[发明专利]一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法

说明书

本发明提供了一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法，所述方法包括四大步骤：首先，基于单类主元分析构建已知故障检测统计量，该统计量利用数据的统计信息，判断测试数据是否为故障数据、判断故障发生时间和确定测试数据的样本故障方向；其次，基于样本故障方向与已知故障方向之间的夹角，实现已知故障的隔离；再次，利用样本故障方向构建未知故障检测统计量并计算对应的检测阈值，从而实现未知故障的检测；最后，针对未知故障的样本故障方向，利用变量对统计量的贡献指标来实现未知故障的隔离，并且找到发生故障硬件。当复杂卫星控制系统可能发生未知故障时，该方法可以实现未知故障检测和隔离，从而提高卫星控制系统的可诊断性和可靠性。

技术领域

本发明涉及卫星姿态控制系统故障诊断方法，具体涉及一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法。

背景技术

对于卫星姿态控制系统这种高可靠系统来说，已有对策的已知故障往往很少发生，而发生的故障很多都是暂时没有对策的未知故障。卫星作为航天器中的一个重要类型，是一个大系统，具有结构复杂、传感器多、数据非平稳、非线性等特征。由于任务艰巨且自身非常昂贵，所以在上天之前，技术人员就通过机理分析、物理仿真等手段建立了比较完备的故障模式库和对应的故障处理方法。卫星控制系统的故障诊断的任务已经由传统的已知故障诊断转变为未知故障诊断。在轨卫星不可避免地会发生难以预料的故障，如“羽流”故障——在卫星姿态调整过程中，喷气执行机构通过喷气发动机产生高压气体向星体外喷射，气体对卫星太阳能帆板产生了冲击，导致该卫星姿态大角度翻转。在此之前，卫星控制系统技术人员对“宇流”引起的帆板故障没有相应的经验，也从来没有预见过这种故障。在先验知识缺乏、故障样本稀缺、故障模式不完备的情况下，如何及时地检测、甚至隔离和处理未知故障，是控制系统故障诊断的一大难点，对故障诊断技术也是一个重大挑战。

从二十世纪七十年代起，涌现出大量的故障诊断方法。大部分的方法都假定故障模式库是完备的，即发生的故障都是已知故障。这些方法大体分为三类：基于模型的故障诊断方法，基于知识的故障诊断方法和数据驱动的故障诊断方法。基于模型的故障诊断方法所需要的先验信息全部来源于已知的模型结构和模型参数。基于知识的故障诊断方法所需要的先验信息全部来源于知识规则库。数据驱动的故障诊断方法所需要的先验信息全部来源于离线训练数据。基于模型和基于知识的故障诊断方法只能部分解决未知故障检测问题，但几乎无法解决未知故障隔离问题。随着大数据时代的到来，数据驱动方法在这几年重新受到重视。传感器技术的发展使得监控数据的获取变得容易且冗余，数据库技术的发展使得数据的存取变得快捷稳定，数据处理技术的发展使得数据驱动故障诊断方法变得丰富。数据为未知故障的检测和隔离提供了最重要的信息源，包括数据的位置分布信息，数据的方向分布信息，数据对检测统计量的贡献信息和高维数据的低维可视化信息。

尽管现有技术中存在数据驱动故障诊断方法，但是尚未有针对未知故障的检测和隔离方法。

发明内容

针对现有技术中的上述不足之处，本发明所要解决的技术问题是：针对先验信息的不足，提供一种卫星控制系统未知故障的故障诊断方法，它可以提高卫星控制系统故障诊断的性能。

本发明“一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法”具体包括四个步骤：

步骤一：已知故障检测。

该步骤主要包括中心化与单位化处理、计算协方差矩阵、奇异值分解、构建检测统计量和计算阈值，具体过程如下：

S1.1对正常训练数据Y和测试数据y进行中心化与单位化处理，生成训练残差Z和测试残差z

其中N表示Y的列数，即正常训练数据的样本个数；n_y表示Y的行数，即正常训练数据的维数，它等于卫星控制系统姿态测量变量的个数；表示N个n_y维正常训练数据；表示单个测试数据；表示Y的均值向量；表示Y的标准差对角矩阵；

S1.2计算Z的协方差矩阵