卫星姿控系统执行机构故障检测与估计

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1、硕士学位论文卫星姿控系统执行机构故障检测与估计DETECTIONANDESTIMATIONOFACTUATORFAULTINSATELLITEATTITUTECONTROLSYSTEM孙瑞哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V448.2学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文卫星姿控系统执行机构故障检测与估计硕士研究生：孙瑞导师：陈雪芹副研究员申请学位：工学硕士学科：航天工程所在单位：卫星技术研究所答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V448.2

2、U.D.C:629.78DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDETECTIONANDESTIMATIONOFACTUATORFAULTINSATELLITEATTITUTECONTROLSYSTEMCandidate：SunRuiSupervisor：AssociateProf.ChenXueqinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AerospaceEngineeringAffiliation：Research

3、CenterofSatelliteTech.DateofDefense：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要在卫星姿态控制系统中，保证其可靠性和安全性尤为重要，这关系着项目是否能够达到预期目标、空间任务能否顺利完成，故障诊断在这方面起着重要的作用。本文以卫星姿态控制系统的执行机构（以反作用飞轮为主）为研究对象，主要研究执行机构突变型故障的检测与估计问题，使用广义似然比（GLR）检验对故障进行检测并对状态进行

4、校正，使用二阶扩展Kalman滤波（TSEKF）对故障幅值进行估计，论文工作主要包括以下几个方面。首先，给出卫星姿态描述方式，建立卫星姿态动力学与运动学方程，通过分析卫星姿态控制系统的单机故障实例，对反作用飞轮可能出现的故障进行分析并建模。其次，基于原N阶GLR算法的基本思想，结合增广状态Kalman滤波（ASKF），针对卫星姿态控制系统在无穷小角位移假设下可以近似线性化的特点，提出基于GLR-ASKF算法的线性检测与估计算法，在姿态稳定时用于执行机构加性故障的检测与估计，避免同一次故障的多次警报，同时提高对故障幅值的估计准确度，缩短

5、估计过程的收敛时间。接下来，基于偏差分离估计算法的基本思想，结合扩展Kalman滤波（EKF），针对卫星姿态控制系统在姿态机动时非线性无法忽略的特点，推导基于二阶扩展Kalman滤波（TSEKF）的非线性估计算法，可以在姿态机动时用于执行机构的故障估计，提高估计的准确度。在此基础上，考虑GLR算法的基本思想，结合TSEKF，提出基于非线性GLR-TSEKF算法的非线性检测与估计算法，在姿态机动时用于执行机构故障的检测与估计。该方法同时具有GLR算法和TSEKF算法的优势，对姿态机动时的状态估计十分准确，对故障的检测比较及时，同时大幅度

6、缩短了幅值估计时的收敛时间。关键词：卫星姿态控制系统；执行机构故障；故障检测；故障估计；广义似然比；偏差分离-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractIt’sveryimportanttoensurethereliabilityandsafetyinsatelliteattitudecontrolsystem,whichaffectsthatiftheprojectcanachieveitsgoalsandifthespacemissioncanbecompletedsmoothly.Faultdetectionanddia

7、gnosis(FDD)playsanimportantroleinthisaspect.Inthispaper,thefaultdetectionandestimationofactuators,suchasreactionwheels,insatelliteattitudecontrolsystemisdiscussed.ThemainschemeistodetectfaultsandcompensatethesystemstatewiththemeansofGeneralizedLikelihoodRatio(GLR)test,a

8、ndestimatethemagnitudeoffaultswithTwo-StageExtendedKalmanFilter(TSEKF).Followingaspectsareincludedinthispaper.