带有非线性闭环特性的航天器控制系统地面协同诊断研究

Due to the severe reality of the frequent failure in spacecraft control system and the development of the new generation of spacecraft equipment, high requirement is put forward to fault diagnosis. Therefore, to increase the fault-recovering ability, and on the basis of the present situation analysis about the on-board and ground integrated fault diagnosis, the ground-based cooperative diagnosis is investigated from three aspects aiming at the spacecraft control system with nonlinear closed-loop characteristic: the fault diagnosability evaluation method of the nonlinear closed-loop system is developed, and the obtained results can be used to reduce the fault candidate set to avoid false alarm; the novel fault recognition method is investigated to solve the problem that the FMEA is not comprehensive in design stage; the active fault diagnosis method of the nonlinear closed-loop system is proposed, thereby the fault isolation accuracy will be improved by the enhanced fault symptom induced by the system input design. Finally, considering the real spacecraft control system, the effectiveness of the propose methods is validated through the fault diagnosis and fault tolerant control semi-physical experimental system. This project can drive the development of the on-board and ground integration and also provide the theoretical basis for fault diagnosis of the future constellation and satellite formation flying.

当前航天器控制系统故障频发的严峻现实和新一代航天装备的发展都对故障诊断提出了迫切需求。为了提高航天器控制系统在轨故障应对能力，本项目在分析目前天地结合故障诊断现状并给出地面故障诊断存在不足的基础上，针对带有非线性闭环特性的航天器控制系统，拟从三个方面入手开展地面协同诊断研究：其一，研究非线性闭环系统的可诊断性评估方法，用于协助自主诊断单元缩小故障候选集，降低误报率；其二，提出非预期故障识别方法，弥补设计阶段故障模式分析不全面的缺点；其三，研究非线性闭环系统的主动故障诊断方法，通过设计系统输入和故障诊断方法来增强故障征兆表现，提高故障诊断精度。最后，结合具体型号卫星控制系统，利用故障诊断与容错控制半实物仿真实验系统对提出的方法进行仿真验证。通过本项目的研究，可望推动航天器天-地一体化故障诊断系统的发展，并对后续星座/星群以及卫星编队飞行故障诊断起到重要的指导作用。

目前我国航天器在轨数量剧增，新一代航天器系统越来越复杂、造价越来越昂贵，确保航天器安全可靠稳定运行已成为建设航天强国的根本需要。诊断重构技术能够实现对故障的及时检测定位和有效处理，是确保航天器安全可靠稳定运行的有效途径。航天器控制系统故障诊断由星上自主诊断和地面诊断两部分完成，充分发挥地面诊断对星上自主诊断的辅助功能，构建航天器天地一体化故障诊断系统是未来发展的必然趋势，因此本项目从非线性闭环系统故障可诊断性评估、非预期故障识别和主动故障诊断三个方面开展深入研究，增强地面诊断对自主诊断的辅助功能。在非线性闭环系统故障可诊断性评估方面，明确了可诊断性内涵，综合分析了影响因素，构建了可诊断性指标体系，提出了基于图论和距离与方向相似度的非线性闭环系统可诊断性评价方法，研究了可诊断性优化设计方法。在非预期故障识别方面，构建具有自学习能力的非预期故障检测与识别方法，分别提出了基于贝叶斯网络和加权D-S证据理论的非预期故障诊断结果融合方法。在主动故障诊断诊断方面，提出了基于输出影响的主动故障检测方法和基于距离计算的主动故障分离方法。本项目的研究能够有效推动航天器天-地一体化健康管理系统的发展，并对后续星座/星群故障诊断起到重要的指导作用。.本项目实施过程中，出版专著1部，批复国军标2项（完成终评，待发布），发表论文42篇，其中EI及以上检索35篇，授权及受理专利10项，培养研究生4名，获国防技术发明一等奖1项、中国航天科技集团技术发明一等奖1项、中国航天科技集团公司优秀毕业硕士生奖1项。