在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法和系統(tǒng)技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法和系統(tǒng)，包括：步驟1：確定框架核心遙測；步驟2：基于時域特征，對框架電流遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行切片和統(tǒng)計特性分析，通過預(yù)設(shè)判定區(qū)間，實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺CMG異常判斷；步驟3：對預(yù)設(shè)時長內(nèi)的正常及異常判定次數(shù)進(jìn)行打分，應(yīng)用威爾遜區(qū)間法計算賦分，得到性能評價分?jǐn)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星性能監(jiān)測的量化評估和可視化。本發(fā)明專利技術(shù)針對CMG低速框架電機(jī)電流遙測數(shù)據(jù)的多個時域特征進(jìn)行分析，并在性能評級上設(shè)計異常度指標(biāo)，采用威爾遜算法進(jìn)行評分評級，解決了同一任務(wù)不同CMG組合工作模式下，評價次數(shù)不一致導(dǎo)致性能評分不準(zhǔn)確的情況，提高了CMG框架在軌性能評估的準(zhǔn)確性和可靠性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及衛(wèi)星健康評估，具體地，涉及一種在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法和系統(tǒng)。

技術(shù)介紹

1、近年來，快速機(jī)動是航天技術(shù)的重要方向之一，衛(wèi)星控制主要采用質(zhì)量排出式和動量交換式，前者主要采用噴氣推進(jìn)，后者主要采用飛輪和控制力矩陀螺。控制力矩陀螺(以下簡稱cmg)最早研究起始于19世紀(jì)末，主要應(yīng)用于空間站，相比于噴氣推進(jìn)，不需要消耗燃料，能夠輸出連續(xù)穩(wěn)定的控制力矩，延長衛(wèi)星運(yùn)行壽命。相比于飛輪，能夠輸出控制力矩更大和執(zhí)行響應(yīng)速度更快，因此越來越廣泛的應(yīng)用衛(wèi)星控制系統(tǒng)中。單框架控制力矩陀螺目前是研制成熟度最高、工程應(yīng)用價值最高的，具有結(jié)構(gòu)可靠性高、無框架鎖定、控制平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，主要由高速轉(zhuǎn)子、框架和框架伺服控制系統(tǒng)組成。大慣量轉(zhuǎn)子繞固定軸恒定速度轉(zhuǎn)動，形成恒定轉(zhuǎn)子角動量，框架伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動框架轉(zhuǎn)動，根據(jù)陀螺進(jìn)動效應(yīng)產(chǎn)生反作用力矩作用到星體上，輸出力矩實(shí)現(xiàn)高精度姿態(tài)控制，因此框架伺服控制是影響姿態(tài)控制核心組件，一旦出現(xiàn)故障，即使其他部件完好無損，衛(wèi)星也很難繼續(xù)服役，因此在軌框架性能監(jiān)測具有重要意義。

2、cmg作為姿態(tài)控制的核心單機(jī)，主要包括機(jī)械本體和控制線路兩部分，具體下傳遙測波道主要包括；單機(jī)開關(guān)信號、芯片電壓、組件溫度和轉(zhuǎn)動部件電流、位置和轉(zhuǎn)速，其中框架的核心遙測波道為電機(jī)電流遙測數(shù)據(jù)。

3、現(xiàn)有專利技術(shù)研究集中在cmg控制算法、cmg安裝裝置、cmg隔振技術(shù)、cmg隔振裝置等方面的，缺乏在軌性能長期監(jiān)視和量化評價
的相關(guān)研究。現(xiàn)有監(jiān)測方法主要采用閾值判斷的方法，該方法存在以下弊端：</p>

4、缺乏固定的判定依據(jù)，框架電機(jī)電流變化范圍大，僅靠閾值無法準(zhǔn)確判斷是否異常；

5、缺乏態(tài)勢監(jiān)測指標(biāo)，電流參數(shù)忽大忽小，未能融合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，無法推斷轉(zhuǎn)動部件的緩變趨勢；

6、缺乏異常預(yù)警機(jī)制，當(dāng)異常發(fā)生時，通常已經(jīng)是發(fā)生致命性損傷，不可逆轉(zhuǎn)，若能及時止損降額使用，有效延長在軌工作壽命，滿足衛(wèi)星長壽命運(yùn)行使用要求。

7、為了滿足量化評估及可視化的在軌監(jiān)視需求，需通過對已有的在軌遙測進(jìn)行計算，從而實(shí)現(xiàn)對主體的評價、考核和管理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本專利技術(shù)的目的是提供一種在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法和系統(tǒng)。

2、根據(jù)本專利技術(shù)提供的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，包括：

3、步驟1：確定框架核心遙測；

4、步驟2：基于時域特征，對框架電流遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行切片和統(tǒng)計特性分析，通過預(yù)設(shè)判定區(qū)間，實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺cmg異常判斷；

5、步驟3：對預(yù)設(shè)時長內(nèi)的正常及異常判定次數(shù)進(jìn)行打分，應(yīng)用威爾遜區(qū)間法計算賦分，得到性能評價分?jǐn)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星性能監(jiān)測的量化評估和可視化。

6、優(yōu)選地，計算框架交軸電流和框架直軸電流遙測數(shù)據(jù)的時域特性，包括極小值、極大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、最大頻數(shù)值和峰-峰值，支持自定義數(shù)據(jù)切片，按軌道周期進(jìn)行，通過軌道俯角遙測關(guān)聯(lián)判斷，實(shí)現(xiàn)對框架交軸電流數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)切分。

7、優(yōu)選地，針對切片的在軌遙測數(shù)據(jù)，剔除應(yīng)答機(jī)主動復(fù)位導(dǎo)致的野值，分別計算單星每個cmg框架直軸和交軸電流參數(shù)指標(biāo)，并橫向比較多個cmg同一項時域特征指標(biāo)的差異；

8、采用異常度作為評價指標(biāo)index，計算公式為：index＝(|λ1|-|λ2|)/|λ2|，設(shè)定極小值判斷區(qū)間[0,1]，區(qū)間內(nèi)評定正常為1，異常為0，其中λ1為絕對值最大值，λ2為絕對值次大值，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)分析輸出異常標(biāo)識矩陣和異常度矩陣。

9、優(yōu)選地，基于統(tǒng)計原理計算威爾遜區(qū)間，計算公式如下：

10、

11、式中，p為歸一化的評分值，n為統(tǒng)計數(shù)量，z為給定的置信度參數(shù)，采用90％置信度區(qū)間。

12、優(yōu)選地，采用威爾遜區(qū)間法針對不同cmg進(jìn)行性能評分，過程為：

13、計算第i個cmg第j個指標(biāo)得分；

14、將第i個cmg第j個指標(biāo)得分歸一化；

15、計算單個cmg各時域特征的總平均得分，計算公式為：sum(xij)/m/n*100％，其中，xij為異常度計算判為正常的次數(shù)，m為總判定次數(shù)；

16、計算每個正常率的在某一置信度下的威爾遜區(qū)間；

17、根據(jù)置信區(qū)間的下限值進(jìn)行排名，數(shù)值越大，排名越高；

18、根據(jù)威爾遜區(qū)間下限值反歸一化，賦分得到最終得分。

19、根據(jù)本專利技術(shù)提供的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測系統(tǒng)，包括：

20、模塊m1：確定框架核心遙測；

21、模塊m2：基于時域特征，對框架電流遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行切片和統(tǒng)計特性分析，通過預(yù)設(shè)判定區(qū)間，實(shí)現(xiàn)控制力矩陀螺cmg異常判斷；

22、模塊m3：對預(yù)設(shè)時長內(nèi)的正常及異常判定次數(shù)進(jìn)行打分，應(yīng)用威爾遜區(qū)間法計算賦分，得到性能評價分?jǐn)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)在軌衛(wèi)星性能監(jiān)測的量化評估和可視化。

23、優(yōu)選地，計算框架交軸電流和框架直軸電流遙測數(shù)據(jù)的時域特性，包括極小值、極大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、最大頻數(shù)值和峰-峰值，支持自定義數(shù)據(jù)切片，按軌道周期進(jìn)行，通過軌道俯角遙測關(guān)聯(lián)判斷，實(shí)現(xiàn)對框架交軸電流數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)切分。

24、優(yōu)選地，針對切片的在軌遙測數(shù)據(jù)，剔除應(yīng)答機(jī)主動復(fù)位導(dǎo)致的野值，分別計算單星每個cmg框架直軸和交軸電流參數(shù)指標(biāo)，并橫向比較多個cmg同一項時域特征指標(biāo)的差異；

25、采用異常度作為評價指標(biāo)index，計算公式為：index＝(|λ1|-|λ2|)/|λ2|，設(shè)定極小值判斷區(qū)間[0,1]，區(qū)間內(nèi)評定正常為1，異常為0，其中λ1為絕對值最大值，λ2為絕對值次大值，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)分析輸出異常標(biāo)識矩陣和異常度矩陣。

26、優(yōu)選地，基于統(tǒng)計原理計算威爾遜區(qū)間，計算公式如下：

27、

28、式中，p為歸一化的評分值，n為統(tǒng)計數(shù)量，z為給定的置信度參數(shù)，采用90％置信度區(qū)間。

29、優(yōu)選地，采用威爾遜區(qū)間法針對不同cmg進(jìn)行性能評分，過程為：

30、計算第i個cmg第j個指標(biāo)得分；

31、將第i個cmg第j個指標(biāo)得分歸一化；

32、計算單個cmg各時域特征的總平均得分，計算公式為：sum(xij)/m/n*100％，其中，xij為異常度計算判為正常的次數(shù)，m為總判定次數(shù)；

33、計算每個正常率的在某一置信度下的威爾遜區(qū)間；

34、根據(jù)置信區(qū)間的下限值進(jìn)行排名，數(shù)值越大，排名越高；

35、根據(jù)威爾遜區(qū)間下限值反歸一化，賦分得到最終得分。

36、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下的有益效果：

37、(1)本專利技術(shù)通過基于異常度的自適應(yīng)異常檢測方法，針對全生命周期遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行時域特性分析，解決了傳統(tǒng)閾值監(jiān)測動態(tài)范圍廣、異常檢測難的難題；

38、(2)本專利技術(shù)通過通用的量化評價方法，解決了小樣本統(tǒng)計情況本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】

1.一種在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，計算框架交軸電流和框架直軸電流遙測數(shù)據(jù)的時域特性，包括極小值、極大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、最大頻數(shù)值和峰-峰值，支持自定義數(shù)據(jù)切片，按軌道周期進(jìn)行，通過軌道俯角遙測關(guān)聯(lián)判斷，實(shí)現(xiàn)對框架交軸電流數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)切分。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，針對切片的在軌遙測數(shù)據(jù)，剔除應(yīng)答機(jī)主動復(fù)位導(dǎo)致的野值，分別計算單星每個CMG框架直軸和交軸電流參數(shù)指標(biāo)，并橫向比較多個CMG同一項時域特征指標(biāo)的差異；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，基于統(tǒng)計原理計算威爾遜區(qū)間，計算公式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，采用威爾遜區(qū)間法針對不同CMG進(jìn)行性能評分，過程為：

6.一種在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，計算框架交軸電流和框架直軸電流遙測數(shù)據(jù)的時域特性，包括極小值、極大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、最大頻數(shù)值和峰-峰值，支持自定義數(shù)據(jù)切片，按軌道周期進(jìn)行，通過軌道俯角遙測關(guān)聯(lián)判斷，實(shí)現(xiàn)對框架交軸電流數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)切分。

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，針對切片的在軌遙測數(shù)據(jù)，剔除應(yīng)答機(jī)主動復(fù)位導(dǎo)致的野值，分別計算單星每個CMG框架直軸和交軸電流參數(shù)指標(biāo)，并橫向比較多個CMG同一項時域特征指標(biāo)的差異；

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，基于統(tǒng)計原理計算威爾遜區(qū)間，計算公式如下：

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，采用威爾遜區(qū)間法針對不同CMG進(jìn)行性能評分，過程為：

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【技術(shù)特征摘要】

1.一種在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，計算框架交軸電流和框架直軸電流遙測數(shù)據(jù)的時域特性，包括極小值、極大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)、最大頻數(shù)值和峰-峰值，支持自定義數(shù)據(jù)切片，按軌道周期進(jìn)行，通過軌道俯角遙測關(guān)聯(lián)判斷，實(shí)現(xiàn)對框架交軸電流數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)切分。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，針對切片的在軌遙測數(shù)據(jù)，剔除應(yīng)答機(jī)主動復(fù)位導(dǎo)致的野值，分別計算單星每個cmg框架直軸和交軸電流參數(shù)指標(biāo)，并橫向比較多個cmg同一項時域特征指標(biāo)的差異；

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，基于統(tǒng)計原理計算威爾遜區(qū)間，計算公式如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的在軌衛(wèi)星單框架控制力矩陀螺框架性能監(jiān)測方法，其特征在于，采用威爾遜區(qū)間法針對不同cmg進(jìn)行性能評分，過程為：

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【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：許瑩，周捷，王沖，撒文彬，張鑫鑫，雷婧琪，
申請(專利權(quán))人：上海衛(wèi)星裝備研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：