[发明专利]一种基于多层状态估计器的卫星控制系统故障诊断方法

摘要

一种基于多层状态估计器的卫星控制系统故障诊断方法，能够在硬件冗余条件不满足的情况下，实现光学敏感器和惯性敏感器的故障隔离。该方法基本流程为：首先，建立用于描述光学敏感器和惯性敏感器之间输出关系的解析模型；然后，基于模型分别设计两层状态估计器，第1层状态估计器产生的残差对光学敏感器故障和惯性敏感器故障都敏感，而第2层状态估计器的残差不受惯性敏感器故障的影响。这样，通过检测第1层状态估计器的残差并与事先设定的阈值相比较，可以判断是否发生故障；如果发生故障，可以根据第2层状态估计器的残差区分光学敏感器故障和惯性敏感器故障。

主权项

1.一种基于多层状态估计器的卫星控制系统故障诊断方法，其特征在于步骤如下：(1)建立用于描述星载的光学敏感器和惯性敏感器之间输出关系的故障诊断模型，即卫星俯仰通道故障诊断模型和卫星滚动-偏航通道故障诊断模型，卫星俯仰通道故障诊断模型形式如下所示：x_p(k+1)＝A_px_p(k)+B_pu_p(k)y_p*(k)＝C_px_p(k)其中，k表示离散的时间，x_p(k)表示第k步的俯仰通道状态量，A_p表示俯仰通道状态矩阵，B_p表示俯仰通道输入矩阵，u_p(k)表示俯仰通道输入量，y_p(k)表示俯仰通道观测量，C_p表示俯仰通道观测矩阵；卫星滚动-偏航通道故障诊断模型形式如下所示：x_r(k+1)＝A_rx_r(k)+B_ru_r(k)y_r(k)＝C_rx_r(k)其中，x_r(k)表示第k步的滚动-偏航通道状态量，A_r表示滚动-偏航通道状态矩阵，B_r表示滚动-偏航通道输入矩阵，u_r(k)表示滚动-偏航通道输入量，y_r(k)表示滚动-偏航通道观测量，C_r表示滚动-偏航通道观测矩阵；(2)根据步骤(1)中的俯卫星仰通道故障诊断模型和卫星滚动-偏航通道故障诊断模型设计基于俯仰通道故障诊断模型的第1层状态估计器和基于滚动-偏航通道故障诊断模型的第1层状态估计器；基于俯仰通道故障诊断模型的第1层状态估计器形式为：其中，和分别表示俯仰通道状态量的预测值和估计值，K_p(k+1)表示俯仰通道的滤波增益阵；根据俯仰通道第1层状态估计器的状态估计结果产生故障检测残差，故障检测残差的计算方式如下所示：其中，N表示故障检测窗口的长度，r_p(k)表示俯仰通道第1层状态估计器的测量残差，其形式如下所示：基于滚动-偏航通道故障诊断模型的第1层状态估计器为：其中，和分别表示滚动-偏航通道状态量的预测值和估计值，K_r(k+1)表示滚动-偏航通道的滤波增益阵；根据滚动-偏航通道第1层状态估计器的状态估计结果产生故障检测残差，故障检测残差的计算方式如下所示：其中，r_p(k)表示滚动-偏航通道第1层状态估计器的测量残差，其形式如下所示：(3)如果LD_p(k)≥T_D或LD_R(k)≥TX，则卫星姿态控制系统中的光学敏感器或惯性敏感器发生了故障，进入步骤(4)；反之则光学敏感器和惯性敏感器均未发生故障；其中，T_D为预设的故障检测阈值；(4)设计第2层状态估计器；基于俯仰通道故障诊断模型的第2层状态估计器形式为： z_p(k+1)＝F_pz_p(K)+G_py_p(k)+T_pB_pu_p(k)e_p(K)＝K_pz_p(k)+P_py_p(k)其中，z_p(k)表示俯仰通道第2层状态估计器的状态量，e_p(K)表示俯仰通道第2层状态估计器的输出，F_p、G_p、T_p、K_p和P_p表示俯仰通道第2层状态估计器设计参数矩阵，其中，F_p＝ρ_pII表示单位阵，ρ_p为可调参数且|ρ_p|＜1，其它设计参数矩阵通过求解如下所示的矩阵方程得到根据俯仰通道第2层状态估计器的输出产生故障隔离残差，故障隔离残差的计算方式如下所示：基于滚动-偏航通道故障诊断模型设计的第2层状态估计器形式为：z_r(k+1)＝F_rz_r(k)+G_ry_r(k)+T_rB_ru_r(k)e_r(k)＝K_rz_r(k)+P_ry_r(k)其中，z_r(k)表示滚动-偏航通道第2层状态估计器的状态量，e_r(k)表示滚动-偏航通道第2层状态估计器的输出，F_r、G_r、T_r、K_r和P_r表示滚动-偏航通道第2层状态估计器设计参数矩阵，其中，F_r＝ρ_rIρ_r为可调参数且|ρ_r|＜1，其它设计参数矩阵通过求解如下所示的矩阵方程得到根据滚动-偏航通道第2层状态估计器的输出产生故障隔离残差，故障隔离残差的计算方式如下所示： (5)如果LI_p(k)≥T_I或LI_r(k)≥T_I，则光学敏感器发生故障，反之，则惯性敏感器发生故障，其中，T_r表示预设的故障隔离阈值。