[发明专利]一种基于二阶滑模观测器的航天器故障诊断方法

说明书

本发明涉及一种基于二阶滑模观测器的航天器故障诊断方法，采用罗德里格参数建立刚体航天器姿态数学模型，根据刚体航天器姿态数学模型建立非线性动力学方程，并将非线性动力学方程进行改写，根据改写的非线性动力学方程设计二阶滑模观测器；对二阶滑模观测器的等价注入项进行低通滤波处理，估计故障的外轮廓，将故障的估计值与设定的阈值进行比较，完成系统故障诊断。本发明使得航天器系统在发生故障后，能够及时得到故障信息及具体的故障情况，同时抑制了外部干扰对故障诊断结果的影响，因此，可以有效地提高系统故障诊断效率，提高航天器运行的安全性和可靠性。

技术领域

本发明涉及航天器故障诊断领域，具体地说是一种基于二阶滑模观测器的航天器故障诊断方法。

背景技术

航天器系统结构复杂、由为数众多的器件和部件组成，并且需要长时间的工作在恶劣的空间环境中，受到多种环境因素的影响，难免在飞行过程中出现这样那样的问题，因此，故障诊断技术在航天器系统的发射和运行中是非常重要的。

姿态控制系统是航天器系统中最复杂的一个分系统，其任务是获取航天器的姿态信息并保持其在太空中的姿态定向，一旦姿态控制系统运行出错，航天器会有极大的概率在短时间内丢失姿态失去控制，这对于在轨任务往往是致命的。而故障诊断技术可以有效地提高系统可靠性，增强系统的安全性及可维护性。因此姿控系统的故障诊断研究具有非常重要的意义。

现有航天器姿态控制方法以及故障诊断方法均需姿态与角速度全反馈信息。然而航天工程中并不是所有状态信息都是高精度可测量的。角速率敏感器发生故障时，有可能导致错误的角速度测量值；另一方面角速率敏感器噪声也将导致不精确的角速度测量值。本发明提出一种无需角速度信息的基于二阶滑模观测器的故障诊断方法，以解决角速度无法获得时的航天器系统的故障诊断问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于二阶滑模观测器的航天器故障诊断方法，解决航天器系统在发生故障后，不能够及时得到故障信息及具体的故障情况，以及外部干扰影响故障诊断结果的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于二阶滑模观测器的航天器故障诊断方法，包括以下步骤：

采用罗德里格参数建立刚体航天器姿态数学模型，根据刚体航天器姿态数学模型建立非线性动力学方程，并将非线性动力学方程进行改写，根据改写的非线性动力学方程设计二阶滑模观测器；

对二阶滑模观测器的等价注入项进行低通滤波处理，估计故障的外轮廓，将故障的估计值与设定的阈值进行比较，完成系统故障诊断。

所述刚体航天器姿态数学模型为：

其中，σ为航天器姿态信息；为σ的导数；σ^T为σ的转置；σ^×为σ的叉乘矩阵；F(σ)为σ的状态矩阵；ω为航天器角速度信息；为ω的导数；ω^×为ω的叉乘矩阵；J为航天器的转动惯量矩阵；τ为作用于航天器的控制力矩；d为作用于航天器的干扰力矩；I为单位矩阵。

所述非线性动力学方程为：

其中，σ为航天器姿态信息；为σ的导数；为σ的二阶导数；J^*(σ)为σ的对称正定矩阵；为σ和的状态矩阵；G(σ)为σ的转换矩阵；G^T(σ)为G(σ)的转置；d为作用于航天器的干扰力矩；为转换后的干扰力矩；F(σ)为σ的状态矩阵；为F(σ)的导数；J为航天器的转动惯量矩阵；×为求叉乘矩阵符号。

所述将非线性动力学方程进行改写为：