萬 磊，戴 濱，蔣 寒

(1.浙江省渦輪機(jī)械與推進(jìn)系統(tǒng)研究院，浙江 湖州 313219；2.浙江大學(xué) 航空航天學(xué)院，杭州 310058)

0 引言

多顆航天器協(xié)同工作是目前航天領(lǐng)域常見的工作模式，航天器集群發(fā)生單體故障而導(dǎo)致的任務(wù)失敗問題，一直是國內(nèi)外研究的熱點。傳統(tǒng)的故障診斷方法依賴于數(shù)據(jù)驅(qū)動、分形維數(shù)以及故障樹等技術(shù)，在應(yīng)用過程中的效果均不理想，且檢測精度較低，無法滿足應(yīng)用需求[1-2]。

為此，本文設(shè)計了一種基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)，完善系統(tǒng)的硬件設(shè)備，介紹了系統(tǒng)的檢測器、采集器、濾波器以及電源電路等主要硬件模塊，并結(jié)合小波函數(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計出一種全新的小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對采集數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，預(yù)測出真確的航天器飛行姿態(tài)角，從而進(jìn)行精確的故障檢測，并提出了故障重構(gòu)措施，進(jìn)一步保證航天器集群順利完成任務(wù)。最后經(jīng)過實驗，進(jìn)一步驗證了該系統(tǒng)的應(yīng)用性能，從而促進(jìn)了自主診斷重構(gòu)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

1 基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原理

航天器故障檢測系統(tǒng)分為硬件設(shè)備設(shè)計與軟件算法。硬件設(shè)備設(shè)計采用EEC-I型檢測器進(jìn)行交流信號的監(jiān)控、采用基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、采用FIR濾波器進(jìn)行對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，最后采用4NIC-UPS27型號一體化不間斷電源為航天器的飛行提供電力；軟件部分融入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波函數(shù)，預(yù)測航天器的姿態(tài)角的安全閾值，同時引入了故障檢測算法，實現(xiàn)航天器故障的自主判斷。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計整體構(gòu)架

本文設(shè)計的基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)由檢測器、采集器、濾波器以及電源四部分組成，基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)硬件

1.3 檢測器

為提升航天器的使用和維修的方便性，設(shè)計故障檢測器檢測航天器的工作狀況，本文采用EEC-I型檢測器對航天器的交流信號進(jìn)行監(jiān)控，并探測故障信號來源鎖定故障部位。EEC-I型檢測器具有統(tǒng)一的16幀故障診斷連接器，兼具數(shù)據(jù)傳輸及通訊功能，且為便于控制系統(tǒng)識別故障信息，采用統(tǒng)一的故障碼含義，除了國際通用故障碼外，允許開發(fā)商自定義故障碼，并可隨時消除檢測器的故障碼功能[3-4]。檢測器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 檢測器結(jié)構(gòu)

觀察圖2可知，本文設(shè)計的檢測器內(nèi)部為MCP2510控制器，客戶端與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接，通過關(guān)聯(lián)算法搜尋和分配子任務(wù)[5]。MCP2510控制器通過SI接口與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為了保證控制器的正常運行，其工作電壓控制在2.5～5.5 V內(nèi)、電流控制在0～5 mA內(nèi)。存儲接口選用PCIE進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲；時鐘選用20 MHz有源晶振型號，為電源提供電壓，供給各個端口。當(dāng)航天器正常運行時，系統(tǒng)內(nèi)部的輸入和輸出信號的電流或電壓在某一固定范圍內(nèi)均勻變化，而當(dāng)航天器出現(xiàn)異常故障時，控制電路信號的電流或電壓出現(xiàn)急劇異常變化，且數(shù)值往往超出固定范圍，若該現(xiàn)象的存在時間長于兩個信號交換周期，則航天器的電子控制系統(tǒng)認(rèn)為航天器出現(xiàn)故障，并將故障信息轉(zhuǎn)化為故障代碼存儲入控制系統(tǒng)的存儲器，同時進(jìn)行故障警報，顯示故障信息[6]。

1.4 采集器

采集器是獲取航天器故障信息重要的數(shù)據(jù)來源。傳統(tǒng)航天器故障檢測系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集器，往往只具備數(shù)據(jù)采集功能，無法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，增大了數(shù)據(jù)處理模塊的工作量，不利于提升航天器故障診斷效率。為此，本文設(shè)計了一款基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集器，采集器具有6個硬件端口，可使用移動設(shè)備對其進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和讀寫操作，同時采集器具有12個數(shù)據(jù)采集端口，增大了航天器故障檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量。采集器端口如圖3所示。

圖3 采集器端口

采用MATLAB設(shè)計采集器，為采集器提供應(yīng)用程序接入端口，應(yīng)用程序接入端口選用Telnet，實現(xiàn)采集器端口的通信。用戶可以在MATLAB環(huán)境中采用c語言、Java等編譯語言進(jìn)行程序編寫，實現(xiàn)采集器的數(shù)據(jù)處理功能，用顯示屏實時顯示采集到的數(shù)據(jù)，再對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)分類等操作，也可以利用數(shù)據(jù)采集工具箱，調(diào)用函數(shù)命令，直接控制采集器與PC端進(jìn)行通信，同時便于采集器與其他服務(wù)器建立關(guān)系，進(jìn)一步增強數(shù)據(jù)擴(kuò)展性[7-8]。

1.5 濾波器

由于采集器采集的數(shù)字信號的頻率多種多樣，因此在檢測系統(tǒng)中只有一個采樣頻率難以滿足應(yīng)用需求，為實現(xiàn)數(shù)字信號的數(shù)模轉(zhuǎn)化，設(shè)計了FIR濾波器根據(jù)沖擊響應(yīng)函數(shù)的時域特性進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣率轉(zhuǎn)換，且在轉(zhuǎn)化過程中保證數(shù)據(jù)的完整性[9-10]。

FIR濾波器主要由乘加單元組成，傳統(tǒng)的濾波器采樣直觀式結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)造，易造成資源面積占用過大，影響濾波器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化效率。而本文利用FPGA硬件構(gòu)造FIR濾波器，采用串行結(jié)構(gòu)將需要的轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)信號與其對應(yīng)的濾波系數(shù)進(jìn)行相乘，而且為便于清除計算的誤差，在完成一級乘法運算后，鎖定該層次的運算結(jié)構(gòu)，之后一級的乘積累加，不僅能夠節(jié)約數(shù)據(jù)資源，且能夠提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化速度，為了降低對信號的衰耗，將濾波器的通帶范圍設(shè)置為0.3～0.5 pi之間、阻帶設(shè)置為1.5～4 kHz之間，指定5%的通帶紋波和40 dB的阻帶衰減。FIR濾波器主要包含存儲模塊與運算模塊兩部分，運算模塊完成數(shù)據(jù)的相乘而累加，而存儲模塊的作用是通過時鐘控制片選信號和地址譯碼，查找并讀寫出與ROM地址相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，將與數(shù)據(jù)對應(yīng)的濾波信號和數(shù)據(jù)同時輸入運算模塊[11-12]。

1.6 電源設(shè)計

電源模塊是航天器故障檢測系統(tǒng)的電能來源，在航天器故障檢測系統(tǒng)中，設(shè)計交流電源和直流電源兩種電源，即可以使用36V的直流供電形式，也可以采用220 V的交流供電形式，以滿足不同設(shè)備的供電需求。且為提升該檢測系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，在檢測器下方，采用4NIC-UPS27型號一體化不間斷電源，該電源不僅電容量大、抗干擾能力強、且功率密度大，同時該電源支持0～0.5內(nèi)的交流電與直流電的快速轉(zhuǎn)換，當(dāng)系統(tǒng)選擇電池供電模式時，則可將電池作為主電源進(jìn)行供電，當(dāng)選擇其他供電模式時，電池可作為后備電源，以應(yīng)對系統(tǒng)的突發(fā)情況，同時為了保證電源電路的安全，將輸入和輸出電壓設(shè)置為220 V。電源如圖4所示。

圖4 電源電路圖

2 基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

在上述硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)軟件，具體的流程如圖5所示。

圖5 基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢在于充分考慮了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及小波變換的需求，采用小波函數(shù)替代傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層內(nèi)的S型函數(shù)，并且由小波函數(shù)的尺度伸縮因子替代輸入層到隱含層的權(quán)值，用時間平移因子替代隱含層的閾值，且在這種替換模式下，從實質(zhì)上將小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)視為一種連續(xù)型的非線性映射，通過融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波函數(shù)，能夠優(yōu)化兩種算法本身的適應(yīng)能力和擴(kuò)展能力，針對局部最小值誤差，具有更強的容錯能力，從而進(jìn)行更精確的故障檢測[13-15]。

權(quán)值連接是小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最為重要的連接方式，同層次神經(jīng)元的連接及與相鄰層神經(jīng)元的連接均通過權(quán)值進(jìn)行連接。

本文假設(shè)小波前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層以及輸出層三部分構(gòu)成，小波前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。輸入層和輸出層均為一層，輸入層包含n個神經(jīng)元，輸出層包含m個神經(jīng)元，隱含層共有g(shù)層且每層包含k個神經(jīng)元，則小波前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中神經(jīng)元權(quán)值的計算方式如下：

圖6 小波前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

φij=1 (j=1)

(1)

φij=xij(2≤j≤n+1)

(2)

φij=Cij(j>n+1)

(3)

(4)

其中:i表示該神經(jīng)元所在層數(shù)；j表示該神經(jīng)元在i層的位置。

假設(shè)小波前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)共有L層，則網(wǎng)絡(luò)的總輸出如下：

(5)

其中:

(6)

通過上述構(gòu)建的小波網(wǎng)絡(luò)算法對航天器的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)預(yù)測航天器的姿態(tài)角與預(yù)測姿態(tài)角的殘差是否超過安全閾值，可根據(jù)不同類型的姿態(tài)判斷出故障位置[16-17]，自主診斷重構(gòu)推理機(jī)如圖7所示。但從自主診斷重構(gòu)技術(shù)的推理角度來說，小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練時得到的殘差數(shù)據(jù)分布概率模型p(r丨θ)可以看做是關(guān)于參數(shù)θ的函數(shù)，換個角度說，對于得到的姿態(tài)殘差數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)訓(xùn)練中關(guān)于參數(shù)的所有信息都包含在殘差數(shù)據(jù)分布概率模型p(r丨θ)中。

圖7 自主診斷重構(gòu)推理機(jī)

根據(jù)以上理由，在建立殘差數(shù)據(jù)分布概率模型p(r丨θ)所使用的殘差數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量n充分大時，可以認(rèn)為獲取的航天器姿態(tài)殘差數(shù)據(jù)的測量過程中以及包含的參數(shù)θ的所有信息，此時可以依據(jù)，定義置信界100γ%的殘差值滿足如下公式的閾值：

(7)

在利用殘差數(shù)據(jù)分布概率模型進(jìn)行航天器故障診斷時，需要對設(shè)定的置信界閾值進(jìn)行重構(gòu)，在設(shè)定的置信界閾值條件下，若其滿足：

(8)

對于殘差數(shù)據(jù)r,在重構(gòu)后設(shè)定的置信界閾值條件下，若其滿足：

p(rm丨θ)

(9)

則可認(rèn)定該數(shù)據(jù)為故障數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的獲取來源和所屬類別，基于自主診斷重構(gòu)及時鎖定故障發(fā)生位置和基本故障類型，并及時響應(yīng)故障警報[18-20]。

3 結(jié)果與分析

為驗證本文設(shè)計的基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果，設(shè)計航天器故障檢測仿真實驗進(jìn)行性能檢驗，將本文設(shè)計的故障檢測系統(tǒng)的檢測效果與基于分形維數(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、故障樹等3種傳統(tǒng)類型的航天器故障檢測系統(tǒng)的檢測效果進(jìn)行對比，分析4種檢測系統(tǒng)的在線檢測性能。

根據(jù)故障檢測系統(tǒng)的運行機(jī)理，當(dāng)航天器發(fā)生故障時，檢測系統(tǒng)運用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)算法，對采集的航天器本身姿態(tài)角與其相對中心航天的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計算，預(yù)測出正常狀態(tài)下航天器的相應(yīng)姿態(tài)角，以此作為航天器故障檢測的依據(jù)。

根據(jù)以上故障檢測原理，在2.5 s時向X軸執(zhí)行器注入氣流故障，采用4種故障檢測系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測，4種檢測系統(tǒng)針對航天器X軸、Y軸、Z軸姿態(tài)角的預(yù)測結(jié)果如圖8～10所示。

圖8 航天器X軸姿態(tài)角的預(yù)測結(jié)果

圖9 航天器Y軸姿態(tài)角的預(yù)測結(jié)果

圖10 航天器Z軸姿態(tài)角的預(yù)測結(jié)果

從以上實驗結(jié)果可以看出，在注入故障后，本文設(shè)計的基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)所預(yù)測的X軸、Y軸、Z軸姿態(tài)角與航天器實際姿態(tài)角反差較大，能夠有效檢測出故障的產(chǎn)生。而基于分形維數(shù)的故障檢測系統(tǒng)針對Y軸的姿態(tài)角預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，基于故障樹的故障檢測系統(tǒng)針對Z軸的姿態(tài)角預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確，而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障檢測系統(tǒng)在X軸、Y軸、Z軸均不精確，存在較大檢測誤差。造成以上性能差別的原因在于，本文設(shè)計的航天器故障檢測系統(tǒng)應(yīng)用基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實時獲取航天器的姿態(tài)角，且能夠?qū)Σ杉瘮?shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)分析，配合濾波器和檢測器的使用，提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率和檢測精度，同時構(gòu)建小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，對比預(yù)測姿態(tài)角和實際姿態(tài)角的殘差，當(dāng)殘差值超過設(shè)定閾值后，自動診斷航天器故障。而傳統(tǒng)的故障檢測系統(tǒng)，對航天器姿態(tài)角的數(shù)據(jù)采集不夠精確，且不能準(zhǔn)確預(yù)測出正常運行狀態(tài)下航天器的姿態(tài)角，降低了檢測精度和檢測效率。

為進(jìn)一步驗證本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，應(yīng)用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對注入故障后的航天器進(jìn)行故障診斷，故障診斷結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 無故障情況診斷結(jié)果圖

圖12 注入故障后診斷結(jié)果圖

從上述診斷結(jié)果可以看出，當(dāng)2.5 s后，航天器的實際姿態(tài)角與系統(tǒng)預(yù)測角的殘差突破了閾值范圍，針對系統(tǒng)，在2.5號航天器發(fā)生了故障，進(jìn)一步驗證了本文研究的故障檢測系統(tǒng)的精確性。

經(jīng)過上述檢測性能對比后，設(shè)計故障重構(gòu)仿真實驗，設(shè)計10組航天器集群模擬實驗，分別在航天器集群中某一航天器的不同位置注入不可修復(fù)的永久性故障，在采用4種故障檢測系統(tǒng)對上述10組航天器模型進(jìn)行故障檢測后，對比航天器的后續(xù)運行狀態(tài)。

根據(jù)現(xiàn)場實驗結(jié)果，本文設(shè)計的基于自主診斷重構(gòu)技術(shù)的航天器故障檢測系統(tǒng)在完成故障檢測后，為避免故障航天器干擾其他航天器的運行，自動采取故障重構(gòu)措施，即改變航天器的運行路線，自動退出航天器團(tuán)隊，故障重構(gòu)任務(wù)示意圖如圖13所示。而其他3種檢測系統(tǒng)在檢測出故障后，結(jié)束了整體的檢測工作，任由航天器進(jìn)行發(fā)展，由此可以看出，本文設(shè)計的故障檢測系統(tǒng)更利于維護(hù)航天器集群的運行安全，更能滿足市場需求。

圖13 故障重構(gòu)任務(wù)示意圖

綜上所述，該系統(tǒng)能夠有效進(jìn)行航天器故障檢測并采取故障重構(gòu)措施，具有較高的應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

航天器故障的自主診斷和重構(gòu)的實現(xiàn)大大增強了航天器集群運行的安全性，可以有效減輕航天器測控站的人力投入、資金投資等，并克服了航天器測控的空間限制，并實現(xiàn)了在故障航天器離開集群后，余下航天器重新進(jìn)行任務(wù)分配，繼續(xù)完成分配任務(wù)，且故障航天器在允許狀態(tài)下，可以改變航行路線飛回測控站，且隨著科學(xué)技術(shù)的精進(jìn)，航天器的故障檢測和重構(gòu)技術(shù)將融合其他技術(shù)，不斷提升數(shù)據(jù)處理能力和故障恢復(fù)能力，最終實現(xiàn)航天器的自主智能控制的自主運行，促進(jìn)我國航天領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。