' (2:n+l，2:4)進行DM分解，獲得最大匹配集，并針對最大匹配集中每 條邊相關(guān)的變量標(biāo)號和陀螺標(biāo)號，采用有向連線進行連接，連線方向由陀螺輸出標(biāo)號指向 變量標(biāo)號；其中H' (2:n+l，2:4)表示由矩陣H'的第2行到n+1行以及第2列到第4列構(gòu) 成的矩陣； 設(shè)M是圖G中邊集的子集，如果M中任何兩邊都不具有相同頂點，則稱M是G的一個匹 配；若在圖G中不存在另一個匹配N，使N中邊的個數(shù)大于M中邊的個數(shù)，則稱M為最大匹 配集。 (3c)假設(shè)步驟（3b)得到的最大匹配集包含的陀螺標(biāo)號為{CpC^Cj，其中iG{1，? ? ?，n}，jG{1，? ? ?，n}，1G{1，? ? ?，n}，且i乒j乒 1 ({Ci,Cj,CJ為陀螺標(biāo)號 {A，C2，…，CJ中的任意三個，并不一定是矩陣H'中的前三行），根據(jù)下列規(guī)則對變量編號 {Vi,v2,v3}添加標(biāo)識： (3cl)若陀螺標(biāo)號（^的出度為1，則與之連接的變量標(biāo)號VJI加標(biāo)識為{CJ，mG{1,2,3}； (3c2)若陀螺標(biāo)號(^的出度為2,并且與之連接的其中一個變量標(biāo)號的標(biāo)識為{CJ或 {Cj}，則與之連接的另外一個變量標(biāo)號Vq的標(biāo)識為{Ci，CJ或IA，C」}，qG{1，2, 3}; (3c3)若兩個陀螺輸出標(biāo)號(^與q出度都為2,并且與相同的兩個變量標(biāo)號VjP乂8相 連接，則這兩個變量標(biāo)號的標(biāo)識都為IA，C」}，pG{1，2, 3}，gG{1，2, 3}，p乒g; (3c4)若（3cl)、（3c2)、（3c3)所述的三種情況均不滿足，則每個變量標(biāo)號的標(biāo)識都為{ci； Cj, CJ； (3d)根據(jù)下述規(guī)則對不包含于最大匹配集的陀螺標(biāo)號添加標(biāo)識，即除{CpC^Ci}以外 的陀螺編號； 對于陀螺標(biāo)號ch，將該行所有非零元素對應(yīng)的變量標(biāo)號的標(biāo)識以及ch進行并運算，作 為陀螺標(biāo)號Ch的標(biāo)識，其中hG{1，. . .，n}，且h乒i乒j乒1 ; (3e)依次從步驟（3a)得到的H'中刪除最大匹配集每條邊對應(yīng)的行，對剩余矩陣重復(fù) 步驟（3b) - (3d)，得到所有可能的陀螺標(biāo)號的標(biāo)識，每次只能刪除最大匹配集一條邊對應(yīng)的 行； (3f)根據(jù)所有陀螺標(biāo)號的標(biāo)識進行可診斷性分析： (3f1)若所有陀螺標(biāo)號標(biāo)識的并集能夠覆蓋QC2，…，Cn，則所有陀螺具有可檢測性； (3f2)對于航天器陀螺的每個標(biāo)號，若分屬于不同的陀螺標(biāo)號標(biāo)識集合，則所有陀螺具 有可分離性。
3. 如權(quán)利要求1所述的提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，其特 征在于：所述步驟（4)中計算故障診斷距離的具體方式如下： (4a)根據(jù)陀螺的安裝矩陣H，獲得矩陣V=InXn-H(HTHrHT; 其中，矩陣V的具體形式
，InXn表示n行n列的單位矩陣； L. /*心 /川」 (4b)根據(jù)得到的矩陣V，依據(jù)下列公式計算故障診斷距離：
其中，\彥示矩陣V的第e行第e列元素，V%表示矩陣V的第e列中除VM外絕 對值最大的元素，即Vse=max(||Vle||，||V2e||，…，||V(e_1)e||，||V(e+1)e||，...，||Vj|)， e，s^ {l，...，n}，曰s^e〇
4. 如權(quán)利要求1所述的提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，其特 征在于：所述步驟（8)中更新粒子群參數(shù)的具體方式如下： 利用下式對粒子d的位置與速度進行更新： 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最優(yōu)故障診斷距離對 應(yīng)的粒子位置，pg表示粒子群最優(yōu)故障診斷距離對應(yīng)的粒子位置，《、c表示隨機數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明一種提高故障可診斷性的航天器姿態(tài)感知系統(tǒng)優(yōu)化配置方法，步驟如下：初始化粒子群參數(shù)；生成陀螺安裝矩陣；判斷陀螺是否具有可檢測性和可分離性；根據(jù)陀螺安裝矩陣計算故障診斷距離；判斷該故障診斷距離是否大于當(dāng)前粒子記錄的最優(yōu)故障診斷距離，若大于則利用該故障診斷距離及其對應(yīng)的粒子位置更新粒子的最優(yōu)故障診斷距離及其對應(yīng)的粒子位置；判斷該故障診斷距離是否大于粒子群記錄的最優(yōu)故障診斷距離，若大于則更新粒子群的最優(yōu)故障診斷距離及其相應(yīng)的位置；判斷粒子群的最優(yōu)故障診斷距離是否滿足規(guī)定要求；更新粒子群參數(shù)；本發(fā)明對故障診斷的考慮前移到整個設(shè)計階段，為故障診斷方法研究提供有利條件，填補了國內(nèi)外在技術(shù)領(lǐng)域的空白。
【IPC分類】G05D1-08, G05B13-04
【公開號】CN104614989
【申請?zhí)枴緾N201410827911
【發(fā)明人】王大軼, 劉文靜, 何英姿, 邢琰, 劉成瑞
【申請人】北京控制工程研究所
【公開日】2015年5月13日
【申請日】2014年12月26日