專(zhuān)利名稱(chēng)：一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航天器姿態(tài)和軌道控制領(lǐng)域，涉及一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法。
背景技術(shù)：
陀螺測(cè)量系統(tǒng)是航天器姿態(tài)和軌道控制任務(wù)中經(jīng)常使用的角速度敏感器，其可靠性直接影響著航天器的可靠性。隨著航天器技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)航天器自主運(yùn)行提出了越來(lái)越高的要求，實(shí)現(xiàn)陀螺測(cè)量系統(tǒng)的自主故障診斷和處理，對(duì)提高航天器的自主運(yùn)行能力具有十分重要的意義。陀螺安裝構(gòu)型有主備3正交構(gòu)型、3正交+1斜裝構(gòu)型、多斜裝構(gòu)型等，陀螺構(gòu)型往往影響了故障診斷算法的設(shè)計(jì)和診斷的準(zhǔn)確性。國(guó)內(nèi)外對(duì)陀螺故障診斷進(jìn)行了許多研究，歸納起來(lái)陀螺的故障診斷算法一般可分為兩大類(lèi):直接診斷法和間接診斷法。直接診斷法一般包括門(mén)限值檢驗(yàn)、輸出一致性檢測(cè)等。間接診斷法則是通過(guò)陀螺之外的其它信息(如星敏感器、紅外地球敏感器、動(dòng)力學(xué)分析等)間接推斷診斷對(duì)象發(fā)生故障的方法。相關(guān)文獻(xiàn)有:I邢琰等，基于四元數(shù)估計(jì)角速率的陀螺故障定位，宇航學(xué)報(bào)，24卷(4)，2003:410 413。鑒于角度和角速度敏感器的輸出通過(guò)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)，文中利用姿態(tài)測(cè)量敏感器的輸出和動(dòng)力學(xué)濾波采用解析冗余的方法來(lái)診斷陀螺故障。2王立峰等，3+1S陀螺的故障檢測(cè)方法研究，中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2009年12月:52 58。文中重點(diǎn)討論了衛(wèi)星出現(xiàn)大角速度超出陀螺測(cè)量范圍而出現(xiàn)飽和的情況，并結(jié)合衛(wèi)星質(zhì)量特性，給出了避免誤判的對(duì)策。

3蘇林等，基于雙統(tǒng)計(jì)判據(jù)的速率陀螺故障診斷方法研究，裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，22卷(2)，2011:78 83。文中利用測(cè)量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性將其分為主元子空間和殘差子空間，在各空間中建立統(tǒng)計(jì)量來(lái)檢測(cè)故障，通過(guò)雙統(tǒng)計(jì)量的貢獻(xiàn)圖識(shí)別出故障傳感器，應(yīng)用雙統(tǒng)計(jì)判據(jù)法進(jìn)行陀螺的故障檢測(cè)與診斷。上述方法存在如下不足:一般著重于診斷算法，并且大部分基于陀螺的正裝構(gòu)型，如3正交構(gòu)型、多套互為冗余的3正交構(gòu)型、3正交+1斜裝構(gòu)型等，而對(duì)陀螺斜裝的非正交構(gòu)型帶來(lái)的診斷異常沒(méi)有考慮，平衡方程的設(shè)置都是按照常規(guī)方法，實(shí)際上診斷的準(zhǔn)確性與陀螺構(gòu)型、平衡方程、診斷算法等密切相關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對(duì)陀螺故障問(wèn)題，提供了一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法。本發(fā)明包括如下技術(shù)方案:一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，包括以下步驟:(I)確定陀螺屬于何種構(gòu)型，之后計(jì)算陀螺之間的夾角關(guān)系；(2)確定陀螺平衡方程的權(quán)系數(shù)隊(duì)=[% _/"v(化RJR；, ,-1] , Rn為引入陀螺U1,…，in}n=4, 5的安裝位置矩陣，且Rn=[Ogil，
Ogi2， ，Ogi (n—i )]T,0giJ(j=l,...,n,n=4, 5)為陀螺的
安裝位置；(3)確定判斷陀螺排序；(4)根據(jù)步驟(3)中確定的判斷陀螺排序結(jié)果，設(shè)計(jì)平衡方程；(5)設(shè)計(jì)故障診斷方法。所述陀螺構(gòu)型包括正交構(gòu)型、正交與斜裝組合構(gòu)型以及斜裝構(gòu)型。所述陀螺之間的夾角通過(guò)公式acos(0- -OgXif計(jì)算得到，其中，兩個(gè)陀螺1、j
的安裝位置分別為行向量Ogi和ogj。所述確定判斷陀螺排序的方法如下:(4.1)根據(jù)引入陀螺數(shù)據(jù)的序號(hào)，按從小到大排列，得到序列U1,…，in}；(4.2 )將陀螺分成 Ar = 組，記對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)值為 InaxjIiinA1、max_minA2、…、max_minAN;(4.3)計(jì)算 max_minAk, k=l, ，N，其中m ax_minAk=max (abs (Qgiffl5)) /min (abs (Qgiffl5) +le_8), QgiEk= [Ogim inv (Rk1Rk) RkT, -1],Rk為第k組陀螺安裝位置矩陣，Ogiffl為引入陀螺中不屬于第k組陀螺的其他任一陀螺的安裝位置；(4.4)取max_minAk, k=l,...，N中最小值,并將對(duì)應(yīng)的組合作為確定判斷陀螺排序組合，組合里的四個(gè)陀螺作為排序后新組合的前四個(gè)陀螺，而沒(méi)有包含的另外一個(gè)陀螺作為新組合中的第五個(gè)陀螺。所述根據(jù)確定出的判斷陀螺排序結(jié)果，設(shè)計(jì)陀螺平衡方程為e A=0giE g_dgi5，；其中，0giE=0gi5. inv (RtR) Rt, R= [Ogil’，Ogi2’，0gi3’，0gi4’ ]T, g=[dgir，dgi2’，dgi3’，dgi4’]T,(i/，i2’，i3’，i4’，i5’)為新組合，dgn，，dgi2，，dgi3，，dgi4，，dgi5，為陀螺測(cè)量輸出。所述故障診斷方法為:當(dāng)五個(gè)陀螺工作時(shí)，所述陀螺系統(tǒng)故障診斷方法為:如果五陀螺的平衡方程不滿足預(yù)設(shè)的判斷閾值，連續(xù)Hlfault次以上則認(rèn)為有陀螺故障，則先構(gòu)造由四個(gè)陀螺測(cè)量輸出組成的ClC43 =20個(gè)不同的四陀螺平衡方程，并對(duì)平衡方程殘差幅值設(shè)計(jì)不同判斷區(qū)間，不同判斷區(qū)間賦予不同的記分分值，連續(xù)A T秒后對(duì)分?jǐn)?shù)最低的對(duì)應(yīng)陀螺記次器加1，如此反復(fù)進(jìn)行，如果判斷出有陀螺故障且僅一個(gè)陀螺的記次器超過(guò)％aultM次，則該記次器對(duì)應(yīng)的陀螺故障，否則重新進(jìn)行故障判斷，mfaulo A T和mfaultM均為預(yù)設(shè)值；當(dāng)四個(gè)陀螺工作時(shí)，所述陀螺系統(tǒng)故障診斷方法為:在判斷四個(gè)陀螺的平衡方程時(shí)，先構(gòu)造由四個(gè)陀螺測(cè)量輸出組成的4個(gè)不同的四陀螺平衡方程，再對(duì)平衡方程殘差進(jìn)行判斷，如果連續(xù)Hifaultl次最大的 殘差幅值超過(guò)允許門(mén)限，則有陀螺故障，再根據(jù)紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或者單獨(dú)采用星敏感器信息定位故障陀螺，由紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或者單獨(dú)采用星敏感器信息確定的姿態(tài)與各陀螺輸出數(shù)據(jù)的相關(guān)性組成4個(gè)新的平衡方程，每隔A T1時(shí)間判斷一次，如此反復(fù)進(jìn)行，如果陀螺有故障且連續(xù)mfault4次不滿足新平衡方程，則認(rèn)為新平衡方程對(duì)應(yīng)的陀螺故障，mfaultl, A T1和mfault4均為預(yù)設(shè)值。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)明針對(duì)陀螺故障，設(shè)計(jì)了一種自主調(diào)整平衡方程的故障診斷方法，能大幅度提高陀螺故障診斷的概率，本發(fā)明工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。(2)本發(fā)明通過(guò)分析平衡方程權(quán)系數(shù)，交換判斷陀螺排序，設(shè)置不同的平衡方程，克服了陀螺之間夾角較小而帶來(lái)的故障診斷異常影響。(3)本發(fā)明適應(yīng)任何復(fù)雜構(gòu)型的陀螺故障診斷。


圖1為本發(fā)明方法流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明提供了一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，包括以下步驟:(I)確定陀螺屬 于何種構(gòu)型，之后計(jì)算陀螺之間的夾角關(guān)系，陀螺構(gòu)型包括正交構(gòu)
型、正交與斜裝組合構(gòu)型以及斜裝構(gòu)型，陀螺之間的夾角通過(guò)公式acos(Oii;.(ξ,) X 十算得到，其中，兩個(gè)陀螺1、j的安裝位置分別為行向量Ogi和0gj。(2)確定陀螺平衡方程的權(quán)系數(shù)機(jī),，Rn為引入陀螺U1,…，in}n=4, 5的安裝位置矩陣，且Rn=
T，0gij(j=l,..., n,n=4, 5)為陀螺的
安裝位置；例如:記dg1、dgj、dgk、dgx> dgm分別為陀螺1、j、k、1、m的測(cè)量輸出。對(duì)于五陀螺
平衡方程 ε Ijkim=Bi.dgi+aj.dgj+ak.dgk+ax.(Igfdgm,其中系數(shù) qx5=[ai, a」,ak, a1； -1]為五陀螺平衡方程的權(quán)系數(shù)。對(duì)于四陀螺平衡方程ε iJkl=ai.dgi+aj.dgj+ak.(Igk-Clg1，其中系數(shù)qx4=[ai，Bj, ak, -1]為四陀螺平衡方程的權(quán)系數(shù)，上述四陀螺平衡方程將陀螺l、k交換排序后改為 ε Jjlk=Bi'.dgja’ j.dgj+a/.(Igfdgk,則權(quán)系數(shù)為 qx4’ =Ia1'，a’」，a/，-1]。(3)確定判斷陀螺排序；確定判斷陀螺排序的方法如下:(3.1)根據(jù)引入陀螺數(shù)據(jù)的序號(hào)，按從小到大排列，得到序列U1,…，in}；(3.2 )將陀螺分成 Ar = 組，記對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)值為 InaxjiiinA1、max_minA2、…、max_minAN;(3.3)計(jì)算 max_minAk, k=l,..., N,其中 max_minAk=max (abs (QgiEk)) /min (abs (QgiEk) +le_8), Qgiffli= [Ogim.inv (RkTRk) RkT, -1],Rk為第k組陀螺安裝位置矩陣，Ogiffl為引入陀螺中不屬于第k組陀螺的其他任一陀螺的安裝位置；(3.4)取max_minAk, k=l,...，N中最小值,并將對(duì)應(yīng)的組合作為確定判斷陀螺排序組合，組合里的四個(gè)陀螺作為排序后新組合的前四個(gè)陀螺，而沒(méi)有包含的另外一個(gè)陀螺作為新組合中的第五個(gè)陀螺。(4)根據(jù)步驟(3)中確定的判斷陀螺排序結(jié)果，設(shè)計(jì)平衡方程；設(shè)計(jì)陀螺平衡方程為 ε Δ=08 Ε.g_dgi5’ ；其中，0giE=0gi5>.inv (RtR)Rt, R=
T,g=[dgn，，dgi2，，dgi3，，dgi4，]T, (i/，i2’，i3’，i4’，i5’)為新組合，dgn，，dgi2，，dgi3，，dgi4，，dgi5，為陀螺測(cè)量輸出。例如:以新組合為例，R=
τ,g=[dgn, dgi2, dgi3, dgi4]T, OgiE=Ogi5 inv (R1R) Rt,貝U五陀螺平衡方程為
￡ il2345_0giE * g_dgi5,其
它排序組合的平衡方程與此類(lèi)似。(5)設(shè)計(jì)故障診斷方法。故障診斷方法為:當(dāng)五個(gè)陀螺工作時(shí)，所述陀螺系統(tǒng)故障診斷方法為:如果五陀螺的平衡方程不滿足預(yù)設(shè)的判斷閾值，連續(xù)Hifault次以上則認(rèn)為有陀螺故障，則先構(gòu)造由四個(gè)陀螺測(cè)量輸出組成的丨Q =20個(gè)不同的四陀螺平衡方程，并對(duì)平衡方程殘差幅值設(shè)計(jì)不同判斷區(qū)間，不同判斷區(qū)間賦予不同的記分分值，連續(xù)A T秒后對(duì)分?jǐn)?shù)最低的對(duì)應(yīng)陀螺記次器加1，如此反復(fù)進(jìn)行，如果判斷出有陀螺故障且僅一個(gè)陀螺的記次器超過(guò)％aultM次，則該記次器對(duì)應(yīng)的陀螺故障，否則重新進(jìn)行故障判斷，mfaulo A T和mfaultM均為預(yù)設(shè)值；當(dāng)四個(gè)陀螺工作時(shí)，所述陀螺系統(tǒng)故障診斷方法為:在判斷四個(gè)陀螺的平衡方程時(shí)，先構(gòu)造由四個(gè)陀螺測(cè)量輸出組成的4個(gè)不同的四陀螺平衡方程，再對(duì)平衡方程殘差進(jìn)行判斷，如果連續(xù)Hifaultl次最大的殘差幅值超過(guò)允許門(mén)限，則有陀螺故障，再根據(jù)紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或者單獨(dú)采用星敏感器信息定位故障陀螺，由紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或者單獨(dú)采用星敏感器信息確定的姿態(tài)與各陀螺輸出數(shù)據(jù)的相關(guān)性組成4個(gè)新的平衡方程，每隔A T1時(shí)間判斷一次，如此反復(fù)進(jìn)行，如果陀螺有故障且連續(xù)mfault4次不滿足新平衡方程，則認(rèn)為新平衡方程對(duì)應(yīng)的陀螺故障，mfaultl, A T1和mfault4均為預(yù)設(shè)值。實(shí)施例:本發(fā)明針對(duì)陀螺故障問(wèn)題，提供了一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法。以衛(wèi)星安裝了 9個(gè)斜裝陀螺為例，假設(shè)陀螺Gl G9的安裝位置為:0gl=
；Og2=
；Og3=
；0g4=
；0g5=
；Og6=
；Og7=
；Og8=
；Og9=
。(I)分析陀螺構(gòu)型陀螺之間的夾角關(guān)系如下表所示。由表可知，陀螺G1G3G5、G2G4G6、G7G8G9這三組為正交組合，但是安裝位置均不與星體軸一致，9個(gè)陀螺呈一個(gè)斜裝構(gòu)型，陀螺間最小夾角為32.43度。
權(quán)利要求
1.一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)確定陀螺屬于何種構(gòu)型，之后計(jì)算陀螺之間的夾角關(guān)系； (2)確定陀螺平衡方程的權(quán)系奴#=[^.///ν(<^,)Λ；,-1], R力引入陀螺U1，...，in}n=4, 5的安裝位置矩陣，且Rn=[Ogil，Ogi2，...，Ogi (n—i) ]T，0gij(j=l，...，n，n=4，5)為陀螺的安裝位置； (3)確定判斷陀螺排序； (4)根據(jù)步驟(3)中確定的判斷陀螺排序結(jié)果，設(shè)計(jì)平衡方程； (5)設(shè)計(jì)故障診斷方法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，其特征在于:所述陀螺構(gòu)型包括正交構(gòu)型、正交與斜裝組合構(gòu)型以及斜裝構(gòu)型。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，其特征在于:所述陀螺之間的夾角通過(guò)公式acos(q, -ODx脊計(jì)算得到，其中，兩個(gè)陀螺1、j的安裝位置分別為行向量Ogi和Ogj。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，其特征在于:所述確定判斷陀螺排序的方 法如下: (4.1)根據(jù)引入陀螺數(shù)據(jù)的序號(hào)，按從小到大排列，得到序列； (4.2)將陀螺分成Ar = 組,記對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)值為 HiaxjiiinA1、max_minA2、…、max_minAN; (4.3)計(jì)算 max_minAk, k=l,..., N,其中 max_minAk=max (abs (QgiEk)) /min (abs (QgiEk) +le-8), Qgiffli= [Ogim.inv (RkTRk) RkT, -1], Rk 為第k組陀螺安裝位置矩陣，Ogiffl為引入陀螺中不屬于第k組陀螺的其他任一陀螺的安裝位置； (4.4)取max_minAk, k=l,...，N中最小值,并將對(duì)應(yīng)的組合作為確定判斷陀螺排序組合，組合里的四個(gè)陀螺作為排序后新組合的前四個(gè)陀螺，而沒(méi)有包含的另外一個(gè)陀螺作為新組合中的第五個(gè)陀螺。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，其特征在于:所述根據(jù)確定出的判斷陀螺排序結(jié)果，設(shè)計(jì)陀螺平衡方程為ε Λ=0_.g-dgi5，；其中，Ogi R-0gi5 ’.i η V (R R) R，R—
，(i/，i2’，i3’，i4’，i5’)為新組合，dgn，，dgi2，，dgi3，，dgi4，，dgi5，為陀螺測(cè)量輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，其特征在于:所述故障診斷方法為: 當(dāng)五個(gè)陀螺工作時(shí)，所述陀螺系統(tǒng)故障診斷方法為:如果五陀螺的平衡方程不滿足預(yù)設(shè)的判斷閾值，連續(xù)Hlfault次以上則認(rèn)為有陀螺故障，則先構(gòu)造由四個(gè)陀螺測(cè)量輸出組成的=20個(gè)不同的四陀螺平衡方程，并對(duì)平衡方程殘差幅值設(shè)計(jì)不同判斷區(qū)間，不同判斷區(qū)間賦予不同的記分分值，連續(xù)AT秒后對(duì)分?jǐn)?shù)最低的對(duì)應(yīng)陀螺記次器加1，如此反復(fù)進(jìn)行，如果判斷出有陀螺故障且僅一個(gè)陀螺的記次器超過(guò)％aultM次，則該記次器對(duì)應(yīng)的陀螺故障，否則重新進(jìn)行故障判斷，mfaulo Δ T和mfaultM均為預(yù)設(shè)值； 當(dāng)四個(gè)陀螺工作時(shí)，所述陀螺系統(tǒng)故障診斷方法為:在判斷四個(gè)陀螺的平衡方程時(shí)，先構(gòu)造由四個(gè)陀螺測(cè)量輸出組成的4個(gè)不同的四陀螺平衡方程，再對(duì)平衡方程殘差進(jìn)行判斷，如果連續(xù)Hlfaultl次最大的殘差幅值超過(guò)允許門(mén)限，則有陀螺故障，再根據(jù)紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或者單獨(dú)采用星敏感器信息定位故障陀螺，由紅外地球敏感器和數(shù)字太陽(yáng)敏感器或者單獨(dú)采用星敏感器信息確定的姿態(tài)與各陀螺輸出數(shù)據(jù)的相關(guān)性組成4個(gè)新的平衡方程，每隔AT1時(shí)間判斷一次，如此反復(fù)進(jìn)行，如果陀螺有故障且連續(xù)mfault4次不滿足新平衡方程， 則認(rèn)為新平衡方程對(duì)應(yīng)的陀螺故障，mfaultl, A T1和mfault4均為預(yù)設(shè)值。
全文摘要
一種陀螺測(cè)量系統(tǒng)的故障診斷方法，包括以下步驟(1)確定陀螺屬于何種構(gòu)型，之后計(jì)算陀螺之間的夾角關(guān)系；(2)確定陀螺平衡方程的權(quán)系數(shù)；(3)確定判斷陀螺排序；(4)根據(jù)步驟(3)中確定的判斷陀螺排序結(jié)果，設(shè)計(jì)平衡方程；(5)設(shè)計(jì)故障診斷方法。本發(fā)明方法能大幅度提高陀螺故障診斷的概率，工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)，能適應(yīng)任何復(fù)雜構(gòu)型的陀螺故障診斷。
文檔編號(hào)G01C25/00GK103234553SQ20131010877
公開(kāi)日2013年8月7日 申請(qǐng)日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者王新民, 袁軍, 張俊玲, 姚寧, 曹永梅, 程莉, 周劍敏, 趙性頌, 王哲, 魏懿 申請(qǐng)人:北京控制工程研究所