基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法技术方案

本发明专利技术基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化配置方法，步骤如下：构建卫星控制系统偶邻近矩阵；初始化粒子群参数；生成卫星控制系统各部件选择向量；计算并判断卫星控制系统各部件成本和测量约束是否满足要求；计算测量精度与可诊断性度量指标以及粒子综合设计指标；判断综合设计指标是否大于当前粒子记录的最优综合设计指标，若大于则更新粒子最优记录；判断粒子综合设计指标是否大于粒子群记录的最优综合设计指标，若大于则更新粒子群的最优记录；判断粒子群的最优综合设计指标，是否满足规定要求；更新粒子群参数；本发明专利技术通过分析各部件输出之间的冗余关系而给出满足可诊断性要求的部件最优配置，填补了国内外在该技术领域的空白。

【技术实现步骤摘要】
基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法
本专利技术涉及一种基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，属于卫星总体设计

技术介绍
目前，卫星控制系统各部件配置更多地考虑系统的功能与性能，并针对基本确定的配置方案进行故障诊断方法设计，由于提供给故障诊断的信息数量与质量是不变的，因此采用这种方式实现的卫星控制系统故障诊断能力非常有限。另外，即使部分卫星型号在设计阶段也考虑了故障诊断的需求，但只是凭经验，通过逐个分析故障来细枝末节地修改基本确定的部件构型，尚未从全局出发通过分析各部件输出之间的冗余关系而给出满足可诊断性要求的部件最优配置。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：针对现有技术的不足，克服现有技术的不足，提供一种基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，通过考虑卫星控制系统的测量精度、故障诊断性能以及成本等指标，给出各部件的优化配置结果，保证了卫星控制系统综合性能最优。本专利技术的技术解决方案是：基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，包括步骤如下：(1)构建卫星控制系统偶邻近矩阵；(2)初始化粒子群参数，所述粒子群参数包括粒子个数、粒子的位置与速度、粒子和粒子群的最优综合设计指标；(3)根据粒子位置生成卫星控制系统各部件选择向量；(4)根据步骤(3)获得的部件选择向量，计算并判断卫星控制系统各部件成本是否小于规定的成本以及测量约束是否满足要求，若小于且满足测量约束要求则进入步骤(5)，否则进入步骤(8)；所述测量约束为卫星控制系统各部件能够满足正常的测量要求；(5)根据步骤(3)获得的部件选择向量和步骤(1)获得的偶邻近矩阵，计算测量精度与可诊断性度量指标，并获得粒子综合设计指标；(6)判断步骤(5)得到的粒子综合设计指标是否大于当前粒子记录的最优综合设计指标，若大于，则利用该综合设计指标及其对应部件选择向量更新当前粒子的最优记录，所述的粒子最优记录包括最优综合设计指示及其对应的部件选择向量，否则进入步骤(8)；(7)判断步骤(5)得到的粒子综合设计指标是否大于粒子群记录的最优综合设计指标，若大于，则利用该综合设计指标及其对应部件选择向量更新粒子群的最优记录，所述的粒子群最优记录包括最优综合设计指示及其对应的部件选择向量，否则进入步骤(8)；(8)若粒子群的所有粒子都已执行步骤(3)-(7)(若粒子由于不满足步骤(4)的条件而未执行步骤(5)-(7)，也认为该粒子已执行步骤(3)-(7))，则判断粒子群的最优综合设计指标是否满足规定要求，若满足进入步骤(10)，若不满足则进入步骤(9)；如果粒子群中仍存在粒子没有执行步骤(3)-(7)，则从中挑选一个粒子执行步骤(3)-(7)；(9)更新粒子群参数，重复步骤(3)-(8)；(10)结束。步骤(1)中偶邻近矩阵构建的具体方式如下：(1a)根据敏感器测量模型、执行机构模型、卫星运动学和动力学方程，建立如下模型：其中，Ci为等式编号，i＝1,2,…,ns+na+6，ns表示敏感器个数，na表示执行机构个数，m为部件总数m＝ns+na，表示敏感器的测量模型，表示执行机构模型，表示卫星运动学和动力学方程，Gi为函数表达式(例如，对于不同的敏感器模型，函数表达式有所不同，但为本领域公知)；Kμ为各敏感器输出，μ＝1,2,…,ns，xτ为各模型的未知变量，τ＝1,2,…,na+6，fε为各部件的故障函数，ε＝1,2,…,m；(1b)以步骤(1a)模型中的等式为行，以未知变量为列，构建偶邻近矩阵H′(i,j)，若未知变量xj存在于等式Ci中，则称未知变量xj与等式Ci之间存在边S(Ci,xj)，并置元素H′(i,j)为1，否则为0，其中j＝1,...,na+6。步骤(2)粒子群参数初始化包括：(2a)粒子个数初始化基本原则为：粒子越多搜索空间越大，寻优过程越短，可根据实际需求进行具体设置；(2b)粒子的位置与速度：设置为0到1的随机数，维数为m；(2c)粒子和粒子群的最优综合设计指标：初始值设置为0。步骤(3)中根据粒子位置生成的部件选择向量Ld为：Ld＝[Ld,1,Ld,2,...,Ld,z,...,Ld,m]T其中，Ld,z表示部件选择向量Ld的第z维数据，z＝1,...,m，d＝1,...,Nparticle，Nparticle为粒子个数，vd,z表示粒子d速度的第z维数据，rand()表示随机产生的数。步骤(4)的部件成本和测量约束为：(4a)根据下式计算部件成本Cd,component：Cd,component＝CLd其中，Cd,component表示粒子d相关部件选择向量对应的部件成本；C＝[R1,...,Rm]，[R1,...,Rm]为各部件的成本；(4b)所述测量约束条件为：Πd,e≠0(e＝1,2,…6)；其中，Πd,e(b)表示矩阵Πd,e的第b行，Φe为a行m列的姿态确定方案矩阵，其中a表示实现X轴、Y轴或Z轴角度或角速度确定方案的个数，Φe的矩阵元素为0或1，e＝1,2,…6分别对应X轴角度确定方案、Y轴角度确定方案、Z轴角度确定方案、X轴角速度确定方案、Y轴角速度确定方案、Z轴角速度确定方案，b＝1,2,…a。步骤(5)中计算测量精度与可诊断性相关指标，并获得综合设计指标的具体方式如下：(5a)根据下式计算测量精度：其中：Pd,e＝[Q1,...,Qa]，[Q1,...,Qa]表示姿态确定方案的测量精度，描述了各种测量方案对应的准确性，可以根据专家经验或数学仿真获得，[Q1,...,Qa]∈(0,1)；(5b)计算可诊断性度量指标；所述的可诊断性度量指标包括可检测率和可分离率；(5b1)构建解析冗余关系；(5b1a)依据部件选择向量Ld，对偶邻近矩阵H′进行修改得到H：若部件选择向量中Ld,z＝0，则把偶邻近矩阵H′的第z行删除；(5b1b)利用DM分解技术获得偶邻近矩阵H的最大匹配集；最大匹配集为未知变量与等式Ci边的集合；设M是图Ξ中边集的子集，如果M中任何两边都不具有相同顶点，则称M是Ξ的一个匹配；若在图Ξ中不存在另一个匹配N，使N中边的个数大于M中边的个数，则称M为最大匹配集。(5b1c)添加1列元素到偶邻近矩阵H中，判断边S(Ci,xj)是否属于最大匹配集，若属于则该边对应的元素H(i,j)由1变为-1，同时置元素H(i,na+7)为1，否则将H(i,na+7)置为0；(5b1d)对于矩阵H的第i行，若未知变量xj对应元素H(i,j)为-1，并且除步骤(5b1c)添加的1列以外的其它元素均为0，则xj的表达式可根据对应的等式Ci以及步骤(1)中的数学模型获得xj的表达式包含了已知量和故障，表示函数表达式Gi的反变换；对于矩阵H的第i行，若未知变量xj对应元素H(i,j)为-1，同时存在H(i,w)＝1，并且xw的表达式已通过第q行等式Cq获得则将xw的表达式代入等式Ci中得到xj表达式为其中w＝1,2,...,na+6,且w≠j，q＝1,2,…,ns+na+6且q≠i，重复上述操作，直到所有未知变量获得表达式；(5b1e)矩阵H第i行最后一列元素为0，并且该行非零元素对应未知变量都已获得表达式，则将相应表达式代入该行对应的等式中(该行对应等式可根据步骤(1)的数学模型获得)，得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，其特征在于步骤如下：(1)构建卫星控制系统偶邻近矩阵；(2)初始化粒子群参数，所述粒子群参数包括粒子个数、粒子的位置与速度、粒子和粒子群的最优综合设计指标；(3)根据粒子位置生成卫星控制系统各部件选择向量；(4)根据步骤(3)获得的部件选择向量，计算并判断卫星控制系统各部件成本是否小于规定的成本以及测量约束是否满足要求，若小于且满足测量约束要求则进入步骤(5)，否则进入步骤(8)；所述测量约束为卫星控制系统各部件能够满足正常的测量要求；(5)根据步骤(3)获得的部件选择向量和步骤(1)获得的偶邻近矩阵，计算测量精度与可诊断性度量指标，并获得粒子综合设计指标；(6)判断步骤(5)得到的粒子综合设计指标是否大于当前粒子记录的最优综合设计指标，若大于，则利用该综合设计指标及其对应部件选择向量更新当前粒子的最优记录，所述的粒子最优记录包括最优综合设计指示及其对应的部件选择向量，否则进入步骤(8)；(7)判断步骤(5)得到的粒子综合设计指标是否大于粒子群记录的最优综合设计指标，若大于，则利用该综合设计指标及其对应部件选择向量更新粒子群的最优记录，所述的粒子群最优记录包括最优综合设计指示及其对应的部件选择向量，否则进入步骤(8)；(8)若粒子群的所有粒子都已执行步骤(3)‑(7)(若粒子由于不满足步骤(4)的条件而未执行步骤(5)‑(7)，也认为该粒子已执行步骤(3)‑(7))，则判断粒子群的最优综合设计指标是否满足规定要求，若满足进入步骤(10)，若不满足则进入步骤(9)；如果粒子群中仍存在粒子没有执行步骤(3)‑(7)，则从中挑选一个粒子执行步骤(3)‑(7)；(9)更新粒子群参数，重复步骤(3)‑(8)；(10)结束。...

【技术特征摘要】
1.基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，其特征在于步骤如下：(1)构建卫星控制系统偶邻近矩阵；(2)初始化粒子群参数，所述粒子群参数包括粒子个数、粒子的位置与速度、粒子和粒子群的最优综合设计指标；(3)根据粒子速度生成卫星控制系统各部件选择向量；(4)根据步骤(3)获得的部件选择向量，计算并判断卫星控制系统各部件成本是否小于规定的成本以及测量约束是否满足要求，若小于且满足测量约束要求则进入步骤(5)，否则进入步骤(8)；所述测量约束为卫星控制系统各部件能够满足正常的测量要求；(5)根据步骤(3)获得的部件选择向量和步骤(1)获得的偶邻近矩阵，计算测量精度与可诊断性度量指标，并获得粒子综合设计指标；(6)判断步骤(5)得到的粒子综合设计指标是否大于当前粒子记录的最优综合设计指标，若大于，则利用该综合设计指标及其对应部件选择向量更新当前粒子的最优记录，所述的粒子最优记录包括最优综合设计指标及其对应的部件选择向量，否则进入步骤(8)；(7)判断步骤(5)得到的粒子综合设计指标是否大于粒子群记录的最优综合设计指标，若大于，则利用该综合设计指标及其对应部件选择向量更新粒子群的最优记录，所述的粒子群最优记录包括最优综合设计指标及其对应的部件选择向量，否则进入步骤(8)；(8)若粒子群的所有粒子都已执行步骤(3)-(7)，则判断粒子群的最优综合设计指标是否满足规定要求，若满足进入步骤(10)，若不满足则进入步骤(9)；如果粒子群中仍存在粒子没有执行步骤(3)-(7)，则从中挑选一个粒子执行步骤(3)-(7)；其中，当粒子由于不满足步骤(4)的条件而未执行步骤(5)-(7)时，可认为该粒子已执行步骤(3)-(7)；(9)更新粒子群参数，重复步骤(3)-(8)；(10)结束。2.如权利要求1所述的基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(1)中偶邻近矩阵构建的具体方式如下：(1a)根据敏感器测量模型、执行机构模型、卫星运动学和动力学方程，建立如下模型：其中，Ci为等式编号，i＝1,2,…,ns+na+6，ns表示敏感器个数，na表示执行机构个数，m为部件总数m＝ns+na，表示敏感器的测量模型，表示执行机构模型，表示卫星运动学和动力学方程，Gi为函数表达式；Kμ为各敏感器输出，μ＝1,2,…,ns，xτ为各模型的未知变量，τ＝1,2,…,na+6，fε为各部件的故障函数，ε＝1,2,…,m；(1b)以步骤(1a)模型中的等式为行，以未知变量为列，构建偶邻近矩阵H′(i,j)，若未知变量xj存在于等式Ci中，则称未知变量xj与等式Ci之间存在边S(Ci,xj)，并置H′(i,j)为1，否则为0，其中j＝1,...,na+6。3.如权利要求1所述的基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(2)粒子群参数初始化包括：(2a)粒子个数初始化基本原则为：粒子越多搜索空间越大，寻优过程越短，可根据实际需求进行具体设置；(2b)粒子的位置与速度：设置为0到1的随机数，维数为m；(2c)粒子和粒子群的最优综合设计指标：初始值设置为0。4.如权利要求3所述的基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(3)中根据粒子速度生成的部件选择向量Ld为：Ld＝[Ld,1,Ld,2,...,Ld,z,...,Ld,m]T其中，Ld,z表示部件选择向量Ld的第z维数据，z＝1,...,m，d＝1,...,Nparticle，Nparticle为粒子个数，vd,z表示粒子d速度的第z维数据，rand()表示随机产生的数。5.如权利要求4所述的基于故障可诊断性约束的卫星控制系统多目标优化方法，其特征在于：所述步骤(4)的部件成本和测量约束为：(4a)根据下式计算部件成本Cd,component：Cd,component＝CLd其中，Cd,component表示粒子d相关部件选择向量对应的部件成本；C＝[R1,...,Rm]，[R1,...,Rm]为各部件的成本；(4b)所述测量约束为：Πd,e≠0(e＝1,2,…6)；其中，Πd,e(b)表示矩阵Πd,e的第b行，Φe为a行m列的姿态确定方案矩阵，其中a表示实现X轴、Y轴或Z轴角度或角速度确定方案的个数，Φe的矩阵元素为0或1，e＝1,2,…6分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大轶，刘文静，邢琰，何英姿，刘成瑞，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11