本发明是属于航天嵌入式软件设计领域，涉及一种基于索引的敏感器数据选用控制方法。
背景技术：
航天器在轨一般要求具有高精度姿态确定能力以及高精度、高稳定度的姿态控制能力，而且往往需要硬件的冗余备份，以期实现航天器的长寿命和高可靠运行。为此，航天器上每一类组件(如敏感器)均安装了多个，以实现故障情况下组件的诊断及替换，提高航天器在轨姿轨控能力和可靠性。
以某航天器的陀螺敏感器为例，陀螺组件以航天器的oz轴为锥面中心，以54°44′08″为锥面半锥角的方式安装了9个。在定姿过程中，可根据情况选用其中的任意3～9个进行定姿计算。在定姿计算前，都要根据所选用的陀螺确定安装矩阵完成定姿过程。在陀螺的异常判断过程中，任一个陀螺是否存在异常均采用其余选用陀螺合成的姿态结果来判断，在这种设计策略下，在确定选用的n个陀螺(3<＝n<＝9)中任意m(3<＝m<n)个陀螺均需要组合进行姿态计算，以完成对陀螺异常判断的覆盖性和有效性。如果某个陀螺出现异常，则不再选用该陀螺。这种工况下所选用陀螺的个数及其构成的安装阵随时可能发生变化。针对这种敏感器数据源组合随时变化的工况及其算法实现问题，以往单纯采用引用标志的方式，确定敏感器数据源组合进而完成计算的设计策略，在组件异常判断及组件选用组合发生变化的情况下，缺乏灵活性和扩展性，从软件实现的角度，其算法实现的效率也不高。
技术实现要素：
本发明解决的技术问题：针对敏感器数据源组合随时变化的工况及其算法实现问题，提供一种基于索引的敏感器数据选用控制方法，通过为每个敏感器组件设定索引，并形成一个选用敏感器组件的索引集合及其位选标志量，基于选用组件集合和设定的位选标志实现姿态确定及控制并完成异常判断与处理，从而大大拓展了算法实现的灵活性和可扩展性。
本发明的技术方案：一种基于索引的敏感器数据选用控制方法，步骤如下：
(1)对同一类敏感器安装的各个组件建立编号索引，每个控制周期处理前确定所选用的组件数目及构型，建立所选用组件的编号索引集合；根据选用组件的索引集合确定选用构型下的敏感器安装矩阵，结合敏感器测量数据，完成卫星定姿控制；
(2)利用所选用组件的构型及其编号索引集合，通过自诊断方式判断出当前选用组件的健康状态，组件编号索引对应的健康状态将作为下一个控制周期确定选用组件构型及其编号索引集合的依据，进而完成下一个控制周期的定姿控制。
所述步骤(1)中的具体方法如下：
(11)对同一类敏感器安装的所有组件进行编号0,1…,(max-1)，并获取每一个组件在卫星本体上的1×3安装矢量ri，0≤i≤(max-1)，其中max为该类型敏感器组件安装的数目；
(12)每个控制周期通过读取敏感器组件的状态或组件选用条件来确定当前选用的组件构型，形成一个组件选用的标志f；在标志f中选定max个bit位，每一个bit位代表一个组件的选用状态；
(13)根据步骤(12)确定的组件构型f，建立所选用组件的编号索引集合gselflg，在索引集合gselflg中顺序存储了当前所有选用组件的编号索引，并记录组件选用个数为gselcnt(gselcnt≥3)；
(14)根据步骤(13)确定的索引集合gselflg，建立gselcnt×3的组件安装矩阵r，所述组件安装矩阵r由gselcnt个选用组件的1×3安装矢量rj构成，其中j为索引集合gselflg中的元素；构建gselcnt×1的敏感器测量数据矩阵g，测量数据矩阵g的gselcnt个元素作为gselcnt个选用组件的输入测量数据；基于安装矩阵r和测量数据矩阵g完成卫星定姿控制。
所述步骤(2)中通过自诊断方式判断出当前选用组件的健康状态的具体方法为：如果当前选用构型不存在异常，则当前所选用组件均为健康状态，否则依次判断出索引集合中的选用组件是否存在异常，如果判断出索引集合中某个组件存在异常，则将该异常组件编号索引对应的健康状态置为不健康，否则为健康状态。
所述步骤(2)的具体方法如下：
(21)判断选用组件的构型f是否存在异常，即对索引集合gselflg中每一个选用组件i判断是否满足如下公式：
|ri·angi_-gi|<llimit(a)
其中ri为组件i在卫星本体上的1×3安装矢量，angi_为除选用组件i外的其余所有选用组件按照步骤(1)的方式以新的组件选用构型fi_计算的定姿结果；所述fi_是将构型f中选用组件i的bit位状态置为未选用状态；gi为选用组件i的输入测量数据，0≤i≤(max-1)，llimit为设定的异常诊断阈值，如果每一个选用组件均满足公式(a)，则当前选用组件的构型无异常，执行步骤(23)，否则执行步骤(22)；
(22)依次对索引集合gselflg中的选用组件i进行异常判断。选用组件i的异常判断是通过除组件i外的其余选用组件实现的，即对每一个除组件i外的选用组件s以如下公式来判断：
|rs·angis_-gs|<llimit(b)
其中rs为组件s在卫星本体上的1×3安装矢量，angis_为除选用组件i和选用组件s外的其余所有选用组件按照步骤(1)的方式以新的组件选用构型fis_计算的定姿结果；所述fis_是将构型f中选用组件i和选用组件s的bit位状态置为未选用状态；gs为选用组件s的输入测量数据，0≤i≤(max-1)，0≤s≤(max-1)，llimit为设定的异常诊断阈值，如果除组件i外的其余选用组件均满足公式(b)，则组件i存在异常，将其编号索引i对应的健康状态置为不健康，否则为健康状态；
(23)对当前选用组件的构型f异常判断后，索引集合gselflg中的每一个选用组件对应的健康状态将作为下一个控制周期确定选用组件构型及其编号索引集合gselflg的依据，进而完成下一个控制周期的定姿控制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过基于索引的敏感器数据选用控制方法，对敏感器的选用组件建立编号索引集合，使用bit位表征组件的任意组合，有效的适应了敏感器数据源组合随时变化的工况及其算法实现问题，拓展了算法实现的灵活性和可扩展性。
(2)基于索引的敏感器数据选用控制方法，通过bit位的位移量循环判等，简化了选用组件相互异常判断的软件设计和实现，有利于代码的模块化。通过以位选标志为特征，保存相关组件构型的定姿结果，便于实现空间换时间，提高了算法运行效率。
(3)该方法已经在多个航天器软件姿态确定与控制中得到了应用，不仅适用于敏感器组件，同时也适用于控制器组件，经工程实施验证了该方法的可行性和有效性。
附图说明
图1是基于索引的敏感器数据选用控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本方法做进一步说明。
本发明的一种基于索引的敏感器数据选用控制方法，主要是面向但不限于敏感器组件的航天器嵌入式软件设计方法。内容包括：通过对敏感器各组件建立编号索引，每个控制周期处理前确定所选用的组件构型f，即位选标志，建立所选用组件的索引集合，确定组件选用构型f下的组件安装矩阵，完成定姿控制，在组件异常判断时，利用设定的组件构型位选标志结合选用组件的索引集合依次实现每个选用组件被其余组件诊断的功能。
本发明的实现方法如下：
(1)对安装的一类敏感器的所有组件进行编号：0..(max-1)，并获取每一个组件在卫星本体上的1×3安装矢量ri，0≤i≤(max-1)，其中max为该类型敏感器组件安装的数目；
(2)在卫星的每个控制周期通过读取敏感器组件的状态(如加电状态、健康状态)或组件选用条件(如根据不同的工作模式选用不同的组件)来确定当前选用的组件构型，形成一个组件选用的标志f。在标志f中选定max个bit位，每一个bit位代表一个组件的选用状态。如标志f中选定bit0(第0个bit位)到bit8(第8个bit位)分别表示9个组件的选用状态，1表示选用状态，0表示未选用状态；
(3)根据步骤(2)确定的组件构型f，建立所选用组件的编号索引集合gselflg，在索引集合gselflg中顺序存储了当前所有选用组件的编号索引，并记录组件选用个数为gselcnt(gselcnt≥3)，如选用组件为编号0至4的5个组件的情况下，此时组件构型f为十六进制数0x1f(二进制数为11111b),则编号索引集合gselflg中的内容为[0,1,2,3,4]，组件选用个数gselcnt为5；
(4)根据步骤(3)确定的索引集合gselflg，建立gselcnt×3的组件安装矩阵r，r由gselcnt个选用组件的1×3安装矢量rj构成，其中j为索引集合gselflg中的元素。构建gselcnt×1的敏感器测量数据矩阵g，测量数据矩阵g的gselcnt个元素是gselcnt个选用组件的输入测量数据。基于安装矩阵r和测量数据矩阵g完成卫星定姿控制；
(5)判断当前控制周期选用组件的构型f是否存在异常，若选用组件个数gselcnt≤3时，则组件的构型f无法实现自诊断，否则选用组件的构型f可以实现自诊断，即对索引集合gselflg中存储的每一个选用组件i判断是否满足如下公式：
|ri·angi_-gi|<llimit(a1)
其中ri为组件i在卫星本体上的1×3安装矢量，angi_为除选用组件i外的其余所有选用组件以新的组件选用构型fi_(fi_是将构型f中选用组件i的bit位状态置为未选用状态)计算的定姿结果，即3×1三轴姿态增量矩阵，gi为选用组件i的输入测量数据，0≤i≤(max-1)，llimit为设定的异常诊断阈值。如果每一个选用组件i均满足公式(a1)，则当前选用组件的构型无异常，执行步骤(7)，否则执行步骤(6)。
(6)如果gselcnt≤5，则无法通过自诊断的方式判断出具体哪个组件存在异常，否则通过选用组件构型自诊断的方式依次对索引集合gselflg中的选用组件i进行异常判断。选用组件i的异常判断是通过除组件i外的其余选用组件实现的，即对每一个除组件i外的选用组件s以如下公式来判断：
|rs·angis_-gs|<llimit(b1)
其中rs为组件s在卫星本体上的1×3安装矢量，angis_为除选用组件i和选用组件s外的其余所有选用组件以新的组件选用构型fis_(fis_是将构型f中选用组件i和选用组件s的bit位状态置为未选用状态)计算的定姿结果，即3×1三轴姿态增量矩阵，gs为选用组件s的输入测量数据，0≤i≤(max-1)，0≤s≤(max-1)，llimit为设定的异常诊断阈值。同时angis_每次计算后均可保存下来，以替代angsi_的计算过程，避免重复的计算过程，节约机时。如果除组件i外的其余选用组件均满足公式(b1)，则组件i存在异常，将其编号索引i对应的健康状态置为不健康，否则为健康状态。
(7)对当前选用组件的构型f异常诊断后，索引集合gselflg中的每一个选用组件对应的健康状态将作为下一个控制周期确定选用组件构型及其编号索引集合gselflg的依据，进而完成下一个控制周期的定姿控制。
实施例：
卫星在结构设计时，确定9个陀螺组件的安装矢量分别为：
r0＝[0.7672553,-0.2792581,0.5773510]
r1＝[-0.1417830,-0.8040916,0.5773510]
r2＝[-0.1417830,0.8040916,0.5773510]
r3＝[0.7672553,0.2792581,0.5773510]
r4＝[-0.6254722,-0.5248335,0.5773510]
r5＝[-0.6254722,0.5248335,0.5773510]
r6＝[-0.4082480,-0.7071063,-0.5773510]
r7＝[-0.4082480,0.7071063,-0.5773510]
r8＝[0.8164960,0.0,-0.5773510]
9个陀螺组件的编号顺序为0、1、2、3、4、5、6、7、8，在卫星的每个控制周期通过读取9个陀螺组件的状态确定选用陀螺组件构型f，即如果陀螺组件状态为加电并且健康，则选用该陀螺组件。如编号为0、1、2、3、4的陀螺组件加电且健康，则陀螺组件构型f为十六进制数0x1f(二进制数为11111b),相应的编号索引集合gselflg中的内容为[0,1,2,3,4]，组件选用个数gselcnt为5，安装矩阵r为安装矢量r0、r1、r2、r3、r4构成的5×3的矩阵：
r＝[[0.7672553,-0.2792581,0.5773510],
[-0.1417830,-0.8040916,0.5773510],
[-0.1417830,0.8040916,0.5773510],
[0.7672553,0.2792581,0.5773510],
[-0.6254722,-0.5248335,0.5773510]]
选用的5个陀螺组件的5个输入测量数据构成5×1的矩阵g，矩阵g按照5个陀螺组件编号从小到大的顺序依次存储了当前周期获取的陀螺组件的输入测量数据，基于陀螺组件的安装矩阵r和测量数据矩阵g按照如下公式完成定姿：
att＝inv(rt·r)·rt·g
其中：rt为安装矩阵r的转置矩阵，inv(*)为矩阵的求逆计算，att为计算得到的3×1三轴姿态增量矩阵。
通过陀螺组件构型的自诊断方式对上述0x1f的选用陀螺组件构型进行异常诊断，公式如下：
max{|r0·ang0_-g0|,|r1·ang1_-g1|,|r2·ang2_-g2|,|r3·ang3_-g3|,|r4·ang4_-g4|}<llimit(c1)
其中max{*}运算符表示求取{*}中多个元素的最大值，ang0_、ang1_、ang2_、ang3_、ang4_分别为选用构型0x1e、0x1d、0x1b、0x17、0x0f定姿计算得到的三轴姿态增量矩阵，r0、r1、r2、r3、r4分别为编号为0、1、2、3、4的陀螺组件的安装矢量，g0、g1、g2、g3、g4分别为编号为0、1、2、3、4的陀螺组件的输入测量数据，llimit为设定的异常诊断阈值。如果公式(c1)满足，则0x1f的选用陀螺组件构型无异常，编号为0、1、2、3、4的陀螺组件均为健康状态，否则，通过陀螺组件构型的自诊断方式依次对编号为0、1、2、3、4的陀螺组件进行异常诊断，以编号为0的陀螺组件为例，公式如下：
max{|r1·ang01_-g1|,|r2·ang02_-g2|,|r3·ang03_-g3|,|r4·ang04_-g4|}<llimit(c2)
其中max{*}运算符表示求取{*}中多个元素的最大值，ang01_、ang02_、ang03_、ang04_分别为选用构型0x1c、0x1a、0x16、0x0e定姿计算得到的三轴姿态增量矩阵，r1、r2、r3、r4分别为编号为1、2、3、4的陀螺组件的安装矢量，g1、g2、g3、g4分别为编号为1、2、3、4的陀螺组件的输入测量数据，llimit为设定的异常诊断阈值。如果公式(c2)满足，则编号为0的陀螺组件存在异常，其健康状态置为不健康，同理，编号为1、2、3、4的陀螺组件的异常诊断公式分别为(c3)、(c4)、(c5)、(c6)：
max{|r0·ang10_-g0|,|r2·ang12_-g2|,|r3·ang13_-g3|,|r4·ang14_-g4|}<llimit(c3)
max{|r0·ang20_-g0|,|r1·ang21_-g1|,|r3·ang23_-g3|,|r4·ang24_-g4|}<llimit(c4)
max{|r0·ang30_-g0|,|r1·ang31_-g1|,|r2·ang32_-g2|,|r4·ang34_-g4|}<llimit(c5)
max{|r0·ang40_-g0|,|r1·ang41_-g1|,|r2·ang42_-g2|,|r3·ang43_-g3|}<llimit(c6)
本实施例技术方案通过基于索引的敏感器数据选用控制方法，对敏感器的选用组件建立编号索引集合，使用bit位表征组件的任意组合，有效的适应了敏感器数据源组合随时变化的工况及其算法实现问题，简化了选用组件构型异常判断的软件设计和实现，通过保存相关组件构型的定姿结果，提高了算法运行效率。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。