微小卫星编队的自主协同容错控制技术研究

Reliability and life issues are two key problems that restrict real engineering application of micro-satellite formation flying. From the perspective of improving the reliability of formation flying, this project focuses on autonomous fault diagnosis and fault tolerant control solution. This research proposes a fusion strategy based on multi-level fault diagnosis with three hierarchical architectures. This multi-level fusion strategy can quickly realize autonomous fault diagnosis of complex distributed systems. Concerning sensor failure problems, attitude and orbit integrated scheme based on six-DOF model is presented to make full use of micro-satellite limited sensors, which can gain high-precision relative position and attitude information synchronously. Suboptimal estimated information can be gained even under fault situation. Based on the cross-coupling effect of attitude and orbit dynamics, a fault tolerant cooperative control strategy combined with system-level trajectory planning is proposed to deal with actuator failure problem. This strategy makes best use of the remaining capacity of actuators that improves control efficiency and fulfills the degraded control requirement of formation flying. Through the researches in this project, we can effectively improve the utilization of system resources, and ultimately achieve reliable autonomous operation of satellites formation with long lifetime, thus promoting the rapid development of the micro-satellite formation technology.

微小卫星编队的可靠性和寿命问题是制约卫星编队工程化应用的关键。本项目从提高微小卫星编队可靠性的角度出发，重点研究具备自主故障诊断与容错控制的卫星编队控制方案。研究提出了基于三层递阶架构下的多层故障自主诊断融合策略，实现复杂分布式系统的在线快速自主故障诊断定位；针对敏感器故障问题，充分利用微小卫星有限敏感器资源，设计了基于六自由度姿轨模型的相对导航定姿一体化方案，同步获取较高精度的相对位置和姿态信息，在部分敏感器故障情况下，也可获取次优的估计信息；针对执行机构故障问题，提出了与系统级轨迹规划相结合的姿轨协同容错控制方案，最大限度的利用剩余执行机构能力，提高控制效率，完成编队任务的降级控制要求。通过项目研究，可有效提高系统资源利用率，最终实现编队卫星的长时间可靠的自主运行，从而推动微小卫星编队技术的快速发展。

微小卫星编队自主故障诊断与容错控制技术成为提高编队系统可靠性、延长系统寿命的最具挑战性的核心技术。本项目针对微小卫星编队控制系统的自主故障诊断和容错控制技术开展深入研究，研究以编队分级递阶控制构架为基础，提出了基于小波分析结合模糊逻辑的器件层故障检测算法、基于卡尔曼滤波算法和观测器的单星层故障检测算法和采用模糊逻辑描述的编队层故障检测算法，利用多层自主故障诊断融合算法提高故障诊断效率和准确度，实现复杂分布式系统的在线快速自主故障诊断与定位；在考虑微小卫星平台自身资源的约束下，以姿轨一体化动力学模型为基础，充分利用姿轨耦合信息，设计导航定姿一体化算法，设计了基于磁强计+太敏组合的导航滤波器和姿态滤波器以及于磁强计+陀螺的一体化滤波器，有效融合了各敏感器数据，完成较高精度的相对轨道与姿态估计，提高系统资源利用率；融合有限姿轨敏感器和执行机构，设计了基于执行机构复用的姿态容错控制算法和基于执行机构复用的编队容错控制算法，在六自由度姿轨耦合动力学模型基础上，设计了基于观测器的六自由度姿轨容错控制算法，以软件冗余方式提高系统可靠性及鲁棒性，保证编队卫星的长时间可靠自主运行。仿真实验结果表明，分层自主故障诊断技术可有效检测卫星部件故障，导航定姿一体化算法在不添加额外敏感部件的条件下完成导航与定姿，容错控制算法在编队系统姿态控制部件和轨道控制部件故障情况下，可确保编队任务的顺利完成。该项目的研究可有效提高编队控制系统的可靠性和寿命，提高系统资源利用率，推动微小卫星编队技术的快速发展。