基于迭代学习观测器的卫星姿态控制系统的鲁棒容错控制

针对卫星在轨运行时存在执行机构故障和空间干扰问题,提出了一种将迭代学习与未知输入观测器(IL-UIO)相结合的鲁棒容错控制方法.该方法在继承了未知输入观测器干扰解耦优点的同时,运用迭代学习技术,利用前一时刻姿态角速度偏差和IL-UIO输入来更新当前故障信息,实现了执行机构的在线故障重构.进一步基于Lyapunov方法从理论上证明了设计的IL-UIO鲁棒稳定性和姿态角速度偏差一致有界性.最后,建立卫星闭环姿态控制系统对方法进行验证,仿真结果验证了方法的有效性.     

采用简化滤波器思想的卫星姿态确定系统故障诊断

针对星上计算机运算资源有限的问题，为了降低卫星姿态确定系统故障诊断的运算量，提出一种基于卡尔曼滤波器的故障检测与分离方法。该方法首先基于卫星姿态运动方程设计了一种加性卡尔曼滤波器，然后将卡尔曼滤波器与简化观测器思想相结合，进一步提出一种采用简化滤波器思想的姿态敏感器故障诊断律。所提出的故障诊断方法既可以实现对陀螺故障的检测与分离，又能够诊断星敏感器的故障。此外，该方法只利用一个滤波器即可实现故障检测与分离，其计算量小，有利于在轨实施。最终采用一个由三正交一斜装陀螺组件和星敏感器构成的姿态确定系统对所提出的方法进行了仿真校验，仿真结果表明了所提方法的有效性。     

一种超低轨卫星干扰力矩与故障的估计及补偿方法

针对超低轨道卫星在轨运行时存在强烈大气阻力力矩以及姿态控制执行机构故障的情况,基于并行学习策略理论,提出了一种估计与补偿干扰和故障的方法。首先,作为参数辨识的一种思路,并行学习自适应辨识策略被引入到干扰及故障估计问题中,相较传统的观测器,该策略可将干扰和故障同时分别估计,并放松了对实时姿态信息及指令力矩信息的需求。然后,利用上述估计值设计姿态控制器以保证干扰及故障情况下实现卫星的高精度姿态控制。最后,通过对具体的任务过程进行数值模拟,验证了所提方法的有效性。     

基于数值微分方法的卫星陀螺故障诊断(英文)

提出一种基于数值微分的卫星陀螺故障诊断方法。通过引入代数可观测的概念,将故障诊断问题转化为求解数值微分问题。并根据卫星姿态运动学方程证明了陀螺故障的代数可观性。然后通过高增益观测器的方法来近似姿态敏感器测量输出的数值导数,并利用李雅普诺夫理论分析和设计高增益观测器。基于陀螺故障的代数可观性和星敏感器测量输出的数值微分,可以直接得到陀螺组件的故障估计值。最后,通过突变、缓变和并发故障等仿真算例验证了算法的有效性,仿真结果表明所提出的方法不仅可以检测故障的发生,而且能够估计故障幅值。     

对地观测卫星编队协同容错姿轨耦合控制

面向对地观测场景下卫星编队的姿轨耦合特性和完全失效故障,提出了基于空间构型重构的协同容错控制方法。首先,根据对地观测的任务需求,分别建立了无故障情况下的卫星编队构型,以及故障发生后将故障卫星移出编队的构型重构方案,包括拓扑网络重构、卫星编号更新和编队构型重构算法;其次,根据上述构型,考虑外部干扰和姿态轨道耦合特性,设计了基于非奇异终端滑模控制的分布式控制律,使得编队在有限时间内稳定,即在故障发生前后卫星编队都可以实现对观测区域的协同覆盖;最后,分别通过数值仿真和实验验证表明了所提方法的有效性。     

一种带精确补偿的卫星姿态快速机动控制方法

针对挠性卫星姿态敏捷机动中，挠性模态和星体转动惯量不确知，进而影响前馈补偿的有效性的问题，提出一种将非线性状态观测器和转动惯量辨识相结合的精确补偿控制方法。证明了一般挠性卫星动力学的非线性项满足Lipschtiz条件，可引入非线性观测器，实现了挠性模态的准确估计。设计了一种基于角速度最优阶拟合的转动惯量校正方法，进一步提高前馈补偿的精度和姿态机动的快速性。数学仿真对比结果表明：本文所提的精确补偿控制方法，能够有效减少挠性附件振动和转动惯量不准确对姿态控制的影响，提高姿态控制的响应速度，满足挠性卫星机动过程的快速性和稳定性，适用于挠性卫星的姿态敏捷机动控制。     

过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制

针对四反作用飞轮配置的刚体航天器执行机构故障以及外部干扰等问题,提出一种姿态容错控制分配算法。该方法通过设计滑模观测器,实现在有限时间内对执行机构故障与外部干扰的精确重构;特别地,应用Lyapunov稳定性理论证明了所设计的控制器能够在有限时间内实现对闭环姿态的全局渐近稳定控制,且该控制策略可实现对反作用飞轮故障与外部干扰的鲁棒性。此外,采用计算量较小的基序最优控制分配方法快速实现了期望控制力矩到四反作用飞轮指令控制力矩分配。最后,针对某型号航天器以及各种反作用飞轮故障进行数值仿真,仿真结果表明所设计过驱动航天器飞轮故障重构与姿态容错控制方法能够在线、及时、精准地完成故障重构与控制分配。     

采用观测器的偏置动量小卫星姿态容错控制

针对偏置动量小卫星的自主飞行问题，提出一种基于不确定项观测器的滑模容错控制方法。应用欧拉-拉格朗日系统的干扰观测方法设计不确定项观测器，对动量轮输出力矩变小、磁力矩器线圈电阻漂移等执行器故障以及小卫星外部环境力矩等不确定项进行估计，理论推导证明该观测器的观测误差一致最终有界(UUB)。基于不确定项观测器的估计值，设计补偿控制项，并与滑模控制器的控制力矩合成实现姿态容错控制。从理论上证明该容错控制方法能够使小卫星姿态快速收敛至滑模面。该容错方法无需做小角度假设，对执行器运行状态信息依赖性低。仿真结果表明，本文建议的容错控制方法具备可行性，实现了对小卫星姿控系统中不确定项的观测估计和容错控制。     

偏置动量卫星偏航姿态估计与控制研究

为改善偏置动量卫星无偏航姿态敏感器时用滚动角间接控制偏航姿态的精度,基于降维观测器设计提出了一种采用偏航角估计值直接控制偏航姿态方法。在分析收敛性的基础上,给出了降维观测器的设计,以及直接控制法的系统模型。理论分析和仿真结果表明,该法能大幅提高偏置动量卫星的姿态精度,且易于软件实现,不增加系统硬件配置。     

基于观测器的航天器执行机构失效故障重构

针对刚体航天器在轨运行时存在执行机构失效故障和外部干扰问题,提出了一种基于观测器的故障检测与重构方法。该方法运用迭代学习技术,利用上一步的执行机构故障观测信息来估计当前的故障信息,并最终实现故障的精确重构。此外基于Lyapunov方法从理论上证明了此故障诊断方法能够实时、在线地实现对常值、时变甚至随机型的执行机构失效故障的重构,并且对外干扰力矩具有一定的鲁棒性。最后,仿真结果验证了该方法的有效性。
     

利用随机森林算法的卫星控制系统故障诊

针对卫星姿态控制系统存在闭环控制，外部干扰强，进而影响故障诊断准确性和实时性的问题，提出了一种利用随机森林算法的卫星姿态控制系统姿态敏感器和执行器故障诊断方法。首先，采集不同故障情形下卫星姿态控制系统的输入输出数据，进行特征提取。随后通过随机有放回抽样划分训练集和测试集，建立基于随机森林算法的故障诊断模型。利用生成的随机森林模型，对实时输入输出数据进行分类，实现卫星姿态控制系统的故障诊断。利用卫星姿态控制系统半物理仿真平台的数据进行实验，对比实验结果表明：本文所提方法可以实现故障高精度分离，并具有更好的实时性，适用于卫星姿态控制系统的故障诊断问题。     

Fault detection,identification and reconstruction for gyroscope in satellite based on independent component analysis

Although satellites are designed with high reliability, faults do occur when satellites are in orbit. To avoid the important services being affected, redundancy is used in satellites. There are many sensors in satellites. In order to reduce the cost, space, weight and power consumption, redundant sensors should be added to satellite as few as possible. Analytical redundancy is an efficient way to optimize the application of redundant. The gyroscope is the attitude determination sensor of the satellite. The minimum redundant structure of the gyroscope system is as follows: three gyroscopes installed in three-axis orthogonally and one gyroscope installed with slantwise for redundancy(3o+1S).To achieve fault detection, identification and reconstruction, hypothesis of statistical independence between the three-axis angular rates and hypothesis of statistical independence between the angular rates and fault are proposed. The scenario that only one sensor is faulting and there are only additive fault and full fault is supposed. Under these assumptions, firstly a threshold method is used for fault detection. After a fault is detected, independent component analysis (ICA) based algorithm for fault identification is employed. To overcome the ambiguities of ICA, correlation coefficients and prior information of the mixed matrix are used. Finally, the reconstruction matrix is obtained. By using this matrix fault signal is extracted so that the yaw, roll and pitch axes (three-axis) angular rates of the satellite can be recovered. Numerical simulations show this method can fulfill fault detection, identification and reconstruction of the gyroscope system.     

考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统的集成容错控制

研究了一类发动机十字型布局的导弹姿态控制系统的容错控制问题,提出了一种考虑执行机构故障的导弹姿态控制系统集成容错控制方法。该方法针对执行机构的恒增益变化故障和卡死故障,首先提出了集成容错控制的总体策略,然后分别基于线性矩阵不等式方法和故障补偿思想,给出了在圆盘极点指标和H∞指标两个相容指标约束下的状态反馈满意容错控制器和故障补偿器的设计方法。最后在Matlab/Simulink环境下将该方法应用于导弹姿态控制系统进行仿真实验,结果表明了该方法的有效性和可行性。     

某卫星姿态角的确定和对测量部件的故障诊断

卫星三轴姿态的确定是对卫星进行姿态控制的基础,利用陀螺和红外敏感器互补的特性,并对测量所得到的数据进行处理,便可得到卫星姿态角的估计值。陀螺和红外地球敏感器是卫星姿态控制系统中关键的测量部件,两者的测量输出通过卫星运动学方程相关,有冗余关系,可以用于故障检测。本文对所设计的观测器进行了数值仿真,证实了其有效性,并直接利用所设计的观测器进行故障检测,首先得出陀螺和红外地球敏感器在各种故障下的输出残差曲线,然后分析陀螺和红外地球敏感器的不同故障对输出残差信号的不同影响,找出各种故障与不同输出残差的对应关系,从而确定发生故障的部件。     

一类非线性系统的故障可诊断性量化评价方法

为将提高卫星控制系统故障诊断能力的工作重点前移到地面设计阶段,针对其中的关键问题--可诊断性评价,提出一种适用于非线性模型的可诊断性量化评价方法,对传统定性评价研究进行了有效的扩展和延伸。鉴于线性化处理导致非线性因素引起的故障被忽略,将卫星控制系统描述成一类仿射非线性模型;并基于微分几何理论,给出可诊断性（包括可检测性和可隔离性）的定义和定性评价指标--不变最小对偶分布。通过子空间相似度判别准则,根据故障方向矢量和所得不变分布以及不同故障方向矢量之间的夹角关系,分别设计可检测性和可隔离性的量化指标,并给出具体评价流程;该指标能够明确故障被检测和隔离的难易程度,并可用于指导诊断算法的设计和传感器的优化配置。最后,以动量轮为仿真实例校验本文所提方法的正确性;仿真结果表明：该方法在不依赖任何诊断算法和具体故障模式的前提下,可以实现可检测性和可隔离性的准确量化评价。     

基于RBF神经网络和M距离的卫星故障诊断

在常规基于解析冗余故障诊断技术的基础上,采用具有最佳模拟特性的RBF神经网络对系统进行建模,分析了M距离应用于卫星姿态控制系统故障检测与定位的可行性,应用基于M距离的方法设计故障检测观测器,通过对残差的评估实现故障诊断。仿真结果显示,该方法计算过程简单、实时性好。     

人工神经网络在卫星姿态测量系统故障诊断中的应用研究

针对卫星姿态测量系统的硬件故障, 应用人工神经网络进行故障检测与诊断, 得到了较为满意的结果。研究表明, 人工神经网络结构简单, 学习速度快, 适应性广, 对于卫星姿态测量系统中的姿态传感器故障, 检出率和诊断正确率可达到百分之百     

卫星在轨故障全数字仿真平台设计

以通信卫星为例,分析卫星已经发生的和可能出现的在轨故障信息,利用数据库与面向对象技术对在轨故障现象与故障排除过程的仿真进行建模,设计了一种通过遥测信息显示故障仿真过程的全数字仿真平台,可为卫星在轨故障的辅助分析与定位、故障解决预案的制定提供验证手段。