[发明专利]一种多源不确定航天器姿控可靠性一体化建模评估方法

说明书

本发明涉及一种多源不确定航天器姿控可靠性一体化建模评估方法，首先，建立航天器姿态控制模型并量化其主要不确定性因素；其次，以姿态动力学模型为桥梁进行系统不确定因素到姿态响应的不确定性传递分析；最后，从控制响应不同阶段的相异特点和精细化设计需求出发，提出进入稳态前的瞬态响应可靠度和进入稳态后的稳态响应可靠度两类评估指标，并建立相应的姿控可靠性一体化评估模型。本发明实现多源不确定性条件下姿态控制的可靠程度概率量化，建立的可靠性模型和近似计算方法能够较为准确地反映姿控可靠性水平，可用于指导控制器设计以提高姿控系统在轨运行寿命，从而创造出良好的社会和经济效益。

技术领域

本发明涉及一种多源不确定航天器姿控可靠性一体化建模评估方法，它针对在自身参数和外部干扰不确定性影响下以传统确定性方法设计的航天器姿态控制器存在性能失效风险的问题，提出了一种基于不确定量化传递分析和失效率建模的航天器姿控可靠性一体化建模评估方法，属于航天器可靠性工程技术领域。

背景技术

考虑到在设计和建造空间系统上消耗的大量资金、时间和人力资源，以及空间维修不可达弊端，系统可靠性和过程安全在航空航天工业中成为重要研究问题。在航天器各子系统中，姿态控制系统在满足其任务需求方面起着最为关键的作用。由于姿态控制系统必须在航天器的整个生命周期内持续运行，长时间受到内外部不确定性影响，如液体燃料的消耗引起转动惯量的变化、太空环境干扰力矩、内部执行机构振动和摩擦等，其在规定条件下和规定时间内完成规定控制性能的能力(控制可靠性)直接决定了任务质量。为实现对系统可靠度或失效概率的定量评估及保证系统具有足够的安全水平，研究多源不确定性影响下的航天器姿态控制可靠性建模方法具有重要的理论意义和工程价值。

国内外研究学者相继提出多种方法解决空间系统可靠性评估问题，包括马尔可夫链、基于中心极限的近似模型、自适应重要性抽样、贝叶斯网络、半马尔可夫过程和一阶可靠性方法等。文献[Reliability of CubeSats-statistical data,developers'beliefsand the way forward]对178颗发射的立方体航天器的数据进行了整理分析，从而得到系统的失效情况和各子系统对系统故障的影响程度。他们使用混合威布尔模型来拟合非参数数据，同时考虑将实际数据与历史任务数据联系起来。根据文献[A study of on-orbitspacecraft failures]和[Three-axis attitude control using redundant reactionwheels with continuous momentum dumping]统计，59％的故障由电源子系统和姿态控制系统引起，而姿态控制系统更具备恢复和容忍故障的可能性。然而，控制系统可靠性不简单取决于各零部件的状态或功能发挥，而取决于系统全回路的一体化表现。由于反馈作用的存在，某个零部件的失效并不一定导致整个控制系统的失效，上述传统的可靠性建模方法，如单元级寿命分布和失效率建模方法、系统级可靠性框图和故障树分析方法等不完全适用于航天器姿态控制系统的控制可靠性量化分析。事实上，结构可靠性理论中的应力-强度干涉模型、极限状态函数方法是一体化可靠性建模的典型代表，其思想可应用于控制系统的可靠性度量和优化。结构可靠性建模的核心在于将系统的功能或性能表达为与系统参数、外部载荷等相关的函数关系，再通过对参数、载荷等函数变量的不确定性量化和基于函数关系的不确定性传递分析得到功能或性能响应的不确定性特征，进而由可靠性定义建立系统的可靠性模型。由于控制系统的动力学模型恰好描述了其控制响应与自身参数、外部干扰的动态特性，结构可靠性建模方法则能被很好地应用于其一体化可靠性建模中。