[发明专利]基于局部线性嵌入的卫星姿态控制系统微小故障检测方法

说明书

本发明公布了基于局部线性嵌入的卫星姿态控制系统微小故障检测方法，该方法基于局部线性嵌入方法，首先使历史数据具有零均值和统一方差，再用动态局部线性嵌入法确定邻域点个数，动态重构权重矩阵W，然后通过得到的权值矩阵W从而找到样本集的低维嵌入Y，进而求得T²和SPE两个统计量；接着用指数加权平均算法求解EWMA统计量，将正常数据的EWMA统计量范围作为判断待检测数据是否故障的阈值，进一步求得映射矩阵A，用于计算在线数据的T²和SPE统计量，并计算对应的EWMA统计量；最后判断在线数据的EWMA统计量是否大于控制限，如果大于则系统故障，否则系统正常。本发明克服了原算法的弊端，提高了算法对微小故障的检测性能。

技术领域

本发明属于设备故障检测技术，具体涉及一种基于局部线性嵌入的卫星姿态控制系统微小故障检测方法。

背景技术

卫星作为应用最为广泛的航天器之一，具有复杂的物理结构、恶劣的工作环境和未知的太空干扰，这些因素都给其可靠性和安全性带来了挑战。太空环境复杂多变、卫星系统复杂零部件众多、星载计算机和诊断资源有限，以及各种未知的干扰因素，这些都对卫星的安全运行带来巨大威胁。卫星设备造价昂贵，一旦出现故障，轻则无法完成预定的入轨任务需求，重则导致卫星星体失控，最终坠毁，将导致巨大的经济损失和不良的社会影响。因此，设计微小故障检测方案，及时发现异常征兆，具有重要理论意义和工程应用价值。

卫星姿态控制系统是卫星的重要分系统之一，卫星姿态的控制精度和稳定度是其他子系统正常运行的前提，也是卫星实现在轨任务的重要保障。根据2011年的66次在轨故障的统计分析结果可以看出，姿轨控分系统是发生故障最多的系统，故障发生比例高达39.4％。其中，I类故障是指航天器全损的重大故障，II类故障则是航天器部分失效的重要故障，故障严重程度从I类到IV类依次降低。姿轨控分系统的I、II类故障在所有I、II类故障中占据了近五成的比重，属于严重故障易发部位。因此，开展卫星姿态控制系统故障检测技术研究能够有效地监测姿态控制系统的运行状态，及时检测出姿态控制系统出现的故障，是提高卫星在轨可靠性和安全性，减少安全隐患风险和防止系统灾难性事故发生的有效途径和必要手段。

发明内容

发明目的：针对于上述现有技术的不足，本发明提供一种基于局部线性嵌入的卫星姿态控制系统微小故障检测方法。

技术方案：基于局部线性嵌入的卫星姿态控制系统微小故障检测方法，所述方法基于动态局部线性嵌入法，包括如下步骤：

(1)历史数据降维：首先将收集的卫星遥测的历史数据规范化，使其具有零均值和统一方差，且通过动态局部线性嵌入法确定邻域点个数，动态重构权重矩阵W，通过动态重构权值矩阵W找到样本集的低维嵌入Y，求得T²和SPE两个统计量；

(2)确定控制限：用指数加权平均算法分别计算T²和SPE两个统计量的对应的EWMA-T²和EWMA-SPE，将正常数据的EWMA统计量范围作为判断待检测数据是否故障的阈值，所述阈值为故障检测的控制限；

(3)在线数据降维：用历史数据的均值和方差对在线数据规范化，再求得映射矩阵A，用于计算在线数据的T²和SPE统计量，并计算对应的EWMA统计量；

(4)故障检测：判断在线数据的EWMA统计量是否大于控制限，如果大于则系统故障，否则系统正常。

进一步的，步骤(1)具体历史数据降维步骤如下：

(11)将历史数据表达为如下矩阵形式：

其中D为变量个数，N为样本个数，并计算样本均值、方差，对其进行规范化处理，其处理过程如下：