[發明專利]一種多源不確定航天器姿控可靠性一體化建模評估方法

有效

• 申請號: 202210054325.2
• 申請日: 2022-01-18
• 公開（公告）號: CN114326772B
• 公開（公告）日: 2023-10-13
• 發明（設計）人: 章健淳;喬建忠;郭雷
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學杭州創新研究院
• 主分類號: G05D1/08
• 分類號: G05D1/08
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 安麗

本發明涉及一種多源不確定航天器姿控可靠性一體化建模評估方法，首先，建立航天器姿態控制模型并量化其主要不確定性因素；其次，以姿態動力學模型為橋梁進行系統不確定因素到姿態響應的不確定性傳遞分析；最后，從控制響應不同階段的相異特點和精細化設計需求出發，提出進入穩態前的瞬態響應可靠度和進入穩態后的穩態響應可靠度兩類評估指標，并建立相應的姿控可靠性一體化評估模型。本發明實現多源不確定性條件下姿態控制的可靠程度概率量化，建立的可靠性模型和近似計算方法能夠較為準確地反映姿控可靠性水平，可用于指導控制器設計以提高姿控系統在軌運行壽命，從而創造出良好的社會和經濟效益。

技術領域

本發明涉及一種多源不確定航天器姿控可靠性一體化建模評估方法，它針對在自身參數和外部干擾不確定性影響下以傳統確定性方法設計的航天器姿態控制器存在性能失效風險的問題，提出了一種基于不確定量化傳遞分析和失效率建模的航天器姿控可靠性一體化建模評估方法，屬于航天器可靠性工程技術領域。

背景技術

考慮到在設計和建造空間系統上消耗的大量資金、時間和人力資源，以及空間維修不可達弊端，系統可靠性和過程安全在航空航天工業中成為重要研究問題。在航天器各子系統中，姿態控制系統在滿足其任務需求方面起著最為關鍵的作用。由于姿態控制系統必須在航天器的整個生命周期內持續運行，長時間受到內外部不確定性影響，如液體燃料的消耗引起轉動慣量的變化、太空環境干擾力矩、內部執行機構振動和摩擦等，其在規定條件下和規定時間內完成規定控制性能的能力(控制可靠性)直接決定了任務質量。為實現對系統可靠度或失效概率的定量評估及保證系統具有足夠的安全水平，研究多源不確定性影響下的航天器姿態控制可靠性建模方法具有重要的理論意義和工程價值。

國內外研究學者相繼提出多種方法解決空間系統可靠性評估問題，包括馬爾可夫鏈、基于中心極限的近似模型、自適應重要性抽樣、貝葉斯網絡、半馬爾可夫過程和一階可靠性方法等。文獻[Reliability of CubeSats-statistical data,developers'beliefsand the way forward]對178顆發射的立方體航天器的數據進行了整理分析，從而得到系統的失效情況和各子系統對系統故障的影響程度。他們使用混合威布爾模型來擬合非參數數據，同時考慮將實際數據與歷史任務數據聯系起來。根據文獻[A study of on-orbitspacecraft failures]和[Three-axis attitude control using redundant reactionwheels with continuous momentum dumping]統計，59％的故障由電源子系統和姿態控制系統引起，而姿態控制系統更具備恢復和容忍故障的可能性。然而，控制系統可靠性不簡單取決于各零部件的狀態或功能發揮，而取決于系統全回路的一體化表現。由于反饋作用的存在，某個零部件的失效并不一定導致整個控制系統的失效，上述傳統的可靠性建模方法，如單元級壽命分布和失效率建模方法、系統級可靠性框圖和故障樹分析方法等不完全適用于航天器姿態控制系統的控制可靠性量化分析。事實上，結構可靠性理論中的應力-強度干涉模型、極限狀態函數方法是一體化可靠性建模的典型代表，其思想可應用于控制系統的可靠性度量和優化。結構可靠性建模的核心在于將系統的功能或性能表達為與系統參數、外部載荷等相關的函數關系，再通過對參數、載荷等函數變量的不確定性量化和基于函數關系的不確定性傳遞分析得到功能或性能響應的不確定性特征，進而由可靠性定義建立系統的可靠性模型。由于控制系統的動力學模型恰好描述了其控制響應與自身參數、外部干擾的動態特性，結構可靠性建模方法則能被很好地應用于其一體化可靠性建模中。