CN105197260B - 一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，本发明涉及卫星动量轮早期异常检测方法。本发明是要解决不能够检测出早期异常，精确性差、计算量大、效率低以及对检测结果带来的波动影响的问题。本发明是通过一、计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比；二、求卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性；三、确定休哈特单值控制图和移动极差控制图的门限值；四、选择卫星稳态段内电流值与转速值；五，将X_i作为一个受控制的点；六、将X_i绘制在休哈特单值控制图中；七、判断电流转速比的波动性是正常的；八、判断卫星动量轮工作状态正常等步骤实现的。本发明应用于卫星动量轮早期异常检测领域。

Description

一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法

技术领域

本发明涉及卫星动量轮早期异常检测方法，特别涉及一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法。

背景技术

卫星动量轮是卫星姿态控制的核心部件，若卫星受到外力扭矩时要维持卫星本体的角动量不变，需要动量轮角动量的改变量与外力矩的冲量相抵消，若动量轮出现故障则会导致卫星本体姿态失控。

目前的卫星动量轮异常检测有如下缺点：

第一，当前卫星动量轮的异常检测是查看卫星受监测的每一个数据是否超过其设定的门限值，这个门限值一般设置的都比较宽，仅考虑了电子部件的允许使用的环境条件，如许用电流、许用温度、许用电压等，将门限值设定成许用值。卫星出现早期异常时，往往这些值没有超过门限值，这样使用传统的门限值进行异常检测是不能够识别出早期异常。

第二，基于卫星动量轮数学模型的卫星异常检测方法，按照卫星的实际控制过程进行建模诊断，找出理论计算与实际运行数据的偏差，并据此进行检测和诊断。该类方法存在建立的动量轮模型精确性差、并且进行异常检测时计算量大、效率低等问题。

第三，目前卫星动量轮异常检测都是针对于当前状态进行检测，查看当前状态是否偏离正常，但是没有考虑历史数据，以及由于环境波动，***噪声等对检测结果带来的波动影响。

发明内容

本发明的目的是为了解决基于传统的门限值是不能够检测出早期异常，精确性差、计算量大、效率低等弊端，没有考虑历史数据，以及由于环境波动，***噪声等对检测结果带来的波动影响而提出的一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

步骤一、输入卫星动量轮的历史数据，在历史数据中选取转速稳定的区间即稳态段，计算稳态段的卫星动量轮的电流均值与卫星动量轮的转速均值的比值即卫星动量轮稳态过程中的电流转速比；其中，卫星历史数据包括卫星动量轮的电流数据与卫星动量轮的转速数据；

步骤二、求卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性；其中，统计特性包括均值和方差；

步骤三、根据步骤二中计算得到的电流与转速的比值的统计特性，利用休哈特控制图的门限确定准则确定休哈特单值控制图的门限值和休哈特移动极差控制图的门限值；

步骤四、在待评估的卫星动量轮受观测数据(i,w)中，选择卫星稳态段内电流值与转速值，i为卫星动量轮受观测电流值；w为卫星动量轮受观测转速值；

步骤五、根据步骤四所选择卫星稳态段内电流值与转速值；计算第i时刻的平均电流与平均转速的比值X_i，将X_i作为一个受控制的点；

步骤六、将步骤五所求的平均电流与平均转速的比值作为休哈特控制图的一个点，绘制在休哈特单值控制图中；

步骤七、将X_i与前一时刻X_i-1的差值的绝对值定义为极差R_i，计算公式为R_i＝|X_i-X_i-1|，将R_i绘制在休哈特移动极差控制图中；若R_i在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内判断电流转速比的波动性是正常的；

步骤八、若休哈特控制图上的受控制点X_i在休哈特单值控制图的上下限范围内，且R_i在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内，则判断卫星动量轮工作状态正常；将受控制点X_i的电流值与转速值进行储存；其中，休哈特控制图控制图包括步骤七得到的休哈特控制图单值图和步骤八得到的休哈特控制图移动极差图。

发明效果

为了实现卫星故障动量轮早期故障检测和异常检测，提出了一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，涉及卫星动量轮部件故障诊断领域。该方法以卫星动量轮转速稳定为前提条件，在历史数据中选取一系列稳定电流值与转速值，计算这一系列稳态段的电流均值与转速均值比作为诊断特征值；统计出电流均值与转速均值的比值的统计值，包括均值和方差，由统计值计算得到休哈特控制图门限值的上限、中线、下限；考察卫星当前运行数据，以动量轮转速稳定作为数据选取的评判标准，若不稳定，则这段数据进行舍弃，若稳定，则计算电流值均值与转速值均值比；以比值的大小作为休哈特控制中的一个点，判断此点是否超过休哈特控制图的门限，若未超限说明动量轮当前工作状态正常，对下一稳定时刻进行检测，若超限，说明动量轮状态异常，给出警告。经实测遥测数据验证，该方法能够有效检测卫星动量轮的早期故障，实现动量轮故障的早期预警。

本发明提出的方法是选择卫星稳定工作过程中一个稳定量，以控制图作为手段的一种诊断方法，适用于基于卫星遥测数据的动量轮早期异常检测。

在故障诊断中最重要的是选取一个相对恒定量作为特征参数，本发明选择动量轮遥测数据中电流与转速的比值作为受监测量。虽然卫星动量轮在不同工作转速下，电流值与转速值不相同，但是在稳定转速下二者比值是一个不变量，卫星状态异常时这个不变量就会发生改变。

动量轮主要是由壳体组件，轮体组件，轴承组件和电机组件等组成，其电流与转速有如下关系：

其中L为电机电枢电感；i(t)为电机电枢电流，R为电机电枢电阻；u(t)为等效直流电机输出电压，w(t)为电机转速；

当动量轮转速稳定时，上述关系式与时间t无关，此时电流与转速满足线性关系。

本发明的关键之处在于，相对于传统的方法来说，本发明找到了卫星动量轮异常检测中的一个特征参数：电流与转速的比值。这个比值发生变化即说明卫星当前状态异常，应提出告警；若这个特征值不变化则说明卫星动量轮状态正常。为了保证选取的数据是一个稳定的阶段，以转速变化在规定的范围内作为数据的选取条件。

本发明通过分析卫星动量轮大量遥测数据，在众多测量参数中，选择出动量轮的电流转速比作为卫星动量轮异常检测的参数，并且经过验证异常检测准确率达到98％以上。由于选择的评估参数有效，故计算量小，效率高，精度高。由于在数据处理过程中，受监测量计算的是每个子组的均值，并且分析反应波动性的，休哈特移动极差图，故消去了环境波动以及***噪声的影响。

附图说明

图1为具体实施方式一提出的基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法的流程图；

图2(a)为具体实施方式一提出的动量轮发生摩擦力增大故障的电流数据示意图；

图2(b)为具体实施方式一提出的同期转速数据示意图；

图3(a)为具体实施方式一提出的由动量轮发生摩擦力增大故障的电流数据和同期转速数据选取合理组数据绘制的动量轮休哈特单值控制图；其中图3(a)超限说明电流转速比的均值发生异常，触发报警；由于传统检测门限设定为电流[-10，+10]，由图2(a)数据可知动量轮发生故障后，电流值并未到达报警门限，故传统检测方法不会给出报警；由图3(a)可知，应用本发明绘制的动量轮休哈特单值控制图，在故障发生后，相关检测参数很快超限，故能够给出报警，实现了动量轮故障的早期预警；

图3(b)为具体实施方式一提出的由动量轮发生摩擦力增大故障的电流数据和同期转速数据选取合理组数据绘制的动量轮休哈特移动极差图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1本实施方式的一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，具体是按照以下步骤制备的：

步骤一、输入卫星动量轮的历史数据，在历史数据中选取转速稳定的区间即稳态段，计算稳态段的卫星动量轮的电流均值与卫星动量轮的转速均值的比值即卫星动量轮稳态过程中的电流转速比；其中，卫星历史数据包括卫星动量轮的电流数据与卫星动量轮的转速数据；

步骤二、求卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性；其中，统计特性包括均值和方差；

步骤三、根据步骤二中计算得到的电流与转速的比值的统计特性，利用休哈特控制图的门限确定准则确定休哈特单值控制图的门限值和休哈特移动极差控制图的门限值；

步骤四、对于实际要输入待评估的卫星数据，判断卫星动量轮转速是否稳定，若卫星动量轮转速不稳定说明卫星动量轮处于工作不稳定状态，不进行评估；若卫星动量轮转速稳定则说明动量轮工作状态稳定；(卫星动量轮工作过程中有平稳段和非平稳段，本发明在评估过程时，选择的是平稳段的数据)

在待评估的卫星动量轮受观测数据(i,w)中，(动量轮受观测数据，指的动量轮电流数据，以及转速数据，评估时评估的是转速稳定段的数据)以卫星动量轮转速稳定作为评判标准，选择卫星稳态段内电流值与转速值，避免了使用所有的卫星动量轮数据；如图2(a)和图2(b)，此处是已经选好的稳定数据，并且是待检测的；i为卫星动量轮受观测电流值；w为卫星动量轮受观测转速值；

步骤五、根据步骤四所选择卫星稳态段内电流值与转速值；计算第i时刻的平均电流与平均转速的比值X_i，将X_i作为一个受控制的点；

步骤六、将步骤五所求的平均电流与平均转速的比值作为休哈特控制图的一个点，绘制在休哈特单值控制图中；(如图3(a))

步骤七、将X_i与前一时刻X_i-1的差值的绝对值定义为极差R_i，计算公式为R_i＝|X_i-X_i-1|，将R_i绘制在休哈特移动极差控制图中；若R_i不在步骤三休哈特单值控制图或者不在休哈特移动极差控制图的门限的上下限范围内判断电流转速比的波动性是不正常；若R_i在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内判断电流转速比的波动性是正常的；如图3(b)；

步骤八、若休哈特控制图上的受控制点X_i在休哈特单值控制图的上下限范围内，且R_i在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内，则判断卫星动量轮工作状态正常；将受控制点X_i的电流值与转速值进行储存供下一次检测使用；对下一时刻X_i+1的数据进行检测；

若休哈特控制图上的受控制点X_i不在休哈特单值控制图的上下限范围内，且R_i不在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内，则说明卫星动量轮发生异常，触发警报；

其中，休哈特控制图控制图包括步骤七得到的休哈特控制图单值图和步骤八得到的休哈特控制图移动极差图。

本实施方式效果：

为了实现卫星故障动量轮早期故障检测和异常检测，提出了一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，涉及卫星动量轮部件故障诊断领域。该方法以卫星动量轮转速稳定为前提条件，在历史数据中选取一系列稳定电流值与转速值，计算这一系列稳态段的电流均值与转速均值比作为诊断特征值；统计出电流均值与转速均值的比值的统计值，包括均值和方差，由统计值计算得到休哈特控制图门限值的上限、中线、下限；考察卫星当前运行数据，以动量轮转速稳定作为数据选取的评判标准，若不稳定，则这段数据进行舍弃，若稳定，则计算电流值均值与转速值均值比；以比值的大小作为休哈特控制中的一个点，判断此点是否超过休哈特控制图的门限，若未超限说明动量轮当前工作状态正常，对下一稳定时刻进行检测，若超限，说明动量轮状态异常，给出警告。经实测遥测数据验证，该方法能够有效检测卫星动量轮的早期故障，实现动量轮故障的早期预警。

本实施方式提出的方法是选择卫星稳定工作过程中一个稳定量，以控制图作为手段的一种诊断方法，适用于基于卫星遥测数据的动量轮早期异常检测。

在故障诊断中最重要的是选取一个相对恒定量作为特征参数，本实施方式选择动量轮遥测数据中电流与转速的比值作为受监测量。虽然卫星动量轮在不同工作转速下，电流值与转速值不相同，但是在稳定转速下二者比值是一个不变量，卫星状态异常时这个不变量就会发生改变。

动量轮主要是由壳体组件，轮体组件，轴承组件和电机组件等组成，其电流与转速有如下关系：

其中L为电机电枢电感；i(t)为电机电枢电流，R为电机电枢电阻；u(t)为等效直流电机输出电压，w(t)为电机转速；

当动量轮转速稳定时，上述关系式与时间t无关，此时电流与转速满足线性关系。

本实施方式的关键之处在于，相对于传统的方法来说，本实施方式找到了卫星动量轮异常检测中的一个特征参数：电流与转速的比值。这个比值发生变化即说明卫星当前状态异常，应提出告警；若这个特征值不变化则说明卫星动量轮状态正常。为了保证选取的数据是一个稳定的阶段，以转速变化在规定的范围内作为数据的选取条件。

本实施方式通过分析卫星动量轮大量遥测数据，在众多测量参数中，选择出动量轮的电流转速比作为卫星动量轮异常检测的参数，并且经过验证异常检测准确率达到98％以上。由于选择的评估参数有效，故计算量小，效率高，精度高。由于在数据处理过程中，受监测量计算的是每个子组的均值，并且分析反应波动性的，休哈特移动极差图，故消去了环境波动以及***噪声的影响。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中计算稳态段的卫星动量轮的电流均值与卫星动量轮的转速均值的比值即卫星动量轮稳态过程中的电流转速比具体为：

(1)、选择动量轮稳态过程中的电流转速比作为卫星异常检测的一个特征参数，卫行动量轮正常工作稳定过程中的电流转速与电流的比值是个恒值K，若卫星动量轮发生异常时，恒值K就会发生变化，且由于时时的电流转速比是个定值，则在稳定的阶段电流的均值与转速的均值比也是这个恒值；以转稳态段作为前提准则分别选择了m组电流值，i_jk与m组转速值w_jk；

其中，j表示m组电流值中的组数编号，k表示第j组数据对应点的编号j＝1,2...m,k＝1,2...n；每组电流值i_jk或转速值w_jk数据均有n个点，

(2)、每组电流值i_mn的均值为：每组转速值w_mn的均值为：计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比K_j＝i_j/w_j。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中求卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性的方差具体为：

(1)、考虑卫星动量轮由于工作环境细微改变、动量轮***本身状态波动、以及测量随机误差的影响，计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比的统计特性的均值X₀的计算公式为

(2)、计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性的方差σ₀的计算公式为其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中休哈特控制图的中心线为X₀，休哈特单值控制图的上限UCL为X₀+3σ₀，休哈特单值控制图的下限为X₀-3σ₀，休哈特移动极差控制图中心线为d₂σ₀，休哈特移动极差控制图的上限UCL为D₂σ₀，休哈特移动极差控制图的下限为D₁σ₀；其中，d₂为休哈特移动极差控制图中心线的系数；D₁为休哈特移动极差控制图的下限的系数；D₂为休哈特单值控制图的上限的系数。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：d₂,D₂,D₁从国标GB/T 4091-2001常规控制图查得。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

Claims (5)

1.一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，其特征在于一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法具体是按照以下步骤进行的：

步骤一、输入卫星动量轮的历史数据，在历史数据中选取转速稳定的区间即稳态段，计算稳态段的卫星动量轮的电流均值与卫星动量轮的转速均值的比值即卫星动量轮稳态过程中的电流转速比；其中，卫星历史数据包括卫星动量轮的电流数据与卫星动量轮的转速数据；

步骤二、求卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性；其中，统计特性包括均值和方差；

步骤三、根据步骤二中计算得到的电流与转速的比值的统计特性，利用休哈特控制图的门限确定准则确定休哈特单值控制图的门限值和休哈特移动极差控制图的门限值；

步骤四、在待评估的卫星动量轮受观测数据(i,w)中，选择卫星稳态段内电流值与转速值，i为卫星动量轮受观测电流值；w为卫星动量轮受观测转速值；

步骤五、根据步骤四所选择卫星稳态段内电流值与转速值；计算第i时刻的平均电流与平均转速的比值X_i，将X_i作为一个受控制的点；

步骤六、将步骤五所求的平均电流与平均转速的比值作为休哈特控制图的一个点，绘制在休哈特单值控制图中；

步骤七、将X_i与前一时刻X_i-1的差值的绝对值定义为极差R_i，计算公式为R_i＝|X_i-X_i-1|，将R_i绘制在休哈特移动极差控制图中；若R_i在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内，则判断电流转速比的波动性是正常的；

步骤八、若休哈特控制图上的受控制点X_i在休哈特单值控制图的上下限范围内，且R_i在步骤三休哈特移动极差控制图门限的上下限范围内，则判断卫星动量轮工作状态正常；将受控制点X_i的电流值与转速值进行储存；其中，休哈特控制图包括步骤七得到的休哈特控制图单值图和步骤八得到的休哈特控制图移动极差图。

2.根据权利要求1所述一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，其特征在于：步骤一中计算稳态段的卫星动量轮的电流均值与卫星动量轮的转速均值的比值即卫星动量轮稳态过程中的电流转速比具体为：

(1)、以转稳态段作为前提准则分别选择了m组电流值，i_jk与m组转速值w_jk；

其中，j表示m组电流值中的组数编号，k表示第j组数据对应点的编号j＝1,2...m,k＝1,2...n；每组电流值i_jk或转速值w_jk数据均有n个点，

(2)、每组电流值i_mn的均值为：每组转速值w_mn的均值为：计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比K_j＝i_j/w_j。

3.根据权利要求2所述一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，其特征在于：步骤二中求卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性的方差具体为：

(1)、计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比的统计特性的均值X₀的计算公式为

(2)、计算卫星动量轮稳态过程中的电流转速比统计特性的方差σ₀的计算公式为

4.根据权利要求3所述一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，其特征在于：步骤三中休哈特控制图的中心线为X₀，休哈特单值控制图的上限UCL为X₀+3σ₀，休哈特单值控制图的下限为X₀-3σ₀，休哈特移动极差控制图中心线为d₂σ₀，休哈特移动极差控制图的上限UCL为D₂σ₀，休哈特移动极差控制图的下限为D₁σ₀；其中，d₂为休哈特移动极差控制图中心线的系数；D₁为休哈特移动极差控制图的下限的系数；D₂为休哈特单值控制图的上限的系数。

5.根据权利要求4所述一种基于休哈特控制图的卫星动量轮早期异常检测方法，其特征在于：d₂,D₂,D₁从国标GB/T 4091-2001常规控制图查得。