卫星姿态控制系统故障危害评估技术研究

作     者：胡国飞 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：程月华

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 081105[工学-导航、制导与控制] 0811[工学-控制科学与工程] 

主      题：姿态控制系统 故障危害评估 故障传播有向图 重要度评估 在轨维修 

摘      要：伴随着长寿命、高可靠性航天器的发展需求,卫星的故障危害评估技术研究成为当前研究热点。本文针对卫星姿态控制系统开展故障危害评估研究,建立了基于开关节点和逻辑节点描述部件冗余备份的系统故障传播有向图模型;为了确定系统中的关键及重要部件,提出了一种基于虚引力的系统部件重要度评估方法;为合理衡量部件故障对系统的危害,提出了一种基于故障程度、性能退化特性以及历史故障影响程度的多因素系统故障危害定量评估方法;并在此基础上,开展了基于故障危害度和部件重要度的系统风险分析研究。首先,通过分析卫星姿态控制系统的组成结构、配置情况、工作机理及故障模式,建立了基于开关节点和逻辑节点描述部件冗余备份的系统故障传播有向图模型。由于经典卫星姿态控制系统多采用冗余配置,由此建立的系统故障传播有向图模型结构复杂,为降低建模复杂度,在建立系统故障传播模型时,引入开关节点描述系统部件的配置情况,引入逻辑节点描述系统支路输出故障的情况,将各分系统近似为一个节点,再对各分系统建立故障传播有向图建模,所建立的系统故障传播有向图模型为系统部件重要度评估奠定了基础。其次,研究了系统部件重要度评估方法。考虑到各组成部件在系统中的重要度差异性以及各组成部件之间的相互影响,将系统组成部件划分为关键部件、重要部件和一般部件;引入虚引力模型表示部件之间的影响关系,综合考虑节点接近度和节点重要度贡献,提出了一种基于虚引力的系统部件重要度评估方法。以系统部件重要度评估方法有效性验证的经典案例ARPA(Advanced Research Projects Agency)网络为例开展仿真验证,并将所提出的方法应用到卫星姿态控制系统中,确定某配置下系统各部件重要度,为系统方案设计提供理论支持。再次,研究了系统故障危害评估方法。在确定了系统部件重要度的基础上,开展了基于系统故障危害评估影响因素的量化评估研究。利用系统的状态数据和历史退化数据,分析获取部件性能退化特性;再综合故障程度、性能退化特性以及历史故障影响程度三个主要影响因素,提出了一种基于故障程度、性能退化特性以及历史故障影响程度的多因素系统故障危害定量评估方法。以典型多陀螺配置和多飞轮配置系统为例,仿真验证了所提出方法的有效性。最后,研究了基于故障危害度和部件重要度的系统风险分析方法。通过建立系统风险管理模型并分析系统风险管理的相应技术途径,提出了一种基于故障危害度和部件重要度的系统风险状态划分方法,按风险值大小将系统风险分为高、中、低和正常四级,并在此基础上,给出了基于系统风险的在轨维修策略,并以多飞轮配置系统为例对所提出的方法进行仿真验证。