[发明专利]一种基于SHA的航天器ACS任务寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于SHA的航天器ACS任务寿命预测方法，属于航天器姿态控制的技术领域。本发明基于随机混杂自动机进行寿命预测，模拟了航天器ACS在轨运行时的随机混杂运动，预测寿命结果不仅基于系统可靠性，还考虑了系统性能退化对寿命的约束，克服了传统寿命预测方法仅可从可靠性角度进行寿命预测的局限，预测结果更加符合航天任务的需求。

技术领域

本发明公开了一种基于SHA(Stochastic Hybrid Automaton,随机混杂自动机)的航天器ACS（ACS, 姿态控制系统）任务寿命预测方法，属于航天器姿态控制的技术领域。

背景技术

随机混杂系统(Stochastic Hybrid System, SHS)理论可描述一个由连续(或离散)时间变量、离散事件变量以及随机因素相互作用的复杂系统，是近年来在可靠性、控制领域兴起的新兴技术。随机混杂自动机是分析SHS的方法中最为经典的模型。SHA利用离散状态转移图体现系统在实际运行过程中存在的多种状态，考虑了状态间的确定性转移(例如：外部输入)、非确定性转移(例如：随机故障)；通过随机微分方程描述性能参数的变化；将连续量、离散量统一到统一框架下实现连续量与离散量的动态交互。因此，SHA具有模拟复杂系统随机混杂运动的能力，已用于核电站等大型关键设备的可靠性评估领域。

单个部件的寿命终止常表现为突发性功能失效或性能退化这两种形式，传统预测方法仅针对其中一种寿命终止形式对部件展开寿命预测。对于多个部件构成的系统，部件的突发性功能失效会导致系统的突发性功能失效，部件的性能退化会导致系统的性能退化，而系统的功能失效与性能退化都会导致任务寿命的终止。传统预测方法考虑的角度较为单一且无法体现部件与系统间的动态交互，因此难以得到准确的系统任务寿命预测结果。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于SHA的航天器ACS任务寿命预测方法，考虑系统配置、系统工作模式、环境温度、航天器任务等因素对系统性能退化、系统动态可靠性的影响，基于随机混杂自动机实现了航天器姿控系统任务寿命的准确预测，解决了仅针对一种寿命终止形式对部件展开寿命预测的传统方案难以得到准确的系统任务寿命预测结果的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于随机混杂自动机的航天器姿态控制系统任务寿命预测方法，通过包括：SHA模块、在轨环境温度预测模块、相似性模块、计算统计分析模块的系统实现。相似性模块通过相似度算法处理历史航天器信息和当前航天器信息得到当前航天器部件的在轨可靠性模型。根据当前航天器部件的环境温度历史时间序列，在轨环境温度预测模块通过预测算法预测出未来一段时间内的在轨环境温度(部件所处环境的温度)，即，环境温度预测时间序列；SHA模块根据部件性能退化模型与部件在轨可靠性模型建立部件SHA，由多个部件SHA建立动态故障树结构的子系统SHA，子系统SHA用于模拟航天器子系统在轨时的随机混杂运动；环境温度预测时间序列传递给SHA模块作为部件SHA的环境输入；再将子系统SHA模块输出的系统性能退化参数代入计算统计分析模块中的姿控仿真闭环进行仿真计算，随着仿真时间的增长，某时刻航天器的姿控功能会发生突发性失效或者姿控性能不再满足任务需求，该时刻即认为是该航天器姿态控制系统的一个任务寿命预测样本，基于MonteCarlo思想得到该航天器姿态控制系统的多个任务寿命预测样本，对多个任务寿命预测样本进行统计学分析可得该航天器姿态控制系统在未来一段时间内的任务寿命的概率分布情况。

基于随机混杂自动机的航天器姿态控制系统任务寿命预测方法，包括如下6个步骤。

(1)为了体现部件所属系统的特征，对历史航天器、当前航天器的信息进行包括任务特征、轨道特征、姿控系统配置特征、空间环境特征等语义特征的提取，并对语义特征进行参数化处理，反应部件自身数据特征的航天器部件遥测数据（如：陀螺的环境温度遥测数据、飞轮的转速遥测数据）与参数化后的语义特征共同组成某航天器某部件的特征集合。