[發明專利]基于運動學和動力學模型的衛星控制系統故障診斷方法

有效

• 申請號: 201310722240.8
• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103676941A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 王大軼;邢琰;何英姿;袁泉;熊凱
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G05B23/02
• 分類號: G05B23/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 安麗

技術領域

本發明屬于衛星姿態控制領域，涉及一種基于運動學和動力學模型的衛星控制系統執行機構和敏感器故障診斷方法。

背景技術

現代航天器大多結構復雜，工作環境惡劣，運行時間長，在軌工作過程中極易發生故障。一旦發生故障，若不采取積極有效的措施進行應對，很可能導致航天任務失敗，從而帶來巨大的資源浪費和不利的社會影響。

作為構成衛星的各個分系統中最關鍵也是最復雜的一個分系統，衛星姿態控制系統的可靠性是星上多個分系統正常運行的基本保障。如遙測遙控分系統要實現與地面站的通信，要求天線指向正確的位置；能源分系統要保障正常的電力供應，要求太陽帆板跟蹤太陽；對于對地觀測衛星而言，有效載荷的正常工作要求衛星進行高精度高穩定度姿態控制。因此，衛星姿態控制系統能否正常工作往往關系到整個航天任務的成敗。

衛星姿態控制系統由姿態敏感器、控制器、執行機構和衛星本體一起構成閉環控制回路。基于姿態敏感器測量和確定衛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星姿態，并根據所確定的姿態按滿足設計要求的控制律發出指令，控制執行機構按控制指令產生所需的控制力矩，實現衛星姿態控制。衛星姿態控制系統的故障率較高且危害較大。

為了提高衛星姿態控制系統的可靠性，一方面，應提高其組成部件如各敏感器、執行機構和控制器等自身的可靠性，降低發生故障的可能性；另一方面，應對關鍵部件采用冗余設計，并通過故障診斷技術消除或減弱故障造成的不利影響。

衛星姿態敏感器包括光學敏感器和慣性敏感器，其中，光學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星姿態敏感器故障診斷，如通過比較兩個光學敏感器輸出的方式進行故障檢測，但當硬件冗余條件不滿足時（如無故障光學敏感器個數少于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星姿態控制系統執行機構與敏感器的故障診斷問題，本發明提出一種基于狀態估計的執行機構、慣性敏感器和光學敏感器故障分離方法。

發明內容

本發明的技術解決問題是：克服現有技術的不足，提供了一種運動學和動力學模型的衛星姿態控制系統執行機構與敏感器的故障診斷方法，能夠在硬件冗余條件不滿足的情況下，實現執行機構、慣性敏感器和光學敏感器故障分離。

本發明的技術解決方案是：

基于運動學和動力學模型的衛星控制系統故障分離方法，步驟如下：

（1）建立衛星動力學子系統故障診斷模型和衛星運動學子系統故障診斷模型；

（2）根據步驟（1）中的動力學子系統故障診斷模型設計基于狀態估計的殘差生成器，計算殘差評價值J_FD1,r(k)與相應的閾值J_FD1,th(k)；

（3）根據步驟（1）中的運動學子系統故障診斷模型設計基于狀態估計的殘差生成器，計算殘差評價值J_FD2,r(k)與相應的閾值J_FD2,th(k)；

（4）如果J_FD1,r(k)>J_FD1,th(k)并且J_FD2,r(k)≤J_FD2,th(k)，則衛星姿態控制系統的執行機構發生了故障；如果J_FD1,r(k)>J_FD1,th(k)并且J_FD2,r(k)>J_FD2,th(k)，則衛星姿態控制系統的慣性敏感器發生了故障；如果J_FD1,r(k)≤J_FD1,th(k)并且J_FD2,r(k)>J_FD2,th(k)，則衛星姿態控制系統的光學敏感器發生了故障；否則，衛星姿態控制系統的執行機構和敏感器沒有發生故障。

所述步驟（1）中建立衛星動力學子系統故障診斷模型和衛星運動學子系統故障診斷模型，衛星動力學子系統故障診斷模型如下所示：