[发明专利]考虑航天器控制系统非完全失效故障的可诊断性量化方法

说明书

本发明公开了一种考虑航天器控制系统非完全失效故障的可诊断性量化方法，将可诊断性量化问题转换成数理统计中的多元分布相似度判别问题，并得到非完全失效故障的等价空间模型；然后给出非完全失效故障可检测性与可隔离性的具体判断准则；最后根据判断准则，利用巴氏距离提出了非完全失效故障的可诊断性量化指标，基于可诊断性量化指标得到分析结果。本发明考虑了航天器控制系统在轨实际工作中系统不确定性的影响，所得结果能够便于设计人员了解系统的薄弱环节，有利于指导诊断算法的设计和系统的配置，从而可以在地面设计阶段最大程度地提升航天器控制系统的故障诊断能力，并最终达到提高系统整体综合设计能力的目标。

技术领域

本发明属于航天器控制技术领域，尤其涉及一种考虑航天器控制系统非完全失效故障的可诊断性量化方法。

背景技术

由于航天器结构的复杂性以及不可避免的空间环境影响(包括：高低温差、电磁干扰、空间粒子辐射等)，都会使得各分系统、元部件的可靠度降低，从而容易诱发故障，而且故障发生后难以进行修复。相比于其他分系统，航天器控制系统由于工作模式复杂，发生故障的概率急剧增加；同时由于承担任务的重要性，一旦发生故障产生的危害极大。

由于航天器控制系统故障引发问题的严重性以及发展高可靠性、长寿命航天设备的迫切需求，现已在以下三个方面开展了相应工作：

(1)提高零部件的可靠性设计水平，即在设计、生产、试验过程中采取一系列保障措施(例如，提高元/部件的质量，加强软件的强壮性设计等)，提升航天器控制系统的固有可靠性，尽量减少故障的发生。然而，受加工、制造和装配等客观因素的影响，该方法已达到“瓶颈”，而且代价巨大。

(2)提高系统的故障诊断能力，即在故障发生之后，能够及时、准确的实现故障检测和隔离，增强系统应对故障和突发状况的能力，从而提升航天器控制系统的运行可靠性。但是，受测点数量、星上计算和存储等资源约束及地面测控实时性、安全性和覆盖区域等限制，使得故障诊断方法在航天器控制系统中难以发挥最大功效，存在故障漏报率和虚警率偏高的问题，提升故障诊断能力的效果有限。在此需要说明的是，不同于飞机、汽车等多次使用的装备，大部分航天器均是一次性使用，不能在轨进行升级换代，故障后能够实施的故障诊断与处理策略有限，在轨维护难度极大。

(3)提高系统的可诊断性，即将提高系统的可诊断性能融入到整个设计过程中，考虑航天器重量、功耗与计算性能等有限资源约束，通过系统构型、测量信息和冗余关系的优化配置，在故障发生之前最大程度地提升航天器控制系统的自主故障诊断能力。提高可诊断性将在轨故障诊断的工作重点前移到地面设计阶段，是提高系统故障诊断能力的前提条件和基础。

因此，对于航天器控制系统而言，提高可诊断性可以从系统层面有效避免零部件固有可靠性不足、以及诊断方法在轨应用受限问题的发生，大幅增加航天器的在轨运行寿命、提升故障模式下航天器的自主生存能力。

现阶段，对于可诊断性方面的研究尚处于萌芽阶段，由于缺乏必要的分析手段与工具，并未对可诊断性开展系统的理论与方法研究，且距离实际工程应用尚存在较大差距，具体体现在：

(1)现有可诊断性的分析结果均为定性的，无法给出量化结果，即仅能知道“故障能否被诊断”，而无法明确“故障诊断的难易程度，以及实现故障诊断需要付出的代价”。事实上，可诊断性的量化结果更便于设计人员了解系统的薄弱环节，更利于指导诊断算法的设计和系统的配置。

(2)现有可诊断性的分析方法大多没有考虑系统不确定性的影响。航天器控制系统在轨实际工作中会不可避免地受到模型误差、过程和观测噪声等系统不确定性的影响。事实上，系统不确定性(主要包括：模型误差、过程和观测噪声等)会严重影响可诊断性结果的正确性。这主要体现在：使得不确定性引起的输出偏差被误当作故障处理；故障引起的偏差被当作不确定性而未加考虑。特别是，航天器控制系统早期发生的微小故障常常被淹没在噪声中。因此，为了确保结果的正确性，进行考虑不确定性影响的可诊断性量化研究具有更实际的工程意义。