一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法与流程

本发明涉及一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法，属于航天器控制系统设计领域，广泛适用于高中低轨道卫星和飞船、空间站、深空探测器等航天器的星上自主异常检测，可显著提升航天器控制系统鲁棒性和健壮性，提高航天器在轨全生命周期稳定运行能力。

背景技术：

随着航天器应用领域的发展和航天技术的进步，天线及相机等有效载荷的固有特性和工作任务越来越复杂，对航天器平台姿态轨道控制系统提出越来越高的任务需求和技术指标。航天器控制系统可以说是整个航天器系统中最复杂的一个分系统，承担各类高低轨卫星平台的姿态控制和轨道控制任务，根据卫星发射飞行控制流程及有效载荷工作需要，实现卫星平台的姿态机动和轨道机动，并能按要求维持既定工作轨道，稳定于标称姿态。然而，由于复杂的空间环境影响及航天器地面测试的局限性，使得航天器实际在轨阶段往往会出现意想不到的异常现象，一旦控制系统运行出错，不仅会因为指标超限造成难以维持对载荷的保障条件，并且航天器会有很大的概率在短时间内丢失姿态基准，甚至威胁到整星结构及能源安全，这对于在轨任务来说是致命的。

对航天器故障诊断的研究已获得充分的重视和大量的投入，并取得了较丰富的理论研究成果，故障诊断的方法通常可以分为基于数学模型的方法、基于信号处理的方法和基于知识的方法三大类，无论是基于模型或不依赖于模型，都有相对复杂的数据处理要求，因此在地面测控系统取得了一定的应用成果。然而，星上自主异常检测及处理方法上往往则更倾向于使用流程清晰、逻辑完备、手段直接的设计方法，重视对故障源的及时排除和隔离，而对具体故障原因和故障性质的分析则往往交由地面处理。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法，该方法从航天器控制系统稳定运行角度出发，将控制系统可能发生的异常现象划分为三个等级，即单机硬件信息级、单机数据软件判别级和系统级，通过设计星上软件自主依次完成三个层级的异常检测，并根据异常所处层级，制定不同的在轨自主异常隔离和处理方法。

本发明的技术解决方案是：

一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法，该方法将航天器控制系统的异常现象划分为三个等级，三个等级分别为单机硬件信息级、单机数据软件判别级和系统级，其中单机硬件信息级为第一层级，单机数据软件判别级为第二层级，系统级为第三层级，单机包括各类敏感器和执行机构；单机硬件信息级是指单机采集的硬件信息，单机数据软件判别级是指单机输出的数据信息；

步骤如下：

(1)在每个单机的数据读取周期，通过星上软件自主进行第一层级的异常检测，即单机硬件信息级异常检测：针对航天器控制系统单机(包括各类敏感器和执行机构)的硬件采集信息进行异常检测，如硬件信息异常则调用该单机对应的硬件信息级异常隔离和处理，同时对该单机硬件信息异常持续时间进行累计用于故障定性，如硬件信息正常，则进行第二层级的异常检测，即步骤(2)；

(2)在每个单机的数据读取周期，通过星上软件自主进行第二层级的异常检测，单机数据软件判别级异常检测：针对航天器控制系统单机(包括各类敏感器和执行机构)输出的测量数据信息进行异常检测，当星上软件检测到输出的测量数据异常时调用该单机对应的数据软件判别级异常隔离和处理，同时对该单机输出的测量数据异常持续时间进行累计用于故障定性，若该单机输出的测量数据未发现异常则正常使用该单机输出的测量数据，并进行第三层级的异常检测，即步骤(3)；

(3)在每个控制周期，通过星上软件自主进行第三层级的异常检测，即系统级异常检测：根据单机输出的测量数据解算控制系统当前状态，当星上软件检测到控制系统当前状态异常时则进行敏感器和执行机构重构、控制模式切换、停控或转对日定向，以保障控制系统不因姿态失稳导致整星结构/机构受到破坏、或危及能源及燃料安全，当星上软件检测到控制系统当前状态未见异常时，则正常执行星上控制流程；

所述的步骤(1)中，硬件信息异常是指：电源状态异常、电机电流超出正常范围、温度超出正常范围、通信状态异常或单机自身有效性标志异常；正常范围为一设定范围，该设定范围可根据单机的物理特性、地面试验数据和在轨工况设定；

所述的步骤(1)中，调用该单机对应的硬件信息级异常隔离和处理是指：当该单机的测量数据接入控制闭环时，则切换使用其他能达到相同测量或执行功能的单机，当后续累计的异常持续时间大于设定阈值时则判定该单机故障，对具有扩散特性的故障表征形式进行该单机断电操作；具有扩散特性的故障表征形式是指：故障单机如果不进行断电操作则会引发同类单机继发性故障，例如：某陀螺油温异常如果不及时进行断电操作会引发其他陀螺油温升高导致其他陀螺异常；

当该单机的测量数据未接入控制闭环时，则进行延时处理，当后续累计的异常持续时间大于设定阈值时则判定该单机故障，对具有扩散特性的故障表征形式进行该单机断电操作；具有扩散特性的故障表征形式是指：故障单机如果不进行断电操作则会引发同类单机继发性故障，例如：某陀螺油温异常如果不及时进行断电操作会引发其他陀螺油温升高导致其他陀螺异常；

所述的步骤(2)中，星上软件检测到输出的测量数据异常是指测量数据不满足数据约束条件、测量数据超出设定阈值、测量数据发生跳变、测量数据不更新、测量数据的噪声方差估计值超出设定阈值、测量数据与理论值的一致性不满足设定阈值、测量数据体现性能损失(偏离设计指标)、测量数据不满足同类部件输出一致性设定阈值、测量数据不满足非同类部件测量信息的等效一致性检测阈值中的任一情况发生；

调用该单机对应的数据软件判别级异常隔离和处理是指：当该单机的测量数据接入控制闭环时，则切换使用其他能达到相同测量或执行功能的单机，当后续累计的异常持续时间大于设定阈值时则判定该单机故障；

当该单机的测量数据未接入控制闭环时，则进行延时处理，当后续累计的异常持续时间大于设定阈值时则判定该单机故障；

所述的步骤(3)中，系统级异常是指：步骤(1)和步骤(2)中均未检测出的单机异常导致的控制性能下降、步骤(1)和步骤(2)中均未检测出的单机异常导致的给定时间内的喷气量大于设定阈值、步骤(1)和步骤(2)中均未检测出的单机异常导致的帆板无法对日、未知故障来源导致的控制性能下降、未知故障来源导致的给定时间内的喷气量大于设定阈值或未知故障来源导致的帆板无法对日；控制性能下降是指：姿态角度误差超出设定阈值或姿态角速度误差超出设定阈值。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)本发明将控制系统异常检测分层级判读和处理，层次清晰，逻辑环节明确，不强调故障诊断和定位，而是面向星上闭环控制的部件和数据使用，给出适用于星上计算机固定周期实时调用的异常检测方法，并提出针对不同层级异常的星上自主异常隔离和处理方法；

(2)本发明涉及的航天器控制系统层级式异常检测及处理流程对姿态轨道控制系统各类异常覆盖性强，充分融合了单机物理信息、单机数据信息、同类部件一致性信息、非同类部件融合信息；

(3)本发明并对非显著性单机异常导致单机级检测失效的情况，提供最终的系统级异常检测，对影响控制性能及整星结构安全性和能源安全性的异常表征进行数据化和逻辑化抽象，便于检测，切实提升航天器控制系统鲁棒性和安全性。

(4)本专利所提出的方法不使用复杂数据和信号处理，同时避免了由过程性检测算法导致的判读时滞性，适用于在轨实时检测和处理，有效提升了控制系统异常检测的自主性和实时性，具有高度的工程实用价值。

(5)本专利涉及技术内容广泛应用于高中低轨道卫星和飞船、空间站、深空探测器等航天器，已成功应用于多个高中低轨航天器型号，有效提升了控制系统异常检测的自主性和实时性，切实提升了航天器控制系统鲁棒性和健壮性，为用户提供在轨连续、稳定的运行服务。

附图说明

图1为本发明一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法流程图；

图2为星上针对星敏感器缓变故障处理全过程的星敏感器确定姿态；

图3为星敏感器缓变过程的星敏感器确定姿态；

图4为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的太阳敏感器确定姿态；

图5为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的三轴惯性角速度；

图6为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的轨道系实际姿态；

图7为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的控制模式字切换情况。

具体实施方式

本发明方法的具体实施过程如图1所示。

在此设某航天器(卫星)控制系统包含1台星敏感器、1套三轴机械陀螺、1台双轴数字太阳敏感器、以及化学推力器。卫星设计了正常对地模式和对日安全模式：卫星处于正常对地模式的时候，三轴标称姿态与轨道坐标系重合，星上测量采用星敏感器确定三轴相对轨道系的姿态，由陀螺提供三轴惯性角速度；卫星处于对日安全模式的时候，卫星本体的-z轴指向太阳，帆板设定在对日的固定角度，为整星提供最优能源条件。

设卫星处于正常对地模式，控制系统每个周期读取星敏感器测量数据用于确定卫星三轴相对标称姿态的误差，并读取陀螺数据用于确定三轴姿态角速度。为说明一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法的具体实施方式，并验证该方法的效果，在本例中设置一定时刻后星敏出现了缓变故障，导致测量数据逐渐偏离真实值。

按照本发明一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法进行在轨自主异常检测，主要步骤如下：

(1)通过星上软件自主进行第一层级的异常检测，即单机硬件信息级异常检测：针对星敏感器、陀螺和数字太阳敏感器的硬件采集信息进行异常检测，包括星敏感器的加电状态、数据通讯状态、产品本身工作模式、产品本身有效性标志；机械陀螺的加电状态、马达电流、油温；数字太阳敏感器的通讯状态、见太阳标志。经检测，上述单机硬件硬件采集信息均正常。顺序进行第二层级的异常检测，即步骤(2)；

(2)通过星上软件自主进行第二层级的异常检测，单机数据软件判别级异常检测：针对陀螺和数字太阳敏感器的输出数据信息，根据数据范围的合理性、输出数据与最近一次有效测量值的比对，未发现数据异常，针对星敏感器的测量数据软件级别异常检测包括测量时标与星时误差(数据合理范围)检测、四元数模值(数据约束条件)检测、常值故障(测量数据不更新)检测，此前专门设定星敏感器发生输出数据缓变故障，属于非显著性单机异常导致单机级检测失效的情况，因此在本步骤未能识别异常。顺序进行第三层级的异常检测，即步骤(3)；

(3)通过星上软件自主进行第三层级的异常检测，即系统级异常检测：由于星敏感器输出数据缓变故障属于非显著性单机异常，成为步骤(1)和步骤(2)中均未检测出的单机异常，未能在步骤(1)或步骤(2)中剔除错误数据。综合单机测量数据解算控制系统当前状态，随着错误数据进入控制闭环，将导致姿态偏离正常值，而星敏测量输出始终缓变，最终导致姿态误差超限，星上自主识别为控制性能下降的系统级异常，自主转入对日定向模式，改为使用数字太阳敏感器维持能源安全，后续待地面经处理恢复星敏感器正常输出后，再通过遥控转回正常对地模式。

该实施例中600s起设置星敏感器测量叠加平均变化速率约0.005度/秒的斜坡误差，而通过星敏感器单机硬件信息级异常检测和单机数据软件判别级异常检测未能诊断该非显著性单机异常，错误数据进入控制闭环逐渐导致姿态角度误差超出设定阈值，系统级异常检测识别到控制性能下降的系统级异常，在姿态角度误差超出设定阈值持续64秒后，约1416s时切换至对日安全模式。对日安全模式下，使用太敏和陀螺定姿，约2310s时完成太阳搜索及太阳定向。图2给出星上针对星敏感器缓变故障处理全过程的星敏感器确定姿态，图3为星敏感器缓变过程的星敏感器确定姿态，图4为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的太阳敏感器确定姿态，图5为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的三轴惯性角速度，图6为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的轨道系实际姿态，图7为星上针对星敏感器缓变故障处理过程的控制模式字切换情况(模式字4表示正常对地模式，模式字0表示对日安全模式)。该实施例说明，在星敏感器出现测量数据缓变这类非显著性单机故障时，经层级式自主异常检测方法能够自主识别异常并自主处理，使卫星及时转入对日安全模式保障能源安全。因此，使用本发明一种层级式航天器控制系统在轨自主异常检测方法，可有效保障控制系统不因姿态失稳导致整星结构/机构受到破坏、或危及能源及燃料安全。