微重力环境模拟作业训练机器人碰撞力反馈控制

针对航天员在地球表面进行微重力环境中操作训练时微重力环境模拟作业训练机器人存在的碰撞力反馈控制问题,建立碰撞力反馈模型、提出单个柔索驱动单元控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略。利用Matlab/Simulink软件对碰撞力反馈模型和控制策略进行仿真验证,该模型和控制策略可以实现机器人碰撞力反馈,且具有计算量小、实时性好、不需要额外增加传感器等优势;结合提出的柔索驱动单元复合控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略进行机器人碰撞力反馈控制实验,提高机器人控制的准确性和实时性。结果表明,基于干扰观测器的柔索驱动单元复合控制策略将柔索驱动单元主动控制精度提升11%,被动控制多余力消除率达到81.82%;机器人碰撞力反馈控制策略可以有效提升航天员作业训练时碰撞力临场感体验。     

一种超静平台主动指向容错控制方法

针对超静平台主动指向控制中的作动器故障问题,提出一种超静平台主动指向容错控制方法。首先,基于超静平台的一般动力学模型,推导用于指向控制的解耦模型和标准解耦矩阵,将超静平台由高度耦合的复杂多输入多输出系统变为多个相对简单的单输入单输出系统,有利于控制器的设计和容错控制方法的引入;在此基础上,针对作动器的故障问题,提出指向控制重构策略,并建立新解耦矩阵;进一步,提出基于解耦矩阵条件数最小的冗余自由度选择方法;最后,进行了数值仿真分析。仿真结果表明：基于冗余自由度最优选择的主动指向容错控制方法能够最大限度地减少作动器故障对超静平台主动指向控制效果的影响。     

一种低成本纳卫星星载计算机容错方法

为了提高纳卫星星载计算机系统的可靠性,减少体积、质量及功耗等多方面因素的影响,文章提出了一种软硬件结合的低成本容错设计方法。将星载计算机硬件采用双机冗余冷备份方案,通过现场可编程门阵列(FPGA)对故障处理器进行仲裁切换;软件容错通过错误检测与纠正(EDAC)信息容错技术的实现,对星载计算机整体程序进行纠错检错,以对抗单粒子翻转事件。结果表明:该方法能够对星载计算机系统进行有效的故障切换处理,并降低单粒子事件的不良影响,可以在纳卫星系统中推广应用。     

卫星轨道保持的分散容错控制

本文基于Ｈ＾∝最估理论和矩阵奇异值分解技术，对卫星轨道保持系统进行了分攻容错控制，提出了容许执行机构故障和传感器故障的两种分散控制律设计方法，可使卫星控制系统具有明显的容错能力。     

基于控制有效性因子的卫星姿态控制系统在轨重构容错控制

研究了在轨卫星姿态控制系统发生可修复性故障状况下的重构容错控制。首先在星敏感器对陀螺的标定模型中引入控制有效性因子，并利用二级卡尔曼滤波算法求解其值，以说明系统的控制有效程度。然后采用统计假设检验通过其幅值变化判断系统是否存在故障，当故障发生时，引入重构容错控制器对原控制器进行补偿控制。最后，建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证，仿真结果表明该算法快速可靠，能够满足在轨卫星姿态控制系统故障状况下的性能要求。     

一种自旋稳定卫星姿态传感器数据异常的诊断方法

针对自旋稳定卫星遥测数据异常时,故障类型和故障源难于辨识的问题,提出一种数据驱动的故障诊断新思路.该方法提出将卫星姿态与传感器之间固有冗余关系是否保持作为判断故障类型的依据,并利用主成分分析把这种关系通过测量空间的特征值进行量化,监测特征值之间相应比例的变化实施判定;借助正交子空间的结构分析,选择SPE统计量进行故障检测和故障源的定位.在遥测数据的基础上模拟风云某型气象卫星的不同故障模式,并应用本文方法进行分析,结果表明,该方法克服了传统贡献图方法无法判别故障类型的缺点,可以实现对故障的正确诊断.     

卫星动量轮闭环系统的UIO双观测器故障诊断

本文对于卫星动量轮闭环系统提出了一种基于UIO双观测器的故障诊断方法,该方法通过分析观测器残差向量的变化来分离执行机构、传感器及系统参数故障,并且可以通过隔离观测器反映出传感器的故障模式.文中首先对闭环系统故障诊断特点、UIO故障诊断方法及卫星动量轮闭环系统进行了简要介绍;接着分析了UIO双观测器法应用的条件;然后引入卫星动量轮闭环系统的模型;最后通过仿真实验证明利用本文中所提出的方法可以成功地诊断并分离出执行机构、传感器及系统参数的故障,并在传感器故障时可以确定出故障模式.     

分布式容错计算机系统在航天器上的应用

计算机容错技术是提高系统可靠性的强有力手段,卫星星上数据管理系统是高可靠性的分布式容错计算机系统,在硬件和软件的设计中,应用了故障检测、故障屏蔽和动态冗余等多种容错技术,本文从理论和工程实践两个方面介绍了各种容错技术在航天器上的应用。     

神经网络在火箭容错控制中的应用

利用解析冗余思想和神经网络的非线性映射能力，提出了基于神经网络的故障检测和容错控制框架，以此实现解析冗余，并将其应用于火箭稳定回路容错控制设计，仿真研究表明，该方案设计思想正确．具有一定的实用价值。     

基于长短时神经网络的卫星陀螺仪故障检测

针对卫星陀螺仪故障检测中存在的冗余依赖、微小故障覆盖问题，提出一种基于长短时神经网络(LSTM)的故障检测方法。首先对卫星陀螺仪建模，考虑到卫星姿态控制回路对陀螺仪微小故障覆盖影响，利用半物理仿真平台采集陀螺仪正常与故障数据；然后使用部分正常数据训练LSTM神经网络，使得网络具有预测陀螺仪输出的能力，并将另一部分正常数据输入到训练好的网络模型，得到预测误差，进一步设定故障阈值；最后，将测试数据输入提出的故障检测模型，仿真验证其时效性和准确性。结果表明，在采样频率为10Hz时，对于陀螺仪的卡死、噪声以及偏差故障，基于LSTM神经网络的故障检测模型能在故障发生2s内检测出故障，并达到了98.9%的准确率。     

基于可观测性和可靠性的传感器分布优化设计

为了解决航天器的故障检测的传感器分布的设计问题,本文提出一种描述系统故障的有向图模型,针对该模型,给出了基于可观测性和可靠性的传感器分布的设计问题的描述,并提出了优化设计的思想。根据该思想给出了传感器分布优化设计方案,该方案考虑了故障的可观测性和故障检测的可靠性问题,还有传感器安置成本的约束问题,并采用了贪婪启发式算法实现了该方案。该方案应用到某卫星一次电源系统,仿真算例的结果表明该方案满足了可观测性和可靠性的要求,通过与其它设计方案对比,该方案能够快速提高系统的可靠性,更适合系统设计的需要。
     

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.     

基于MSPCA的液体火箭发动机试车台氢供应系统传感器故障诊断方法

研究了多尺度主元分析方法在传感器故障诊断中的应用问题。利用小波变换得到传感器信号在各个尺度上的系数，然后根据尺度系数矩阵建立主元分析模型进行传感器故障诊断。设计了固定窗长的移动窗口，对窗内数据进行小波变换后，用最后一个尺度系数计算平方预报误差进行故障检测，采用传感器有效指标这种具有定量辨识标准的参数对故障传感器进行辨识。最后，以液体火箭发动机试车台氢供应系统几个关键传感器的故障诊断为例验证了这种方法实用性和有效性。     

利用奉献观测器诊断红外地球敏感器故障的新方法

卫星闭环控制系统中不同敏感器的故障定位是自主故障诊断的难点。基于双观测器的方法能够分离光学敏感器和惯性敏感器的故障,却仍不能确定红外地球敏感器是否发生故障。奉献观测器适用于敏感器系统的故障定位,但由于该方法要求的能观性条件在实际工程中有时难以满足,使其应用受到限制。本文提出了一种利用奉献观测器诊断敏感器故障的新方法,先对不完全能观系统进行能观性分解,再对能观子系统设计奉献观测器,克服能观性条件的限制,实现敏感器故障诊断。最后,将该方法用于卫星红外地球敏感器的故障定位,仿真结果表明,该方法可有效诊断地球敏感器的故障。     

飞轮传感器的高斯混合模型故障检测方法

针对闭环控制的飞轮系统,本文采用一种基于高斯混合模型(GMM）的故障诊断方法检测飞轮的传感器故障。姿态机动的反作用飞轮是一个多工况系统。通过飞轮的历史观测数据建立飞轮的GMM模型,它用有限个高斯函数的加权组合来有效地拟合多工况的观测数据,利用基于贝叶斯推理的后验概率（BIP）指标计算新样本偏离GMM模型的程度,该指标能避免由于数据分类不确定而引起的误检测问题。仿真结果表明BIP指标不需要复杂的数学建模就能准确检测飞轮传感器故障。     

航天器大型舱段柔性对接技术研究

针对航天器大型舱段的自动柔性对接需求,基于并联调姿平台(6SPS)的舱段柔性对接技术开展研究。采用6SPS作为舱段位姿调整装置,在其6个支链上设置力传感器,测量每个支链所受的轴向力。在柔性对接控制中,根据负载质量特性及调姿平台姿态实时解算每个支链上由负载重力引起的轴向力,作为理论力;将实际测得的支链力与该理论力比较,进行力随动控制并调整支链长度,实现力反馈下的柔性对接控制。试验证明了力随动控制能实现根据支链力变化实时调整调姿平台位姿,满足舱段柔性对接的需求。     

考虑传感器故障检测能力的PHM系统传感器优化配置方法

传感器优化配置是航空航天设备PHM系统功能得以有效实现的基础和保证。针对目前传感器配置研究中未考虑传感器实际属性的问题,建立了考虑传感器故障检测能力的PHM系统传感器优化配置模型。首先分析了系统故障-传感器相关性矩阵的含义,将传感器的故障检测能力和相关性矩阵相结合,以概率形式描述了传感器对故障的检测性能。在此基础上根据系统的测试性指标要求建立传感器优化配置模型,并采用混沌二进制粒子群优化算法求解。仿真实例结果表明,本文建立的优化模型更加符合实际情况,配置结果更加准确和可靠。     

基于故障因子函数的鲁棒联邦滤波算法研究

针对联邦滤波器子系统传感器故障，提出了一种基于状态递推器的滑动残差检验法，并在故障检测函数的基础上，定义了故障因子函数，用于联邦滤波器的信息分配。根据新的算法，联邦滤波器的信息分配系数可根据故障因子函数进行自动调整，以减少故障通过全局重置对其他无故障子系统的污染程度，从而减少了故障信息的影响程度和持续时间，提高了故障隔离后联邦滤波器的快速恢复能力。仿真结果表明该算法是有效的。     

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。