基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断方法及装置与流程

本发明属于卫星姿态控制，具体涉及一种基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断方法及装置。

背景技术：

1、推力器是卫星姿态控制系统的核心执行机构，通过喷射工质产生控制力矩实现卫星姿态的调整与保持。在现代卫星平台中，推力器通常成组配置，按照特定的安装布局分布于卫星本体上，以实现对三轴姿态的联合控制。推力器的正常运行是卫星完成各项任务的前提条件，一旦推力器发生故障（如卡死开、卡死关等），将直接影响姿态控制精度，严重时可能导致卫星姿态失控，造成任务失败甚至整星报废。

2、现有技术中，基于阈值比较的方法是目前工程应用中最常见的一类故障诊断方法，其基本原理是设定某些关键状态参数的阈值，当监测值超出阈值范围时触发故障告警。还有其他的方法，例如基于动力学模型和状态观测器的故障诊断方法，其基本思想是利用卫星姿态动力学模型生成参考信号，通过比较实际测量值与参考值的差异来检测和识别故障。再者，采用基于神经网络的方法，通过学习正常模式与故障模式之间的特征差异来实现故障分类。但是，现有的推力器故障诊断技术存在以下共性问题：采用独立诊断模式，缺乏推力器与陀螺仪的关联分析；现有方法在推理逻辑上存在固有的方向性局限，无法从根本上解决推力器故障表现为陀螺仪异常与陀螺仪自身故障之间的区分问题，此外，动力学规律的利用方式存在局限。

3、因此，亟需一种能够克服上述共性问题的新型故障诊断方法，通过建立推力器指令与陀螺仪输出之间的动力学一致性检验机制，实现推力器故障与陀螺仪故障的智能区分，并能够利用推力器安装布局信息实现故障推力器的精确定位。

技术实现思路

1、从以上阐述的技术问题出发，本发明提供了一种基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断方法及装置。具体地，根据本发明的一个方面，提供了一种基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断方法，所述方法包括以下步骤：

2、步骤s1：建立推力器安装布局矩阵。

3、根据卫星上各推力器的安装位置和喷气方向，建立推力器安装布局矩阵，其中为推力器的总数量。

4、具体地，设第个推力器的安装位置矢量为（以卫星质心为原点，在卫星本体坐标系中表示），喷气方向单位矢量为，则该推力器产生的控制力矩矢量为：

5、

6、其中，表示矢量叉乘运算。的第个分量表示第个推力器在卫星本体坐标系第轴上产生的控制力矩分量。

7、将所有个推力器的力矩矢量按列排列，得到推力器安装布局矩阵：

8、

9、矩阵的第列即为第个推力器在卫星本体坐标系三轴上产生的控制力矩特征矢量，该矩阵由卫星的机械安装参数唯一确定，在轨运行过程中保持不变。建立该矩阵是本发明后续进行故障定位的物理基础。

10、步骤s2：获取推力器开关状态向量。

11、在每个控制周期，获取当前各推力器的开关指令状态，构造推力器开关指令状态向量，其中表示第个推力器的开关状态：

12、

13、推力器开关状态向量由姿态控制系统的指令输出直接获取，代表了控制系统预期施加的控制力矩来源。

14、步骤s3：计算理论控制力矩。

15、根据步骤s1建立的推力器安装布局矩阵和步骤s2获取的推力器开关状态向量，计算当前时刻各推力器正常工作时应产生的理论控制力矩向量：

16、

17、其中，为推力器的标称推力值。上式表明，理论力矩是所有处于开机状态的推力器所产生的力矩矢量的线性叠加，反映了在推力器正常执行指令的情况下，应当产生的总控制力矩。

18、步骤s4：利用陀螺仪输出反算实际外力矩。

19、从陀螺仪输出获取卫星在当前控制周期的三轴角速度，结合卫星转动惯量矩阵，利用欧拉动力学方程反算卫星实际受到的外力矩：

20、

21、其中，为卫星在本体坐标系中的角速度矢量（由陀螺仪测量得到），为角加速度矢量，可通过对陀螺仪输出的角速度信号进行差分得到。

22、对于小角度机动或角速度较小的情况，陀螺仪项为二阶小量，可予以忽略，得到简化形式：

23、

24、该简化形式计算量更小，更利于星上实时实现。当角速度较大时，应采用完整的欧拉方程以保证反算精度。

25、步骤s5：计算力矩残差并与阈值比较。

26、计算步骤s4得到的实际外力矩与步骤s3得到的理论控制力矩之间的力矩残差：

27、

28、力矩残差反映了实际作用于卫星的力矩与推力器指令预期产生的力矩之间的偏差。在理想情况下（推力器正常、陀螺仪正常、无外部干扰），应接近于零矢量；当存在推力器故障或陀螺仪故障时，将呈现显著的非零特征。

29、计算力矩残差的模值（欧几里得范数）：

30、

31、将残差模值与预设残差阈值进行比较：

32、若，则认为卫星运动状态符合动力学规律，推力器工作正常；

33、若，则认为推力器或陀螺仪存在故障，转入步骤s6；

34、阈值的选取应考虑陀螺仪测量噪声、转动惯量矩阵的不确定性、推力器推力偏差以及数值微分误差等因素，可通过地面仿真试验或统计分析确定。相较于传统方法直接对陀螺仪角速度或角度设置阈值，本方法的阈值是在力矩层面上进行比较，物理意义更加明确，且对测量噪声具有更好的鲁棒性。

35、步骤s6：故障定位与类型判断。

36、当残差向量超过阈值时，利用方向余弦匹配所述推力器安装布局矩阵的列向量进行故障定位：

37、（1）方向余弦匹配

38、对于第个推力器，计算残差向量与该推力器安装布局矩阵的列向量之间的方向余弦：

39、

40、其中，；

41、根据各方向余弦的大小和所述推力器的开关状态，判断故障类型和故障推力器：

42、（2）卡死开故障检测

43、卡死开故障是指推力器在收到关机指令后仍然持续喷气的故障模式。当第个推力器发生卡死开故障时，其实际产生的力矩将比理论值多出一个的分量，因此力矩残差向量的方向将与该推力器安装布局矩阵的列向量的方向高度一致。

44、判定条件：若存在某个推力器满足其开关指令状态且对应的方向余弦，其中为预设的卡死开故障判断阈值，则判断为第个推力器发生卡死开故障。

45、（3）卡死关故障检测

46、卡死关故障是指推力器在收到开机指令后无法正常喷气的故障模式。当第个推力器发生卡死关故障时，理论力矩中包含了该推力器应产生的力矩，但实际外力矩中缺失了该分量，因此实际外力矩在方向上的投影将明显不足。

47、判定条件：若存在某个推力器满足其开关指令状态且对应的方向余弦，其中为预设的卡死关故障判断阈值，同时实际外力矩在理论控制力矩方向上的投影不足，则判断为第个推力器发生卡死关故障。

48、（4）陀螺仪故障区分

49、若所有方向余弦均小于预设的陀螺仪故障判断阈值且所有推力器开关状态正常，则判断为陀螺仪自身故障。

50、根据本发明的某些优选方案，所述步骤s4中，角加速度的具体计算方法如下：

51、在当前控制周期时刻，获取陀螺仪输出的三轴角速度测量值以及上一控制周期时刻的三轴角速度测量值，采用一阶差分法计算角加速度：

52、

53、其中，为控制周期时长；

54、在差分计算之前，先对陀螺仪输出的角速度测量值进行低通滤波处理，滤波后的角速度记为，再利用滤波后的角速度进行差分计算：

55、。

56、根据本发明的某些优选方案，所述步骤s5中的预设残差阈值按照以下方法设定：

57、

58、其中，为陀螺仪测量噪声引起的残差模的最大估计值，为推力器推力偏差引起的残差模的最大估计值；

59、所述通过以下方式确定：

60、

61、其中，为卫星转动惯量矩阵的范数，为陀螺仪三轴角速度测量噪声的标准差，为陀螺仪采样频率对应的噪声放大因子；

62、所述通过以下方式确定：

63、

64、其中，为推力器安装布局矩阵的范数，为同时工作的推力器数量的最大值，为推力器推力偏差的最大值；

65、所述预设残差阈值还根据在轨运行的历史数据动态调整，通过统计正常工况下连续多个控制周期内的残差模的分布，取残差模分布的分位数作为自适应阈值，其中。

66、根据本发明的某些优选方案，所述步骤s6中，还可进行推力下降的故障检测；推力下降故障是指推力器实际推力低于标称值的故障模式。当第个推力器发生推力下降故障时，其实际产生的力矩为（其中为推力衰减系数），力矩残差将呈现与卡死关故障类似但幅值较小的特征。通过分析力矩残差在方向上的投影幅值，可以估计推力衰减系数，并据此判断推力下降的程度。

67、根据本发明的某些优选方案，所述步骤s6中，卡死开故障判断阈值的取值范围为；若存在多个满足且的推力器，则判断为该推力器发生卡死开故障。

68、所述步骤s6中，卡死关故障判断的具体方法为：

69、遍历所有推力器，对每个推力器执行以下判断：

70、若推力器的开关指令状态，且残差向量与推力器安装布局矩阵的第列向量的方向余弦满足，同时实际外力矩在理论力矩方向上的投影系数满足，则判定第个推力器发生卡死关故障；

71、其中，所述投影系数通过下式计算：

72、

73、所述投影系数阈值的取值范围为；

74、所述卡死关故障判断阈值的取值范围为。

75、根据本发明的某些优选方案，所述步骤s6中，若所有方向余弦绝对值均小于预设的陀螺仪故障判断阈值且所有推力器开关指令状态正常，则判断为陀螺仪自身故障。

76、根据本发明的某些优选方案，所述步骤s6中，利用方向余弦匹配进行故障定位时，若所述残差向量在所述推力器安装布局矩阵的列空间内的拟合残差小于预设的列空间一致性阈值，则判定故障来源于推力器系统；若所述拟合残差大于所述列空间一致性阈值，则判定故障来源于陀螺仪系统。

77、根据本发明的某些优选方案，当存在多个推力器同时发生故障时，采用最小二乘法进行多故障定位，具体步骤如下：

78、步骤s61： 根据故障检测结果，构建候选故障推力器集合，所述候选故障推力器集合包括所有在步骤s6中通过方向余弦匹配初步判定为可能存在故障的推力器索引；

79、步骤s62： 从所述推力器安装布局矩阵中提取候选故障推力器对应的列向量，构建故障推力器子矩阵，其中为候选故障推力器的数量；

80、步骤s63： 将残差向量向所述故障推力器子矩阵的列空间投影，通过最小二乘法求解故障推力器的等效故障幅值向量：

81、

82、步骤s64： 根据所述故障幅值向量的各分量的符号和幅值，判断各候选推力器的具体故障类型：

83、若且，则确认推力器发生卡死开故障，故障幅值为；

84、若且，则确认推力器发生卡死关故障，故障幅值为；

85、步骤s65： 计算最小二乘残差，若，其中为最小二乘残差阈值，则判定仍存在未识别故障，返回步骤s61扩大候选故障推力器集合；若，则输出故障定位结果。

86、根据本发明的另一方面，提供了一种基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断装置，该装置包括存储器和处理器；

87、所述存储器用于存储推力器安装布局矩阵、卫星转动惯量矩阵、推力器标称推力值、预设残差阈值、预设卡死开故障判断阈值、预设卡死关故障判断阈值以及计算机程序；

88、所述处理器与所述存储器通信连接，所述处理器被配置为执行所述计算机程序时，实现上面所述的基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断方法。

89、根据本发明的某些优选方案，该装置还包括陀螺仪接口模块；所述陀螺仪接口模块与星载陀螺仪仪通信连接，用于实时接收陀螺仪仪输出的三轴角速度测量数据，并对所述角速度测量数据进行数据校验和格式转换后传输给所述处理器；所述陀螺仪接口模块支持增量式陀螺仪和速率陀螺仪的数据接入，能够将陀螺仪原始输出数据转换为统一格式的三轴角速度向量，并提供时标对齐功能，确保角速度数据与控制周期时序同步。

90、根据本发明的某些优选方案，该装置还包括推力器驱动接口模块；所述推力器驱动接口模块与推力器驱动电路通信连接，用于向推力器发送开关指令并接收推力器的实际开关状态反馈；所述推力器驱动接口模块采集各推力器的当前开关指令状态形成开关指令状态向量并传输给所述处理器，同时采集各推力器的实际开关状态形成实际开关状态向量并传输给所述处理器，同时记录每个推力器的累计喷气次数和累计喷气时长。

91、根据本发明的某些优选方案，该装置还包括故障报警模块；所述故障报警模块与所述处理器通信连接，用于在故障检测和定位完成后生成故障报警信息并下传至地面站。

92、所述故障报警模块包括故障指示向量生成单元，所述故障指示向量生成单元用于生成故障指示向量，其中每个分量表示第个推力器的故障状态：

93、

94、所述故障报警信息包括：故障类型、故障推力器编号、故障幅值估计以及故障发生时刻的时标信息。

95、通过采用本发明的基于陀螺仪信息深度挖掘的星上推力器故障诊断方法及装置，与现有技术相比，具有以下有益效果：

96、第一，实现推力器故障与陀螺仪故障的智能区分。

97、本发明通过将故障诊断的推理逻辑从传统的“正向”模式转变为“双向交叉验证”模式。当推力器发生故障时，实际外力矩与理论控制力矩之间将产生沿该推力器力矩特征矢量方向的残差；当陀螺仪发生故障时，反算得到的实际外力矩存在偏差，但其残差方向无法与任何推力器的力矩匹配。这种基于方向特征的区分机制提高了复杂故障场景下的诊断正确率。

98、第二，提高故障定位精度，实现单个推力器的精确定位。

99、本发明充分利用推力器安装布局矩阵所蕴含的各推力器的特征矢量信息，通过方向余弦匹配算法将故障定位精度提高到单个推力器级别。与传统方法仅能提供“推力器组故障”的粗略判断相比，本发明可明确指出具体是哪个推力器发生了故障，以及该推力器发生的是卡死开、卡死关故障。精确到单个推力器的定位结果为后续的故障隔离、控制重构和任务调整提供了准确的决策依据，有助于最大限度地保留卫星的控制能力和任务执行能力。

100、第三，降低对精确动力学模型参数的依赖，提高在轨适应性。

101、本发明所依赖的核心参数即推力器安装布局矩阵，是由卫星的机械安装几何关系确定的，属于已知的、确定性参数，不随在轨运行条件变化而改变。在从陀螺仪输出反算实际外力矩的过程中，虽然需要使用转动惯量矩阵，但该步骤仅需在反算环节使用，且力矩残差计算中理论控制力矩与实际外力矩的对比机制在一定程度上可以抵消部分系统性的参数偏差。相较于现有观测器方法对动力学模型全参数的高度依赖，本发明对参数不确定性的敏感度更低，在轨适应性更强。