[发明专利]深空探测器GNC系统分层自主故障诊断方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器故障处理领域，涉及一种自主故障诊断方法，适用于深空探测器GNC系统的故障自主诊断与处理。

背景技术

对于深空探测任务来说，航天器的探测对象、目的和所处的环境都不同于地球卫星系统，从而对航天器的操作和控制技术带来了新的挑战。首先深空探测器飞行时间长，深空环境未知因素多且复杂，这就使得GNC系统及部件遭遇突发事件和出现故障的概率增大。其次，深空探测器与地面测控站的通信延迟大，信号还可能被太阳及其他天体遮挡，这使得基于地面测控站的导航与控制反应慢，不利于突发事件的处理，尤其对于载人深空探测任务将是十分危险的。因此，为了保证深空探测器发生故障后能够及时处理，降低故障风险，需要发展自主故障诊断技术，实现在地面通信完全中断的情况下仍然能够自主对故障的检测、隔离和定位，增强深空探测的自主生存能力。为此，美国国家宇航局(NASA)和欧空局(ESA)在探测任务中都考虑了采用自主故障诊断技术，例如土星探测器Cassini、近地小行星交会任务(NEAR)、深空一号(DS-1)、深空撞击计划和彗星探测的罗塞塔(Rosetta)计划等都开发了相应的自主故障诊断系统。我国在深空探测器设计方面也考虑了自主故障诊断技术，但目前具有的故障诊断能力较弱，尚未形成系统的故障诊断方法，且自主性不够。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种深空探测器GNC系统分层自主故障诊断方法，该方法通过将故障诊断分成了部件级故障诊断、组件级故障诊断、系统级故障诊断等几个层次，从而使得故障发生后能够自主尽快诊断，保证了系统的安全性和可靠性。

本发明的技术解决方案是：深空探测器GNC系统分层自主故障诊断方法，步骤如下：

(1)根据部件故障模式分析(FMEA)结果，建立故障-测点关联矩阵；根据GNC系统各部件提供的自检信息、模拟量遥测信息以及根据故障-测点关联矩阵进行故障诊断，若根据故障-测点关联矩阵能够唯一确定故障模式，则该故障模式即为诊断结果；否则转步骤(2)进行组件级故障诊断；

(2)利用GNC系统敏感器之间的冗余关系以及执行机构输入输出关系的一致性进行故障诊断，得到发生故障的部件；将不满足冗余关系或不能唯一确定故障的部件转步骤(3)进行系统级故障诊断；

(3)判断GNC系统是否为最小系统，若不是最小系统，则首先利用敏感器或执行机构的冗余关系判断是敏感器故障还是执行机构故障，再将控制器产生的理论控制力矩代入探测器的动力学和运动学方程，解算探测器的理论角速度，根据理论角速度与敏感器测量角速度的一致性诊断出具体发生故障的部件；否则转步骤(5)；所述的最小系统为敏感器、执行机构都不存在冗余；

(4)累计推力器三轴各方向的喷气时间，在规定的时间内，如果三轴任一方向的累计喷气时间超过预先设定的阈值，则GNC系统存在故障，否则GNC系统正常。

所述的组件级故障诊断主要包括基于奇偶空间的陀螺诊断、星敏感器诊断、陀螺与星敏感器联合诊断；基于输入输出直接冗余的动量轮故障诊断。

所述的陀螺与星敏感器联合诊断适用于陀螺与星敏感器数量总和大于等于5时，且假设发生单故障，诊断步骤如下：

(2.1)当陀螺数量为4个时，根据每个陀螺输出的一致性，判断陀螺是否异常，若输出一致，则陀螺均正常，否则陀螺存在异常，转步骤(2.3)；

(2.2)当星敏感器数量为2个时，根据每个星敏感器输出的一致性，判断星敏感器是否异常，若输出一致，则星敏感器正常，否则星敏感器异常，转步骤(2.3)；

(2.3)当陀螺或星敏感器任意一种部件存在异常时，则根据陀螺和星敏感器测得的角速度的一致性，确定故障部件。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明提出的深空探测航天器自主故障诊断方法采用了分层机制，首先通过部件级诊断实现对部件较大的故障及时进行检测隔离，保证了部件和系统安全；然后进行组件级诊断，能够实现对部件的微小故障进行检测和隔离；当系统的解析冗余不足以进行组件级诊断时，引入动力学和运动学，充分利用系统级冗余关系进行系统级诊断，能够实现对敏感器和执行机构的故障隔离；当GNC系统为最小系统(敏感器和执行机构都不存在冗余)时，通过推力器在规定时间内的累计喷气时间是否超过设定阈值检测系统是否存在故障。上述层次使得故障发生后能够尽快诊断，并将故障影响限制在尽可能小的范围，为后续故障处理提供条件，可显著提高深空探测器的故障检测率和隔离率。