[发明专利]基于等价关系和小波变换数值微分的卫星陀螺组故障检测、分离和估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空航天领域运动陀螺组的安全监测技术方法，具体涉及一种基于小波变换数值微分的卫星陀螺评估方法。

背景技术

随着航天科技的发展，航天器的安全问题愈显重要，要保证航天器及航天人员的安全，就必须对航天器的故障及时诊断并对出现的故障做出精确评估（部位及幅值），以便及时采取相应故障处理方案，避免财产损失和航天器及人员出现安全事故。而卫星陀螺敏感器作为姿态信息的重要测量部件，被广泛应用于卫星姿态控制系统中，其可靠性将对整个卫星的姿态控制性能产生影响。但由于航天器所处环境的复杂性、多变性，陀螺敏感器在运行过程中要经受复杂空间环境的考验，其属于在轨故障发生率较高的部件，需要对其重点监测，因此，陀螺敏感器的故障检测评估研究具有重要意义。

小波变换是一种常用的信号分析与处理方法，在多个工程领域得到了广泛的应用，例如图像压缩、模式识别、语音处理和信号检测等。小波变换可以用于检测信号中奇异性。一些研究者利用小波的这一特性检测和诊断传感器突变故障。实际上，小波变换可以提供更多信息。

一般来说，传感器故障诊断方法可以分为两类，基于硬件冗余的方法和基于解析冗余的方法。基于硬件冗余的方法的优点是简单有效、直观性强，但是该方法存在重量、功耗和空间等方面的限制。目前文献中的传感器故障诊断方法大部分是基于解析冗余的方法，两类方法相结合的传感器故障诊断研究还相对较少。另外，很多文献研究的是传感器故障检测与分离方法。这些方法能够在出现故障时给出报警信号，但是并不能提供故障幅值的信息。但在很多情况下，我们需要得到故障幅值的大小以便对故障进行处理。

发明内容

鉴于传统的监测诊断方法通常只具有检测单个传感器故障的能力，不具备分离故障的能力和对故障幅值大小估计的能力，而且基于信号处理的监测诊断方法的计算量相对较大，本发明提供了一种基于等价关系和小波变换数值微分的卫星陀螺组故障检测、分离和估计方法。

本发明所述是一种基于等价关系和小波求解数值微分的卫星陀螺故障分离和估计方法，在卫星陀螺组工作的过程中，利用基于等价关系的方法对其进行实时的故障检测，判断其是否发生故障，若判断其未发生故障，则检测诊断处理系统周期结束，并开始新的周期；若判断其发生故障，则利用基于小波变换数值微分的方法对卫星陀螺组故障进行分离和估计，故障估计值可以用于传感器补偿，从而避免切换到冗余传感器部件的操作。

本发明所述基于小波变换数值微分的故障估计方法是基于故障向量的代数可观测性和测量信号的时间导数，利用小波变换对测量星敏感器输出信号的导数近似，进而对陀螺敏感器三个正交陀螺故障进行估计，得出故障部位和幅值大小。

综上所述，本发明的基于等价关系和小波变换数值微分的卫星陀螺组故障检测、分离和估计方法具体包括以下步骤：

步骤一、利用卫星惯性陀螺组件的硬件冗余，并通过等价关系方法检测卫星惯性陀螺组件是否发生故障，判断结果为是，则认为所述卫星惯性陀螺组件未发生故障，则结束检测估计周期，进入下一周期；若判断结果为否，则认为所述卫星惯性陀螺组件发生故障，则进行步骤二，减少了计算量；

步骤二、若卫星姿态系统输出参数是四元素则直接进入步骤三；若星姿态敏感器输出参数是欧拉角，则通过转换矩阵得到便于处理的姿态四元素；

步骤三、利用基于小波变换数值微分算法，近似求解姿态四元素的一阶时间导数；

步骤四、通过重构算法近似得到卫星陀螺敏感器组的故障，对卫星陀螺敏感器组的故障进行分离和估计，故障估计值可以用于传感器补偿，从而避免切换到冗余传感器部件的操作，至此，完成对卫星陀螺组故障的检测、分离和估计。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1）本发明所提出的故障诊断方法通过等价关系方法检测陀螺组件的故障，同时利用基于小波变换的数值微分算法重构陀螺敏感器的故障，对故障进行评估，与单纯采用信号处理的故障诊断方法相比，能够有效降低计算量。

2）本发明所提出的故障诊断方法，与根据卫星运动学方程设计观测器诊断和隔离陀螺敏感器的故障相比，不仅能够检测故障的发生，而且可以估计故障的大小，因此能够诊断早期、缓变故障。

3）本发明所提出的故障诊断方法可以直接估计出陀螺组件故障的大小，能够提高对于缓变、微小故障的诊断能力，并且在多个陀螺敏感器发生故障时，仍然可用，突破了其他方法一般只能进行单点故障诊断的限制。

4）本发明所提出的故障诊断方法能够快速准确地估计陀螺的真实故障，并且能够很好地抑制测量噪声的影响。