基于模型的空間電源故障診斷淺析

苗 狄

（深圳職業技術學院，廣東深圳,518055）

基于模型的空間電源故障診斷淺析

苗 狄

（深圳職業技術學院，廣東深圳,518055）

空間電源故障輕則影響航天器的工作壽命，重則導致航天災難，空間電源是航天器的心臟，目前對于航天器的故障診斷主要是依靠人機結合的地面診斷系統，但其實時性難以保證，且當航天器通信系統故障時，地面診斷系統將毫無作用，因此，在空間電源的設計過程中，一方面通過采用軟硬件冗余的方式提高其可靠性，另一方面，需要研究開發空間電源的智能故障診斷技術，能保證航天器在軌可靠運行。

失效機理;基于模型;空間電源;失效模式;故障診斷

0 引言

航天器作為一類由電子、機械、控制、能源、通訊、材料及計算機技術等多學科尖端成果協同工作的大型多功能復雜系統，在深空探測、國防軍事、通信、氣象、地質勘探、生態研究等各個領域起著不可替代的作用。由于航天器造價昂貴，并且大部分具有唯一性，因此，高可靠性是對航天器運行的重要要求，目前，航天器的可靠性主要通過硬件的可靠性及軟硬件冗余來保證，仍然會出現航天器運行異常或系統故障問題，而空間電源系統作為航天器的重要組成部分，主要負責航天器上的全部負載的供電，該系統性能的好壞直接關系到其它系統的工作狀態，決定著航天器的壽命，因此，研究空間電源的智能故障診斷技術將大大提高航天器的可靠性。目前，航天器故障診斷主要依靠人機結合的地面診斷系統實現，由地面系統接收航天器的遙測數據，通過對遙測數據進行分析，判斷航天器的運行狀態，制定對策，發出控制指令，但在航天器飛行過程中，地面診斷系統處理故障的實時性和控制能力是非常有限的，且當航天器的通信系統發生故障時，地面系統無法完成對航天器的故障診斷任務，因此，研究航天器的自主故障診斷技術是十分必要的。

圖1 空間電源架構圖

1 空間電源系統基本組成

空間電源系統多采用太陽電池陣—蓄電池結構，是目前應用最為廣泛的航天器電源系統。太陽電池陣—蓄電池電源系統主要由太陽電池陣、蓄電池組和電源控制裝置組成，其中電源控制裝置可以分為兩類，一類由分流調節器（SR—Shunt Regulator）、充電調節器（BCR—Battery Charge Regulator）、放電調節器（BDR—Battery Discharge Regulator）組成，為傳統S3R架構，如圖1所示；另一類由串聯開關調節器和峰值功率跟隨器（PPT）組成。它的主要作用是處理太陽電池陣的輸出功率、實施母線調節、對蓄電池組進行充放電控制、故障診斷與隔離、系統重構和測控管理，保證電源系統可靠地工作。在光照期間，太陽電池陣給負載提供能量，同時給蓄電池充電；在地影期間，蓄電池組通過放電調節器給負載供電。整個能源的配置和調度由主誤差控制單元負責。

2 空間電源故障影響分析

在對空間電源架構進行分析的基礎上，分析總結空間電源系統的各分模塊的故障影響，以及故障模式、故障機理等，有利于對空間電源故障診斷算法的設計，表1給出了空間電源主要模塊的故障模式、故障原因及檢測方式。

基于上述對空間電源故障模式及檢測方法的分析，一般對于開路或者短路失效的，可直接通過閾值對比簡單地實現故障檢測，而需要對數值進行分析評估部分，則需要采用解析模型分析結果與實測數據進行殘差發生，再對殘差進行評估分析，如BCR輸入電流值錯誤、BDR輸出電流值錯誤等。

3 基于模型的故障診斷

基于模型的故障診斷技術的基本出發點是早期的硬件冗余思想，為了使得航天器具有較高的可靠性，一般在航天器的關鍵部分設計相同的硬件結構來保證在一路損壞的情況下不影響航天器的正常工作，但由于硬件冗余的方法成本高，不靈活等缺點，后期發展起來的基于模型的故障診斷技術是基于解析冗余思想，它是將原有的冗余硬件通過軟件的方式取代，可以方便靈活地實現不同的診斷算法。NASA已經成功地開發了故障診斷引擎Livingstone，并將其應用于Earth Observing One中，取得了良好的效果，同時將它用到快速推進劑加載系統中。圖2為基于模型的故障診斷原理圖，基于模型的故障診斷方法首先建立被診斷系統的數學模型，構造不同類型的觀測器，通過觀測器的在線監控系統輸出，同時采用數學模型對輸出進行估計，將輸出估計值與輸出實測值進行適當轉換生成殘差，然后對殘差進行分析處理，實現故障檢測和診斷。

圖2 基于模型的故障診斷原理圖

目前，分別采用兩套系統對空間電源故障診斷進行分析，一套是基于虛擬平臺的空間電源故障診斷系統，是通過Simulink搭建空間電源內部電路的模型進行仿真分析，得到的仿真結果數據與基于解析模型的預測值進行對比生成殘差信號，可通過在Simulink模型中制造不同的故障類型，分析不同的診斷算法對故障診斷的準確性；另一套是基于實際物理平臺的故障診斷系統，與虛擬平臺相類似，采用實際物理平臺的測量值與解析模型的預測值進行對比生成殘差，在物理平臺中注入故障，并分析殘差信號最終得到電源系統的故障診斷結果。基于虛擬平臺主要是實現對診斷算法的準確性進行檢測，在保證算法準確性的基礎上，將算法嵌入到實際物理平臺，實現診斷算法及時性、魯棒性等相關性能的評估。如圖3所示，為基于模型的空間電源故障診斷系統結構流程圖，給出了基于虛擬平臺和實際物理平臺的故障診斷過程。

表1 空間電源主要模塊故障模式及檢測方式

4 結論

采用基于模型的故障診斷技術可有效地避免知識缺乏而導致的故障漏檢問題，克服了專家系統的知識獲取瓶頸，同時，它也克服了航天器故障診斷的歷史數據積累不足問題，基于模型的故障診斷方法是通過對模型預估值與系統檢測輸出值的殘差進行評估，最終獲得被診斷系統的故障模式及類型，可方便直接地應用到空間電源故障診斷中，有效地實現故障的檢測、診斷及隔離。

圖3 基于模型的空間電源故障診斷系統結構流程圖

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苗狄 (1980年)，男，黑龍江哈爾濱人，漢族，現職稱：講師，學歷：博士，研究方向：新能源功率變換，微電網等。

Fault diagnosis of space power supply based on Model

Miao Di
(Shenzhen Polytechnic,Shenzhen,Guangdong,518055)

Space power fault light will influence the working life of the spacecraft,in astronautics disaster,space power is the heart of the spacecraft,the spacecraft fault diagnosis mainly depends on the ground monitoring and fault diagnosis system of man-machine combination,but in fact is difficult to guarantee and when the spacecraft communication system fault,ground fault diagnosis system will have no effect.Therefore,in the process of design of space power,on the one hand,by using the software and hardware redundancy to improve the reliability,on the other hand,the research and development of space power intelligent fault diagnosis technology,can ensure the air is in orbit and reliable operation.

failure mechanism;Model based;Failure mode;Fault diagnosis