一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法，属于航天器控制 领域。
【背景技术】
[0002] 控制系统是实现航天器轨道和姿态控制以及各部件驱动（如太阳翼、星载天线 等）的重要子系统。随着航天技术的发展，航天器控制系统的结构和功能要求日益复杂，而 对于造价昂贵的航天器控制系统，高可靠性是其最基本的需求，一旦发生故障，轻者导致航 天器的预定功能降低或丧失，重者甚至会造成灾难性事故和巨大的经济损失。目前，航天器 控制系统的高可靠性一般通过软/硬件的高可靠性和冗余来保证。但由于加工工艺水平、 成本限制等客观因素、空间环境的复杂性以及测试的局限性，使得航天器出现运行异常或 系统发生故障的现象不可避免。据统计表明：从1975到2007的32年中，272颗卫星发生 的故障中控制系统占到了其中的37%。故障诊断能力的提高为实现增加航天器控制系统的 可靠性和可维护性开辟了一条新的途径。对于提高航天器控制系统故障诊断能力的研究包 括以下两方面：可诊断性确定和诊断算法设计。然而，目前对于航天器控制系统故障诊断领 域的研究多集中于诊断算法，对于可诊断性确定方面的研究较少。
[0003] 在现有一般控制系统故障可诊断性确定的技术中，按照是否考虑干扰影响，可以 分为固有可诊断性确定和实际可诊断性确定。所谓固有故障可诊断性确定是指，在确定过 程中不考虑干扰因素的影响，仅通过系统的解析模型、输入/输出信息，对故障能否被检测 和隔离进行确定。主要研究成果有：1)根据故障到输出传递函数的存在性确定可检测性， 根据不同故障对输出的不同响应进行可隔离性确定；2)将故障视为一种状态，基于状态的 可观测性确定故障的可检测性；3)通过系统的输入和输出关系构造残差，给出系统具有可 检测性和强可检测性的存在条件；4)基于关联矩阵确定可检测性和可隔离性。然而，上述 可检测性和可隔离性确定结果均是定性的，无法明确故障被检测和隔离的难易程度。实际 故障可诊断性确定，就是在固有可诊断性确定的基础上，考虑干扰因素的影响。主要研究成 果包括：1)采用K-L散度量化随机线性动态系统的实际故障可诊断性。由于该方法对故障 模式和输出个数的限制，使其在一定条件下难以满足航天器控制系统的要求。2)通过忽略 过程控制中状态变量的变化，利用故障方向矢量确定静态系统传感器故障的可检测性和可 隔离性。然而，该方法难以推广并应用于航天器控制系统这类动态系统和执行器故障的可 诊断性确定。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种噪声影响下航天器 控制系统可诊断性确定方法，在确定过程中充分考虑过程噪声和观测噪声等干扰因素的影 响，给出了航天器控制系统的多元概率分布统计模型，并基于该模型得到了系统故障可检 测性指标和可隔离性指标，同时基于可检测性指标和可隔离性指标进行可诊断性的定量判 断，保证了航天器控制系统的稳定性和设计的准确性。
[0005] 本发明的技术解决方案是：一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法， 步骤如下：
[0006] (1)通过标准化模型，利用航天器控制系统的离散状态空间模型得到航天器控制 系统的多元概率分布统计模型；
[0007] 所述航天器控制系统的离散状态空间模型由公式：
[0008]
【主权项】
1. 一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法，其特征在于步骤如下： (1) 通过标准化模型，利用航天器控制系统的离散状态空间模型得到航天器控制系统 的多元概率分布统计模型； 所述航天器控制系统的离散状态空间模型由公式：
给出，式中：XeRn为航天器控制系统的状态变量；yeRm为航天器控制系统的输出；ueRq为航天器控制系统的输入；fe以为航天器控制系统的故障矢量，所述故障包括执行 器故障和敏感器故障；wGR1和VGRt分别为过程噪声和观测噪声；Rn、R' Rp、R1和Rt 分别表示在实数域内的n维、m维、q维、p维、1维和t维列向量，n、m、q、p、1和t为正整 数；k为采样时间点；A、Bu、Bf、Bw、C、Du、D#PDv为相应维数的系统矩阵； (2) 利用步骤（1)获得的航天器控制系统多元概率分布统计模型，得到航天器控制系 统量化的可检测性指标， 所述量化的可检测性指标由公式：
给出，其中FD(fi)为故障&量化的可检测性指标，FD(fJ的取值范围为[0，1];P(NHFifsi |H)表示无故障发生时故障矢量NHFifsi的概率密度函数，H表示航天器控制系统无 故障发生，匕表示故障fi的故障矩阵，i为正整数，fsi表示预先设定的故障模式； (3) 判断步骤（2)中航天器控制系统量化的可检测性指标是否为0,若为0,则航天器 控制系统故障不可被检测且不可被隔离，结束故障检测；否则判定故障可检测，进入步骤 (4)； (4) 利用步骤（1)获得的航天器控制系统多元概率分布统计模型，得到航天器控制系 统量化的可隔离性指标， 所述故障4与^之间量化的可隔离性指标由：
给出，其中：FI(fi，fp为故障4与。之间量化的可隔离性能指标，FI(fi，fp取值范围 为[〇, 1]; (5) 判断步骤（4)中航天器控制系统量化的可隔离性指标是否为0,若为0,则航天器控 制系统故障可被检测但不可被隔离，结束故障检测；否则判定故障可被检测且可被隔离，结 束故障检测。
2. 根据权利要求1所述的一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法，其特征 在于：所述步骤（1)中的标准化模型为： Lzs=Hxs+Ffs+Ees 其中：s为时间窗口长度，且s=n+l;zsGR(-s、XsGRn(s+1)、fsGRp，esGR(1+t)s分 别为标准化模型的观测、状态变量、故障和干扰的时间堆栈向量，数学表达式分别为：
L、H、F和E为相应维数的系数矩阵，分别为：
其中，I表示单位矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法，其特征 在于：所述步骤（1)中航天器控制系统的多元概率分布统计模型为： NhLzs=NHFfs+NHEes 式中：NH为矩阵H零空间的左正交基，即NhH= 0。
【专利摘要】一种噪声影响下航天器控制系统可诊断性确定方法，首先通过标准化模型和等价空间方法，建立航天器控制系统多元概率分布的统计模型；然后得到可检测性指标，进行故障可检测性能确定；最后得到可隔离性指标，进行故障可隔离性性能确定；本发明充分考虑了过程噪声和观测噪声等干扰因素对可诊断性能的影响，不需要设计任何故障诊断算法，仅依靠航天器控制系统的动力学、运动学、控制器模型等系统信息以及敏感器和执行器的配置/安装情况，即可实现故障可检测和可隔离性的确定，简化了航天器控制系统的故障诊断过程，同时可以为诊断算法的设计提供理论依据，优化了航天器控制系统的设计方法，提高了航天器控制系统设计的可控性。
【IPC分类】G05B23-02, G06F19-00
【公开号】CN104571087
【申请号】CN201410827895
【发明人】王大轶, 李文博, 刘成瑞, 邢琰, 何英姿
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月26日