一种基于故障可重构性约束的卫星控制系统方案优选方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于航空航天技术领域，涉及一种基于故障可重构性约束的卫星控制系统 方案优选方法。
【背景技术】
[0002] 随着航天技术的发展，人们对卫星的可靠性、安全性和工作寿命提出了越来越高 的要求。由于故障诊断与系统重构技术能够在系统故障后及时检测和定位故障，并通过系 统重构使故障影响降至最低，因此已成为从系统层面克服产品固有可靠性不足，提高卫星 运行可靠性和延长寿命的有效手段。然而，近年来国内外多次发生了卫星在寿命初期甚至 刚入轨阶段就完全失效的严重事件，表明了目前卫星在系统重构能力方面存在不足。因此， 提高系统重构能力已成为卫星实现高可靠长寿命的关键问题。
[0003] 卫星重构能力不足的主要原因就是自身的可重构性设计差，致使一些故障发生后 不能够及时采取有效措施进行处理。因此，必须把可重构性设计纳入设计体系，使其成为卫 星设计要素，才能有效的提升卫星在轨故障应对能力。目前针对可重构性设计技术的研宄 主要集中在制造系统和计算机系统，通过可重构性设计增强系统应对环境变化和功能变化 的能力。对于卫星，关于重构技术的研宄主要集中在故障后控制器的设计，但这属于故障后 补救措施，不适用于卫星研制阶段的可重构性设计。也有学者将故障可重构性看作系统的 固有特性，从能控能观格莱姆矩阵的奇异值的角度分析和评价LTI系统的重构能力，但这 种方法没有考虑系统各组成部分的配置情况，不适用于像卫星控制系统这种具有大量冗余 的复杂系统。因此，解决在可重构性约束条件下的控制系统方案设计问题，已成为提高卫星 可靠性，提升在轨运行质量的关键。
【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，提供了一种基于故障可重构性 约束的卫星控制系统方案优选方法，在设计阶段考虑卫星控制系统的重构能力及资源约 束，给出各系统方案优化设计方法，从而保证在满足可重构性约束的条件下系统综合性能 最优。
[0005] 本发明的技术解决方案是：
[0006] -种基于故障可重构性约束的卫星控制系统方案优选方法，步骤如下：
[0007] (1)根据卫星控制系统的能观性和能控性，给出最小可行配置集合CS，具体包括 如下步骤：
[0008] (I. 1)对于卫星控制系统，汇总敏感器配置和执行器配置，令执行器的可选配置为 a = Ia1, a2,…，aj，敏感器可选配置为s = (S1, S2,…，sp}，在稳定状态下，卫星控制系统通 过如下线性系统进行描述：
【主权项】
1. 一种基于故障可重构性约束的卫星控制系统方案优选方法，其特征在于步骤如下： (1)根据卫星控制系统的能观性和能控性，给出最小可行配置集合CS，具体包括如下 步骤： (I. 1)对于卫星控制系统，汇总敏感器配置和执行器配置，令执行器的可选配置为a = {叫，a2，…，aj，敏感器可选配置为s = {Sl，S2，…，sp}，在稳定状态下，卫星控制系统通过如 下线性系统进行描述：
其中，X e IT为状态向量；w e，为控制向量，对应于m个执行器；J e IT为观测向量， 对应于P个敏感器;A，B和C为相应维数的矩阵； (1. 2)令可选配置集a = {a" a2,…，am}和s = {s" s2,…，sp}中部分执行器ar = {a" a2,…，am, }和部分敏感器Sr= {s ^ s2,…，sp, }参与控制，其中m' < m，p'彡p，则 A G a，\ G *?，此时，卫星控制系统进一步描述为：
其中，81>=8 2￡^1狀^//_喂.!/，(<7|)，//(<7:)，"-，乂/((7,,,)|.，当执行器& 1￡&11时，4(&1)=1， 否则 μ (a) = 0，i = 1，2,…，m ;同理，Cr= Σ srC，Eir 全 乂，(λ.丨)，乂/(、τ2)，·.·，//(.、,)^ ^ 感器 SiG s r时 μ (s D = 1，否则 μ (Si) = 0, i = 1，2,…，ρ ; (1.3)令a:匚ar，与a ' r对应的控制矩阵为 B，r = BYlar , 义全，其中 af a ' r时 y (a i) = 1，否则 y (ai) = 〇，i = 1，2,…，m ;如果?满足 四111^[1^1^~1^111]=11且/训左[5,,5,,^^"尽 ,4"丨]<"^?,,.〔|^，则&1·= {ai，a2，…，am, }为执行器的最小可行配置；对A Ga的所有可能情况进行遍历，即得到执行 器的最小可行配置集合CSa; (1. 4)对于敏感器，令< ，与s ' ^对应的控制矩阵为?' =S's,.C， Σ二全 ，…，//(&)}，其中 Sie s ' r 时 y (S i) = 1，否则 y (Si) = 〇，i = 1，2,…，q ;如果sj茜足： rank [CT AtCt …（Alri) TCT] = η 且畑汝[(Cf，(〇Γ …（，丫((：丫]<" ; 则s = {Sl，S2，…，sp}为敏感器的最小可行配置，对\ s的所有可能情况进行遍历，即 得到敏感器的最小可行配置集合CSs; (1. 5)根据执行器和敏感器的最小可行配置集CSJP CS s，得到卫星控制系统的最小可 行配置集CS : CS={ariUsrJ} i = l，2，···，|CSa| j = l，2，···，|CSs 其中CSa为通过步骤（I. 3)得到的一个执行器最小可行配置，S CSsS通过步 骤（1.4)得到的一个敏感器最小可行配置，I · I为集合的势； (2) 根据步骤（1)中得到的最小可行配置集合CS，对卫星控制系统进行可重构性设计， 基于可重构性指标约束，给出可行的备选设计方案集合，具体包括如下步骤： (2. 1)取最小可行配置集合CS中的一个最小可行配置MFSi对最小重构单元集MRUS进 行初始化，具体为： 从CS中任取一个最小可行配置MFSi,则MFSiE CS，i = 1，2,…，|CS|，利用MFS #MRUS 进行初始化：MRUS = MFSi; (2. 2)根据MRUS创建功能树，计算功能树的最小割集，进而计算可重构率r ; 计算可重构率r具体为： (a) 计算故障可重构度：
式中γ i (X)为第i个最小重构单元在功能X下的可重构度；MRUiE MRUS为第i个最 小重构单元； (b) 计算系统可重构率r :