卫星姿态控制系统故障模式分析与故障诊断研究

发布时间：2017-08-20 15:12

  本文关键词：卫星姿态控制系统故障模式分析与故障诊断研究

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【摘要】：姿态控制系统是卫星最为关键的子系统之一,其可靠性是卫星正常运行的基本保障,同时由于姿态控制系统具有结构复杂、工作环境恶劣、未知干扰及不确定因素多的特点,姿态控制系统又是卫星中最容易发生故障的分系统之一。在此背景下,本文以卫星姿态控制系统作为研究对象,通过分析姿态控制系统各部件(动量轮、星敏感器、太阳敏感器、红外地球敏感器)的常见故障与其各自的特征参数的对应关系,研究如何依据遥测信号对卫星姿态控制系统可能发生的故障进行有效的诊断。首先,本文详细分析了动量轮、星敏感器、太阳敏感器、红外地球敏感器的结构和工作原理,同时结合相关文献的查阅,归纳总结出了各个部件的常见故障模式的类别、故障表现及故障原因,为姿态控制系统的故障诊断奠定了基础。然后,就所能获取的卫星遥测信号,结合卫星姿态控制系统各部件的工作机理,本文提出了用于卫星姿态控制系统的特征参数。通过对遥测信号的分析,本文验证了所提出的特征参数的有效性。针对动量轮,本文依据动量轮各个观测变量间的物理关系,在matlab/simulink环境下建立了动量轮的仿真模型。利用Theil不一致系数法、灰色关联度法以及频谱分析法,本文对动量轮仿真模型进行了验证,说明了模型的有效性。依据动量轮不同故障模式的故障机理,本文对动量轮各个故障模式进行了仿真分析,根据获得的故障仿真信号,说明了各个故障模式对动量轮观测变量的影响。同时通过对动量轮故障仿真信号特征参数的分析,本文得到了动量轮不同故障模式与各个特征参数的对应关系。根据动量轮不同故障模式与各个特征参数的对应关系,本文利用决策树方法提取了用于动量轮故障诊断的8条诊断规则。通过对不同工况下动量轮仿真信号的分析,本文验证了动量轮诊断规则的有效性。对于姿态敏感器,本文首先依据卫星的姿态动力学、运动学方程以及多敏感器定姿的联合卡尔曼滤波方法建立了卫星姿态控制系统完整的仿真模型,然后依据各个敏感器的测量模型得到了卫星姿态敏感器的仿真信号。根据各个敏感器不同故障模式的故障表现,本文对星敏感器、红外地球敏感器、太阳敏感器进行了故障仿真。通过对各个敏感器的故障仿真信号的特征参数的分析,本文得到了敏感器故障模式与特征参数的对应关系,利用决策树方法,本文提取了用于卫星姿态敏感器故障诊断的19条诊断规则。通过对不同工况下敏感器仿真信号的分析,本文验证了敏感器诊断规则的有效性。
【关键词】：卫星姿态控制系统 故障诊断 遥测信号 故障仿真
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2;V467
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题的研究背景及意义10-11
• 1.2 航天器故障诊断方向国内外的研究现状及分析11-14
• 1.2.1 国外研究现状11-13
• 1.2.2 国内研究现状13-14
• 1.2.3 国内外研究现状对比分析14
• 1.3 本文的主要研究内容14-16
• 第2章 姿控系统各部件故障模式与特征参数分析16-42
• 2.1 引言16
• 2.2 各部件工作原理及常见故障模式分析16-31
• 2.2.1 动量轮工作原理及常见故障模式分析16-20
• 2.2.2 星敏感器工作原理及常见故障模式分析20-24
• 2.2.3 太阳敏感器工作原理及常见故障模式分析24-26
• 2.2.4 红外地球敏感器工作原理及常见故障模式分析26-31
• 2.3 各部件特征参数的分析31-41
• 2.3.1 动量轮特征参数分析31-35
• 2.3.2 姿态敏感器特征参数的分析35-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第3章 动量轮故障仿真及诊断规则的提取42-71
• 3.1 引言42
• 3.2 动量轮仿真模型的建立42-49
• 3.2.1 动量轮仿真模型的搭建42-43
• 3.2.3 动量轮仿真模型的验证43-49
• 3.3 动量轮的故障仿真分析49-62
• 3.3.1 动量轮卡死故障的仿真分析49-51
• 3.3.2 动量轮空转故障的仿真分析51-55
• 3.3.3 动量轮摩擦故障的仿真分析55-57
• 3.3.4 动量轮增益下降故障的仿真分析57-60
• 3.3.5 动量轮跳变故障的仿真分析60-62
• 3.4 动量轮故障诊断规则的提取62-67
• 3.4.1 决策树方法简介62-64
• 3.4.2 基于ID3 算法的动量轮故障诊断规则的提取64-67
• 3.5 动量轮故障诊断规则的验证67-70
• 3.6 本章小结70-71
• 第4章 姿态敏感器故障仿真及诊断规则的提取71-105
• 4.1 引言71
• 4.2 卫星姿态控制系统仿真模型的建立71-87
• 4.2.1 基于联合卡尔曼滤波的卫星姿态的确定72-82
• 4.2.2 卫星姿态控制系统的仿真模型82-87
• 4.3 姿态敏感器的故障仿真分析87-98
• 4.3.1 星敏感器卡死故障仿真分析87-90
• 4.3.2 星敏感器偏差故障仿真分析90-92
• 4.3.3 星敏感器噪声故障仿真分析92-98
• 4.4 姿态敏感器故障诊断规则的提取98-100
• 4.5 敏感器故障诊断规则的验证100-103
• 4.6 本章小结103-105
• 结论105-107
• 参考文献107-111
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文111-113
• 致谢113

【参考文献】

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本文编号：707331