(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CNA(43)申请公布日2020.10.20(21)申请号2.0(22)申请日2020.06.18(71)申请人上海控制工程研究所地址沈阳市西城区上海2729信箱(72)发明人谢鸣宇陈超王晋鹏(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人陈鹏(51)Int.Cl.G06F30/20(2020.01)G06F17/18(2006.01)B64G1/24(2006.01)权力要求书2页说明书7页附图3页(54)发明名称一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式(57)摘要一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，通过构建磁扭力器输入输出模型，借助最小二加法求解线性拟合后磁扭力器输入输出模型的配置参数，并针对磁扭力器在轨的输出特点，采用积分平滑处理方法在频域上对磁力矩器输出进行积分，通过对磁扭力器输出在给定周期内的积分运算求解磁扭力器输出在给定周期内的输出变化阀值，因而得到磁扭力器在轨数据的有效判据磁力矩器，增强磁扭力器这一重要执行机构在轨输出的有效性，才能实现磁扭力器在轨输出的有效判别。
A715797111NCCNA权力要求书1/2页1.一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，其特点在于步骤如下：(1)依据磁扭力器的输入输出构建磁扭力器输入输出模型，对磁扭力器输入输出模型的配置参数进行定义；(2)对步骤(1)所得磁扭力器输入输出模型进行线性拟合，并按照最小二加法估算磁力矩器输入输出模型的配置参数；(3)通过积分平滑处理方法在给定周期内对磁扭力器的输出进行积分，依照积分运算结果确定磁扭力器输出变化阀值；(4)将步骤(3)所得磁扭力器输出变化阀值作为给定周期内磁扭力器的输出有效性判断根据，构建磁扭力器在轨故障自主确诊模型，实现磁扭力器在轨故障自主确诊。2.按照权力要求1所述的一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，其特征在于：所述步骤(1)中，磁扭力器输入输出模型具体为：y＝f(x,a)+b式中，x为磁扭力器的激磁电压，y为磁扭力器收到的由星载计算机估算输出的占空比控制量，f(x,a)为与磁扭力器激磁电压相关的非线性连续函数，a、b均为描述磁扭力器激磁电流与占空比控制量关系的配置参数。3.按照权力要求1所述的一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，其特征在于：所述步骤(2)中，估算磁扭力器输入输出模型的配置参数的具体方式为：(2-1)获取n组激磁电压与占空比控制量样本数据，具体为：[(x,y),(x,y),(x,y),...,(x,y)],(n∈Z+)；112233nn式中，x～x为n组激磁电压具体值，y～y为n组占空比控制量具体值；1n1n(2-2)对磁扭力器输入与输出进行线性拟合，借助最小二加法估算样本数据离差Q，具体为：y＝ax+b式中，y为y～y中任一样本，x为x～x中任一样本；i1ni1n(2-3)估算当离差Q为最小值时，配置参数a、b具体为：式中，分别为x，y样本集的平均值。
4.按照权力要求1所述的一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，其特征在于：所述步骤(3)中，确定磁扭力器输出变化阀值的具体步骤为：22CNA权力要求书2/2页(3-1)对不满足线性关系的占空比控制量及激磁电压曲线进行拟合，并对n组激磁电压与占空比控制量样本数据于S个控制周期的频域上进行积分，获取占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y，具体为：ii式中，均为不满足线性关系的占空比控制量及激磁电压拟合曲线的配置参数；(3-2)对占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y积分后作差，其中：ii式中，E为积分差值；S(3-3)将各控制周期内占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y的积分差值ii分别取最大值E、最小值E，进行次积分后确定遥测取样阀值b、b，具体为：SmaxE＝min(E),E＝max(E),＝min(E),b＝max(E)；(3-4)按照步骤(3-3)所得遥测取样阀值确定纳秒控制量遥测取样真实值需满足的磁扭力器输出变化阀值具体为：5.按照权力要求1所述的一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，其特征在于：所述步骤(4)中，若所选的S个控制周期内磁扭力器输出满足磁扭力器输出变化阀值判断，则输出数据有效，否则输出数据无效。
33CNA说明书1/7页一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式技术领域[0001]本发明涉及一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，属于航天器姿态控制领域。背景技术[0002]磁扭力器作为航天器控制分系统中的重要执行机构，肩负着航天器姿态控制、航天器整星角动量卸载等任务，直接关乎着航天器姿态控制的精度，它的输出有效性在很大程度上决定了航天器姿态控制的疗效，明显提高航天器的任务利润。[0003]磁扭力器的占空比控制量是随着航天器实时姿态及轨道变化而实时变化的，这些变化非线性，且难以绝对预估。而且，随着轨道的变化，当磁扭力器与地磁场倾角的正弦值大于一定值时，磁扭力器难以切割地磁场磁感线，而造成占空比控制量会顿时跳变为零。这种变化，甚至从较大的占空比控制量有效输出值到零的跳变，都是磁扭力器真实的工作特点，而这种非线性的变化，给磁扭力器施行在轨故障自主确诊带来了很大的困难。发明内容[0004]本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，传统磁扭力器输出判定方式难以应对占空比控制量跳变情况的问题，提出了一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主诊断方式。
[0005]本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案给以实现的：[0006]一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，步骤如下：[0007](1)依据磁扭力器的输入输出构建磁扭力器输入输出模型，对磁扭力器输入输出模型的配置参数进行定义；[0008](2)对步骤(1)所得磁扭力器输入输出模型进行线性拟合，并按照最小二加法估算磁扭力器输入输出模型的配置参数；[0009](3)通过积分平滑处理方法在给定周期内对磁扭力器的输出进行积分，依照积分运算结果确定磁扭力器输出变化阀值；[0010](4)将步骤(3)所得磁扭力器输出变化阀值作为给定周期内磁扭力器的输出有效性判定根据，构建磁扭力器在轨故障自主确诊模型，实现磁扭力器在轨故障自主确诊。[0011]所述步骤(1)中，磁扭力器输入输出模型具体为：[0012]y＝f(x,a)+b[0013]式中，x为磁扭力器的激磁电压，y为磁扭力器收到的由星载计算机估算输出的脉宽控制量，f(x,a)为与磁扭力器激磁电压相关的非线性连续函数，a、b均为描述磁扭力器激磁电压与占空比控制量关系的配置参数。
[0014]所述步骤(2)中，估算磁扭力器输入输出模型的配置参数的具体方式为：[0015](2-1)获取n组激磁电压与占空比控制量样本数据，具体为：[0016][(x,y),(x,y),(x,y),...,(x,y)],(n∈Z+)；112233nn44CNA说明书2/7页[0017]式中，x～x为n组激磁电压具体值，y～y为n组占空比控制量具体值；1n1n[0018](2-2)对磁扭力器输入与输出进行线性拟合，借助最小二加法估算样本数据离差Q，具体为：[0019]y＝ax+b[0020][0021]式中，y为y～y中任一样本，x为x～x中任一样本；i1ni1n[0022](2-3)估算当离差Q为最小值时，配置参数a、b具体为：[0023][0024]式中，分别为x，y样本集的平均值。[0025]所述步骤(3)中，确定磁扭力器输出变化阀值的具体步骤为：[0026](3-1)对不满足线性关系的占空比控制量及激磁电压曲线进行拟合，并对n组激磁电流与占空比控制量样本数据于S个控制周期的频域上进行积分，获取占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y，具体为：ii[0027][0028][0029][0030][0031]式中，均为不满足线性关系的占空比控制量及激磁电压拟合曲线的配置参数；[0032](3-2)对占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y积分后作差，其中：ii[0033][0034]式中，E为积分差值；S[0035](3-3)将各控制周期内占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y的积分ii差值分别取最大值E、最小值E，进行次积分后确定遥测取样阀值b、b，具体Smax为：55CNA说明书3/7页[0036]E＝min(E),E＝max(E),[0037]b＝min(E),b＝max(E)；[0038](3-4)按照步骤(3-3)所得遥测取样阀值确定纳秒控制量遥测取样真实值需满足的磁扭力器输出变化阀值具体为：[0039][0040]所述步骤(4)中，若所选的S个控制周期内磁扭力器输出满足磁扭力器输出变化阈值判别，则输出数据有效，否则输出数据无效。
[0041]本发明与现有技术相比的优点在于：[0042]本发明提供的一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，针对磁扭力器的非线性输出特点，构建起磁扭力器的激磁电压与星载计算机输出的占空比控制量的线性数据模型，通过线性拟合的方法构建了磁扭力器在轨故障自主确诊模型，增强磁扭力器这一重要执行机构在轨输出的有效性，才能实现磁扭力器在轨输出的有效判定，提升航天器姿态控制的有效性。在降低少量估算的情况下，按照线性回归拟合的曲线参数得到磁扭力器输出信息的有效性判读。附图说明[0043]图1为发明提供的磁扭力器在轨故障自主确诊方式流程示意图；[0044]图2为发明提供的线性拟合曲线与实际遥测值分布情况示意图；[0045]图3为发明提供的积分平滑处理后有效性判读阀值分布情况示意图；具体施行方法[0046]一种基于线性回归的磁扭力器在轨故障自主确诊方式，通过构建磁扭力器输入输出模型，定义磁扭力器输入输出模型参数配置，借助最小二加法求解经线性拟合后的磁力矩器输入输出模型的配置数据，并针对磁扭力器在轨的输出特点，采用积分平滑处理方法在频域上对磁扭力器输出进行积分，通过对磁扭力器输出在给定周期内的积分运算，求解磁扭力器输出在给定周期内的输出变化阀值，以作为故障自主确诊的根据，如图1所示，具体步骤如下：[0047](1)依据磁扭力器的输入输出构建磁扭力器输入输出模型，对磁扭力器输入输出模型的配置参数进行定义，明晰磁扭力器的输出特点，具体包括：[0048]因为磁扭力器的输出与本身化学元件特点相关，且磁扭力器驱动电路中存在电感，再加上磁扭力器占空比控制量和磁扭力器激磁电压的遥测量取样周期不同。
为此，磁扭力器形成的激磁电压与其接收到的占空比控制量具有相对滞后的关系。针对磁扭力器的激磁电流与占空比输出，构建磁扭力器输入输出模型如下：[0049]y＝f(x,a)+b[0050]式中，x为磁扭力器的激磁电压，y为磁扭力器收到的由星载计算机估算输出的脉宽控制量，f(x,a)为与磁扭力器激磁电压相关的非线性连续函数，a、b均为描述磁扭力器激磁电压与占空比控制量关系的配置参数；[0051](2)对步骤(1)所得磁扭力器输入输出模型进行线性拟合，并按照最小二加法估算66CNA说明书4/7页磁扭力器输入输出模型的配置参数，其中：[0052]a和b的取值与磁扭力器本身化学特点有关。首先通过地面实验获取足够多的样本数据，估算磁扭力器输入输出模型的配置参数的具体方式为：[0053](2-1)获取n组激磁电压与占空比控制量样本数据，具体为：[0054][(x,y),(x,y),(x,y),...,(x,y)],(n∈Z+)；112233nn[0055]式中，x～x为n组激磁电压具体值，y～y为n组占空比控制量具体值；1n1n[0056](2-2)对磁扭力器输入与输出进行线性拟合，借助最小二加法估算样本数据离差Q，具体为：[0057]y＝ax+b[0058][0059]式中，y为y～y中任一样本，x为x～x中任一样本；i1ni1n[0060](2-3)估算求解Q可得：[0061][0062]求解Q值的方程左边可得，当离差Q为最小值时，配置参数a、b具体为：[0063][0064]式中，分别为x，y样本集的平均值；[0065](3)通过积分平滑处理方法在给定周期内对磁扭力器的输出进行积分，依照积分运算结果确定磁扭力器输出变化阀值，其中：[0066]满足y＝ax+b的曲线近似的表征了磁扭力器占空比控制量和磁扭力器激磁电压的线性关系。
但是占空比控制量是按照姿态控制算法实时估算得出的，在频域上相邻的两个纳秒控制量无线性关系；[0067](3-1)对不满足线性关系的占空比控制量及激磁电压曲线进行拟合，并对n组激磁电流与占空比控制量样本数据于S个控制周期的频域上进行积分，获取占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y，具体为：ii[0068]77CNA说明书5/7页[0069][0070][0071][0072]式中，均为不满足线性关系的占空比控制量及激磁电压拟合曲线的配置参数；S≤n,S∈Z+；[0073](3-2)对占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y积分后作差，其中：ii[0074][0075]式中，E为积分差值；S[0076](3-3)将各控制周期内占空比控制量线性拟合理论值Y及遥测取样真实值y的积分ii差值分别取最大值E、最小值E，进行次积分后确定遥测取样阀值b、b，具体Smax为：[0077]E＝min(E),E＝max(E),[0078]b＝min(E),b＝max(E)；[0079](3-4)依据步骤(3-3)所得遥测取样阀值确定占空比控制量遥测取样真实值需满足的磁扭力器输出变化阀值具体为：[0080][0081](4)将步骤(3)所得磁扭力器输出变化阀值作为给定周期内磁扭力器的输出有效性确诊根据，构建磁扭力器在轨故障自主确诊模型，实现磁扭力器在轨故障自主确诊，如图3所示，对于任意的磁扭力器激磁电压x，若相应的磁扭力器占空比控制量y，在S个控制周期ii内的积分满足：[0082][0083]则该S个控制周期内的磁扭力器输出有效；反之磁力矩器，则无效。
其中，[b,b]取决于SminSmax磁扭力器本身的化学特点，也与S的取值有关。[0084]下边结合具体施行例进行进一步说明：[0085](1)针对磁扭力器的激磁电压与占空比输出，构建磁扭力器输入输出模型如下：[0086]y＝f(x,a)+b[0087]其中，x为磁扭力器的激磁电压，y为磁扭力器收到的由星载计算机估算输出的脉88CNA说明书6/7页宽控制量，x,y分别为可观测的遥测量；f(x,a)表征与磁扭力器激磁电压相关的非线性连续函数。a和b为描述磁扭力器激磁电压与占空比控制量关系的配置参数；[0088](2)通过地面实验获取三百万组样本数据，得出的磁扭力器输入与输出样本组为：[0089][(x,y),(x,y),(x,y),...,(x,y)],(n≤,n∈Z+)112233nn[0090]设磁扭力器输入输出模型拟合的曲线为线性的，满足：[0091]y＝ax+b[0092]对样本集中的离散点组合进行最小二加法求解。设离差Q满足：[0093][0094]当Q最小时，即得出满足拟合曲线多项式的系数值，记样本集中x,y的平均值分别为求解Q可得：[0095][0096]由以上求解Q值的方程左边可知，当：[0097][0098]离差Q为最小值。
此时，磁扭力器输入输出的线性拟合模型为：[0099]y＝70.8731x-170.2057[0100]其中，x为磁扭力器激磁电压，y为磁扭力器收到的由星载计算机估算输出的占空比控制量。此时，经过线性拟合的磁扭力器输入输出模型数据分布如图2所示。[0101](3)满足y＝70.8731x-170.2057的曲线近似的表征了磁扭力器占空比控制量和磁力矩器激磁电压的线性关系。但是占空比控制量是按照姿态控制算法实时估算得出的，在频域上相邻的两个纳秒控制量无线性关系。[0102]设拟合的曲线为：[0103]y＝70.8731x-170.2057[0104]对于整个数据样本[(x,y),(x,y),(x,y),...,(x,y)],(n≤,n∈Z112233nn+)，一对数据样本对应一对控制周期遥测，对数据样本在频域上40个控制周期的值进行积分，可以得到40个控制周期内，由激磁电压输入形成的占空比控制量线性拟合理论值Y，以及i遥测取样的真实值y分别为：i99CNA说明书7/7页[0105][0106][0107]对积分的占空比控制量线性拟合理论值以及遥测真实值作差：[0108][0109]经过75000次积分运算，存在致使样本中的占空比控制量遥测取样真实值y满足：i[0110][0111]配置参数的范围为[-798.2160,851.4999]；[0112](4)构建磁扭力器在轨故障自主确诊模型：[0113]对于任意的磁扭力器激磁电压x，其相应的磁扭力器占空比控制量y，在40个控制周ii期内的积分，若满足：[0114][0115]则该40个控制周期内的磁扭力器输出有效；[0116]若不满足，则该40个控制周期内的磁扭力器输出无效，其中配置参数的范围[-798.2160,851.4999]取决于磁扭力器本身的化学特点，也与积分周期的取值有关。[0117]本发明说明书中未作详尽描述的内容属本领域技术人员的公知技术。1010CNA说明书附图1/3页图11111CNA说明书附图2/3页图21212CNA说明书附图3/3页图31313