CN103207569A - 一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法 - Google Patents

一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法 Download PDF

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CN103207569A CN2013100908619A CN201310090861A CN103207569A CN 103207569 A CN103207569 A CN 103207569A CN 2013100908619 A CN2013100908619 A CN 2013100908619A CN 201310090861 A CN201310090861 A CN 201310090861A CN 103207569 A CN103207569 A CN 103207569A
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Abstract

本发明公开了一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法，属于航天器可重构性研究技术领域。该方法针对卫星姿态控制系统发生单个部件故障和两个部件故障情况，描述了一重故障可重构度和二重故障可重构度的概念，提出了可重构性度量指标。在基于系统可控性、可观性的理论基础上，建立了部件属性与系统可重构性判据之间的关系，采用基于深度搜索的方法实现一重故障和二重故障情形下的可重构度量指标计算。本发明可以直接针对卫星姿态控制系统在轨多种执行机构配置方案进行量化的可重构性评估，用于卫星姿态控制系统的在轨重构策略选择提供理论支持和计算依据，具有重要的理论和工程应用价值。

Description

一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法
技术领域
本发明涉及一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法，属于航天器可重构性研究技术领域。
技术背景
随着空间科学技术的快速发展，航天器在轨运行可靠性日益受到重视。在轨卫星长时间工作在真空、失重、高低温和强辐射的环境下，任务多样化和复杂程度的日益增加使得对于卫星控制系统可靠性的要求越来越高，但是受重量和成本的限制，出现的故障并不能完全依靠硬件冗余解决，如何充分利用星载资源实现在轨可重构以确保卫星任务的正常实施和在轨可靠运行已成为当前发展趋势。
提高卫星在轨重构能力，除了提出有效的故障重构方法之外，另一条有效途径是提高系统的可重构性设计水平，针对在轨故障情况，预先进行可重构性度量，从而为提高卫星在轨故障处理能力，合理有效利用星载资源，提高卫星姿态控制系统的可靠性设计、优化资源配置、卫星在轨工作模式的合理切换等提供理论参考；针对星载资源受限情况，根据卫星任务需求，为选择正确的重构策略和方案提供有力的理论支持和决策依据。
发明内容
针对卫星姿态控制系统多执行机构配置方案，一重故障和二重故障情况下，本发明提出了一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法，采用基于深度搜索方法实现系统可重构性度量指标的计算，从而为选择合适的在轨重构方案和设计方案提供一个理论上的决策依据。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：
一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法，包括如下步骤：
（1）描述可重构度量指标
针对卫星姿态控制系统可重构性，将一重部件故障概念描述为：系统中只有一个独立功能的部件发生故障；将系统一重部件故障下的系统可重构度概念记为一重可重构度；一重可重构故障个数记为                                                
Figure 381441DEST_PATH_IMAGE001
，一重可重构度记为，即：
Figure 343373DEST_PATH_IMAGE003
， 表示系统所有部件个数，
针对卫星姿态控制系统可重构性，将二重部件故障概念描述为：系统中有两个最小重构单元发生故障，将系统二重可重构单元故障下的系统可重构度概念记为二重可重构度；定义二重可重构度为
Figure 86518DEST_PATH_IMAGE005
，二重可重构故障个数标志为，
Figure 771894DEST_PATH_IMAGE007
表示排列组合，
Figure 79379DEST_PATH_IMAGE008
表示系统可能发生的两部件故障数总和，则：；
（2）建立执行机构属性矩阵
用
Figure 642395DEST_PATH_IMAGE010
表示执行机构，记某一配置下的卫星姿态控制系统执行机构个数为
Figure 185985DEST_PATH_IMAGE011
个，不失一般性，斜装配置的执行机构对三轴都有作用力矩，在个执行机构中，第
Figure 245525DEST_PATH_IMAGE013
个执行部件记为
Figure 213481DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 247296DEST_PATH_IMAGE015
，给每个部件标定义一个向量来描述该部件的属性，记为，
其中：
Figure 637137DEST_PATH_IMAGE017
表示执行器编号；
      
Figure 713677DEST_PATH_IMAGE018
表示执行器安装位置，1代表x轴，2代表y轴，3代表z轴，4代表斜装；
      
Figure 297105DEST_PATH_IMAGE019
分别表示执行器安装方向与三轴之间夹角的正弦值；
      
Figure 481575DEST_PATH_IMAGE020
是故障标志位，1代表正常工作，0代表发生故障，
根据步骤（1）定义的各部件属性向量，则某配置下个执行机构，建立一个属性矩阵如式（1）所示
   ；                      （1）       
（3） 提出系统可重构性判据
卫星姿态控制系统的线性化模型描述如下：
Figure 2013100908619100002DEST_PATH_IMAGE023
其中：
Figure 598063DEST_PATH_IMAGE024
，
Figure 589153DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 366616DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 784959DEST_PATH_IMAGE027
、、
Figure 892689DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 524658DEST_PATH_IMAGE030
分别表示卫星滚转角、滚转角速率、俯仰角、俯仰角速率、偏航角、偏航角速率，
 ； 
Figure 96902DEST_PATH_IMAGE032
Figure 429795DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 916271DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 941996DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 209029DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 345612DEST_PATH_IMAGE037
；
Figure 683665DEST_PATH_IMAGE038
，；
Figure 572304DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 309315DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 770384DEST_PATH_IMAGE042
是执行器输出力矩；
Figure 2013100908619100002DEST_PATH_IMAGE043
为系统执行机构的安装矩阵，；
Figure 51641DEST_PATH_IMAGE045
为卫星三本体轴的转动惯量，
Figure 530026DEST_PATH_IMAGE046
表示卫星运行的轨道角速度，
Figure 111180DEST_PATH_IMAGE047
表示三轴安装的动量轮角动量；
提取部件属性矩阵中的第六列元素
Figure 381100DEST_PATH_IMAGE048
构造对角矩阵M，
Figure 110022DEST_PATH_IMAGE049
，用属性矩阵中的第3、4、5列元素构造矩阵
Figure 126519DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 562180DEST_PATH_IMAGE051
，根据矩阵
Figure 5931DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 159832DEST_PATH_IMAGE050
，得到如下的结果：
Figure 42337DEST_PATH_IMAGE053
根据以上描述，对于执行机构，则
Figure 332504DEST_PATH_IMAGE054
；在部件故障情况下，在剩下的功能部件配置资源中如果能找到
Figure 212735DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 588353DEST_PATH_IMAGE050
，使得
Figure 8970DEST_PATH_IMAGE055
, 则系统可实现在线重构；否则，系统不可重构；
卫星姿态控制系统发生一重故障情形，如果在执行机构
Figure 416293DEST_PATH_IMAGE056
故障情况下，剩余的执行机构中是否存在属性矩阵，使得系统可重构；发生二重故障情形，如果在执行机构
Figure 164434DEST_PATH_IMAGE058
和故障情况下，剩余的部件
Figure 651228DEST_PATH_IMAGE060
中是否存在执行部件的属性矩阵，使得系统可重构；
（4）系统可重构度量指标计算
记系统可重构标志位为
Figure 2013100908619100002DEST_PATH_IMAGE061
，1代表可重构，0代表不可重构；
一重故障情况下，采用基于深度搜索方法的执行机构可重构度量指标的计算，
Figure 636294DEST_PATH_IMAGE062
代表发生故障的部件编号，当判断第i个部件发生故障后，系统是否可重构时，置第i个部件的健康状态为故障状态，即：；按照各部件的编号顺序，从第1个部件开始，即
Figure 210811DEST_PATH_IMAGE064
，计算部件
Figure 48317DEST_PATH_IMAGE062
故障情况下，执行机构是否可在线重构，遍历搜索下去，直到
Figure 552111DEST_PATH_IMAGE065
，最后计算系统的可重构度量指标；
二重故障情况下，采用基于深度搜索方法的执行机构可重构度量指标的计算，
Figure 588200DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 152037DEST_PATH_IMAGE066
代表发生故障的两个部件编号，当判断第
Figure 476839DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 518744DEST_PATH_IMAGE066
部件发生故障后，系统是否可重构时，置第
Figure 609672DEST_PATH_IMAGE062
，部件的健康状态为故障状态，即：
Figure 890929DEST_PATH_IMAGE067
；按照各部件的编号顺序，从第1个部件和第2个部件开始，即，，计算部件
Figure 918425DEST_PATH_IMAGE069
，
Figure 889923DEST_PATH_IMAGE066
故障情况下，执行机构是否可在线重构；遍历搜索下去，直到，最后计算系统的可重构度量指标。
本发明的有益效果如下：
本发明可以直接针对卫星姿态控制系统在轨多执行机构配置方案设计进行量化的可重构性评估，可以用于小卫星姿态控制系统的在轨重构策略选择提供理论支持和计算依据，具有重要的理论和工程应用价值。
附图说明
图1为执行机构可重构性计算方法实施流程图。
图2为一重故障下执行机构可重构度量指标计算流程图。
图3为二重故障下执行机构可重构度量指标计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本发明将系统的一重故障定义为：系统中只有一个独立功能的部件发生故障。二重故障定义为：系统中有两个独立功能的部件发生故障。从工程实际出发，卫星在轨发生部件故障后，优先采用的是硬件备份切换方式来重构系统。由此，针对系统发生一重故障情形，取硬件是否可切换备份来衡量系统是否可在轨重构。定义系统一重故障下的系统可重构度为：一重故障下系统可重构的故障数/系统可能发生的一重故障的总和。定义系统二重故障下的系统可重构度为：二重故障下系统可重构的故障数/系统可能发生的二重故障的总和。将系统的可重构度作为可重构度量指标。本发明在以上定义的基础上，针对某一硬件配置下的卫星姿态控制系统执行机构配置情况，在可控可观的理论基础上，建立部件属性与系统可重构性判据之间的关系，采用基于深度搜索的方法实现一重故障和二重故障情形下的可重构度量指标计算。
实施步骤如图1所示。
（1）可重构度量指标
本发明采用“可重构度”的概念来描述系统在发生故障情况下的系统剩余的重构能力。
针对卫星姿态控制系统可重构性，将一重部件故障概念描述为：系统中只有一个独立功能的部件发生故障；将系统一重部件故障下的系统可重构度概念记为一重可重构度；一重可重构故障个数记为
Figure 404398DEST_PATH_IMAGE001
，一重可重构度记为
Figure 478009DEST_PATH_IMAGE002
，即：
Figure 999120DEST_PATH_IMAGE071
， 表示系统所有部件个数。
针对卫星姿态控制系统可重构性，将二重部件故障概念描述为：系统中有两个最小重构单元发生故障，将系统二重可重构单元故障下的系统可重构度概念记为二重可重构度；定义二重可重构度为
Figure 171793DEST_PATH_IMAGE005
，二重可重构故障个数标志为，
Figure 427642DEST_PATH_IMAGE007
表示排列组合，
Figure 481048DEST_PATH_IMAGE072
表示系统可能发生的两部件故障数总和，则：
Figure 258511DEST_PATH_IMAGE073
。
（2）建立执行机构属性矩阵
系统可重构则系统可控，系统的可控性与控制输入相关，则卫星姿态控制系统可重构性取决于执行机构是否可重构。记某一配置下的卫星姿态控制系统执行机构个数为
Figure 676854DEST_PATH_IMAGE074
个，不失一般性，斜装配置的执行机构对三轴都有作用力矩。在
Figure 906979DEST_PATH_IMAGE075
个执行机构中，第
Figure 764076DEST_PATH_IMAGE013
个执行部件记为
Figure 393116DEST_PATH_IMAGE014
，，给每个部件标定义一个向量来描述该部件的属性，记为
Figure 965360DEST_PATH_IMAGE077
。
其中：
Figure 298252DEST_PATH_IMAGE078
表示执行器编号；
      
Figure 784728DEST_PATH_IMAGE079
表示执行器安装位置，1代表x轴，2代表y轴，3代表z轴，4代表斜装；
      
Figure 872770DEST_PATH_IMAGE080
分别表示执行器安装方向与三轴之间夹角的正弦值；
      
Figure 77487DEST_PATH_IMAGE081
是故障标志位，1代表正常工作，0代表发生故障。
根据步骤（1）定义的各部件属性向量，则某配置下
Figure 948491DEST_PATH_IMAGE021
个执行机构，可建立一个属性矩阵如式（1）所示。
Figure 617369DEST_PATH_IMAGE082
                         （1）       
（3）系统可重构性判据
卫星姿态控制系统的线性化模型描述如下：
Figure 813995DEST_PATH_IMAGE023
其中：
Figure 260937DEST_PATH_IMAGE083
，
Figure 201211DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 662279DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 826544DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 943536DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 484239DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 799813DEST_PATH_IMAGE030
分别表示卫星滚转角、滚转角速率、俯仰角、俯仰角速率、偏航角、偏航角速率。
 ； 
Figure 739268DEST_PATH_IMAGE032
Figure 18415DEST_PATH_IMAGE033
；；
Figure 960143DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 114044DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 934232DEST_PATH_IMAGE084
；
Figure 162082DEST_PATH_IMAGE038
；
Figure 839051DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 214669DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 838548DEST_PATH_IMAGE041
；
Figure 980292DEST_PATH_IMAGE042
是执行器输出力矩；
Figure 31425DEST_PATH_IMAGE043
为系统执行机构的安装矩阵。
Figure 894339DEST_PATH_IMAGE044
；为卫星三本体轴的转动惯量，表示卫星运行的轨道角速度，
Figure 605440DEST_PATH_IMAGE047
表示三轴安装的动量轮角动量。
根据步骤（3）定义的部件属性矩阵，提取属性矩阵中的第六列元素构造对角矩阵M，
Figure 655752DEST_PATH_IMAGE049
。用属性矩阵中的第3、4、5列元素构造矩阵
Figure 709772DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 102707DEST_PATH_IMAGE051
。根据矩阵
Figure 940213DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 506323DEST_PATH_IMAGE050
，可以得到如下的结果：
Figure 480096DEST_PATH_IMAGE053
根据以上描述，对于执行机构，则
Figure 981615DEST_PATH_IMAGE054
。在部件故障情况下，在剩下的功能部件配置资源中如果能找到
Figure 40838DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 348323DEST_PATH_IMAGE050
，使得
Figure 504497DEST_PATH_IMAGE055
, 则系统可实现在线重构；否则，系统不可重构。
卫星姿态控制系统发生一重故障情形，如果在部件
Figure 236306DEST_PATH_IMAGE056
故障情况下，剩余的部件
Figure 782825DEST_PATH_IMAGE057
中是否存在执行部件的属性矩阵
Figure 566104DEST_PATH_IMAGE043
，使得系统可重构。发生二重故障情形，如果在部件
Figure 576785DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 482424DEST_PATH_IMAGE059
故障情况下，剩余的部件中是否存在执行部件的属性矩阵
Figure 165527DEST_PATH_IMAGE043
，使得系统可重构。
（4）系统可重构度量指标计算
可重构故障的概念就是当一个部件发生故障时，系统中仍存在至少一个相同功能的部件能够替换故障的部件，从而使系统的性能不受影响，判断故障是否可重构的过程就是寻找相同功能部件的过程，需要对系统的所有部件逐一搜索，直到找到能够替换故障部件的部件为止，实际上这就是一个遍历搜索的过程；一重故障下系统可重构的故障数就是对系统可能存在的每一种故障情况分别重复上述的搜索过程。根据系统可重构度计算过程的特点，本发明选择深度搜索算法作为系统可重构度的计算方法。
深度搜索算法属于图算法的一种，其搜索所遵循的搜索策略是尽可能“深”地搜索图。在深度搜索中，对于最新发现的结点，如果它还有以此为起点而未搜索的边，就沿此边继续搜索下去。当结点v的所有边都已被探寻过，搜索将回溯到发现结点v有那条边的始结点。这一过程一直进行到已发现从源结点可达的所有结点为止。如果还存在未被发现的结点，则选择其中一个作为源结点并重复以上过程，整个过程反复进行直到所有结点都被发现为止。
记系统可重构标志位为
Figure 296294DEST_PATH_IMAGE061
，1代表可重构，0代表不可重构。
一重故障情况下，采用基于深度搜索方法的执行机构可重构度量指标的计算流程如图2所示。
Figure 372834DEST_PATH_IMAGE062
代表发生故障的部件编号，当判断第i个部件发生故障后，系统是否可重构时，置第i个部件的健康状态为故障状态，即：
Figure 625436DEST_PATH_IMAGE063
。按照各部件的编号顺序，从第1个部件开始，即
Figure 78414DEST_PATH_IMAGE064
，计算部件
Figure 1371DEST_PATH_IMAGE062
故障情况下，执行机构是否可在线重构。遍历搜索下去，直到
Figure 311130DEST_PATH_IMAGE065
。最后计算系统的可重构度量指标。
二重故障情况下，采用基于深度搜索方法的执行机构可重构度量指标的计算流程如图3所示。
Figure 53958DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 45048DEST_PATH_IMAGE066
代表发生故障的两个部件编号。当判断第
Figure 822511DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 303171DEST_PATH_IMAGE066
部件发生故障后，系统是否可重构时，置第
Figure 798874DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 328075DEST_PATH_IMAGE066
部件的健康状态为故障状态，即：
Figure 222695DEST_PATH_IMAGE067
。按照各部件的编号顺序，从第1个部件和第2个部件开始，即
Figure 811939DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 529359DEST_PATH_IMAGE068
，计算部件，
Figure 614307DEST_PATH_IMAGE066
故障情况下，执行机构是否可在线重构。遍历搜索下去，直到
Figure 374452DEST_PATH_IMAGE070
。最后计算系统的可重构度量指标。
为实现某一任务功能的卫星姿态控制系统其姿态确定系统和执行机构配置组合如下： 卫星本体轴X轴正方向安装飞轮1，卫星本体轴Y轴正方向安装飞轮2，卫星本体轴Z轴正方向安装飞轮3，斜装飞轮4与卫星本体坐标系交角分别为
Figure 641486DEST_PATH_IMAGE085
，斜装飞轮5与卫星本体坐标系交角分别为
Figure 778069DEST_PATH_IMAGE086
。针对以上执行安装方式进行可重构度量指标的计算与分析。
（1） 部件属性标识
根据以上执行机构配置，则
Figure 384631DEST_PATH_IMAGE087
。将这5个飞轮依次编号，在各部件状态正常情况下，飞轮的属性向量依次描述为：
Figure 312748DEST_PATH_IMAGE088
，
Figure 4761DEST_PATH_IMAGE089
，，
Figure 468420DEST_PATH_IMAGE091
，
Figure 570368DEST_PATH_IMAGE092
。
（2）建立执行机构属性矩阵
根据步骤（1）定义的各部件属性向量，可建立一个属性矩阵如式（2）所示。
Figure 749677DEST_PATH_IMAGE093
                                    （2）  
（3）一重故障下系统可重构度量指标计算流程
该执行机构配置情况下，一重可重构故障个数。
一重故障情况下，系统可重构度量指标的计算流程如下。如图2所示，
Figure 543637DEST_PATH_IMAGE062
代表发生故障的部件编号。按照各部件的编号顺序，从第1个部件开始，即
Figure 82066DEST_PATH_IMAGE064
，计算部件
Figure 545409DEST_PATH_IMAGE062
故障情况下，执行机构是否可在线重构。遍历搜索下去，直到
Figure 847993DEST_PATH_IMAGE065
。最后计算系统的可重构度量指标。
飞轮1故障情况下，
Figure 955758DEST_PATH_IMAGE064
，判断剩余飞轮2,3,4,5是否可重构，记录
Figure 665088DEST_PATH_IMAGE095
。
飞轮2故障情况下，
Figure 553409DEST_PATH_IMAGE096
，判断剩余飞轮1,3,4,5是否可重构，记录
Figure 435915DEST_PATH_IMAGE095
。
飞轮3故障情况下，
Figure 726082DEST_PATH_IMAGE064
，判断剩余飞轮1,2,4,5是否可重构，记录
Figure 606313DEST_PATH_IMAGE095
。
飞轮4故障情况下，
Figure 981931DEST_PATH_IMAGE096
，判断剩余飞轮1,2,3,5是否可重构，记录
Figure 602880DEST_PATH_IMAGE095
。
飞轮5故障情况下，
Figure 809871DEST_PATH_IMAGE096
，判断剩余飞轮1,2,3,4是否可重构，记录
Figure 861003DEST_PATH_IMAGE095
。
（4）某一执行部件故障下系统是否可重构判断流程
当
Figure 723917DEST_PATH_IMAGE064
时，飞轮1故障情况下，系统还剩下飞轮2,3,4,5。
计算和，其中
Figure 169439DEST_PATH_IMAGE097
，
Figure 519649DEST_PATH_IMAGE098
判断
Figure 485331DEST_PATH_IMAGE055
，则系统可重构。记
Figure 604597DEST_PATH_IMAGE099
。
依次得到如下结论：
飞轮2故障情况下，系统可重构，
Figure 994602DEST_PATH_IMAGE100
。飞轮3故障情况下，系统可重构，
Figure 628846DEST_PATH_IMAGE101
。
飞轮4故障情况下，系统可重构，
Figure 132639DEST_PATH_IMAGE102
。飞轮5故障情况下，系统可重构，
Figure 371991DEST_PATH_IMAGE103
。
（5）一重故障下系统可重构度量指标计算
一重可重构度量指标计算公式为
Figure 998144DEST_PATH_IMAGE104
。
（6）二重故障下系统可重构度量指标计算流程
二重故障情况下，系统可重构度量指标的计算流程如图3所示。
Figure 57367DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 364852DEST_PATH_IMAGE066
代表发生故障的两个部件编号。按照各部件的编号顺序，从第1个部件和第2个部件开始，即
Figure 458710DEST_PATH_IMAGE064
，
Figure 255764DEST_PATH_IMAGE068
，计算部件
Figure 802283DEST_PATH_IMAGE062
，
Figure 647880DEST_PATH_IMAGE066
故障情况下，搜索剩余的
Figure 593314DEST_PATH_IMAGE105
个执行机构是否可在线重构。遍历搜索下去，直到
Figure 561270DEST_PATH_IMAGE070
。最后计算系统的可重构度量指标。
系统所有可能发生的二重故障数为：
Figure 595085DEST_PATH_IMAGE106
。
二重故障情况下，系统可重构度量指标的计算流程如下。
Figure 244373DEST_PATH_IMAGE107
,飞轮1,2故障情况下，判断剩余飞轮3,4,5是否可重构，记录
Figure 47244DEST_PATH_IMAGE108
。
Figure 186101DEST_PATH_IMAGE109
,飞轮1,3故障情况下，判断剩余飞轮2,4,5是否可重构，记录。
Figure 160190DEST_PATH_IMAGE110
,飞轮1,4故障情况下，判断剩余飞轮2,3,5是否可重构，记录
Figure 817568DEST_PATH_IMAGE108
。
,飞轮1,5故障情况下，判断剩余飞轮2,3,4是否可重构，记录
Figure 135733DEST_PATH_IMAGE108
。
Figure 123893DEST_PATH_IMAGE112
,飞轮2,3故障情况下，判断剩余飞轮1,4,5是否可重构，记录
Figure 901357DEST_PATH_IMAGE108
。
Figure 382017DEST_PATH_IMAGE113
,飞轮2,4故障情况下，判断剩余飞轮1,3,5是否可重构，记录
Figure 877720DEST_PATH_IMAGE108
。
Figure 406921DEST_PATH_IMAGE114
,飞轮2,5故障情况下，判断剩余飞轮1,3,4是否可重构，记录。
Figure 956031DEST_PATH_IMAGE115
,飞轮3,4故障情况下，判断剩余飞轮1,2,5是否可重构，记录
Figure 673452DEST_PATH_IMAGE108
。
Figure 6344DEST_PATH_IMAGE116
,飞轮3,5故障情况下，判断剩余飞轮1,2,4是否可重构，记录
Figure 820716DEST_PATH_IMAGE108
。
Figure 580862DEST_PATH_IMAGE117
,飞轮4,5故障情况下，判断剩余飞轮1,2,3是否可重构，记录
Figure 782649DEST_PATH_IMAGE108
。
记二重可重构故障个数标志为
Figure 919232DEST_PATH_IMAGE118
，二重可重构度为，即：
Figure 519158DEST_PATH_IMAGE120
。
（7）某两个执行部件故障下系统是否可重构判断流程
下面以飞轮1,2故障情况下，即
Figure 211170DEST_PATH_IMAGE107
，判断系统剩余飞轮3,4,5是否可重构. 
计算
Figure 885865DEST_PATH_IMAGE052
和
Figure 409250DEST_PATH_IMAGE050
，其中
Figure 776778DEST_PATH_IMAGE121
，
Figure 956086DEST_PATH_IMAGE122
判断
Figure 168893DEST_PATH_IMAGE055
，则系统可重构。记
Figure 812364DEST_PATH_IMAGE123
。
依次得到如下结论：
Figure 82284DEST_PATH_IMAGE109
,飞轮1,3故障情况下，系统不可重构，记录
Figure 748888DEST_PATH_IMAGE123
。
Figure 765386DEST_PATH_IMAGE110
,飞轮1,4故障情况下，系统可重构，记录
Figure 263363DEST_PATH_IMAGE124
。
Figure 972693DEST_PATH_IMAGE111
,飞轮1,5故障情况下，系统可重构，记录
Figure 861015DEST_PATH_IMAGE125
。。
Figure 681203DEST_PATH_IMAGE112
,飞轮2,3故障情况下，系统不可重构，记录
Figure 33687DEST_PATH_IMAGE125
。
Figure 913919DEST_PATH_IMAGE113
,飞轮2,4故障情况下，系统可重构，记录
Figure 289536DEST_PATH_IMAGE126
。
,飞轮2,5故障情况下，系统可重构，记录
Figure 117476DEST_PATH_IMAGE127
。
Figure 168609DEST_PATH_IMAGE115
,飞轮3,4故障情况下，系统可重构，记录。
Figure 193514DEST_PATH_IMAGE116
,飞轮3,5故障情况下，系统可重构，记录
Figure 192694DEST_PATH_IMAGE129
。
Figure 477045DEST_PATH_IMAGE117
,飞轮4,5故障情况下，系统可重构，记录。
（8）二重故障下系统可重构度量指标计算
计算二重故障情况下，该配置的执行机构其可重构度量指标计算结果为
Figure 792937DEST_PATH_IMAGE131
。
上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。 

Claims (1)

1.一种卫星姿态控制系统可重构性度量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）描述可重构度量指标
针对卫星姿态控制系统可重构性，将一重部件故障概念描述为：系统中只有一个独立功能的部件发生故障；将系统一重部件故障下的系统可重构度概念记为一重可重构度；一重可重构故障个数记为                                                
Figure 76634DEST_PATH_IMAGE001
，一重可重构度记为
Figure 477660DEST_PATH_IMAGE002
，即：
Figure 759736DEST_PATH_IMAGE003
， 
Figure 929818DEST_PATH_IMAGE004
表示系统所有部件个数；
针对卫星姿态控制系统可重构性，将二重部件故障概念描述为：系统中有两个最小重构单元发生故障，将系统二重可重构单元故障下的系统可重构度概念记为二重可重构度；定义二重可重构度为
Figure 636218DEST_PATH_IMAGE005
，二重可重构故障个数标志为
Figure 524540DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 344728DEST_PATH_IMAGE007
表示排列组合，
Figure 697212DEST_PATH_IMAGE008
表示系统可能发生的两部件故障数总和，则：
Figure 577443DEST_PATH_IMAGE009
；
（2）建立执行机构属性矩阵
用
Figure 953061DEST_PATH_IMAGE010
表示执行机构，记某一配置下的卫星姿态控制系统执行机构个数为
Figure 639257DEST_PATH_IMAGE011
个，不失一般性，斜装配置的执行机构对三轴都有作用力矩，在
Figure 783931DEST_PATH_IMAGE012
个执行机构中，第
Figure 835063DEST_PATH_IMAGE013
个执行部件记为
Figure 697977DEST_PATH_IMAGE014
，
Figure 922285DEST_PATH_IMAGE015
，给每个部件标定义一个向量来描述该部件的属性，记为
Figure 184115DEST_PATH_IMAGE016
，
其中：
Figure 140569DEST_PATH_IMAGE017
表示执行器编号；
      
Figure 553096DEST_PATH_IMAGE018
表示执行器安装位置，1代表x轴，2代表y轴，3代表z轴，4代表斜装；
      
Figure 518778DEST_PATH_IMAGE019
分别表示执行器安装方向与三轴之间夹角的正弦值；
      
Figure 638044DEST_PATH_IMAGE020
是故障标志位，1代表正常工作，0代表发生故障，
根据步骤（1）定义的各部件属性向量，则某配置下个执行机构，建立一个属性矩阵如式（1）所示
   ；                      （1）       
（3) 提出系统可重构性判据
卫星姿态控制系统的线性化模型描述如下：
Figure 169016DEST_PATH_IMAGE023
其中：，
Figure 930395DEST_PATH_IMAGE025
、
Figure 989618DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 297103DEST_PATH_IMAGE027
、
Figure 453278DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 188015DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 734534DEST_PATH_IMAGE030
分别表示卫星滚转角、滚转角速率、俯仰角、俯仰角速率、偏航角、偏航角速率， 
Figure 580131DEST_PATH_IMAGE031
 ； 
Figure 590812DEST_PATH_IMAGE032
Figure 496451DEST_PATH_IMAGE033
；
Figure 530266DEST_PATH_IMAGE034
；
Figure 241870DEST_PATH_IMAGE035
；
Figure 41811DEST_PATH_IMAGE036
；
Figure 118352DEST_PATH_IMAGE037
；；
Figure 154758DEST_PATH_IMAGE039
；
Figure 812135DEST_PATH_IMAGE040
；
Figure 59577DEST_PATH_IMAGE041
；是执行器输出力矩；
Figure 121391DEST_PATH_IMAGE043
为系统执行机构的安装矩阵，
Figure 898854DEST_PATH_IMAGE044
；
Figure 317197DEST_PATH_IMAGE045
为卫星三本体轴的转动惯量，
Figure 875217DEST_PATH_IMAGE046
表示卫星运行的轨道角速度，
Figure 401489DEST_PATH_IMAGE047
表示三轴安装的动量轮角动量；
提取部件属性矩阵中的第六列元素构造对角矩阵M，
Figure 888282DEST_PATH_IMAGE049
，用属性矩阵中的第3、4、5列元素构造矩阵
Figure 668020DEST_PATH_IMAGE050
,
Figure 912DEST_PATH_IMAGE051
，根据矩阵和
Figure 575430DEST_PATH_IMAGE050
，得到如下的结果：
Figure 780146DEST_PATH_IMAGE053
根据以上描述，对于执行机构，则
Figure 916729DEST_PATH_IMAGE054
；在部件故障情况下，在剩下的功能部件配置资源中如果能找到和，使得
Figure 205738DEST_PATH_IMAGE055
, 则系统可实现在线重构；否则，系统不可重构；
卫星姿态控制系统发生一重故障情形，如果在执行机构
Figure 880433DEST_PATH_IMAGE056
故障情况下，剩余的执行机构
Figure 403818DEST_PATH_IMAGE057
中是否存在属性矩阵
Figure 771345DEST_PATH_IMAGE043
，使得系统可重构；发生二重故障情形，如果在执行机构和
Figure 163461DEST_PATH_IMAGE059
故障情况下，剩余的部件中是否存在执行部件的属性矩阵
Figure 79781DEST_PATH_IMAGE043
，使得系统可重构；
(4) 系统可重构度量指标计算
记系统可重构标志位为，1代表可重构，0代表不可重构；
一重故障情况下，采用基于深度搜索方法的执行机构可重构度量指标的计算，代表发生故障的部件编号，当判断第i个部件发生故障后，系统是否可重构时，置第i个部件的健康状态为故障状态，即：
Figure 260861DEST_PATH_IMAGE062
；按照各部件的编号顺序，从第1个部件开始，即
Figure 967261DEST_PATH_IMAGE063
，计算部件故障情况下，执行机构是否可在线重构，遍历搜索下去，直到
Figure 738088DEST_PATH_IMAGE064
，最后计算系统的可重构度量指标；
二重故障情况下，采用基于深度搜索方法的执行机构可重构度量指标的计算，
Figure 28255DEST_PATH_IMAGE058
，代表发生故障的两个部件编号，当判断第
Figure 284104DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 642404DEST_PATH_IMAGE065
部件发生故障后，系统是否可重构时，置第
Figure 114974DEST_PATH_IMAGE058
，
Figure 166107DEST_PATH_IMAGE065
部件的健康状态为故障状态，即：
Figure 29020DEST_PATH_IMAGE066
；按照各部件的编号顺序，从第1个部件和第2个部件开始，即
Figure 253328DEST_PATH_IMAGE063
，
Figure 249579DEST_PATH_IMAGE067
，计算部件
Figure 471613DEST_PATH_IMAGE068
，
Figure 821822DEST_PATH_IMAGE065
故障情况下，执行机构是否可在线重构；遍历搜索下去，直到
Figure 849821DEST_PATH_IMAGE069
，最后计算系统的可重构度量指标。
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