專利名稱：基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航空航天領(lǐng)域運(yùn)動(dòng)陀螺組的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)方法，具體涉及一種基于小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺評(píng)估方法。
背景技術(shù)：
隨著航天科技的發(fā)展，航天器的安全問(wèn)題愈顯重要，要保證航天器及航天人員的安全，就必須對(duì)航天器的故障及時(shí)診斷并對(duì)出現(xiàn)的故障做出精確評(píng)估(部位及幅值)，以便及時(shí)采取相應(yīng)故障處理方案，避免財(cái)產(chǎn)損失和航天器及人員出現(xiàn)安全事故。而衛(wèi)星陀螺敏感器作為姿態(tài)信息的重要測(cè)量部件，被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中，其可靠性將對(duì)整個(gè)衛(wèi)星的姿態(tài)控制性能產(chǎn)生影響。但由于航天器所處環(huán)境的復(fù)雜性、多變性，陀螺敏感器在運(yùn)行過(guò)程中要經(jīng)受復(fù)雜空間環(huán)境的考驗(yàn)，其屬于在軌故障發(fā)生率較高的部件，需要對(duì)其重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，因此，陀螺敏感器的故障檢測(cè)評(píng)估研究具有重要意義。小波變換是一種常用的信號(hào)分析與處理方法，在多個(gè)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，例如圖像壓縮、模式識(shí)別、語(yǔ)音處理和信號(hào)檢測(cè)等。小波變換可以用于檢測(cè)信號(hào)中奇異性。一些研究者利用小波的這一特性檢測(cè)和診斷傳感器突變故障。實(shí)際上，小波變換可以提供更多信息。一般來(lái)說(shuō)，傳感器故障診斷方法可以分為兩類(lèi)，基于硬件冗余的方法和基于解析冗余的方法?；谟布哂嗟姆椒ǖ膬?yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單有效、直觀性強(qiáng)，但是該方法存在重量、功耗和空間等方面的限制。目前文獻(xiàn)中的傳感器故障診斷方法大部分是基于解析冗余的方法，兩類(lèi)方法相結(jié)合的傳感器故障診斷研究還相對(duì)較少。另外，很多文獻(xiàn)研究的是傳感器故障檢測(cè)與分離方法。這些方法能夠在出現(xiàn)故障時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，但是并不能提供故障幅值的信息。但在很多情況下，我們需要得到故障幅值的大小以便對(duì)故障進(jìn)行處理。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)診斷方法通常只具有檢測(cè)單個(gè)傳感器故障的能力，不具備分離故障的能力和對(duì)故障幅值大小估計(jì)的能力，而且基于信號(hào)處理的監(jiān)測(cè)診斷方法的計(jì)算量相對(duì)較大，本發(fā)明提供了一種基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法。本發(fā)明所述是一種基于等價(jià)關(guān)系和小波求解數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺故障分離和估 計(jì)方法，在衛(wèi)星陀螺組工作的過(guò)程中，利用基于等價(jià)關(guān)系的方法對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)的故障檢測(cè)，判斷其是否發(fā)生故障，若判斷其未發(fā)生故障，則檢測(cè)診斷處理系統(tǒng)周期結(jié)束，并開(kāi)始新的周期；若判斷其發(fā)生故障，則利用基于小波變換數(shù)值微分的方法對(duì)衛(wèi)星陀螺組故障進(jìn)行分離和估計(jì)，故障估計(jì)值可以用于傳感器補(bǔ)償，從而避免切換到冗余傳感器部件的操作。本發(fā)明所述基于小波變換數(shù)值微分的故障估計(jì)方法是基于故障向量的代數(shù)可觀測(cè)性和測(cè)量信號(hào)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，利用小波變換對(duì)測(cè)量星敏感器輸出信號(hào)的導(dǎo)數(shù)近似，進(jìn)而對(duì)陀螺敏感器三個(gè)正交陀螺故障進(jìn)行估計(jì)，得出故障部位和幅值大小。綜上所述，本發(fā)明的基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法具體包括以下步驟
步驟一、利用衛(wèi)星慣性陀螺組件的硬件冗余，并通過(guò)等價(jià)關(guān)系方法檢測(cè)衛(wèi)星慣性陀螺組件是否發(fā)生故障，判斷結(jié)果為是，則認(rèn)為所述衛(wèi)星慣性陀螺組件未發(fā)生故障，則結(jié)束檢測(cè)估計(jì)周期，進(jìn)入下一周期；若判斷結(jié)果為否，則認(rèn)為所述衛(wèi)星慣性陀螺組件發(fā)生故障，則進(jìn)行步驟二，減少了計(jì)算量；
步驟二、若衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)輸出參數(shù)是四元素則直接進(jìn)入步驟三；若星姿態(tài)敏感器輸出 參數(shù)是歐拉角，則通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣得到便于處理的姿態(tài)四元素；
步驟三、利用基于小波變換數(shù)值微分算法，近似求解姿態(tài)四元素的一階時(shí)間導(dǎo)數(shù)；步驟四、通過(guò)重構(gòu)算法近似得到衛(wèi)星陀螺敏感器組的故障，對(duì)衛(wèi)星陀螺敏感器組的故障進(jìn)行分離和估計(jì)，故障估計(jì)值可以用于傳感器補(bǔ)償，從而避免切換到冗余傳感器部件的操作，至此，完成對(duì)衛(wèi)星陀螺組故障的檢測(cè)、分離和估計(jì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)
I)本發(fā)明所提出的故障診斷方法通過(guò)等價(jià)關(guān)系方法檢測(cè)陀螺組件的故障，同時(shí)利用基于小波變換的數(shù)值微分算法重構(gòu)陀螺敏感器的故障，對(duì)故障進(jìn)行評(píng)估，與單純采用信號(hào)處理的故障診斷方法相比，能夠有效降低計(jì)算量。2)本發(fā)明所提出的故障診斷方法，與根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)方程設(shè)計(jì)觀測(cè)器診斷和隔離陀螺敏感器的故障相比，不僅能夠檢測(cè)故障的發(fā)生，而且可以估計(jì)故障的大小，因此能夠診斷早期、緩變故障。3)本發(fā)明所提出的故障診斷方法可以直接估計(jì)出陀螺組件故障的大小，能夠提高對(duì)于緩變、微小故障的診斷能力，并且在多個(gè)陀螺敏感器發(fā)生故障時(shí)，仍然可用，突破了其他方法一般只能進(jìn)行單點(diǎn)故障診斷的限制。4)本發(fā)明所提出的故障診斷方法能夠快速準(zhǔn)確地估計(jì)陀螺的真實(shí)故障，并且能夠很好地抑制測(cè)量噪聲的影響。5)本發(fā)明提出的故障診斷方法有效地利用了陀螺組件的硬件和軟件冗余，既能實(shí)現(xiàn)陀螺敏感器的故障檢測(cè)，又能判斷故障位置并估計(jì)故障量的幅值大小，同時(shí)又減少了監(jiān)測(cè)診斷過(guò)程的計(jì)算量。


圖I為基于等價(jià)關(guān)系和基于小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組件故障檢測(cè)分離和估計(jì)方法流程 圖2為衛(wèi)星慣性陀螺組未發(fā)生故障時(shí)等價(jià)向量V范數(shù)的示意 圖3為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生突變故障時(shí)等價(jià)向量V范數(shù)的示意 圖4為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生突變故障時(shí)姿態(tài)四元素q的示意 圖5為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生突變故障時(shí)姿態(tài)四元素q時(shí)間導(dǎo)數(shù)的示意 圖6為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生突變故障時(shí)估計(jì)故障的示意 圖7為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生緩變故障時(shí)等價(jià)向量V范數(shù)的示意圖；圖8為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生緩變故障時(shí)估計(jì)故障的示意 圖9為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生多組件故障時(shí)等價(jià)向量V范數(shù)的示意 圖10為衛(wèi)星慣性陀螺組發(fā)生多個(gè)部件故障時(shí)估計(jì)故障的示意圖。
具體實(shí)施例方式
權(quán)利要求
1.一種基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法，其特征在于所述方法包括如下步驟 步驟一、利用衛(wèi)星慣性陀螺組件的硬件冗余，并通過(guò)等價(jià)關(guān)系方法檢測(cè)衛(wèi)星慣性陀螺組件是否發(fā)生故障，判斷結(jié)果為是，則認(rèn)為所述衛(wèi)星慣性陀螺組件未發(fā)生故障，則結(jié)束檢測(cè)估計(jì)周期，進(jìn)入下一周期；若判斷結(jié)果為否，則認(rèn)為所述衛(wèi)星慣性陀螺組件發(fā)生故障，則進(jìn)行步驟ニ ； 步驟ニ、若衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)輸出參數(shù)是四元素則直接進(jìn)入步驟三；若星姿態(tài)敏感器輸出參數(shù)是歐拉角，則通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣得到便于處理的姿態(tài)四元素； 步驟三、利用基于小波變換數(shù)值微分算法，近似求解姿態(tài)四元素的ー階時(shí)間導(dǎo)數(shù)； 步驟四、通過(guò)重構(gòu)算法近似得到衛(wèi)星陀螺敏感器組的故障，對(duì)衛(wèi)星陀螺敏感器組的故障進(jìn)行分離和估計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法，其特征在于所述步驟ニ中，若姿態(tài)參數(shù)是歐拉角則將其轉(zhuǎn)換成四元素，姿態(tài)矩陣記為
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法，其特征在于所述步驟三中，近似求解姿態(tài)四元素的時(shí)間導(dǎo)數(shù)所用公式為 唯) 其中
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法，其特征在于所述步驟四中，；故障陀螺的輸出表不為
全文摘要
基于等價(jià)關(guān)系和小波變換數(shù)值微分的衛(wèi)星陀螺組故障檢測(cè)、分離和估計(jì)方法，涉及一種航空航天領(lǐng)域運(yùn)動(dòng)陀螺組的安全監(jiān)測(cè)技術(shù)方法。本發(fā)明包括如下步驟步驟一、通過(guò)等價(jià)關(guān)系方法檢測(cè)衛(wèi)星慣性陀螺組件是否發(fā)生故障。若判斷無(wú)故障，則跳轉(zhuǎn)到新的周期，若判斷有故障則進(jìn)行步驟二。步驟二、若衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)輸出參數(shù)是四元素則直接進(jìn)入步驟三，若星姿態(tài)敏感器輸出參數(shù)是歐拉角則轉(zhuǎn)換成姿態(tài)四元素。步驟三、利用基于小波變換數(shù)值微分算法，近似求解姿態(tài)四元素的數(shù)值微分。步驟四、通過(guò)重構(gòu)算法近似得到衛(wèi)星陀螺敏感器組的故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的檢測(cè)、分離和估計(jì)。本發(fā)明能夠有效降低計(jì)算量，能夠診斷早期、緩變故障，在多個(gè)陀螺敏感器發(fā)生故障時(shí)，仍然可用。
文檔編號(hào)G01C25/00GK102661751SQ20121018548
公開(kāi)日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月7日
發(fā)明者張淼, 沈毅, 王振華, 蔡啟超 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)