基于弱信号增强和可视化映射的航天器控制系统微小故障诊断方法研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
61903366
项目类别：
青年科学基金项目
资助金额：
22.0万
负责人：
何章鸣
依托单位：
中国人民解放军国防科技大学
学科分类：
F0301.控制理论与技术
结题年份：
2022
批准年份：
2019
项目状态：
已结题
起止时间：
2020-01-01 至2022-12-31

项目参与者：
--
关键词：
故障分离故障检测故障可视化微小故障航天器控制系统

项目摘要

Incipient faults of the spacecraft control systems need to be detected and isolated in time. Otherwise, they may evolve into abrupt faults and lead to huge economic loss, task failure and public opinion shock. This project aims to research the detection and isolation methods for the incipient faults of the spacecraft control systems. The research can be divided into two parts: First, the detection method of incipient faults will be studied based on weak signal enhancement technology, because the magnitudes are so small that they are prone to be buried by the trend or the noise of the normal signal. Second, the isolation method of incipient faults will be researched based on the visualization mapping techniques, because the computer resources of the spacecraft are severely limited and the knowledge of the expert tends to be neglected by the full automatic fault diagnosis. This research will improve the theory of incipient fault diagnosis, complete the fault mode library of the spacecraft control systems, and provide theoretical and technical support for improving the on-orbit fault diagnosis and processing capability of spacecraft.

航天器控制系统的微小故障需要及时检测与分离，否则可能演化为显著故障，导致巨大的经济损失、任务失利和舆论震动。本项目开展航天器控制系统微小故障检测与分离方法研究，包括两个循序渐进的内容：其一、针对航天器控制系统微小故障的“噪声淹没故障效应”及“趋势淹没故障效应”，研究基于弱信号增强技术的微小故障检测方法。其二、针对航天器计算机资源严重受限和“自主诊断孤立效应”，研究基于可视化映射技术的微小故障分离方法。本研究将完善微小故障诊断理论，完备在轨航天器控制系统的故障模式库，为提高航天器在轨故障诊断与处理能力提供理论与技术支撑。

结项摘要

航天器微小故障的及时诊断在状态监控/健康管理中发挥着重要作用，在大数据的背景下，数据驱动方法成为研究热点。本项目以卫星姿态控制系统数据为对象，沿着“又好又快又稳”的思路开展航天器长期管理过程的微小故障诊断方法研究。研究内容主要包括：.（1）针对微小故障的故障趋势比、故障噪声比很小的特点，研究了基于趋势剔除和噪声消减的微小故障检测方法，提高了微小故障检测率。.（2）针对线性动态数据，给出了稳定核表示的辨识算法；定义了动态模型的特征方向，依此给出了基于特征方向的故障诊断规则，提高了故障隔离率。高维故障信息的最优可视化为微小故障诊断提供了辅助诊断思路。.（3）针对航天器在轨计算和存储资源严重受限困境，提出了基于增量/减量递归公式的静态平稳数据和动态非平稳数据的故障检测快速算法，降低了微小故障诊断的计算复杂度。.（4）针对数据驱动故障诊断中的参数估计过程，依据小偏差换大方差思路，提出了三种稳定性逐渐增强的拓展型有偏估计方法，有望提高微小故障诊断的计算稳定性。..相关成果主要包括：.（1）交流创新，强传帮带。通过3年的研究，协助培养博士生2名，硕士生7名；组织召开学术研讨会2次，参加国际/国内学术交流18人次，发表学术论文10篇，其中SCI检索7篇，EI检索3篇，提交进展报告1份，出版专著1部，授权国家发明专利5项,省部级（军队）获奖3次。.（2）以赛促研，贴近实战。研究型教学项目《以算求胜,深算制胜——军力的极大似然估计》（排名1），获2021年全国职业院校教学能力比赛中获全国一等奖，该成果与军队战斗力生成紧密相关，也可向民用航天、测控推广应用。.（3）教研融合，提炼升华。《概率统计中的“直觉－逻辑—仿真”闭环教学法》（排名1），获2022年军队院校数学优秀教研论文评选一等奖。.（4）扎根靶场，服务空天。《卫星高精度轨道与姿态确定新方法及国防应用》（排名5），获2022年，教育部高等学校科学研究技术发明奖，二等奖。.本项对提高在轨航天器可靠性和延长航天器寿命具有重要意义。