星上一体化综合电子系统FDIR框架设计及故障检测隔离机制实现

论文摘要

卫星技术是一个国家的综合实力的重要标志,其关系到国家的经济发展和国家安全,因而各国都争相发展卫星技术,纷纷发射卫星。但是,随着各国发射卫星数量的增加,卫星的安全运行也受到严重挑战。而星上综合电子系统是卫星的重要组成部分,其安全运行关系到整星的安全,因此对于综合电子系统的故障检测隔离和恢复（Fault Detection , Isolation and Recovery,简称FDIR）研究具有重要意义。对于传统的非一体化平台的卫星,其FDIR设计针对相同体系结构的卫星进行具体设计,FDIR设计不易在不同的体系结构的卫星间复用。此外,FDIR软件等需要通过电子设备的专门驱动对卫星综合电子系统的各电子设备进行访问,这就不利于FDIR软件对综合电子系统的信息融合,也不利于软硬件并行开发,延长了卫星研发周期。为了解决星上综合电子系统的FDIR问题,本文首先研究了各类故障检测、故障隔离和故障恢技术与方法,在比较分析各方法的优缺点的基础上,选择较为通用、有效的FDIR方法和机制;然后,剖析了卫星数据模型（Satellite Data Model,简称SDM）,包括SDM的构成、SDM的运行机制、xTEDS表格和语法以及基于SDM平台的综合电子系统的数据发布和接收机制;随后,在对SDM研究和FDIR技术与方法的研究基础上,探索设计了能扩展、可重用的具有通用性的基于SDM平台的星上综合电子系统FDIR框架（Satellite Integrated Electronic System’s FDIR Framework,简称SIES-FDIRF）,且基于SDM平台的综合电子系统能易于FDIR软件进行信息获取和信息处理。SIES-FDIRF包括故障检测模块、故障隔离模块、D-R中介模块、故障恢复模块以及故障数据库等。故障检测模块主要完成发现故障的功能,故障隔离模块主要完成故障定位的功能,D-R中介模块主要功能是能针对故障类型快速的给出对应的故障恢复策略,故障恢复模块主要完成故障恢复的功能,故障数据库主要用来存储故障信息、贝叶斯网络信息和数据表信息等;最后,基于该FDIR框架选取几种较为通用的故障检测和故障隔离方法（包括贝叶斯网络、限度检测、卡尔曼滤波器和基于模型的方法等）,实现了故障检测模块和故障隔离模块,并通过选取综合电子系统中太阳能电源系统作为故障诊断实例,说明了SIES-FDIRF框架和故障检测模块的可行性和有效性。本文所做工作为课题组下一步研究打下良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究的内容
• 1.3.1 课题研究基础与目标
• 1.3.2 本课题研究内容
• 1.4 论文结构组织
• 第二章 FDIR 相关技术介绍
• 2.1 故障检测技术
• 2.1.1 双冗余比对机制
• 2.1.2 限度检测机制
• 2.1.3 基于解析冗余的方法
• 2.1.4 卡尔曼滤波器方法
• 2.2 故障隔离技术
• 2.2.1 选举机制
• 2.2.2 基于专家系统的方法
• 2.2.3 贝叶斯网络方法
• 2.2.4 基于模型的方法
• 2.2.5 因果网络方法
• 2.3 故障恢复技术
• 2.3.1 检测点与重做机制
• 2.3.2 例外处理机制
• 2.3.3 系统重置与重构机制
• 2.3.4 模式切换机制
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于SDM 一体化平台的星上综合电子系统
• 3.1 SPA 项目介绍
• 3.1.1 SPA 结构
• 3.1.2 SPA 组成及重要概念
• 3.2 SDM 体系结构
• 3.2.1 SDM 简介
• 3.2.2 SDM 的启动与运行
• 3.3 基于SDM 一体化平台的综合电子系统
• 3.4 本章小结
• 第四章 星上一体化综合电子系统FDIR 框架设计
• 4.1 提出SIES-FDIRF 的必要性及可能性
• 4.2 SIES-FDIRF 设计
• 4.2.1 Smart-FDIR 结构
• 4.2.2 SIES-FDIRF 结构
• 4.2.3 框架模块功能
• 4.2.3.1 故障检测模块
• 4.2.3.2 故障隔离模块
• 4.2.3.3 D-R 中介模块
• 4.2.3.4 故障恢复模块
• 4.2.3.5 故障数据库
• 4.3 SIES-FDIRF 的优点
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于SDM 的SIES-FDIRF 的故障检测隔离模块的设计与实现
• 5.1 故障检测隔离模块设计
• 5.2 模拟设备程序实现
• 5.3 限度检测方法实现
• 5.4 基于模型方法的实现
• 5.5 卡尔曼-贝叶斯网络方法的实现
• 5.5.1 卡尔曼滤波器
• 5.5.2 贝叶斯网络构建
• 5.5.3 卡尔曼故障检测和贝叶斯网络故障隔离运行结果
• 5.6 太阳能电池故障检测隔离实现
• 5.6.1 模型介绍
• 5.6.2 限度检测方法实现
• 5.6.3 模型方法实现
• 5.6.4 卡尔曼-贝叶斯方法实现
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 前景展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果
• 附录A Smart-1 卫星分析报告
• 附录B 康奈尔大学卫星诊断板说明