[发明专利]一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法

摘要

本发明提供了一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法，所述方法包括四大步骤：首先，基于单类主元分析构建已知故障检测统计量，该统计量利用数据的统计信息，判断测试数据是否为故障数据、判断故障发生时间和确定测试数据的样本故障方向；其次，基于样本故障方向与已知故障方向之间的夹角，实现已知故障的隔离；再次，利用样本故障方向构建未知故障检测统计量并计算对应的检测阈值，从而实现未知故障的检测；最后，针对未知故障的样本故障方向，利用变量对统计量的贡献指标来实现未知故障的隔离，并且找到发生故障硬件。当复杂卫星控制系统可能发生未知故障时，该方法可以实现未知故障检测和隔离，从而提高卫星控制系统的可诊断性和可靠性。

主权项

1.一种诊断卫星姿态控制系统未知故障的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、已知故障检测，具体包括如下步骤：S1.1对正常训练数据Y和测试数据y进行中心化与单位化处理，生成训练残差Z和测试残差z其中N表示Y的列数，即正常训练数据的样本个数；n_y表示Y的行数，即正常训练数据的维数，它等于卫星控制系统姿态测量变量的个数；表示N个n_y维正常训练数据；表示单个测试数据；表示Y的均值向量；表示Y的标准差对角矩阵；S1.2计算Z的协方差矩阵：其中S1.3Σ的奇异值分解为：其中a为主元数，Γ是正交矩阵，子块Γ1是矩阵Γ的前a列元素构成的矩阵，而子块Γ2是矩阵Γ的后ny‑a列元素构成的矩阵，Λ1＝diag(λ1,…,λa)表示a个最大奇异值构成的对角矩阵，而Λ2≈0表示剩余的ny‑a个接近零的奇异值构成的对角矩阵；S1.4构建单类主元分析分类器：S1.5若显著性水平为α，则T2检测统计量对应的检测阈值为：其中F1‑α(a,k‑a)表示自由度为(a,k‑a)的F分布对应于(1‑α)的分位数；若则测试数据y为正常数据，诊断过程结束；否则为故障数据，故障发生时刻的测试残差z就是样本故障方向z，进入步骤二；步骤二、已知故障隔离，具体包括如下步骤：S2.1用集合表示已知故障模式库，它包含n_f类已知故障模式f_i；表示已知故障模式库对应的已知故障方向库，表示已知故障模式f_i的故障向量；已知故障向量都是长度等于1的向量；其中i＝1,2,…,n_f，n_f为大于等于1的正整数；S2.2检测到的故障为第i种已知故障，则样本故障方向z可以表示为z＝|f|ri+e   (6)因而测试残差z是均值为|f|ri、方差为∑的正态随机噪声向量，即z～N(|f|ri,∑)    (7)其中|f|表示故障的幅值，e表示均值为零、方差为∑的正态随机噪声向量；S2.3用θ(z,ri),i＝1,2,…,nf表示样本故障方向z与已知故障方向ri之间的夹角，其中θ(z,ri)＝arccos(|zTri|/(||z||))   (8)S2.4若则样本故障方向z的故障模式暂定为第i₀类已知故障模式然后进入步骤三；步骤三、未知故障检测，具体包括如下步骤：S3.1若以及故障噪声比能够保证则计算未知故障检测统计量UFDS(z)：UFDS(z)＝z*∑‑1z*   (9)其中z^*表示测试残差z与最近故障方向的偏离程度；S3.2由于UFDS(z)是满足自由度为ny的卡方分布，选取与步骤一中相同的显著性水平α，则UFDS(z)对应的检测阈值为：其中表示表示自由度为n_y的卡方分布对应于(1‑α)的分位数；S3.3若UFDS(z)＞UFDS_α，则样本故障方向z的故障模式是未知的，进入步骤四；否则样本故障方向z的故障模式是已知的，就是第i₀类已知故障模式此时用样本故障方向z更新已知故障模式的故障方向诊断过程结束；步骤四、未知故障隔离，具体包括如下步骤：S4.1计算样本故障方向z的第k个变量对公式(4)中的T2统计量的贡献指标CNT(k)：其中tj是向量t中的第j个分量，且t＝Γ1Tz；zk是z的第k个分量，Γkj是公式(3)中Γ的第k行第j列上的元素，λj是公式(3)中Λ的第j行第j列上的元素，其中j＝1,2,…,a；S4.2如果那么样本故障方向z的第k₀个变量就是故障变量，且与之对应的卫星控制系统姿态测量机构硬件判断为故障硬件，诊断结束。