基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断(可编辑)

基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断(可编辑) 基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断 空间控制技术与应用 第卷第期 年月 基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断 袁 泉’,何英姿’,邢琰,熊凯’ .北京控制 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 研究所,北京;.空间智能控制技术重点实验室,北京 摘 要:针对使用两个星敏感器进行姿态测量的三轴稳定控制系统,利用星敏感器输出值与陀螺 输出值的解析冗余关系,通过设计两个滤波器实现对不同星敏感器的故障隔离.考虑到陀螺测量噪 声以乘性噪声的形式出现在姿态运动学方程中,利用陀螺输出测量值和目标星敏感器的测量值,采 用线性最小均方差估计器得到包含目标星敏感器故障信息的残差;以无故障情况下残差的统计方 差为基础得到阈值,通过检验残差评价值是否超过相应的阈值,实现对目标星敏感器故障的检测; 分别将两个星敏感器作为目标星敏感器,综合两个故障检测结果隔离故障.对星敏感器出现测量偏 差和精度逐渐下降两种故障的仿真验证了该方法的有效性. 关键词:故障诊断;线性最小均方差估计;星敏感器;乘性噪声;双线性系统 中图分类号:. 文献标识码: 文章编号:?? :./..?... ”, 一, 一, .曰扰凡 厂 凡凡,驴凡 ,凡; .’, ,朋曾 凡 。,,曰玎 ,矗 ?: .? .?, . 吼, ... : ; 。; ; ;?对年到年间的起在轨航天器故 轮等姿态测量与控制系统部件 引起的’。.因此,很 多学者对航天器姿态控制系统的故障诊断方法进行 障统计显示,大约%的故障出现在姿态与轨道控 了大量研究四.其中,基于解析模型的故障诊断方 制系统,而且其中超过%的故障是由陀螺、动量 国家自然科学基金资助项目 收稿日期:?? 万方数据第期 袁 泉等:基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断 法得到了广泛的关注,一般包括残差生成和残差评 倾角为。,轨道角速度大 小为?。.轨道参考坐标系 价两个过程‘. ,,,的原点位于航天器质心,,轴沿当地 垂线指向地心,。轴沿轨道平面与当地水平面的 根据航天器姿态控制系统自身的解析冗余?, 交线指向前进方向,,,轴垂直于轨道平面并与其 可以通过设计观测器、等价空间等方法获得包含故 余两轴满足右手法则.航天器沿本体主轴方向安装 障特征的残差.通常,用于生成残差的观测器可以分 有三正交陀螺,测量本体相对惯性系的角速度;沿 为型和型两种.利用陀螺和红外 滚动轴和俯仰轴方向安装星敏感器,测量滚动轴方 地球敏感器的冗余关系,文献设计唱 向恒星和俯仰轴方向恒星的单位方向矢量在本体系 型观测器,得到包含敏感器故障信息的残差;文献 中的分量. 获得了可以隔离红外地球敏感器与陀螺故障的 本节将给出航天器的姿态运动学模型,陀螺和星 残差生成器;文献进一步在能观性分解基础上 敏感器的观测模型以及星敏感器的故障模型,其中, 设计奉献观测器,得到隔离不同敏感器故障的残差 小偏差情形下的模型将用于残差生成器的设计问题. 组.基于型观测器的航天器姿态控制系统故 . 姿态运动学方程 障诊断残差设计方法可参考文献?.航天器姿 航天器姿态采用单位四元数‘ 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示,即口 态运动学方程具有双线性的形式,是一种简单的非 。,:,表示本体坐标系相对惯性坐标 线性系统,其系统噪声以乘性形式出现.文献 系的变换.甜?。 ?: ?,表示本体系相对惯 研究了由星敏感器安装矩阵引起的测量方程中含乘 性系的角速度在本体系中的分量.从而得到航天器 性噪声的滤波问题.文献将基于型 姿态运动学模型?。 如式. 观测器的残差生成方法推广到双线性系统,并与 . 型的残差生成器进行了对比 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 . ? ? 残差评价是从残差中提取故障信息的过程。根 其中,符号。代表四元数乘法。,类比于复数的表 据残差生成方法的不同,残差的方向。”。或大小’。反 达方式,矢量?可以看作实部为的四元数下 映了故障信息.对于后者,常对一组残差求取加 同,即??。??甜,露,?,七分别表示航 权范数?一。,再与设定的阈值对比,以确定是否发 天器本体系的坐标轴矢量. 生故障.阈值一般根据无故障时,残差评价值的近似 记,巾.。 。。。为航天器的轨道 统计特性,或在某些不确定因素影响下的残差评价 参考姿态,表示轨道参考系相对惯性坐标系的变换. 值的上界值来确定. 一 则仿照式有,?,甜。其中?。 目前,基于解析模型的航天器姿态控制系统故 障诊断方法多以陀螺和红外地球敏感器为研究对 ?。‘表示轨道参考系相对惯性系的角速度在轨 象?。’”‘.与之相比,以陀螺和星敏感器为诊断对象 道参考系中的分量. 的研究?相对较少.此外,在设计用于故障诊断的 取误差四元数。,,表示轨道参考坐标 观测器时,多将对象近似线性化后取加性系统噪声, 系相对本体系的姿态,其中,符号~代表四元数的 而对于姿态运动学一类的系统,理论上乘性系统噪 共轭’“.由式解得 声形式的描述更加准确.因此,本文以航天器姿态运 。一去?一?,霉。 动学关系为基础,利用陀螺测量信息与星敏感器的 矢量观测信息,并考虑乘性系统噪声的影响,研究星 ?。?,.一?口。 敏感器的故障诊断问题.文章结构安排如下:第一节 其中,?,。?。西。表示轨道参考系相对惯性 介绍相关的研究现状,第二节给出姿态运动学模型 系的角速度在本体系中的分量. 及星敏感器故障的数学描述,第三节提出基于线性 在小角度下,对式按步长?进行一阶离散 最小均方差的故障诊断算法,第四节为仿真验证. 化,并取七为离散时间变量,可以得到姿态运动学的 双线性离散时间模型。” 对象模型与问题描述 。南。。?甜。矗。七。后 置 其中, 考虑圆轨道上三轴稳定对地观测航天器,轨道 万方数据空间控制技术与应用 卷 ?。矗?‖ ?。南?‖ 一?。后?‖ 一?。五?‖厶 , 一厶 ? 止。 正 一压 其中, 厶,。,。 。后:譬 压 一压。 . 一 , 。口,为识别的恒星方向单位矢量在轨道 厂 参考系中的分量. . ? .故障模型 一 参照式,得到星敏感器存在测量偏差式和测量精度逐渐降低式?两种故障模 型硪蒹薯篙,?“?, %?一 。垡,咒。’‘‘??“、。 ,:等 ~? ? . 测量模型 陀螺是航天器上常用的惯性敏感器,提供本体 其中,,为表示故障偏差值的向量,且满足关系 相对惯性系的角速度信息.随着使用时间的增长,陀口×,?;。为表示噪声变 化幅值的对 螺易产生漂移,测量值取为?。 角矩阵,“为表示噪声变化的速度因子; ,表示故障 ? 开始时刻. 严一 占‰ 本文在实现航天器姿态控制系统的执行机构 其中,西表示陀螺偏差,。,。分别为零均值高斯白 动量轮故障和敏感器陀螺和星敏感器故障的 噪声,方差阵记为矿,盯:. 分离的基础上,研究星敏感器的故障隔离问题.执 行 考虑到一般的姿态测量与确定系统会实时估计 机构故障和敏感器故障分离的原理如图所示,其 陀螺测量偏差,使其处于较小的区间内,故不失一 中,丁,.表示控制力矩,表 示航天器的转动惯量矩 般性,可以认为仿真初始时易.因此,近似的陀 阵,.,,。为故障检测观测器的残差评价值. 螺测量模型可以取为 在检测到星敏感器故障后,根据由陀螺测得的 角速度值?,,和滚动轴方向星敏感器测量值:。, ??。 星敏感器是高精度姿态敏感器,通过对比测量 俯仰轴方向星敏感器测量值:。,并联合二者之间 得到的恒星方向矢量在本体系的分量和由星表提供 的解析冗余关系式,,,设计残差生成器组, 的恒星方向矢量在惯性系中的分量,来确定航天器 以获得仅包含目标星敏感器故障信息的残差.再将 本体相对惯性空间的姿态.假定星敏感器识别的恒 残差评价值与设定的阈值进行对比,以确定目标星 星沿其光轴方向.记.为任一星敏感器识别的恒星 敏感器是否发生故障,从而实现滚动轴方向星敏感 方向单位矢量在惯性系中的分量,记%。为该恒星 器和俯仰轴方向星敏感器的故障隔离. 方向单位矢量在航天器本体系中的分量.由于不考 基于线性最小均方差估计的诊断 虑星敏感器的安装误差,因此可以得到该星敏感器 的测量值。为 算法 . 。 本节根据奉献残差组?的思想,实现星敏感器 。 。 的故障隔离.具体地,由陀螺输出?。与滚动轴方向 其中,。为零均值高斯白噪声,方差阵记为矿. 星敏感器测量值:。或俯仰轴方向星敏感器测量 将式改写成误差四元数。的表示形式 。矗后。。 值:。及二者的解析冗余关系式,,,设计残 万方数据第期 袁 泉等:基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断 , 山 、 ?盯:。南。矗.】 乳。: 后而七七 , 、 』 故障检测观测器 故障检测观测器 ?盯:。七。后矗后一后后七‘ 弘:一珊×面 口?, ‘ 南后’伊;后七五后 ?? 故障检测逻辑 其中,; 一工。。,。工 ?叫 卜 。,匕。一。工:,工。与行。,力。相互独立, 决策 ?表示数学期望. 选取残差 , 、 , 而七一后工矗后一 故障隔离观测器 故障隔离观测器 故障隔离观测器 动量轮 陀螺 星敏感器 .残差性质分析 硒一?×砌疋,? 砌一?。砌疋,? 叠甜,,,, 取状态估计误差 图 执行机构故障和敏感器故障分离原理 工。后垒工后一王忌矗.则不考虑系统噪声与测量噪声时,由式~ ,有 差生成器,从而生成的残差只对滚动轴方向星敏感 ,后.工。七一,后 器故障或俯仰轴方向星敏感器故障敏感,进而通 。后后一一矗一工。七一一 过检验残差评价值是否超过检测阈值来确定该星敏 ., 感器是否发生故障.下文,将由滚动轴方向或俯仰 工,孟一。后一一矗,詹 轴方向星敏感器得到的残差简称为滚动轴或俯 仰轴残差. 其中,庇后’&』。艮为估计器的增益阵. .残差生成器 首先,分析无故障,时,残差的收敛问 记工垒。,垒?。,,垒。,由式,,~有 题,分为系统是否满足可观测或可检测条件 两种情况讨论. 工.矗后?。。。七工七 ” 在式满足系统可观测或可检测的条件 七七工尼一;矗,矗 下,由式得到的状态估计误差工。具有依概率 工。七一,后一?的特点,且其均方差在统计 其中,,为故障向量,,表示无故障;。与。相 意义下是所有线性状态估计中最小的?.从而,由 互独立,由于线性最小均方差估计只需要考虑系统 式得到的残差在均方差统计意义下是所有线 中噪声的一阶和二阶统计特性,而且已假设。为零 性反馈增益残差生成器中最优的. 均值的高斯白噪声,故在式中等价地用 当式不满足系统可观测或可检测的条 凡。。 凡。: 。,代替了一。, 一。: 一心’; 件时,可将状态变量看作可观或可检测和不可观 或不可检测两部分,此时,由式得到的可观 矗。七?。矗。七. ‘ 或可检测部分的状态估计值的均方差在统计意 针对无故障情况下的系统,设计如下形式 义下是所有线性状态估计中最小的,而由不可观 的线性最小均方差估计器?“: 或不可检测的定义即不可观或不可检测状态 ;七南;七矗一而’后’矗? 不会影响观测量可知,由式生成的残差在均 ,后一七工七七一, 方差统计意义下依然是所有线性反馈增益残差生成 工后 七七工矗七, 器中最优的. 』后七后后盯:后, 然后分析有故障发生.厂?时,残差的收敛 %七 问题,并且为了简化分析,不考虑噪声的影响.由无 万方数据空间控制技术与应用 表仿真参数 故障情况下的分析知道,只要系统不是完全不 . 可观测的或完全不可检测的,系统的可观测性 参数 数值 或可检测性不会影响到由式得到的残差.故 . 仿真步长? / 不失一般性,认为系统是可观测的或可检测的. 轨道角速度 . 由式可知,故障发生时刻,一.厂?.由式 ?。// 陀螺测量噪声标准差 知,故障会引起状态估计的偏差,且状态估计误差 一,?,? 盯。// 约.。/,口 工,与故障,近似满足线性动力学关系.一般地,认为 陀螺角速度随机游走 式中的系统矩阵后是稳定且慢时变的,由 ×一,×一,×? 噪声标准差吼// 此可以得到稳态解关系式 星敏感器测量噪声 一,。,? 一,工:。鼢。。 标准差口。/ 约”, 其中,下标表示稳态值.至此可以看出,故障会引 忱?, , 星敏感器故障参数 ,。,,,. 起残差和状态估计误差偏离零值,并且会在稳定后 使得二者的偏离幅值近似满足关系式. .残差评价与阈值 残差评价是从生成的残差中提取故障信息的关键 步骤.选择残差加权平方和阳‘’刚形式的残差评价函数 斤?????一 “”?亩至。, 其中,?是认为选定的数据窗长度.为了减少计算 量,实现对故障的快速检测,可以取?.此时,.,, 表示故障检测时间窗口长度为的残差的大小. 由于乘性噪声的作用,残差一般不再满足高斯 ‖ 分布,但其方差依然可以反映残差分布的集中程度. 俯仰轴估计器残差 无故障情况下残差的均值为零,由式,残差的 图 滚动轴方向星敏感器常值偏差情况下故障隔离残差组 方差阵呻为先蠡七‘矗一. 噜. 再参照残差评价函数式的形式,可以由式 近似地确定阈值 。矗/矗 其中,为常数,一般可取?. 故障检测逻辑取为 .,。七』?‘,忌,无故障 ‘ 【.,。。七,有故障 滚动轴估计器残差 数值仿真 焉 墨 哼 ? 相关仿真参数如表所示,动力学与控制相关【 参数参看文献. 故障注入时刻为,仿真结果如图?.由 俯仰轴估计器残差 图~可以看出,不论是星敏感器的常值偏差型故 图滚动轴方向星敏感器测量精度降低 障还是精度降低型故障,由以线性最小均方差估计 情况下故障隔离残差组 器式为基础的两个残差生成器式, . 和相应的残差评价函数式,阈值式 组成的故障隔离方法可以有效地实现故障隔】】 万方数据。? 第期 袁 泉等:基于线性最小均方差估计的星敏感器故障诊断 系,设计两个基于线性最小均方差估计器的残差生 勺 成器.通过计算残差评价值,与阈值进行对比,实现 皇 三 、 了对不同星敏感器的故障隔离.仿真验证了方法的 畸 有效性. ‖ 本文提出的方法仅要求系统配置可以测量航天 滚动轴估计器残差 器三轴角速度的陀螺和两个测量不共线恒星矢量的星敏感器作为姿态测量 部件,而不需红外地球敏感器 勺 ? 皂 或太阳敏感器的辅助即可实现星敏感器的故障隔离, 哼二 、 且对陀螺和星敏感器的安装角度无特殊限定要求. 参 考 文 献 俯仰轴估计器残差 .? .图俯仰轴方向星敏感器常值偏差。.: 情况下故障隔离残差组 . “. . & ,,:一 邢琰,吴宏鑫,王晓磊,等.航天器故障诊断与容错控 勺 制技术综述.宇航学报,,:? 皇 主.? , , 哼 , 畸 ?. ,,:? .一 ,? , , 滚动轴估计器残差 : 刁 ,. :. 百, ? 哼 十 ,:一 舒辉旋,秦世引,燕飞.某卫星姿态角的确定和对测量 部件的故障诊断.航天控制,,:? 俯仰轴估计器残差 . 珊, , . 图俯仰轴方向星敏感器测量精度降低 ,,:. 情况下故障隔离残差组 邢琰,吴宏鑫.一种红外地球敏感器和陀螺的故障隔 . 离方法.计算技术与自动化,,:? . , . “ ,,:? 离.对于常值偏差型故障,残差评价值在故障发生时 江耿丰,邢琰,王南华.利用奉献观测器诊断红外地 刻后逐渐降低图,,其出现原因是状态估计误 球敏感器故障的新方法.航天控制,,: 差值对残差值的抵消作用式;对于测量精 . 度降低型故障,残差评价值会在故障发生一段时间. , , 后才超过设定的阈值图,,其出现原因是故障 幅值是缓慢增强的,只有当其幅值达到一定程度后 . ,,: 才能成功地检测到. ? , , , .。 , 结 论 “ ? . ? ,, ,. . 针对使用两个星敏感器进行姿态测量的姿态控 制系统,利用其输出值与陀螺输出值的解析冗余关 下转第页 万方数据空间控制技术与应用 卷, ? 续板式贮箱研制及航天器在轨加注技术研究提供理 ,, ?, 论依据和有效建议,, , , . 数值仿真和试验结果表明,大叶片板式贮. 箱在微重力环境下管理流体性能良好,板式贮箱内, 气液界面分离定位清晰,液体都被定位在板式 . ?. 周围.大叶片板式结构为空间流体包括低温流体. , , 管理提供一种良好的途径. ?? ?. 参 考 文 献 , , ?, .. , :. 一 恤. ,,, ?, ?, ,,,. “ ? : . 作者简介:胡 齐一,男,工程师,研究方向为 , , , 卫星推进剂贮箱设计、微重力流体机理研究;李 永 ?. 一,男,高级工程师,研究方向为卫星推进系 . ,? 统、推进剂贮箱设计,微重力下流体机理,先进流动 . ?, 测量技术;潘海林一,男,研究员,研究方向为 , , , . 卫星推进技术;李泽一,男,助理工程师,研『. “ 究方向为推进系统设计. 上接第页 : 彭蓉,秦永元.基于多敏感器卫星姿态确定系统故障 .检测方法研究.机械强度,,: , ,.. , ,一 ,:? . ? : . ,, ? : .:. , , ,? . . , , , , ,? : 。? ? 『. 王炯琦.矫媛媛,周海银,等.适合处理乘性噪声估计 卫星姿态的非线性迭代滤波算法.电子学报, ,,, .?. ,:?... , , , ? “ ? “, “ .. , : ,,:? . ? .,,: 作者简介:袁泉一,男,硕士研究生.研究方 向为姿态控制系统故障诊断;何英姿一,女, 何英姿,张兵,吴宏鑫.鲁棒决策方法研究.宇 研究员,研究方向为航天器导 航制导与控制:邢 琰 航学报,,: 一,女,研究员,研究方向为航天器控制系统 . 故障诊断与容错控制;熊 , , 凯一,男,高级工程师,研究方向为非线性滤波和航天器自主导航. . ,, 万方数据