CN111516908B - 一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法 - Google Patents

一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，所述火星探测器包括两台加速度计和三套陀螺，所述火星探测器推进系统包括轨控推力器和姿控推力器，该方法根据两台加速度计的测量值，判断轨控推力器正常；三台陀螺的测量值，判断姿控推力器正常。敏感器与推进系统的推力状态进行联合故障诊断，提高轨道控制的可靠性。

Description

一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法
技术领域
本发明涉及火星探测器器分离轨控期间故障诊断，尤其针对一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，属于深空探测故障诊断与重构技术领域。
背景技术
火星探测器需要经过多次变轨才能进入任务轨道，由于器地距离远，轨道控制过程中出现故障地面无法及时干预，需要星上自主进行故障诊断，自主完成轨道控制。
近地卫星变轨期间出现故障时停止轨控，等待地面确认后再设计轨控策略。无法实时进行在轨故障诊断。本发明通过加表之间和理论加速度的比较对加表的测量数据进行诊断，通过陀螺之间和表头输出数据的比较对陀螺进行诊断，并利用可用加速度计和陀螺对推力器进行故障诊断。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适用于火星探测双加速度计与推进系统联合故障诊断方法，为火星探测期间的故障诊断提出一种可行的方法，为深空探测变轨提供支撑。
本发明的技术解决方案是：一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，所述火星探测器包括两台加速度计和三套陀螺，所述火星探测器推进系统包括轨控推力器和姿控推力器，该方法包括如下步骤：
(1)、根据两台加速度计的测量值，对每台加速度计进行故障判断，当两台加速度计都存在故障时，不对轨控推力器进行故障诊断，直接进入步骤(2)；否则，对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据，将可用加速度计输出数据中在推力方向的值与推力方向理论加速度进行比较，如果在第一时间范围内可用加速度计数据中在推力方向的输出值均小于推力方向理论加速度的第一比值，则认为轨控推力器存在故障，否则，认为轨控推力器正常；
(2)、对三台陀螺测量值进行故障判断，得到可用陀螺数据，若不存在可用陀螺数据，则不进行姿控推力器故障诊断；否则，对可用陀螺数据进行判断，当连续第二时间范围内可用陀螺输出的角速度积分得到的姿态角度与目标姿态角度偏差均超过第一阈值或者连续第三时间范围内可用陀螺输出的角速度均超过第二阈值时，则认为姿控推力器存在故障，否则，认为姿控推力器正常。
根据加速度计的测量值对单台加速度计进行故障判断的具体方法为：
若加速度计在预设的M个输出周期内存在N次输出周期通讯异常、数据不变或者极性异常的现象，认为，该加速度计存在故障；否则，认为该加速度计正常，M，N大于等于1。
对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据的具体优选方法包括：
当存在且仅存在一台加速度计无故障时，判断该无故障加速度计在推力方向的测量值是否大于理论加速度的第二比值，若大于，则该无故障加速度计输出的测量值作为可用加速度计输出数据，否则，将可用加速度计输出数据置0。
所述两台加速度计均无故障，且相互备份时，对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据的具体方法还包括：
当两台加速度计均无故障时，如果两台加速度计在推力方向的测量值之差小于第二预设门限，则认为两台加速度计输出一致，任意选取其中一台加速度计的输出值作为可用加速度计输出数据，如果两台加速度计推力方向的测量值之差大于等于第三预设门限，则认为两台加速度计输出不一致，将推力方向的测量值与推力方向理论加速度偏差小的加速度计数据作为可用加速度计输出数据。
所述两台加速度计均无故障，且其中一台加速度计为强选加速度计，一台为未强选加速度计，强选加速度计优先级高于未强选加速度计；
对加速度计的输出进行优选，获取有效加速度计输出数据的具体方法还包括：
将强选加速度计的输出值，作为有效加速度计输出数据。
对三套陀螺测量值进行故障判断，得到可用陀螺数据的具体方法为：
(2.1)、如果三套陀螺均无故障，则按照三套陀螺的优先级进行3取2操作，选择可用陀螺数据；
(2.2)、如果有两套陀螺无故障，则将优先级高的那套陀螺输出数据作为可用陀螺数据；
(2.3)、如果一套陀螺无故障，则将该套陀螺输出数据作为可用陀螺数据；
(2.4)、如果三套陀螺组合均存在故障，则可用陀螺数据赋值0。
所述步骤(2.1)的具体判断方法为：
若最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；否则，若最高优先级陀螺输出数据与最低优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；如果最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺和最低优先级陀螺的输出数据均不一致，则，判断次高优先级陀螺输出数据和最低优先级陀螺输出数据是否一致，如果一致，则次高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；否则，对每个轴对应的三个陀螺的输出数据进行三取二操作，对于任意一个轴，若最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；否则，若最高优先级陀螺输出数据与最低优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；如果最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺和最低优先级陀螺的输出数据均不一致，则，判断次高优先级陀螺输出数据和最低优先级陀螺输出数据是否一致，如果一致，则次高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；若两套陀螺三轴的相应输出数据之差均小于第四预设门限，则认为陀螺数据输出一致；否则认为陀螺数据输出不一致。
所述陀螺的单机级故障诊断：
当n个控制周期内有m个控制周期存在通信异常、状态字异常、单机不变、跳变的现象时，认为陀螺出现故障；否则，认为陀螺正常；m,n大于1。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明分别通过加速度计的数据和陀螺数据对轨控推力器和姿控推力器进行故障诊断，2台加表数据有效时，利用加表数据对轨控推力器进行故障诊断；陀螺数据有效时利用陀螺的角速度信息和角度信息对姿控推力器进行故障诊断。可以在轨实时进行推力器故障诊断，有助于推力器重组完成轨控。
(2)、本发明先对两套加速度计进行单机级故障，对通过单机级故障诊断的加速度计结合理论加速度进行系统级故障诊断。通过结合理论加速度和加速度计之间数据的比较，对加表的测量数据进行判断，能够实现加表自身的故障诊断。
(3)、本发明先对三套陀螺进行单机级故障诊断。对通过单机级故障诊断的陀螺进行系统级故障诊断，若未三套陀螺未通过系统级故障诊断进行九表头组合故障诊断。实现陀螺的在轨故障诊断，最大程度地保证轨控的正常执行。
附图说明
图1为本发明实施例火星探测器推进系统的故障诊断方法流程图。
图2为本发明实施例加速度计故障判断流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
火星探测中由于器地距离远，轨道控制需要由星上自主完成，为了提高轨道控制的可靠性，在火星探测器上搭载敏感器有加速度计和陀螺用于轨道控制期间的速度和姿态的测量，考虑单机备份状态，在火星探测器上搭载2台加速度计和3套陀螺。
如图1所示，本发明提供了一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，所述火星探测器包括两台加速度计和三套陀螺，所述火星探测器推进系统包括轨控推力器和姿控推力器，该方法包括如下步骤：
(1)、根据两台加速度计的测量值，对每台加速度计进行故障判断，当两台加速度计都存在故障时，不对轨控推力器进行故障诊断，直接进入步骤(2)；否则，对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据，将可用加速度计输出数据中在推力方向的值与推力方向理论加速度进行比较，如果在第一时间范围内可用加速度计数据中在推力方向的输出值均小于推力方向理论加速度的第一比值，则认为轨控推力器存在故障，否则，认为轨控推力器正常；在本发明的某一具体实施例中，所述第一时间范围可以是至少10个控制周期，所述第一比值为80％。
(a)、根据加速度计的测量值对单台加速度计进行故障判断的具体方法为：
若加速度计在预设的M个输出周期内存在N次输出周期通讯异常、数据不变或者极性异常的现象，认为，该加速度计存在故障；否则，认为该加速度计正常。在本发明的某一具体实施例中，所述M为10个控制周期，N为8个控制周期。
通讯异常是指：加速度计输出的数据不符合约定的格式；
数据不变是指：加速度计当前控制周期输出值与上一控制周期的输出值之差小于第一预设门限；在本发明的某一具体实施例中，所述第一预设门限为前后两个控制周期加表测量的加速度小于10-6g，则认为输出数据不变。
极性异常是指：加速度计的输出值不在合理阈值范围以内；
(b)、对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据的具体优选方法如图2所示，具体包括：
当存在且仅存在一台加速度计无故障时，判断该无故障加速度计在推力方向的测量值是否大于理论加速度的第二比值，若大于，则该无故障加速度计输出的测量值作为可用加速度计输出数据，否则，将可用加速度计输出数据置0。第二比值可以与第一比值相同。
所述两台加速度计均无故障，且相互备份时，对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据的具体方法还包括：
当两台加速度计均无故障时，如果两台加速度计在推力方向的测量值之差小于第二预设门限，则认为两台加速度计输出一致，任意选取其中一台加速度计的输出值作为可用加速度计输出数据，如果两台加速度计推力方向的测量值之差大于等于第三预设门限，则认为两台加速度计输出不一致，将推力方向的测量值与推力方向理论加速度偏差小的加速度计数据作为可用加速度计输出数据。第二预设门限可以是0.1m/s2，第三预设门限可以是0.1m/s2。
所述两台加速度计均无故障，且其中一台加速度计为强选加速度计，一台为未强选加速度计，强选加速度计优先级高于未强选加速度计；
对加速度计的输出进行优选，获取有效加速度计输出数据的具体方法还包括：
将强选加速度计的输出值，作为有效加速度计输出数据。
(2)、对三台陀螺测量值进行故障判断，得到可用陀螺数据，若不存在可用陀螺数据，则不进行姿控推力器故障诊断；否则，对可用陀螺数据进行判断，当连续第二时间范围内可用陀螺输出的角速度积分得到的姿态角度与目标姿态角度偏差均超过第一阈值或者连续第三时间范围内可用陀螺输出的角速度均超过第二阈值时，则认为姿控推力器存在故障，否则，认为姿控推力器正常。
第一阈值为8°。第二阈值取值1°/s。第二时间连续20个控制周期。第三时间范围为连续20个控制周期。
对三套陀螺测量值进行故障判断，得到可用陀螺数据的具体方法为：
(2.1)、如果三套陀螺均无故障，则按照三套陀螺的优先级进行3取2操作，选择可用陀螺数据；
所述步骤(1)的具体判断方法为：
若最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；否则，若最高优先级陀螺输出数据与最低优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；如果最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺和最低优先级陀螺的输出数据均不一致，则，判断次高优先级陀螺输出数据和最低优先级陀螺输出数据是否一致，如果一致，则次高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；否则，对每个轴对应的三个陀螺的输出数据进行三取二操作，对于任意一个轴，若最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；否则，若最高优先级陀螺输出数据与最低优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；如果最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺和最低优先级陀螺的输出数据均不一致，则，判断次高优先级陀螺输出数据和最低优先级陀螺输出数据是否一致，如果一致，则次高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；若两套陀螺三轴的相应输出数据之差均小于第四预设门限，则认为陀螺数据输出一致；否则认为陀螺数据输出不一致。第四预设门限可以是0.1°/s。
(2.2)、如果有两套陀螺无故障，则将优先级高的那套陀螺输出数据作为可用陀螺数据；
(2.3)、如果一套陀螺无故障，则将该套陀螺输出数据作为可用陀螺数据；
(2.4)、如果三套陀螺组合均存在故障，则可用陀螺数据赋值0。
陀螺的单机级故障诊断：
当n个控制周期内有m个控制周期存在通信异常、状态字异常、单机不变、跳变的现象时，认为陀螺出现故障；否则，认为陀螺正常。在本发明的某一具体实施例中，n取值为10，m取值为8。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，所述火星探测器包括两台加速度计和三套陀螺，所述火星探测器推进系统包括轨控推力器和姿控推力器，其特征在于包括如下步骤：
(1)、根据两台加速度计的测量值，对每台加速度计进行故障判断，当两台加速度计都存在故障时，不对轨控推力器进行故障诊断，直接进入步骤(2)；否则，对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据，将可用加速度计输出数据中在推力方向的值与推力方向理论加速度进行比较，如果在第一时间范围内可用加速度计数据中在推力方向的输出值均小于推力方向理论加速度与第一比值的乘积，则认为轨控推力器存在故障，否则，认为轨控推力器正常；
(2)、对三台陀螺测量值进行故障判断，得到可用陀螺数据，若不存在可用陀螺数据，则不进行姿控推力器故障诊断；否则，对可用陀螺数据进行判断，当连续第二时间范围内可用陀螺输出的角速度积分得到的姿态角度与目标姿态角度偏差均超过第一阈值或者连续第三时间范围内可用陀螺输出的角速度均超过第二阈值时，则认为姿控推力器存在故障，否则，认为姿控推力器正常。
2.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于根据加速度计的测量值对单台加速度计进行故障判断的具体方法为：
若加速度计在预设的M个输出周期内存在N次输出周期通讯异常、数据不变或者极性异常的现象，认为，该加速度计存在故障；否则，认为该加速度计正常，M，N大于等于1。
3.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据的具体优选方法包括：
当存在且仅存在一台加速度计无故障时，判断该无故障加速度计在推力方向的测量值是否大于理论加速度与第二比值的乘积，若大于，则该无故障加速度计输出的测量值作为可用加速度计输出数据，否则，将可用加速度计输出数据置0。
4.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于所述两台加速度计均无故障，且相互备份时，对加速度计的输出进行优选，获取可用加速度计输出数据的具体方法还包括：
当两台加速度计均无故障时，如果两台加速度计在推力方向的测量值之差小于第二预设门限，则认为两台加速度计输出一致，任意选取其中一台加速度计的输出值作为可用加速度计输出数据，如果两台加速度计推力方向的测量值之差大于等于第三预设门限，则认为两台加速度计输出不一致，将推力方向的测量值与推力方向理论加速度偏差小的加速度计数据作为可用加速度计输出数据。
5.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于所述两台加速度计均无故障，且其中一台加速度计为强选加速度计，一台为未强选加速度计，强选加速度计优先级高于未强选加速度计；
对加速度计的输出进行优选，获取有效加速度计输出数据的具体方法还包括：
将强选加速度计的输出值，作为有效加速度计输出数据。
6.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于对三套陀螺测量值进行故障判断，得到可用陀螺数据的具体方法为：
(2.1)、如果三套陀螺均无故障，则按照三套陀螺的优先级进行3取2操作，选择可用陀螺数据；
(2.2)、如果有两套陀螺无故障，则将优先级高的那套陀螺输出数据作为可用陀螺数据；
(2.3)、如果一套陀螺无故障，则将该套陀螺输出数据作为可用陀螺数据；
(2.4)、如果三套陀螺组合均存在故障，则可用陀螺数据赋值0。
7.根据权利要求6所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于所述步骤(1)的具体判断方法为：
若最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；否则，若最高优先级陀螺输出数据与最低优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；如果最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺和最低优先级陀螺的输出数据均不一致，则，判断次高优先级陀螺输出数据和最低优先级陀螺输出数据是否一致，如果一致，则次高优先级陀螺输出数据作为可用陀螺数据；否则，对每个轴对应的三个陀螺的输出数据进行三取二操作，对于任意一个轴，若最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；否则，若最高优先级陀螺输出数据与最低优先级陀螺输出数据一致，则将最高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；如果最高优先级陀螺输出数据与次高优先级陀螺和最低优先级陀螺的输出数据均不一致，则，判断次高优先级陀螺输出数据和最低优先级陀螺输出数据是否一致，如果一致，则次高优先级陀螺输出数据作为该轴可用陀螺数据；若两套陀螺三轴的相应输出数据之差均小于第四预设门限，则认为陀螺数据输出一致；否则认为陀螺数据输出不一致。
8.根据权利要求1所述的一种适用于火星探测器推进系统的故障诊断方法，其特征在于陀螺的单机级故障诊断：
当n个控制周期内有m个控制周期存在通信异常、状态字异常、单机不变、跳变的现象时，认为陀螺出现故障；否则，认为陀螺正常；m,n大于1。
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