一种航天器姿控喷管故障数据生成系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，包括故障模拟模块、姿态控制器模块、姿态动力学模块；故障模拟模块，用于模拟航天器姿控喷管故障时，航天器在姿态控制器控制下获得的等效力矩，根据输入的故障类型代码模拟姿控喷管故障时航天器获得的控制力矩；姿态控制器模块作为故障模拟模块的输入信号来源，此模块提供正常情况下航天器姿态控制器输出信息，同时输出航天器的姿态角误差信息；姿态动力学模型，输入为故障模拟模块的等效力矩输出，输出为航天器在姿控喷管故障时的姿态角信息。作为姿态控制器模块的姿态角反馈信息。

A Spacecraft Attitude Control Nozzle Fault Data Generation System and Method

【技术实现步骤摘要】
一种航天器姿控喷管故障数据生成系统及方法
本专利技术涉及一种航天器故障数据生成系统及方法，特别是涉及基于卷积神经网络的航天器姿控喷管故障诊断的故障数据生成系统。
技术介绍
近年来，随着航天器技术的发展，航天器作为光机电一体化仪器的设备，由于其规模大、复杂度高、航天器的资源和人工干预能力有限，且太空环境日趋恶劣并存在着大量的不确定性因素等，这些都对航天器的故障诊断技术提出了挑战难以进行有效维护，经常会出现系统异常运行甚至出现故障的情况。因此，航天器故障诊断技术对提高航天器的可靠性、安全性和有效性具有十分重要的作用，已经成为航天领域主要研究方向。根据系统采用的特征描述和决策方法的差异，形成了不同的故障诊断方法。应用于航天器故障诊断的方法有很多种，其中应用较多的有：基于模型的方法、基于信号处理的方法和基于人工智能的方法。近些年基于人工智能的故障诊断方法是故障诊断领域的发展的重点，是现阶段应用最广泛，研究的最多的方向。它不需要精确的模型，适用于不确定性的问题。人工智能带来方便的同时也存在一些问题，神经网络的训练需要大量数据为基础，针对不同结构、不同功能的神经网络，所需要的数据类型也大不相同；有的是基于数据形式的，有的则是基于图像形式的。不同于普通的神经网络分类器，卷积神经网络可以将图像识别问题转化为一个神经网络图像分类问题，而卷积神经网络在图像分类领域有着优异的表现。因此航天器姿控喷管故障诊断问题也转化为一个神经网络图像分类问题，这就需要大量满足卷积神经网络训练的数据。需要带有故障标签的数据集，用来对神经网络的训练及性能评估。为了解决上述问题本专利技术提出的航天器故障数据生成系统，则是针对训练、性能评估数据为图像形式的卷积神经网络。通过对航天器姿控喷管故障的模拟，输出在当前故障状态下航天器的姿态角误差变化曲线图和姿态控制器输出变化曲线图。同时根据输入不同的故障类型代码，就可以产生不同状态下的航天器数据，并且本专利技术可以自动的将产生的数据进行分类和标签处理，最终将处理好的数据从新保存为适用于卷积神经网络的数据形式。
技术实现思路
本专利技术的技术决问题：克服现有技术的不足，提供一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，生成不同故障类型下航天器的姿态角误差变化曲线图和姿态控制器输出变化曲线图，并且将其预处理为适合于卷积神经网络应用的数据格式，最终生成的数据会自动分类和标记，可以直接应用于卷积神经网络的训练和测试，而且数据具有较高的真实性。本专利技术操作简单，可以同时生成大量高质量的数据，并且方便部署实施。本专利技术技术解决方案：一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，包括：故障模拟模块、姿态控制器模块、姿态动力学模块和数据采集模块；故障模拟模块，根据输入的不同故障类型，模拟对应的姿控喷管故障类型，将姿态控制器模块的输出力矩强制转换为对应故障状态下的等效力矩，得到的等效力矩为模拟姿控喷管故障时航天器受到的实际控制力矩，并且根据需求调整故障作用时间，此等效力矩作为姿态动力学模块的输入信号；姿态控制器模块，模拟航天器的姿态控制器输出，为故障模拟模块提供输入信号；根据输入的姿态角期望值和姿态动力学模块反馈的航天器姿态角信息，基于两个姿态角的误差，输出模拟姿态控制器在姿控喷管正常工作情况下的输出力矩，此输出力矩为航天器在姿控喷管正常工作时受到的控制力矩，作为故障模拟模块提供输入信号；姿态动力学模块，根据输入的等效力矩，模拟航天器的飞行状态，输出航天器在线性化姿态动力学方程和全量耦合姿态动力学方程下的姿态角信息，得到的姿态角信息反馈给姿态控制器模块，作为姿态控制器模块的姿态角反馈输入；由于输入信号为故障模拟模块输出的等效力矩，此时得到的航天器姿态角信息为姿控喷管故障情况下的姿态信息，此模块在线性化姿态动力学方程和全量耦合姿态动力学方程之间自由切换。数据采集模块；所述数据采集模块，基于matlab仿真软件，将所述姿态控制器模块产生的姿态角误差信息和姿态控制器输出信息进行等时间间隔采样，得到姿态角误差信息和姿态控制器输出信息变化曲线，然后将采样得到的曲线的数据进行预处理，分类标记后保存为用于卷积神经网络训练的数据。所述故障模拟模块中，不同故障类型分别为13种故障类型；同时采用故障类型代码表示，总共有13种故障类型代码；只需要在故障模拟模块输入对应数字即可；所述13种故障类型分别为：(1)正喷姿控喷管的两个姿控喷管常开故障；(2)负喷姿控喷管的两个姿控喷管常开故障；(3)正喷姿控喷管的两个姿控喷管常闭故障；(4)负喷姿控喷管的两个姿控喷管常闭故障；(5)正喷姿控喷管的一个姿控喷管常开故障；(6)负喷姿控喷管的一个姿控喷管常开故障；(7)正喷姿控喷管的一个姿控喷管常闭故障；(8)负喷姿控喷管的一个姿控喷管常闭故障；(9)正喷姿控喷管的另一个姿控喷管常开故障；(10)负喷姿控喷管的另一个姿控喷管常开故障；(11)正喷姿控喷管的另一个姿控喷管常闭故障；(12)负喷姿控喷管的另一个姿控喷管常闭故障；(13)无故障。当输入故障代码为1，当需要模拟航天器P1、P2两个正喷姿控喷管常开故障时，在故障模拟模块的故障代码输入端输入代码1，故障模拟模块就能产生两个正喷姿控喷管常开时航天器受到的实际控制力矩；当输入故障代码2时，故障模拟模块模拟故障类型N1、N2姿控喷管常开故障，即负喷姿控喷管的两个姿控喷管常开故障，输出两个负喷姿控喷管常开时航天器受到的实际控制力矩；当输入故障代码3时，故障模拟模块模拟故障类型P1、P2姿控喷管常闭故障(正喷姿控喷管的两个姿控喷管常闭故障)，输出两个正喷姿控喷管常闭时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码4时，故障模拟模块模拟故障类型N1、N2姿控喷管常闭故障(负喷姿控喷管的两个姿控喷管常闭故障)，输出两个负喷姿控喷管常闭时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码5时，故障模拟模块模拟故障类型P1姿控喷管常开故障(正喷姿控喷管的一个姿控喷管常开故障)，输出一个正喷姿控喷管常开时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码6时，故障模拟模块模拟故障类型N1姿控喷管常开故障(负喷姿控喷管的一个姿控喷管常开故障)，输出一个负喷姿控喷管常开时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码7时，故障模拟模块模拟故障类型P1姿控喷管常闭故障(正喷姿控喷管的一个姿控喷管常闭故障)，输出一个正喷姿控喷管常闭时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码8时，故障模拟模块模拟故障类型N1姿控喷管常闭故障(负喷姿控喷管的一个姿控喷管常闭故障)，输出一个负喷姿控喷管常闭时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码9时，故障模拟模块模拟故障类型P2姿控喷管常开故障(正喷姿控喷管的另一个姿控喷管常开故障)，输出另一个正喷姿控喷管常开时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码10时，故障模拟模块模拟故障类型N2姿控喷管常开故障(负喷姿控喷管的另一个姿控喷管常开故障)，输出另一个负喷姿控喷管常开时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码11时，故障模拟模块模拟故障类型P2姿控喷管常闭故障(正喷姿控喷管的另一个姿控喷管常闭故障)，输出另一个正喷姿控喷管常闭时航天器受到的实际控制力矩。当输入故障代码12时，故障模拟模块模拟故障类型N2姿控喷管常闭故障(负喷姿控喷管的另一个姿控喷管常闭故障本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，其特征在于，包括：故障模拟模块、姿态控制器模块和姿态动力学模块；故障模拟模块，根据输入的不同故障类型，模拟对应的姿控喷管故障类型，将姿态控制器模块的输出力矩强制转换为对应故障状态下的等效力矩，得到的等效力矩为模拟姿控喷管故障时航天器受到的实际控制力矩，并且根据需求调整故障作用时间，此等效力矩作为姿态动力学模块的输入信号；姿态控制器模块，模拟航天器的姿态控制器输出，为故障模拟模块提供输入信号；根据输入的姿态角期望值和姿态动力学模块反馈的航天器姿态角信息，基于两个姿态角的误差，输出模拟姿态控制器在姿控喷管正常工作情况下的输出力矩，此输出力矩为航天器在姿控喷管正常工作时受到的控制力矩，作为故障模拟模块提供输入信号；姿态动力学模块，根据输入的等效力矩，模拟航天器的飞行状态，输出航天器在线性化姿态动力学方程和全量耦合姿态动力学方程下的姿态角信息，得到的姿态角信息反馈给姿态控制器模块，作为姿态控制器模块的姿态角反馈输入；由于输入信号为故障模拟模块输出的等效力矩，此时得到的航天器姿态角信息为姿控喷管故障情况下的姿态信息，此模块在线性化姿态动力学方程和全量耦合姿态动力学方程之间自由切换。...

【技术特征摘要】
1.一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，其特征在于，包括：故障模拟模块、姿态控制器模块和姿态动力学模块；故障模拟模块，根据输入的不同故障类型，模拟对应的姿控喷管故障类型，将姿态控制器模块的输出力矩强制转换为对应故障状态下的等效力矩，得到的等效力矩为模拟姿控喷管故障时航天器受到的实际控制力矩，并且根据需求调整故障作用时间，此等效力矩作为姿态动力学模块的输入信号；姿态控制器模块，模拟航天器的姿态控制器输出，为故障模拟模块提供输入信号；根据输入的姿态角期望值和姿态动力学模块反馈的航天器姿态角信息，基于两个姿态角的误差，输出模拟姿态控制器在姿控喷管正常工作情况下的输出力矩，此输出力矩为航天器在姿控喷管正常工作时受到的控制力矩，作为故障模拟模块提供输入信号；姿态动力学模块，根据输入的等效力矩，模拟航天器的飞行状态，输出航天器在线性化姿态动力学方程和全量耦合姿态动力学方程下的姿态角信息，得到的姿态角信息反馈给姿态控制器模块，作为姿态控制器模块的姿态角反馈输入；由于输入信号为故障模拟模块输出的等效力矩，此时得到的航天器姿态角信息为姿控喷管故障情况下的姿态信息，此模块在线性化姿态动力学方程和全量耦合姿态动力学方程之间自由切换。2.根据权利要求1所述的一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，其特征在于：还包括数据采集模块；所述数据采集模块，基于matlab仿真软件，将所述姿态控制器模块产生的姿态角误差信息和姿态控制器输出信息进行等时间间隔采样，得到姿态角误差信息和姿态控制器输出信息变化曲线，然后将采样得到的曲线的数据进行预处理，分类标记后保存为用于卷积神经网络训练的数据。3.根据权利要求1或2所述的一种航天器姿控喷管故障数据生成系统，其特征在于：所述故障模拟模块中，不同故障类型分别为13种故障类型；同时采用故障类型代码表示，总共有13种故障类型代码；只需要在故障模拟模块输入对应数字即可；所述13种故障类型分别为：(1)正喷姿控喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹璐，全凯，冉德超，郭鹏宇，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11