一種基于平衡方程等價性的陀螺故障診斷方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及航天器姿態控制領域，特別是一種基于平衡方程等價性的陀螺故障診 斷方法，用于進行航天器上配置陀螺的故障診斷。
【背景技術】
[0002] 衛星控制系統中，姿態測量敏感器陀螺的測量是獲取星體角速度實現星體姿態有 效控制的關鍵部件，是影響航天器穩定運行和制約航天器在軌壽命關鍵因素。雖然航天器 系統僅配置3個測量軸不共面的陀螺便能實現對星體三軸角速度測量，但為了保證航天器 長壽命和高可靠穩定運行，控制系統一般配置多于三個的冗余陀螺。
[0003] 航天器陀螺故障診斷一般基于冗余陀螺中的四個陀螺測量所形成平衡方程的誤 差來對陀螺故障進行判斷，即由3個陀螺測量值計算得到的星體角速度在其它陀螺測量軸 方向上投影與其測量的偏差作為故障判斷依據。為了對故障陀螺定位，參與平衡方程陀螺 故障診斷的陀螺數目不能少于5。5個陀螺中任意四個陀螺組合不妨記為{i、j、k、l}，可根 據其測量輸出A gi、Agp Agk、Ag1及其安裝單位矢量VG η VGp VGk JG1建立如下四個不同 形式的平衡方程：
[0008] 其中，ε ijkl、ε ijlk、ε ilkj、ε ^為對應平衡方程的誤差，四平衡方程中的3個系數 依次為如下對應四個向量的前3個元素 ，BP
[0013]目前基于平衡方程的陀螺故障方法一般對5個陀螺按照特定陀螺順序得到的5個 平衡誤差與事先選定的固定故障判斷閾值進行判斷。但由于其中任意組合U、j、k、1}在 相同陀螺測量值下得到的ειΛ1、e i]lk、eilk]、氣kll誤差值均有可能不同，因此即使對于同 一組合可能會由于平衡方程選取不同而使得判斷結果出現不同，從而導致對陀螺故障判斷 出現不準確的情況，此外事先設定好的固定閾值對于其它不同陀螺組合也可能無法完全適 應。為了解決上述方法問題，另一種常采用的方式就是將陀螺所有平衡方程誤差均用于陀 螺故障判斷，并針對每個平衡方程設計一個故障判斷閾值。由5個陀螺存在4個陀螺組且 每個陀螺組存在4個平衡方程可知，共需要計算20個平衡方程的誤差值并設計20個故障 判斷閾值。雖然該方法可提高陀螺故障診斷的準確性，但該方法以犧牲陀螺故障診斷計算 量和系統設計量為代價獲得的。
[0014] 基于理論分析得到的對于同一陀螺組合下如式（Ia)~（Id)的四個平衡方程等價 性結論，即對于任意的一陀螺組合，其任意一平衡方程中的陀螺測量值的系數之比與該組 合中其它平衡方程中以同樣陀螺順序排列的系數之比存在著固定的比例關系，本發明提出 了一種基于平衡方程等價性的陀螺故障診斷方法，實現了僅5個平衡方程采用固定閾值故 障方法的計算量和基于所有平衡方程方法故障診斷方法的診斷效果，并給出了合理的故障 閾值選擇方式。

【發明內容】

[0015] 本發明要解決的技術問題為：提供一種基于平衡方程等價性的陀螺故障診斷方 法，利用五個陀螺組成平衡方程進行陀螺故障的準確診斷，克服現有技術中的判斷方法會 出現平衡方程判斷不準確導致誤診斷或漏診斷的問題，或現有其它陀螺故障診斷法計算量 過大且設計量過于復雜的問題。
[0016] 本發明的技術方案為：
[0017] -種基于平衡方程等價性的陀螺故障診斷方法，包括，
[0018] S1，將五個陀螺分別編號為i、j、k、l、m，并以四個陀螺組成一組的方式分成分成五 組：{i、j、k、1}、{i、j、k、m}、{i、j、l、m}、{i、k、l、m}、{j、k、l、m}分別進行平衡方程的故 障檢測；
[0019] S2,對陀螺組{i、j、k、1}，由陀螺i、j、k、1測量軸在星體上的安裝單位矢量VG^ ￥6,61^6 1與其陀螺對應測量輸出八81、八8卩八81<、八81計算平衡方程系數向量1^ 1<1和平 衡方程誤差ε ijkl:
[
[
[0022] 按上述陀螺組{i、j、k、1}計算kljk#P ε ljkl的過程，對其它四個陀螺組{i、j、k、 m}、{i、j、l、m}、{i、k、l、m}、{j、k、l、m}分別求出其平衡方程系數向量 及其平衡方程誤差 C ijkm、C ijlm、C iklm、C jklm〇
[0023] S3,對陀螺組{i、j、k、1}，根據向量k1]kl的各元素絕對值之和變量k 1]kl__以及設 定的陀螺加分判斷閾值S ^^與減分判斷閾值δ _ιηι2對陀螺組合中各陀螺進行相同分值 的加、減分處理：
[0024] 若ε 小于k δ 一加時，對陀螺i、j、k、1的記分均進行加分處理；
[0025] 若ε ijkl大于k ijkl__X δ gelim2時，對陀螺i、j、k、1記分均進行減分處理。
[0026] 按陀螺組{i、j、k、l}相同處理過程，對其它四個陀螺組{i、j、k、m}、{i、j、l、m}、 {i、k、l、m}、{j、k、l、m}，分別求出其各平衡方程系數向量元素絕對值之和1^ Ληι__、1^1ηι__、 klkln__、klklni__，并結合設定閾值δ@1ιη1、δ@ 1ιη2依次對各陀螺組中的陀螺進行加、減分處 理。
[0027] S4,故障陀螺判定：在完成上述S2、S3處理后且其中出現過有陀螺記分為減分情 況時，將陀螺i、j、k、l、m中記分減小最多者判定為故障陀螺。
[0028] 進一步地，包括，根據陀螺安裝單位矢量所決定的構型設定閾值δ gelinil、δ gelini2，且 ?兩足 δ gelim2〉δ geliml;
[0029] 為避免陀螺測量正常時誤診斷為故障，選取閥值δ gelinil大于陀螺給定的正常測量 誤差指標范圍bn_;
[0030] 為避免當出現一個陀螺故障時出現多個陀螺記分下降相同導致誤診斷情況，選取 ^ gelim2一般?兩足 δ gelim2〉2 δ geliml〇
[0031] 本發明與現有技術相比的優點在于：
[0032] (1)本發明基于平衡方程等價性原理而提出，避免現有技術由于診斷時因平衡方 程選取不同而導致故障陀螺診斷結果不同的可能情況，在保持最小診斷算法計算量基礎上 提高診斷結果的準確程度和診斷結果的一致性。
[0033] (2)本發明給出了明確的故障診斷閾值選取原則，可有效避免原有技術因診斷閾 值選取不合理出現的誤診斷情況，并極大地簡化了系統參數設計的復雜程度。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發明基于平衡方程等價性的陀螺故障診斷流程圖；
【具體實施方式】
[0035] 如圖1所示，本發明的一種基于平衡方程等價性的陀螺故障診斷方法，步驟如下：
[0036] (1)利用五個陀螺 i、j、k、1、m 組成五組：{i、j、k、1}、{i、j、k、m}、{i、j、1、m}、 {i、k、l、m}、{j、k、l、m}平衡方程進行故障檢測。
[0037] (2)由陀螺i、j、k、1，k測量軸在星體上的安裝單位矢量VG^ VGp VGk、VG1、VG1^ 算平衡方程系數向量k1]kl、 kijkm、kiklm、kjkim.

[0045] 結合上述計算平衡方程系數向量，由陀螺對應測量輸出Δ gi、Δ gp Δ gk、Δ gl、Δ gm 計算干衡方f王"^差 ε ijkl、ε ijkm、ε ijlm、ε iklm、ε jklm:
[0051] 其中，上述各變量的右上標"-1"表示矩陣逆運算，右上標"T"表示向量（矩陣） 的轉置運算。
[0052] (3)分別對五個陀螺平衡方程的系數