[发明专利]一种适用于航天器平台系统的可重构性设计方法

说明书

一种适用于航天器平台系统的可重构性设计方法，属于航天器总体技术领域。包括如下步骤：建立执行器失效故障情况下能量及时间受限系统的状态空间模型；基于任务需求与安全要求，设定航天器在单位能耗下必须可恢复的最小状态包络，确定给定能量与时间约束下的系统可恢复状态域与系统结构参数之间的关系；根据可恢复状态域的内、外切椭球，建立航天器可重构性量化指标——可重构度与系统结构参数之间的关系；基于可重构性量化指标与系统结构参数之间的关系，以控制机构的安装参数为变量、以系统可重构度为目标函数，对航天器控制机构的安装构型进行优化。

技术领域

本发明提出了一种适用于航天器平台系统的可重构性设计方法，通过综合考虑能量等各项实际限制约束并引入时间对可重构性的影响，对航天器这类强约束系统的实际可重构性展开了深入的分析、评价与设计，实现了航天器平台系统的离线构型设计与在线性能评估；属于航天器总体技术领域。

背景技术

航天器结构复杂、运行环境恶劣，在轨故障难以避免。为提高航天器的在轨故障应对能力，传统方法是在关键部位添加冗余设备。然而，受成本与运载能力的制约，航天器能够携带的备份部件数量有限，因此需要另辟蹊径，寻找无需增加冗余设备就可以提升系统故障处理能力的方法。对系统进行可重构性设计，可以优化系统的冗余配置效率，从系统层面弥补航天器星上资源受限等缺陷，是提高航天器自主故障处理能力的一种有效途径。

目前，关于可重构性设计的研究才刚刚起步，主要方法有两种，其一，通过提高系统的能观能控性，对既有的部件配置进行构型优化，以此提高各部件之间的组合效率。其二，将大型复杂的卫星系统根据功能目标进行分层建模，基于层次分析法对各级组部件的构型选取、个数配备进行优化。虽然上述方法在一定程度上优化了系统可重构性，但仍然具有以下几点不足：

(1)第一种方法未全面考虑航天器这种强约束系统的实际限制因素对可重构性的影响，也没有考虑重构潜力在空间分布的合理性。然而，航天器的运行条件独特、星上资源有限，在实际运行过程中，受能量、时间等多重约束影响；此外，不同系统之间、同一系统不同方向之间的期望重构能力不尽相同，最“小”并不一定最“弱”，现有可重构性设计方法未考虑重构潜力分布的合理性，对系统进行优化设计的效果有限，可能会出现部分方向冗余过剩的情况，导致质量与成本的提高以及可用资源的浪费。

(2)第二种方法仅对系统部件的个数进行了优化或者对常见构型进行了择优选取，并没有进一步优化具体的安装角度，因此系统的可重构性还具有很大一部分的提升空间。在确定系统各级部件的个数以及基本构型以后，如果不对其进行合理的安装，则难以完全利用各个部件之间的组合关系，无法充分挖掘系统既有资源的解析冗余度，造成部分功能解析冗余的浪费。

(3)上述两种可重构性设计方法均默认系统的可重构性不随时间发生变化，多从构型配置这一空间角度出发研究系统的可重构性，而忽略了时间因素对可重构性的影响，只在地面设计阶段通过构型优化进行了可重构性设计，并没有于在轨运行阶段根据系统实际的性能状态展开进一步优化调整。然而，系统故障以后，受故障诊断延时以及计算机运算速率等因素影响，并不能立即进行控制重构。随着时间的推移，故障状态随之扩散，并造成有限资源的大量浪费，导致系统可重构性发生变化，需要进行相关调整。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了一种适用于航天器平台系统的可重构性设计方法，克服了现有研究成果未考虑航天器实际限制约束、未反映重构潜力分布的合理性等不足，通过综合能量及时间约束、可靠性下降影响、重构潜力分布的合理性等不同因素，对地面设计与在轨运行两个阶段分别展开可重构性研究，实现了对航天器系统的可重构性设计与监测。