[发明专利]一种基于飞轮单元可靠性动态的卫星控制动态调节延寿方法

说明书

本发明涉及一种基于飞轮单元可靠性动态的卫星控制动态调节延寿方法，它针对卫星姿态控制系统长时间无人值守和缺乏维护下的退化失效问题，提出了一种基于飞轮可靠性建模预测的控制动态调节自主延寿方法。首先，建立飞轮的退化随机过程模型；其次，基于飞轮的退化随机过程模型建立飞轮可靠性评估模型；然后，联立卫星姿态动力学方程、飞轮退化随机过程模型和飞轮可靠性评估模型建立扩张飞轮退化‑姿态耦合动力学模型；最后，设计模型预测控制框架下的卫星姿态和飞轮退化所对应的权重系数的动态调节策略。本发明实现控制性能与使用寿命间的权衡，其原理和计算过程简单易懂，容易实现工程化应用，其产生的航天器在轨自主延寿效果具有较大的经济和社会效益。

技术领域

本发明涉及一种基于飞轮单元可靠性动态的卫星控制动态调节延寿方法，它针对卫星姿态控制系统长时间无人值守和缺乏维护下的退化失效问题，研究建立了一种基于飞轮可靠性建模预测的控制动态调节自主延寿方法，属于航天器姿态控制技术领域。

背景技术

飞轮是卫星姿态控制系统中常用的执行机构，在干扰和故障影响下，一方面要物理实现控制作用对卫星姿态的精准调整，另一方面需保证自身在恶劣环境及持续工作载荷下的寿命指标。由于受到恶劣环境及持续工作载荷的影响，占比44％的执行机构故障是最严重最频繁的航天器姿态控制系统故障。2013年，美国国家航空航天局研制的价值6亿美元的开普勒望远镜因四个飞轮的两个发生故障最终无法修复而被迫停止服役。由此可见，将作为薄弱环节的飞轮可靠性动态建模预测结果用于控制优化而形成自主延寿姿态控制方法，不仅能最直接有效地提高姿态控制系统使用寿命，还可缝合“执行机构可靠性分析与控制设计割裂研究”的缺口，拓宽可靠性学科的应用场景，具有重要理论意义和工程价值。

美国在上世纪就已大力开展外太空环境机械电子器件基于退化失效机理研究和退化数据信息融合的可靠性建模和寿命预测以应对复杂结构和复杂环境带来的故障频发问题。同时，2007年美国宇航局启动了“自愈飞行控制”的研究计划，旨在增强飞行控制系统的“自愈”能力。2012年，美国国家基金委启动了“故障自愈系统”的研究计划，旨在扩大自愈控制技术的应用范围。然而，我国对于航天器的自主健康维护研究还相对薄弱，未形成故障预测与健康管理的系统化理论体系和应用平台。虽然现有大量研究针对航天器执行机构开展了可靠性建模分析，但大都停留在单纯的量化分析和地面设计层面，未探讨对在轨姿态控制的影响及可能的自主维护措施。

传统控制系统的执行机构维护过程是被动的，即在执行机构故障下系统性能不能满足时，或者达到预定维护时间时才采取相应维护措施；而延寿控制则是一种主动管理执行机构健康的方法，是在执行机构出现退化或微小故障时，通过改变控制作用或者控制器结构、参数来自主延长系统的工作时间，提高设备的可用性。然而，使用寿命的提高必然伴随着一定的控制性能的牺牲，因此两者之间的最优权衡是某些控制系统完成规定任务的必然要求。控制性能与使用寿命之间的权衡是困难，相应涉及的研究工作也比较少见。文献《Amodeling framework for deteriorating control system and predictivemaintenance of actuators》根据基于实时退化量的剩余寿命估计有针对性地调节线性二次型控制器参数来减小控制作用，进而缓解执行机构压力达到延寿的目的。文献《A noveldegradation modeling and prognostic framework for closed-Loop systems withdegrading actuator》提出了假设系统动态模型中某一参数随时间退化的隐退化建模方法，并通过调整PID控制器的比例系数，给出了一种延长使用寿命的方法。然而，上述方法在退化建模过程中未考虑控制器参数的调节与退化程度的关联性，且没有给出控制器参数或控制目标调节量的量化方法。

综上所述，一方面目前国内还未有相关文献和专利研究卫星的自主延寿姿态控制方法，另一方面现有方法仍存在理论和应用局限，亟需发展更具有前瞻性、工程适用性的卫星自主延寿姿态控制方法。本发明将主要围绕卫星的飞轮可靠性建模和姿态控制优化问题展开，进而基于剩余寿命预测的控制动态调节技术提出一种能够延长卫星在轨使用寿命的姿态控制方法，并用案例验证方法的可行性。