一种卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法，属于检测技术领域，包括以下步骤：建立卫星姿态控制系统的故障模型；引入事件触发机制；采用STF方法设计事件触发故障检测滤波器；通过对故障检测滤波器进行线性化处理得到估计误差动态方程及残差信号，实现残差信号与事件触发误差完全解耦；将残差产生器的设计问题转化为求解故障检测滤波器增益矩阵；计算残差评价函数并与阈值进行比较，判断是否发生故障。本发明专利技术利用STF方法设计故障检测滤波器，能够使得系统在达到稳定状态时保持对突变状态的跟踪能力；采用了全新的事件触发框架，实现了残差信号与事件触发误差完全解耦，在保证系统性能的前提下有效地提高了资源利用率。源利用率。源利用率。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法


[0001]本专利技术属于检测
，具体涉及一种卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法。

技术介绍

[0002]随着人类对太空资源的进一步开发利用，适应于长期大规模空间作业的卫星系统在军事和民用领域得到快速发展。由于卫星自身结构复杂，活动部件多，且工作环境恶劣，并要求长期在轨运行，难免会发生各种故障。作为卫星系统最关键的子系统之一，卫星姿态控制系统的健康是保证空间任务顺利完成的前提，而传感器故障对于卫星姿态控制系统的影响最为明显。因此，及时、准确地检测系统中所发生的传感器故障具有重要的现实意义。基于解析模型的故障检测方法是发展最早，研究最为广泛的一种方法。根据残差产生方式的不同，其可以分为基于观测器的方法、等价空间方法和参数估计方法。其中，基于观测器的故障检测方法通过建立描述系统的状态空间方程和量测方程，构造滤波器/状态观测器对系统可测变量进行估计或重构，同时与系统实际输出做差获取输出估计误差，进一步构造残差。基于观测器的故障检测方法实现简单，主要涉及残差产生和残差评价，已被广泛应用。
[0003]2016年IET Electric Power Applicattions期刊，E.Farjah等人的论文“Extended Kalman filter based method for inter
‑
turn fault detection of the switched reluctance motors”针对开关磁阻电机绕组匝间短路故障，提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的故障检测方法。但是，扩展卡尔曼滤波器方法关于模型不确定性的鲁棒性较差，并且在系统达到稳定状态时将会丧失对突变状态的跟踪能力。
[0004]此外，由于系统的复杂性和物理设备的局限性，如何设计一种有效的传输方式从而提高资源利用率是十分必要的。传统的时间触发机制下频繁的数据传输不可避免地导致网络资源浪费，而事件触发机制是一种“按需执行”的非等周期触发方式，数据传输是由事件生成器决定的，只有达到预定义的触发条件时才会发生事件。
[0005]为节省通信资源和减少不必要的数据传输，事件触发机制在复杂系统的故障检测问题研究中引起了越来越多的关注。2018年International Journal of Adaptive Control and Signal Processing期刊，A.Golabi等人的论文“Event
‑
triggered fault detection for discrete
‑
time LPV systems with application to a laboratory tank system”针对具有线性变参数模型的离散动态系统，研究了一种新的事件触发故障检测方法。但是由于事件触发机制是一种“按需执行”的非等周期触发方式，系统信息的丢失以及非均匀采样周期时变模式的引入导致上述事件触发系统产生的残差信号不仅受干扰和故障的影响，还受事件触发误差的影响。针对非线性系统的故障检测问题，现有的事件触发故障检测方法都致力于减弱事件触发误差对残差信号的影响，并没有实现二者之间的完全解耦。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的上述技术问题，本专利技术提出了一种卫星姿态控制系统事件触发STF(Strong Tracking Filter，强跟踪滤波器)故障检测方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：建立卫星姿态控制系统的故障模型；
[0010]步骤2：引入事件触发机制；
[0011]步骤3：采用STF方法设计事件触发故障检测滤波器；
[0012]步骤4：通过对故障检测滤波器进行线性化处理得到估计误差动态方程及残差信号，实现残差信号与事件触发误差完全解耦；
[0013]步骤5：将残差产生器的设计问题转化为求解故障检测滤波器增益矩阵；
[0014]步骤6：计算残差评价函数并与阈值进行比较，判断是否发生故障。
[0015]优选地，在步骤1中，具体内容为：
[0016]卫星姿态控制系统的动力学方程：
[0017][0018]其中，与分别是对I
i
和ω
i
(i＝x,y,z)求导，I
i
(i＝x,y,z)为卫星在三个惯性主轴上的转动惯量；ω
i
(i＝x,y,z)为姿态速率矢量在三个惯性主轴上的投影；T
i
(i＝x,y,z)表示沿惯性主轴的控制力矩分量；
[0019]将卫星本体坐标系与轨道坐标系之间的转换关系定义为卫星姿态，当姿态角较小时，将动力学方程改写为：
[0020][0021]其中，θ、ψ分别为滚动角、俯仰角和偏航角；ω0为恒定的轨道速率；
[0022]定义状态向量和控制输入向量u(t)＝[T
x
(t) T
y
(t) T
z
(t)]T
，在不考虑故障的前提下，用如下非线性模型来描述卫星姿态控制系统的动力学：
[0023][0024]其中，y(t)为测量输出向量，d(t)为过程噪声，v(t)为量测噪声，
[0025]q(x(t))＝[q
1 q
2 q
3 q
4 q
5 q6]T
[0026]q1＝ω0ψ(t)+ω
x
(t),
[0027]q2＝ω0+ω
y
(t)
[0028][0029]q4＝(I
y
‑
I
z
)ω
y
(t)ω
z
(t)/I
x
[0030]q5＝(I
z
‑
I
x
)ω
x
(t)ω
z
(t)/I
y
,
[0031]q6＝(I
x
‑
I
y
)ω
y
(t)ω
x
(t)/I
z
[0032][0033]在不失一般性的前提下，假设传感器故障为加性信号，带有加性故障的卫星姿态控制系统能够进一步建模为：
[0034][0035]其中，D
f
为具有适当维数的已知矩阵；
[0036]设采样周期为T
s
,能够得到如下卫星姿态控制系统非线性离散化故障模型：
[0037][0038]其中，Φ(x(k))＝x(k)+T
s
q(x(k))为系统非线性函数；B
u
,B
d
,C,D
v
均为已本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立卫星姿态控制系统的故障模型；步骤2：引入事件触发机制；步骤3：采用STF方法设计事件触发故障检测滤波器；步骤4：通过对故障检测滤波器进行线性化处理得到估计误差动态方程及残差信号，实现残差信号与事件触发误差完全解耦；步骤5：将残差产生器的设计问题转化为求解故障检测滤波器增益矩阵；步骤6：计算残差评价函数并与阈值进行比较，判断是否发生故障。2.根据权利要求1所述的卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法，其特征在于：在步骤1中，具体内容为：卫星姿态控制系统的动力学方程：其中，与分别是对I
i
和ω
i
(i＝x,y,z)求导，I
i
(i＝x,y,z)为卫星在三个惯性主轴上的转动惯量；ω
i
(i＝x,y,z)为姿态速率矢量在三个惯性主轴上的投影；T
i
(i＝x,y,z)表示沿惯性主轴的控制力矩分量；将卫星本体坐标系与轨道坐标系之间的转换关系定义为卫星姿态，当姿态角较小时，将动力学方程改写为：其中，θ、ψ分别为滚动角、俯仰角和偏航角；ω0为恒定的轨道速率；定义状态向量和控制输入向量u(t)＝[T
x
(t) T
y
(t) T
z
(t)]
T
，在不考虑故障的前提下，用如下非线性模型来描述卫星姿态控制系统的动力学：其中，y(t)为测量输出向量，d(t)为过程噪声，v(t)为量测噪声，q(x(t))＝[q
1 q
2 q
3 q
4 q
5 q6]
T
q1＝ω0ψ(t)+ω
x
(t),q2＝ω0+ω
y
(t)q4＝(I
y
‑
I
z
)ω
y
(t)ω
z
(t)/I
x
q5＝(I
z
‑
I
x
)ω
x
(t)ω
z
(t)/I
y
,q6＝(I
x
‑
I
y
)ω
y
(t)ω
x
(t)/I
z
在不失一般性的前提下，假设传感器故障为加性信号，带有加性故障的卫星姿态控制系统能够进一步建模为：其中，D
f
为具有适当维数的已知矩阵；设采样周期为T
s
,能够得到如下卫星姿态控制系统非线性离散化故障模型：其中，Φ(x(k))＝x(k)+T
s
q(x(k))为系统非线性函数；B
u
,B
d
,C,D
v
均为已知矩阵；d(k)∈R
n
，v(k)∈R
m
均为具有以下分布特性的高斯白噪声；R
n
表示n维的欧氏空间；R
m
表示m维的欧氏空间；E{d(i)d
T
(j)}＝σ
ij
RE{v(i)v
T
(j)}＝σ
ij
QE{d(i)v
T
(j)}＝0其中,R＞0,Q＞0为加权矩阵，当i＝j时，σ
ij
＝1，否则σ
ij
＝0；假设初始状态x(k0)与d(k),v(k)之间相互独立并具有如下统计特性：其中，E{x(k0)}为x(k0)的数学期望，P(k0|k0)为初始状态的协方差矩阵。3.根据权利要求1所述的卫星姿态控制系统事件触发STF故障检测方法，其特征在于：在步骤2中，采用事件触发机制检验当前的测量输出是否满足如下事件条件：ξ(k)＝e
yT
(k)Ωe
y
(k)
‑
δy
T
(k)Ωy(k)≥0,k≥k
i
其中，e
y
(k)＝y(k)
‑
y(k
i
)为事件触发误差；y(k
i
)为最新事件触发时刻k
i
的传输值，Ω∈R
q
×
q
为加权矩阵；δ＞0为事件触发阈值；一旦满足上式所示的事件触发条件，当前测量值就会传输到故障检测模块，否则，数据包将被丢弃；因此，当事件生成器释放当前的测量输出y(k
i
)时，下一个触发时刻由下式确定：其中，e
y
(k
i
)＝y(k
i
...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟麦英，刘娇娇，薛婷，盖文东，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：