CN103234553B

CN103234553B - 一种陀螺测量系统的故障诊断方法

Info

Publication number: CN103234553B
Application number: CN201310108771.8A
Authority: CN
Inventors: 王新民; 袁军; 张俊玲; 姚宁; 曹永梅; 程莉; 周剑敏; 赵性颂; 王哲; 魏懿
Original assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Current assignee: Beijing Institute of Control Engineering
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: CN103234553A

Abstract

一种陀螺测量系统的故障诊断方法，包括以下步骤：（1）确定陀螺属于何种构型，之后计算陀螺之间的夹角关系；（2）确定陀螺平衡方程的权系数；（3）确定判断陀螺排序；（4）根据步骤（3）中确定的判断陀螺排序结果，设计平衡方程；（5）设计故障诊断方法。本发明方法能大幅度提高陀螺故障诊断的概率，工程可实现性强，能适应任何复杂构型的陀螺故障诊断。

Description

一种陀螺测量系统的故障诊断方法

技术领域

本发明属于航天器姿态和轨道控制领域，涉及一种陀螺测量系统的故障诊断方法。

背景技术

陀螺测量系统是航天器姿态和轨道控制任务中经常使用的角速度敏感器，其可靠性直接影响着航天器的可靠性。随着航天器技术的不断发展，对航天器自主运行提出了越来越高的要求，实现陀螺测量系统的自主故障诊断和处理，对提高航天器的自主运行能力具有十分重要的意义。陀螺安装构型有主备3正交构型、3正交+1斜装构型、多斜装构型等，陀螺构型往往影响了故障诊断算法的设计和诊断的准确性。国内外对陀螺故障诊断进行了许多研究，归纳起来陀螺的故障诊断算法一般可分为两大类：直接诊断法和间接诊断法。直接诊断法一般包括门限值检验、输出一致性检测等。间接诊断法则是通过陀螺之外的其它信息(如星敏感器、红外地球敏感器、动力学分析等)间接推断诊断对象发生故障的方法。相关文献有：

【1】邢琰等，基于四元数估计角速率的陀螺故障定位，宇航学报，24卷（4），2003：410～413。鉴于角度和角速度敏感器的输出通过卫星运动学相关，文中利用姿态测量敏感器的输出和动力学滤波采用解析冗余的方法来诊断陀螺故障。

【2】王立峰等，3+1S陀螺的故障检测方法研究，中国空间科学技术，2009年12月：52～58。文中重点讨论了卫星出现大角速度超出陀螺测量范围而出现饱和的情况，并结合卫星质量特性，给出了避免误判的对策。

【3】苏林等，基于双统计判据的速率陀螺故障诊断方法研究，装备指挥技术学院学报，22卷（2），2011：78～83。文中利用测量数据之间的相关性将其分为主元子空间和残差子空间，在各空间中建立统计量来检测故障，通过双统计量的贡献图识别出故障传感器，应用双统计判据法进行陀螺的故障检测与诊断。

上述方法存在如下不足：一般着重于诊断算法，并且大部分基于陀螺的正装构型，如3正交构型、多套互为冗余的3正交构型、3正交+1斜装构型等，而对陀螺斜装的非正交构型带来的诊断异常没有考虑，平衡方程的设置都是按照常规方法，实际上诊断的准确性与陀螺构型、平衡方程、诊断算法等密切相关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，针对陀螺故障问题，提供了一种陀螺测量系统的故障诊断方法。

本发明包括如下技术方案：

一种陀螺测量系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

（1）确定陀螺属于何种构型，之后计算陀螺之间的夹角关系；

（2）确定陀螺平衡方程的权系数R_n为引入陀螺{i₁,…,i_n}n=4,5的安装位置矩阵，且R_n=[O_gi1,O_gi2,...,O_gi(n-1)]^T，O_gij(j=1,...,n，n=4,5)为陀螺的安装位置；

（3）确定判断陀螺排序；

（4）根据步骤（3）中确定的判断陀螺排序结果，设计平衡方程；

（5）设计故障诊断方法。

所述陀螺构型包括正交构型、正交与斜装组合构型以及斜装构型。

所述陀螺之间的夹角通过公式计算得到，其中，两个陀螺i、j的安装位置分别为行向量O_gi和O_gj。

所述确定判断陀螺排序的方法如下：

（4.1）根据引入陀螺数据的序号，按从小到大排列，得到序列{i₁,…,i_n}；

（4.2）将陀螺分成组，记对应评价值为max_minA₁、max_minA₂、…、max_minA_N;

（4.3）计算max_minA_k，k=1,...,N,其中

max_minA_k=max(abs(Q_giRk))/min(abs(Q_giRk)+1e-8)，Q_giRk=[O_gim·inv(R_k ^TR_k)R_k ^T,-1]，R_k为第k组陀螺安装位置矩阵，O_gim为引入陀螺中不属于第k组陀螺的其他任一陀螺的安装位置；

（4.4）取max_minA_k，k=1,...,N中最小值，并将对应的组合作为确定判断陀螺排序组合，组合里的四个陀螺作为排序后新组合的前四个陀螺，而没有包含的另外一个陀螺作为新组合中的第五个陀螺。

所述根据确定出的判断陀螺排序结果，设计陀螺平衡方程为ε_Δ=O_giR·g-dg_i5'；其中，O_giR=O_gi5'·inv(R^TR)R^T，R=[O_gi1',O_gi2',O_gi3',O_gi4']^T，g=[dg_i1',dg_i2',dg_i3',dg_i4']^T，(i₁',i₂',i₃',i₄',i₅')为新组合，dg_i1',dg_i2',dg_i3',dg_i4',dg_i5'为陀螺测量输出。

所述故障诊断方法为：

当五个陀螺工作时，所述陀螺系统故障诊断方法为：如果五陀螺的平衡方程不满足预设的判断阈值，连续m_fault次以上则认为有陀螺故障，则先构造由四个陀螺测量输出组成的个不同的四陀螺平衡方程，并对平衡方程残差幅值设计不同判断区间，不同判断区间赋予不同的记分分值，连续ΔT秒后对分数最低的对应陀螺记次器加1，如此反复进行，如果判断出有陀螺故障且仅一个陀螺的记次器超过m_faultM次，则该记次器对应的陀螺故障，否则重新进行故障判断，m_fault、ΔT和m_faultM均为预设值；

当四个陀螺工作时，所述陀螺系统故障诊断方法为：在判断四个陀螺的平衡方程时，先构造由四个陀螺测量输出组成的4个不同的四陀螺平衡方程，再对平衡方程残差进行判断，如果连续m_fault1次最大的残差幅值超过允许门限，则有陀螺故障，再根据红外地球敏感器和数字太阳敏感器或者单独采用星敏感器信息定位故障陀螺，由红外地球敏感器和数字太阳敏感器或者单独采用星敏感器信息确定的姿态与各陀螺输出数据的相关性组成4个新的平衡方程，每隔ΔT₁时间判断一次，如此反复进行，如果陀螺有故障且连续m_fault4次不满足新平衡方程，则认为新平衡方程对应的陀螺故障，m_fault1、ΔT₁和m_fault4均为预设值。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

（1）本发明针对陀螺故障，设计了一种自主调整平衡方程的故障诊断方法，能大幅度提高陀螺故障诊断的概率，本发明工程可实现性强。

（2）本发明通过分析平衡方程权系数，交换判断陀螺排序，设置不同的平衡方程，克服了陀螺之间夹角较小而带来的故障诊断异常影响。

（3）本发明适应任何复杂构型的陀螺故障诊断。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供了一种陀螺测量系统的故障诊断方法，包括以下步骤：

（1）确定陀螺属于何种构型，之后计算陀螺之间的夹角关系，陀螺构型包括正交构型、正交与斜装组合构型以及斜装构型，陀螺之间的夹角通过公式计算得到，其中，两个陀螺i、j的安装位置分别为行向量O_gi和O_gj。

例如：记dg_i、dg_j、dg_k、dg_l、dg_m分别为陀螺i、j、k、l、m的测量输出。对于五陀螺平衡方程ε_ijklm=a_i·dg_i+a_j·dg_j+a_k·dg_k+a_l·dg_l-dg_m，其中系数qx5=[a_i,a_j,a_k,a_l,-1]为五陀螺平衡方程的权系数。对于四陀螺平衡方程ε_ijkl=a_i·dg_i+a_j·dg_j+a_k·dg_k-dg_l，其中系数qx4=[a_i,a_j,a_k,-1]为四陀螺平衡方程的权系数，上述四陀螺平衡方程将陀螺l、k交换排序后改为ε_ijlk=a_i'·dg_i+a'_j·dg_j+a_l'·dg_l-dg_k，则权系数为qx4’=[a_i',a'_j,a_l',-1]。

（3）确定判断陀螺排序；

确定判断陀螺排序的方法如下：

（3.1）根据引入陀螺数据的序号，按从小到大排列，得到序列{i₁,…,i_n}；

（3.2）将陀螺分成组，记对应评价值为max_minA₁、max_minA₂、…、max_minA_N;

（3.3）计算max_minA_k，k=1,...,N,其中

（3.4）取max_minA_k，k=1,...,N中最小值，并将对应的组合作为确定判断陀螺排序组合，组合里的四个陀螺作为排序后新组合的前四个陀螺，而没有包含的另外一个陀螺作为新组合中的第五个陀螺。

（4）根据步骤（3）中确定的判断陀螺排序结果，设计平衡方程；设计陀螺平衡方程为ε_Δ=O_giR·g-dg_i5'；其中，O_giR=O_gi5'·inv(R^TR)R^T，R=[O_gi1',O_gi2',O_gi3',O_gi4']^T，g=[dg_i1',dg_i2',dg_i3',dg_i4']^T，(i₁',i₂',i₃',i₄',i₅')为新组合，dg_i1',dg_i2',dg_i3',dg_i4',dg_i5'为陀螺测量输出。

例如：以新组合(i₁,i₂,i₃,i₄,i₅)为例，R=[O_gi1,O_gi2,O_gi3,O_gi4]^T，g=[dg_i1,dg_i2,dg_i3,dg_i4]^T，O_giR=O_gi5·inv(R^TR)R^T，则五陀螺平衡方程为ε_i12345=O_giR·g-dg_i5，其它排序组合的平衡方程与此类似。

（5）设计故障诊断方法。故障诊断方法为：

实施例：

本发明针对陀螺故障问题，提供了一种陀螺测量系统的故障诊断方法。以卫星安装了9个斜装陀螺为例，假设陀螺G1～G9的安装位置为：

O_g1=[0.57735105,-0.43870300,0.68862577]；

O_g2=[0.57735105,0.17672209,-0.79714181]；

O_g3=[0.57735105,-0.37701591,-0.72424082]；

O_g4=[0.57735105,0.60198402,0.55161672]；

O_g5=[0.57735105,0.81571891,0.03561506]；

O_g6=[0.57735105,-0.77870610,0.24552509]；

O_g7=[0.57735105,0.10657412,0.80951079]；

O_g8=[0.57735105,-0.75434397,-0.31245950]；

O_g9=[0.57735105,0.64776985,-0.49705129]。

（1）分析陀螺构型

陀螺之间的夹角关系如下表所示。由表可知，陀螺G1G3G5、G2G4G6、G7G8G9这三组为正交组合，但是安装位置均不与星体轴一致，9个陀螺呈一个斜装构型，陀螺间最小夹角为32.43度。

（2）分析陀螺平衡方程的权系数关系

本发明例以陀螺G1～G5为例，五陀螺平衡方程ε_g12345的权系数为qx5=[-0.2707,0.4913,-0.1440,0.9234,-1],权系数相差约6.9倍;五陀螺平衡方程ε_g23451的权系数为qx5=[-1.0192,1.3179,1.5615,-0.8602,-1],权系数相差约1.8倍。进一步可求得，任意五个陀螺按照序号排序的平衡方程权系数最小相差约1.8倍，最大超过100倍，有的权系数甚至接近0。

确定故障诊断算法，本发明例以陀螺G1～G5为例。

（3）确定判断陀螺排序

将陀螺分成五组，分别为A(G1,G2,G3,G4)、B(G1,G2,G3,G5)、C(G1,G2,G4,G5)、D(G1,G3,G4,G5)、E(G2,G3,G4,G5)，通过计算其对应评价值为max_minA=6.9、max_minB>100(有接近0的系数)、max_minC=6.4、max_minD=7.8、max_minE=1.8，可见组合E(G2,G3,G4,G5)对应评价值最小，由此确定用于诊断的陀螺排序为G2G3G4G5G1。

（4）设计平衡方程

根据上述的判断陀螺排序结果，确定用于诊断的陀螺排序为G2G3G4G5G1，设计五陀螺平衡方程为ε_g23451=-1.092dg₂+1.3179dg₃+1.5615dg₄-0.8602dg₅-dg₁，其中dg₁、dg₂、dg₃、dg₄、dg₅分别为陀螺G1、G2、G3、G4、G5的测量输出。

（5）设计故障诊断算法

五个陀螺工作的故障诊断算法：

如果|ε_g23451|>Δε₁(连续m_fault次以上则认为有陀螺故障)，则先构造由四个陀螺测量输出组成的个不同的四陀螺平衡方程，并对平衡方程残差幅值设计3个不同判断区间:<Δε₂,[Δε₂,Δε₃]，>Δε₃，其中Δε₃>Δε₂，落入这3个不同的区间分别记3分、1分、0分，连续10秒后对分数最低的对应陀螺记次器加1，如此反复进行，如果判断出有陀螺故障且仅一个陀螺的记次器超过m_faultM次，则该记次器对应的陀螺故障，否则重新进行故障判断。数学仿真验证，假设m_fault=5，Δε₂=0.7e-4，Δε₃=0.35e-3，m_faultM=3，陀螺G1故障，输出常值0.1度/秒，而理论输出为0.026度/秒，采用上述算法经过30s诊断出陀螺G1故障。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims

1.一种陀螺测量系统的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定陀螺属于何种构型，之后计算陀螺之间的夹角关系；

(2)确定陀螺平衡方程的权系数R_n为引入陀螺{i₁,…,i_n}n＝4,5的安装位置矩阵，且R_n＝[O_gi1,O_gi2,...,O_gi(n-1)]^T，O_gij(j＝1,...,n，n＝4,5)为陀螺的安装位置；

(3)确定判断陀螺排序；

所述确定判断陀螺排序的方法如下：

(3.1)根据引入陀螺数据的序号，按从小到大排列，得到序列{i₁,…,i_n}；

(3.2)将陀螺分成组，记对应评价值为max_minA₁、max_minA₂、…、max_minA_N；

(3.3)计算max_minA_k，k＝1,...,N,其中

max_minA_k＝max(abs(Q_giRk))/min(abs(Q_giRk)+1e-8)，Q_giRk＝[O_gim·inv(R_k ^TR_k)R_k ^T,-1]，R_k为第k组陀螺安装位置矩阵，O_gim为引入陀螺中不属于第k组陀螺的其他任一陀螺的安装位置；

(3.4)取max_minA_k，k＝1,...,N中最小值，并将对应的组合作为确定判断陀螺排序组合，组合里的四个陀螺作为排序后新组合的前四个陀螺，而没有包含的另外一个陀螺作为新组合中的第五个陀螺；

(4)根据步骤(3)中确定的判断陀螺排序结果，设计平衡方程；

所述根据确定出的判断陀螺排序结果，设计陀螺平衡方程为ε_Δ＝O_giR·g-dg_i5'；其中，O_giR＝O_gi5'·inv(R^TR)R^T，R＝[O_gi1',O_gi2',O_gi3',O_gi4']^T，g＝[dg_i1',dg_i2',dg_i3',dg_i4']^T，(i₁',i₂',i₃',i₄',i₅')为新组合，dg_i1',dg_i2',dg_i3',dg_i4',dg_i5'为陀螺测量输出；

(5)设计故障诊断方法；

所述故障诊断方法为：

2.根据权利要求1所述的一种陀螺测量系统的故障诊断方法，其特征在于：所述陀螺构型包括正交构型、正交与斜装组合构型以及斜装构型。

3.根据权利要求1所述的一种陀螺测量系统的故障诊断方法，其特征在于：所述陀螺之间的夹角通过公式计算得到，其中，两个陀螺i、j的安装位置分别为行向量O_gi和O_gj。