考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法和系统，该方法包括：建立包含干扰与时间约束的航天器故障模型；对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标；确定航天器故障模型对应的黎卡提微分方程，对黎卡提微分方程进行求解，得到黎卡提微分方程半正定矩阵解的最小值γ

On orbit health assessment method and System Considering Uncertain interference

【技术实现步骤摘要】
考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法和系统
本专利技术属于航空航天
，尤其涉及一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法和系统。
技术介绍
在航天器健康管理中，需要对控制系统的健康状态进行评价，从而为后续决策提供依据。因此，需要健康评估指标能够反映系统的真实状态，并且算法应具备速度快、精度高的特点，以适用在轨健康管理的需求。目前，关于航天器控制系统健康管理的研究还处于起步阶段，现有方法还不是很完善，主要存在以下不足：(1)忽略了系统实际运行过程中的空间干扰作用影响。航天器在实际运行过程中不可避免地会受到各种干扰作用。干扰的存在会加速故障的恶化、引起控制偏差的扩散并造成有限资源的浪费，进而削弱系统的性能和重构能力。因此，要描述一个控制系统的实际健康状态，需要考虑环境干扰等影响因素。(2)未考虑健康评估指标的计算问题。对于卫星等复杂系统而言，由于星载计算机性能有限以及任务的重要性等原因，指标的求解算法必须满足高精度以及高速率等要求，以便能够实现在轨应用。现有的健康评估指标算法严重影响了实用性与适用性，有必要开展适用于在轨健康管理的快速算法的研究。鉴于上述现有健康评估研究的不足，亟需提出一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评价方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法和系统，综合考虑时间约束、任务要求以及故障引起的可靠性下降等因素设计了健康评估指标，并利用精细积分思想对指标进行了高速度、高精度、高稳定度的解算，从而实现了受扰系统健康状态的在轨快速评估。为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，包括：建立包含干扰与时间约束的航天器故障模型；对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标；确定航天器故障模型对应的黎卡提微分方程，对黎卡提微分方程进行求解，得到黎卡提微分方程半正定矩阵解的最小值γ*；将γ*代入所述可重构评价指标，对所述可重构评价指标进行求解，得到航天器在轨健康状态评估结果。本专利技术还公开了一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估系统，包括：模型建立模块，用于建立包含干扰与时间约束的航天器故障模型；解析模块，用于对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标；解算模块，用于确定航天器故障模型对应的黎卡提微分方程，对黎卡提微分方程进行求解，得到黎卡提微分方程半正定矩阵解的最小值γ*；评估模块，用于将γ*代入所述可重构评价指标，对所述可重构评价指标进行求解，得到航天器在轨健康状态评估结果。本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术考虑航天器复杂的运行环境与运行条件，建立了健康状态与系统构型、规定任务时间、故障状态、可靠性以及干扰分布参数之间的数学联系，量化了干扰、故障、构型、可靠性对健康状态的影响，由此实现了航天器这类受扰及时间受限系统的健康状态评估。(2)为了适应于航天器的硬件条件，本专利技术利用精细积分思想给出了一种具有高稳定、高精度以及高速率等优点的健康状态指标求解算法，符合航天器运行环境恶劣、星载计算机性能有限等特殊工作条件对算法提出的要求，可以为故障航天器的后续飞行策略提供快速的决策依据，提高了在轨健康管理的实用性。附图说明图1是本专利技术实施例中一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法的步骤流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术公开的实施方式作进一步详细描述。本专利技术公开了一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，综合考虑时间约束、任务要求以及故障引起的可靠性下降等因素设计了健康评估指标，并利用精细积分思想对指标进行了高速度、高精度、高稳定度的解算，从而实现了受扰系统健康状态的在轨快速评估。如图1，该考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，包括：步骤101，建立包含干扰与时间约束的航天器故障模型。在本实施例中，建立的航天器故障模型具体表达式可以如下：其中，表示航天器的状态向量函数；表示航天器的控制输入向量函数；表示航天器的外部干扰函数；分别表示维数为n、m和md的向量空间；A表示n×n维度的状态矩阵，Bu表示n×m维度的常量矩阵，Bd表示n×md维度的常量矩阵；t表示当前时刻，tf表示故障发生时刻，tmis表示任务完成时刻；xf表示故障发生时刻的状态向量；Λ＝diag{α1,α2,...,αm}，表示执行器的失效因子矩阵，αi表示第i个执行器的失效因子，αi∈[0,1]，i＝1,2,...,m。步骤102，对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标。在本实施例中，可以根据常量矩阵Bu和执行器的失效因子矩阵Λ，确定执行器发生失效故障以后的等效控制矩阵Bf：Bf＝BuΛ。通过分析可知，Bf是一个关于执行器安装参数和失效因子矩阵Λ的矩阵函数，记作矩阵函数最后，根据状态矩阵A、测量矩阵C和矩阵函数确定可重构评价指标。其中，表示执行器的安装参数，ξ和ζ分别为执行器相对于星体本体坐标系X轴和Y轴的安装角。优选的，测量矩阵C的求解公式可以如下：其中，Q表示状态偏差项的权值矩阵，Q＝QT≥0。需要说明的是，空间干扰尽管是时间的未知函数或随机函数，但等效控制矩阵Bf必定是有界的，即在本专利技术的一优选实施例中，故障会导致系统性能的下降，主要表现为两方面：其一为控制精度的下降，其二为系统资源的浪费。因此，本专利技术实施例综合考虑系统的状态偏差和控制能耗，提出如下的积分二次型性能指标函数，用于描述系统的性能下降程度：其中，Q＝QT≥0，R＝RT>0，R表示能耗权值。取则有CTC＝Q,DTD＝R,DTC＝0,CTD＝0在此基础之上，积分二次型性能指标函数可以转换为：y(t)＝Cx(t)+Du(t)基于此，根据状态矩阵A、测量矩阵C和矩阵函数确定可重构评价指标的具体实现流程可以如下：判断在时间[tf,tmis]内，是否可镇定，以及，(A，C)是否可检测；若确定可镇定、且(A，C)可检测、且矩阵函数的边界范围d满足：则确定可重构评价指标ρ：其中，η表示性能下降的容许范围。步骤103，确定航天器故障模型对应的黎卡提微分方程，对黎卡提微分方程进行求解，得到黎卡提微分方程半正定矩阵解的最小值γ*。在本实施例中，采用的航天器故障模型对应的黎卡提(Riccatti)微分方程(可以如下：其中，P表示半正定矩阵解，Pf表示在故障状态下的解、γ表示干扰到输出的传递函数的H∞范数上界，P(tmis)表示任务完成时刻的解。优选的，根据精度要求及执行器可靠性，Q和R的解算流程可以如下：根据航天器在不同方向上的精度要求，确定状态偏差项的权值矩阵Q：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，其特征在于，包括：/n建立包含干扰与时间约束的航天器故障模型；/n对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标；/n确定航天器故障模型对应的黎卡提微分方程，对黎卡提微分方程进行求解，得到黎卡提微分方程半正定矩阵解的最小值γ

【技术特征摘要】
1.一种考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，其特征在于，包括：
建立包含干扰与时间约束的航天器故障模型；
对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标；
确定航天器故障模型对应的黎卡提微分方程，对黎卡提微分方程进行求解，得到黎卡提微分方程半正定矩阵解的最小值γ*；
将γ*代入所述可重构评价指标，对所述可重构评价指标进行求解，得到航天器在轨健康状态评估结果。


2.根据权利要求1所述的考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，其特征在于，所述包含干扰与时间约束的航天器故障模型如下：



其中，表示航天器的状态向量函数；表示航天器的控制输入向量函数；表示航天器的外部干扰函数；分别表示维数为n、m和md的向量空间；A表示n×n维度的状态矩阵，Bu表示n×m维度的常量矩阵，Bd表示n×md维度的常量矩阵；t表示当前时刻，tf表示故障发生时刻，tmis表示任务完成时刻；xf表示故障发生时刻的状态向量；Λ＝diag{α1,α2,...,αm}，表示执行器的失效因子矩阵；其中，αi表示第i个执行器的失效因子，αi∈[0,1]，i＝1,2,...,m。


3.根据权利要求2所述的考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，其特征在于，对所述航天器故障模型进行解析，确定可重构评价指标，包括：
根据常量矩阵Bu和执行器的失效因子矩阵Λ，确定执行器发生失效故障以后的等效控制矩阵Bf：
Bf＝BuΛ
对等效控制矩阵Bf进行解析，得到一个关于和Λ的矩阵函数，记作矩阵函数其中，表示执行器的安装参数，ξ和ζ分别为执行器相对于星体本体坐标系X轴和Y轴的安装角；
根据状态矩阵A、测量矩阵C和矩阵函数确定可重构评价指标。


4.根据权利要求3所述的考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，其特征在于，测量矩阵C的表达式如下：



其中，Q表示状态偏差项的权值矩阵，Q＝QT≥0。


5.根据权利要求4所述的考虑不确定干扰的航天器在轨健康状态评估方法，其特征在于，根据常量矩阵A、测量矩阵C和矩阵函数确定可重构评价指标，包括：
判断在时间[tf,tmis]内，是否可镇定，以及，(A，C)是否可检测；
若确定可镇定、且(A，C)可检测、且矩阵函数的边界范围d满足：则确定可重构评价指标ρ：



其中，η表示性能下降的容许范围。


6.根据权利要求5所述的考虑不确定干扰的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘成瑞，屠园园，刘细军，徐赫屿，高莉，李文博，刘文静，段文杰，
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