一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法技术

一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，本发明专利技术涉及航天器综合性健康管理方法。本发明专利技术的目的是为了解决(1)现有航天器无法对航天器所有子系统建立精确的数学模型，无法对航天器整体进行健康管理的问题；(2)无法对其进行健康管理的问题；(3)需要对航天器子系统的健康管理模型进行大量修改甚至重新建立的问题；(4)健康管理效率降低的问题；(5)未提出针对航天器在轨飞行任务的健康管理，以评估航天器当前状态对完成飞行任务的影响的问题。步骤一、建立航天器系统有向图模型；步骤二、航天器在轨飞行时，利用上述有向图模型和航天器机载传感器的测量数据进行综合健康管理。本发明专利技术应用于航天器综合性健康管理领域。

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法
本专利技术涉及航天器综合性健康管理方法。
技术介绍
随着航天领域的不断发展，太空技术应用日趋广泛，航天器使人类的活动范围从地球大气层内扩展到无限的宇宙空间，成为人类认识和探索宇宙空间的重要工具。同时，其推动着相关学科的发展，促进新技术的产生与应用，在经济、军事和科技的发展方面都产生了巨大的影响。在航天技术不断取得成就的同时，也面临着很大的难度，因为(1)航天器是一个大型、复杂的系统，无法对航天器所有子系统建立精确的数学模型，无法使用基于解析模型的方法对航天器整体进行健康管理；(2)每个航天器在轨运行的数据都会因为所用元器件的差别和运行环境的不同而产生很大的差别，也就无法在航天器发射之前利用历史数据对其进行健康管理；(3)当航天器子系统更换、添加某一个或几个元器件时，可能需要对航天器子系统的健康管理模型进行大量修改甚至重新建立；(4)已有的健康管理算法具有偏重性，或偏重故障诊断或故障预测或健康评估，若要对航天器进行综合健康管理，则可能要利用多种算法，而算法间的结合效果不好，使得健康管理效率降低；(5)已有的健康管理系统，大多只完成小型系统或分系统级别的健康管理，有少数能针对整个航天器进行健康管理，而未提出针对航天器在轨飞行任务的健康管理，以评估航天器当前状态对完成飞行任务的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决(1)现有航天器无法对航天器所有子系统建立精确的数学模型，无法使用基于解析模型的方法对航天器整体进行健康管理的问题；(2)现有航天器无法在航天器发射之前利用历史数据对其进行健康管理的问题；(3)现有航天器子系统需要对航天器子系统的健康管理模型进行大量修改甚至重新建立的问题；(4)现有方法健康管理效率降低的问题；(5)以及现有健康管理系统未提出针对航天器在轨飞行任务的健康管理，以评估航天器当前状态对完成飞行任务的影响的问题。而提出了一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法。上述的专利技术目的是通过以下技术方案实现的：一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，其特征在于：一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、建立航天器系统有向图模型；1)建立航天器各分系统的符号有向图；2)建立航天器各分系统的故障传播有向图；3)建立整个航天器系统的分层分模块有向图；步骤二、航天器在轨飞行时，利用上述有向图模型和航天器机载传感器的测量数据进行综合健康管理，具体步骤如下：1)当航天器机载传感器的测量数据超出对应节点的正常范围时进行故障报警，并计算故障程度，每个节点的正常范围根据系统精度的要求给出，如控制姿态角的偏差不大于±1°；2)当出现故障报警信号时，利用系统采集的测量数据自主进行故障诊断；3)利用故障诊断所得的故障源信息自主进行故障修复和故障预测，如切换备用元件，并利用故障源信息自主进行故障预测；4)根据故障诊断和故障预测的结果，自主进行健康评估。专利技术效果：采用本专利技术的一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，(1)本专利技术使用的方法为基于定性模型的方法，不需要建立航天器系统的精确数学模型；(2)本专利技术使用的方法不需要航天器系统的历史数据来建立模型，仅需要根据航天器系统中节点间的关系来建立系统模型；(3)本专利技术建立的系统模型为分层分模块有向图模型，对其中的每个模块或模块中的每个阶段都可以单独进行修改或扩展，而不会影响其他的模块或节点；所以当航天器中的某个元器件更换后，对应有向图也仅需要修改该元器件对应的节点或模块，无需对整个有向图进行修改；(4)本专利技术建立的系统模型结合了用于故障诊断的符号有向图，和用于故障预测的故障传递有向图；由于故障传递有向图可以通过符号有向图简化获得，且故障诊断时需要逆向推理，故障预测仅需正向推测，所以分层分模块有向图的存储不需要两倍于符号有向图模型的存储空间，故障诊断所得到的信息会100％被利用到故障预测及健康评估中；每个节点存储的信息中有50％同时用在故障诊断和故障预测中，信息的利用率提高了15％；(5)本专利技术建立的系统模型，能够根据航天器在轨飞行任务的不同，修改飞行任务与航天器各分系统模块之间的影响关系，从而能够根据各分系统的故障诊断、故障预测结果来评估航天器飞行任务的健康程度，即评估航天器当前状态对完成飞行任务的影响。采用本专利技术的一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，如实施例三姿态控制分系统中，陀螺仪发生故障并开启冗余陀螺，系统正常运行一段时间后，陀螺仪再次发生漂移故障并开启第二个冗余设备。两次故障后的健康评估结果进行比较，可见陀螺仪发生第一次故障后，健康评估值为0.89，陀螺仪发生第二次故障后，健康评估值为0.66，其健康评估值明显下降。这是由于设备的冗余有限，故障发生次数越高能够采取的相应补救措施越少，该部件的健康值则越低，与实际情况相符。附图说明图1是具体实施方式一姿态控制系统的系统框图，表示加法器，+表示输入信号，－表示负反馈；图2是具体实施方式一符号有向图，+表示节点间存在正影响，－表示负影响；图3是具体实施方式一故障传播有向图；图4是具体实施方式一整个航天器系统的分层分模块有向图；图5是实施例一的未加入综合健康管理时得到的到的结果图；图6是实施例一的加入综合健康管理系统后得到的结果图；图7是实施例二的未加入综合健康管理时的到的结果图；图8是实施例二的加入综合健康管理系统后得到的结果图。具体实施方式具体实施方式一：一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，其特征在于：一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、建立航天器系统有向图模型：1)建立航天器各分系统的符号有向图；根据分系统中元器件之间的影响关系建立符号有向图；如根据专家经验，由专家给出；或根据各分系统的系统框图和框图与实际元器件的对应关系来建立。符号有向图用节点代表实际系统中的元部件或状态测量值，用有向边表示节点间的逻辑影响关系，用正负符号表示；根据各元器件之间的相互影响关系，建立航天器各分系统的符号有向图，如对姿态控制系统建立符号有向图：姿态控制系统的系统框图如图1所示：其中姿态控制方法采用PD控制，即将航天器的姿态角和姿态角速度作为负反馈信号输入控制器；系统中姿态角和姿态角速度的测量仪器分别为星敏感器和陀螺仪，执行器为飞轮；被控对象为航天器的姿态角速度和姿态角。则将实际使用的元器件带入系统框图中，可获得姿态控制系统的符号有向图如图2所示。其中各节点对应的系统组件为：由于故障只会沿着有向图的方向从子节点向父节点传播，即只会从下向上传播，所以可以对有向图进行分层，最高层节点为第1层节点，其次为第2层以此类推，这样故障只会在同层或向上层节点传播，可以减少故障诊断时的计算量；2)建立航天器各分系统的故障传播有向图；由分系统的符号有向图进行化解得到；故障传播有向图用节点代表实际系统中的元部件，用有向边表示故障在元部件中的传播方向；根据对航天器各分系统的符号有向图，建立航天器各分系统的故障传播有向图；以姿态控制系统为例，其简化步骤如下：a.符号有向图中某些系统组件节点发生故障会影响其父节点输入输出量，但不会讲故障传递到该父节点，此时只需将该类节点的原位置用对应的输出量测量节点代替本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，其特征在于：一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、建立航天器系统有向图模型；1)建立航天器各分系统的符号有向图；2)建立航天器各分系统的故障传播有向图；3)建立整个航天器系统的分层分模块有向图；步骤二、航天器在轨飞行时，利用上述有向图模型和航天器机载传感器的测量数据进行综合健康管理，具体步骤如下：1)当航天器机载传感器的测量数据超出对应节点的正常范围时进行故障报警，并计算故障程度；2)当出现故障报警信号时，利用系统采集的测量数据自主进行故障诊断；3)利用故障诊断所得的故障源信息自主进行故障修复和故障预测；4)根据故障诊断和故障预测的结果，自主进行健康评估。

【技术特征摘要】
1.一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，其特征在于：一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法具体是按照以下步骤进行的：步骤一、建立航天器系统有向图模型；1)建立航天器各分系统的符号有向图；2)建立航天器各分系统的故障传播有向图；3)建立整个航天器系统的分层分模块有向图；步骤二、航天器在轨飞行时，利用上述有向图模型和航天器机载传感器的测量数据进行综合健康管理，具体步骤如下：1)当航天器机载传感器的测量数据超出对应节点的正常范围时进行故障报警，并计算故障程度；2)当出现故障报警信号时，利用系统采集的测量数据自主进行故障诊断；3)利用故障诊断所得的故障源信息自主进行故障修复和故障预测；4)根据故障诊断和故障预测的结果，自主进行健康评估；所述步骤二1)中故障程度的计算公式如下：其中Val表示故障程度，Vi表示节点实时测量值，V0表示标准值，Vm表示正常范围临界值，Vc表示阀值；所述步骤二2)中当出现报警信号时，利用系统采集的测量数据自主进行故障诊断；基于有向图模型的故障诊断算法包括：a.确定推理起始点对于单故障源子系统，选取报警节点中层值最低的节点作为推理起始点；对于多故障源子系统，选取报警节点中层值最高的节点作为推理起始点；多故障同时发生时选取报警节点中层值最低的节点作为推理起始点；b.路径回溯路径回溯需从推理起始点开始进行逆向推理，向同一层或低于该层节点寻找故障源；路径回溯的终点为已知状态的测量节点或最低层的系统组件节点；c.故障源信息诊断故障源的排序有两个考虑因素：定义Pr1为回溯支路不相容概率，当路径回溯不相容时Pr1＝1，当路径回溯的终点是最低层节点时Pr1＝0.8；故障源与故障报警节点间的距离对故障源的影响为最终故障源确定为：式中Pr为最终故障源；Pr1为回溯支路不相容概率最高值；Pr2为故障源与故障报警节点间的距离对故障源的影响；Dis为故障源与回溯路径起点间的距离；当有i条支路包含统一故障源时，该故障源的公式为：式中n为包含该故障源的支路总数；Pri为第i条支路中故障源的概率。2.根据权利要求1所述一种基于改进有向图的航天器综合性健康管理方法，其特征在于：所述步骤二3)中故障预测的方法如下：先利用五步纵深法进行同层故障传播，再向上一层进行一步纵深法故障传播，且在同层传播时不考虑耦合影响，而向上一层传播时考虑耦合影响；五步纵深法具体故障预测步骤如下：a.将故障源节点信息加入到故障传播节点集Prop0中；b.从Prop0中选一个节点为故障传播起始节点，并加入到Prop1和Prop2中；c.同层五步纵深法故障预测：从Prop1中选取一节点作为故障传播起始节点，并对其所有处于同一层的父节点进行五步纵深故障传播预测，即从故障传播起始节点开始，对其五步以内的父节点进行故障预测，利用公式(4)计算子节点对父节点的故障程度预测值；当发现某节点已被预测过，则选择其中故障程度最大值进行保留；将故障预测值大于故障预警...

【专利技术属性】
技术研发人员：伊国兴，南熠，奚伯齐，康志宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23