一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法技术

本发明专利技术公开了一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，属于空间引力波探测惯性传感器故障诊断技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法


[0001]本专利技术属于空间引力波探测惯性传感器故障诊断
，具体涉及一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法
。

技术介绍

[0002]引力波的高精度测量将是未来基础科学领域最前沿和重大的研究课题之一
。
空间惯性传感器作为空间引力波探测任务的关键载荷之一，其主要功能包括一下两种：对航天器受到的非保守力作用下产生的加速度进行精确测量，用于实现航天器的无拖曳飞行；作为激光干涉系统的一部分，通过测量检验质量与航天器的相对位移，为激光干涉提供惯性基准
。
[0003]目前，世界上的空间引力波探测计划对于残余加速度噪声指标的要求均在
10
‑
15
m/s2/Hz
1/2
量级
。
面对前述量级的精度要求，空间惯性传感器的能否正常工作将直接影响到探测任务的实现
。
因此，空间引力波探测惯性传感器及时准确的故障诊断十分重要
。
[0004]传统的卫星传感器故障检测方法主要是利用传感器的硬件冗余，但空间引力波探测惯性传感器并不能满足冗余的要求
。
基于模型的故障诊断方法则需要建立精确的物理模型，并不适用于像无拖曳系统这样具有强非线性和高度耦合特性的系统
。
除此之外，传统的时序预测方法包括
ARIMA
模型和机器学习方法等，这些方法仅能实现短时间序列的预测，难以实现对较长时间序列的准确预测
。
近年来，将
LSTM
神经网络用于时序预测十分常见，尽管
LSTM
模型可以实现有效的时序预测，但随着时间序列的长度增加，该模型的预测精度会显著下降，同时预测时间也会大幅增加，并不适合于在轨传感器实时故障检测的要求
。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，本专利技术无需无拖曳系统精确的物理模型，只需要空间引力波探测惯性传感器的测量数据，便可实现对该传感器的故障诊断
。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术提供了一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，包括以下步骤：
[0008]基于相互耦合的传感器量测通道建立双通道
Informer
模型并汇总获得传感器故障情况；
[0009]获得状态量测量值以及基于双通道
Informer
模型预测目标的状态量预测值，根据状态量测量值以及预测目标的状态量预测值生成状态量的残差序列；基于残差序列生成判断残差序列，基于判断残差序列设置动态阈值，对比判断残差序列以及动态阈值，获得对比结果；
[0010]结合对比结果以及传感器故障情况进行故障检测；后分析判断残差序列表现进行故障隔离，完成空间引力波探测惯性传感器故障诊断
。
[0011]在具体实施过程中，所述相互耦合的传感器量测通道的确定过程如下：
[0012]基于空间引力波探测惯性传感器敏感结构建立空间引力波探测惯性传感器的综合位姿测量模型，确定相互耦合的传感器量测通道
。
[0013]在具体实施过程中，所述空间引力波探测惯性传感器敏感结构由立方体形状的检验质量和电极笼组成；其中，检验质量位于电极笼的中间位置，所述电极笼具有若干个面，若干个面上均分布设置有电极板，若干个面中的相对面上的电极板相同且相对面上的电极板构成差分电容传感器
。
[0014]在具体实施过程中，设定检验质量的三轴直角坐标系的
x
轴
、y
轴和
z
轴，所述空间引力波探测惯性传感器的综合位姿测量模型为：
[0015][0016]其中，
C0表示检验质量与电极板的初始电容；
d0表示检验质量与电极板的初始间距；
L
为电极板中心与检验质量初始中心面距离；
Δ
C
12
和
Δ
C
34
分别为与
x
轴方向位移和与
z
轴方向转角相关的两个差分电容传感器的测量值；
d
x
表示检验质量沿
x
轴位移测量值，表示检验质量沿
z
轴方向转角测量值
。
[0017]在具体实施过程中，所述
Δ
C
12
和
Δ
C
34
如下：
[0018][0019]其中，设定当检验质量同时发生了平动和转动时，检验质量沿
x
轴方向实际位移为
x
，沿
z
轴方向实际转角为
θ
z
，
C0表示检验质量与电极板的初始电容；
d0表示检验质量与电极板的初始间距；
L
为电极板中心与检验质量初始中心面距离
。
[0020]在具体实施过程中，所述相互耦合的传感器量测通道包括
x
轴位移量测通道和
z
轴方向转角量测通道相互耦合的传感器量测通道，
y
轴位移量测通道和
x
轴方向转角量测通道相互耦合的传感器量测通道，
z
轴位移量测通道和
y
轴方向转角量测通道相互耦合的传感器量测通道；
[0021]所述双通道
Informer
模型包括
M
xz
模型
、M
yx
模型和
M
zy
模型；
[0022]其中，
M
xz
模型获得的预测目标的状态量预测值为
x
轴位移量以及
z
轴方向转角；
M
yx
模型获得的预测目标的状态量预测值为
y
轴位移量以及
x
轴方向转角；
M
zy
模型获得的预测目标的状态量预测值为
z
轴位移量以及
y
轴方向转角
。
[0023]在具体实施过程中，所述传感器故障情况如下：
[0024]当相互耦合的传感器量测通道的两个状态量的判断残差序列同时出现异常时，判定与上述两个状态量相关的其中一个传感器出现故障；
[0025]当相互耦合的传感器量测通道的两个状态量的判断残差序列未同时出现异常时，判定传感器无故障
。
[0026]在具体实施过程中，所述设置动态阈值为过去判断残差序列和当前时刻判断残差序列基于3‑
σ
法则所确定，具体如下：
[0027][0028][0029]其中，
Γ
(t本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：基于相互耦合的传感器量测通道建立双通道
Informer
模型并汇总获得传感器故障情况；获得状态量测量值以及基于双通道
Informer
模型预测目标的状态量预测值，根据状态量测量值以及预测目标的状态量预测值生成状态量的残差序列；基于残差序列生成判断残差序列，基于判断残差序列设置动态阈值，对比判断残差序列以及动态阈值，获得对比结果；结合对比结果以及传感器故障情况进行故障检测；后分析判断残差序列表现进行故障隔离，完成空间引力波探测惯性传感器故障诊断
。2.
根据权利要求1所述的空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，其特征在于，所述相互耦合的传感器量测通道的确定过程如下：基于空间引力波探测惯性传感器敏感结构建立空间引力波探测惯性传感器的综合位姿测量模型，确定相互耦合的传感器量测通道
。3.
根据权利要求2所述的空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，其特征在于，所述空间引力波探测惯性传感器敏感结构由立方体形状的检验质量和电极笼组成；其中，检验质量位于电极笼的中间位置，所述电极笼具有若干个面，若干个面上均分布设置有电极板，若干个面中的相对面上的电极板相同且相对面上的电极板构成差分电容传感器
。4.
根据权利要求2所述的空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，其特征在于，设定检验质量的三轴直角坐标系的
x
轴
、y
轴和
z
轴，所述空间引力波探测惯性传感器的综合位姿测量模型为：其中，
C0表示检验质量与电极板的初始电容；
d0表示检验质量与电极板的初始间距；
L
为电极板中心与检验质量初始中心面距离；
Δ
C
12
和
Δ
C
34
分别为与
x
轴方向位移和与
z
轴方向转角相关的两个差分电容传感器的测量值；
d
x
表示检验质量沿
x
轴位移测量值，表示检验质量沿
z
轴方向转角测量值
。5.
根据权利要求4所述的空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，其特征在于，所述
Δ
C
12
和
Δ
C
34
如下：其中，设定当检验质量同时发生了平动和转动时，检验质量沿
x
轴方向实际位移为
x
，沿
z
轴方向实际转角为
θ
z
，
C0表示检验质量与电极板的初始电容；
d0表示检验质量与电极板的初始间距；
L
为电极板中心与检验质量初始中心面距离
。6.
根据权利要求5所述的空间引力波探测惯性传感器故障诊断方法，其特征在于，所述

【专利技术属性】
技术研发人员：岳晓奎，毕诚，党朝辉，丁一波，代洪华，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：