航天器控制系统自主诊断重构技术——系统可诊断性与可重构性的评价和设计_王大轶，刘成瑞，刘文静，李文博著_9787515917238

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全书共分六个部分，第一部分介绍了可诊断性与可重构性的定义、内涵及研究进展等;第二部分研究了系统建模与故障分析方法、可诊断性与可重构性理论的核心,以及系统诊断和重构能力的表征、判定和量化方法;第三部分阐述了基于相关性模型、解析冗余关系、距离相似度、方向相似度和考虑非线性因素影响的可诊断性评价方法,以及基于相关性模型、DM 分解技术、优化理论和考虑干扰因素影响的可诊断性设计方法;第四部分介绍了考虑多种资源约束的可重构性评价方法,以及面向时间与空间双重维度的可重构性设计方法;第五部分介绍了自主诊断重构地面验证系统和可诊断性评价工具软件、可重构性评价工具软件,以及仿真应用情况;第六部分对航天器控制系统自主诊断核重构技术做出了总结和展望.

前言

航天器是一类典型的无人系统，但是它们却离不开人在地面的运控支持，必须确保航天器安全可靠应该是目前这种状况的主要原因。不过，对于一些特殊任务，或者一些特殊任务阶段，比如深空探测的着陆/附着阶段，还是明确提出了自主运行的需求。确保航天器安全可靠自主运行已成为建设航天强国的根本需要。

航天器自主运行的关键是航天器的控制系统要实现自主诊断重构，主要原因是控制系统功能结构复杂、故障事件高发、承担任务关键、故障后果严重。自主诊断重构技术能够实现故障的及时诊断和有效处理，是提升航天器安全可靠自主运行能力的有效途径。杨嘉墀院士在1995年就已经指出：自主诊断重构是发展空间智能自主控制的关键技术之一。孙家栋院士和李济生院士也曾多次提出：未来航天器要朝着自主化方向发展，要有能力自己测量轨道、定位并调整控制偏离的轨道，要自己监控状态、自主诊断处理航天器出现的某些故障。提升控制系统的自主诊断重构能力已成为确保航天器安全可靠自主运行的关键。

航天器故障处理的研究现状主要有两个方面：一是预防故障，也就是研究可靠性技术，但是高可靠不一定保证肯定不发生故障；二是应对故障，主要是研究故障发生后的诊断重构算法，但这些算法受制于系统设计结果，再加上航天器的资源严重受限且不能在轨维护，往往实施效果有限，航天器发生故障后仍然需要依靠地面处理。若要从根本上提升航天器的自主诊断重构能力，必须抓住问题本质，将研究重点前移至设计阶段。然而，由于缺乏理论指导，设计师仅凭经验加冗余、添备份，往往导致系统的欠设计或过设计。鉴于此，急需研究构建可诊断性与可重构性理论方法，用于表征、判定和量化系统的诊断重构能力，并以此为指导，研究可诊断性与可重构性的评价和设计方法，从而回答“系统是否具有诊断重构能力”“具备多大的诊断重构能力”以及“如何优化设计才能在有限资源约束下实现诊断重构能力的最大化”等问题。综上所述，深入开展可诊断性与可重构性研究，是从根本上提升航天器控制系统自主诊断重构能力的重要手段。

早在20世纪90年代，Ron JPatton教授等人就提出了可诊断性与可重构性的初步概念，但后续发展非常缓慢。随着航天器对安全可靠自主运行需求的逐步提升，可诊断性与可重构性研究越来越受到重视。目前，国内外学者已分别基于多信号流图和能控性等开展了可诊断性与可重构性研究，但这些方法没有深度挖掘系统的解析冗余，其评价结果难以准确反映系统的真实特性，造成设计结果不能充分发挥系统的内在潜力，导致应用效果不佳。为了根据航天器控制系统的特点，有针对性地构建可诊断性与可重构性理论，提升评价设计方法的适用性，迫切需要解决诊断重构能力的可表征、可判定及可量化难题，提出能够综合考虑系统不确定性和复杂约束的精准评价与协同设计方法，实现航天器控制系统自主诊断重构能力的根本提升。

自2003年以来，在973计划和国家自然科学基金等项目的支持下，作者及其团队构建了较为完备的可诊断性与可重构性理论方法，提出了航天器控制系统可诊断性与可重构性的评价技术和设计方法，建立了基于软/硬件故障注入的航天器自主诊断重构地面仿真验证系统，为提升航天器的自主诊断重构能力、实现安全可靠自主运行，提供了坚实的理论基础与技术支撑。

本书正是对上述课题研究成果及实际工程应用的总结和提炼，主要特色如下：

本书具有理论方法原创意义。基于构建的可诊断性与可重构性理论，提出了一种航天器控制系统可诊断性评价技术与设计方法，突破了系统配置与诊断方法的一体化设计技术，实现了欠观测条件下系统诊断能力的大幅提升；提出了一种航天器控制系统可重构性评价技术与设计方法，突破了执行器配置与重构策略的多目标协同优化技术，实现了星上有限资源约束下系统重构能力的大幅提升。

本书具有工程技术实用意义。基于提出的系统可诊断性与可重构性评价技术与设计方法，实现了诊断过程与重构过程的一体化设计，以及正常模式与故障模式的一体化设计，相关成果已成功应用于我国导航、遥感、深空探测等多个型号任务，对航天器控制系统在轨发生的多次故障，均实现了自主精准诊断与有效重构，为我国二代导航二期、探月二期工程的顺利完成和安全可靠自主运行，做出了贡献。

本书具有推广发展前瞻意义。本书所阐述的系统可诊断性与可重构性评价技术与设计方法，属于故障诊断与容错控制技术范畴，能够与诊断算法的设计以及重构策略的制定建立起直接的关联关系，并以一种不同寻常的创新性切入点和研究角度，对系统可诊断性与可重构性理论研究的全面性和方法技术的实用性进行有效的补充完善；可为我国即将开展的北斗三号全球组网、月球探测后续工程以及深空探测等重大型号任务的安全可靠自主运行提供重要的理论技术支撑，具有重大的军事、社会效益及推广应用价值。

全书内容分为六个部分：第一部分是第1章绪论，介绍了可诊断性与可重构性的定义、内涵及研究进展等；第二部分由第2、3章组成，介绍了系统建模与故障分析方法、可诊断性与可重构性理论的核心，以及系统诊断和重构能力的表征、判定和量化方法；第三部分由第4、5章组成，介绍了基于相关性模型、解析冗余关系、距离相似度、方向相似度和考虑非线性因素影响的可诊断性评价方法，以及基于相关性模型、DM分解技术、优化理论和考虑干扰因素影响的可诊断性设计方法；第四部分由第6、7章组成，介绍了考虑多种资源约束的可重构性评价方法，以及面向时间与空间双重维度的可重构性设计方法；第五部分由第8章组成，介绍了自主诊断重构地面验证系统和可诊断性评价工具软件、可重构性评价工具软件，以及仿真应用情况；第六部分是第9章总结和展望。

在相关课题研究和成果形成过程中，得到了李济生院士、王南华研究员、吴宏鑫院士、刘良栋研究员、李铁寿研究员、李果研究员、Steven XDing教授、杨孟飞院士、周志成院士、周海银教授、周军教授、姜斌教授、周东华教授、胡昌华教授、钟麦英教授、王聪教授、彭侠夫教授、曹喜滨院士、段广仁院士、邢琰研究员、刘新彦研究员、宗红研究员、何英姿研究员、李响高工、王永富研究员等的关心支持和具体指导。

在本书的成稿过程中，得到了中国空间技术研究院航天器自主运行技术研究团队的大力支持，其中符方舟、屠园园、徐赫屿、刘细军、段文杰等参与了本书部分内容的编写和图文整理工作，滕宝毅、唐强、张军、郭建新等承担了部分仿真试验和数据整理工作。作者在此表示最衷心的感谢。

承蒙戚发轫院士、范本尧院士、叶培建院士、王礼恒院士、杜善义院士、包为民院士、王巍院士、吴伟仁院士、房建成院士和马兴瑞老师对课题研究及本书出版的深切关注和关怀指导，“两弹一星功勋奖章”和“共和国勋章”获得者孙家栋院士亲为本书作序并提出宝贵意见，作者万分感动，深受鼓舞，唯有殚精竭虑,再立新功。

本书的研究工作得到了国家杰出青年科学基金(６１５２５３０１) 、国防科技卓越青年科学基金、国家自然科学基金(61004073、61203093、61573060、61640304)，以及国家自然科学基金委信息科学部、北京空间飞行器总体设计部、北京控制工程研究所的大力支持，作者在此一并致谢。

航天器自主诊断重构技术的覆盖面非常广，技术发展非常迅速，加上作者水平有限，难以全面、完整地就系统可诊断性与可重构性的评价和设计研究前沿一一深入探讨。书中错误及不当之处，恳请读者批评指正。

王大轶，研究员，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国防科技卓越青年科学基金获得者，国家万人计划科技创新领军人才，国家有突出贡献中青年专家，973项目技术首席；2016年获何梁何利基金科学与技术创新奖，2017年入选百千万人才工程，享受国务院政府特殊津贴。

第1章绪论1

11引言1

12可诊断性内涵与研究进展3

121内涵3

122应用范围4

123研究进展4

13可重构性内涵与研究进展10

131内涵10

132应用范围11

133研究进展11

14本书的主要内容19

参考文献21

第2章航天器控制系统建模及故障分析30

21引言30

22航天器控制系统的模型建立30

221常用坐标系定义30

222航天器姿态的数学描述30

223航天器姿态的动力学与运动学方程32

224航天器控制系统的组成34

23航天器控制系统故障模式分析37

231典型故障模式37

232故障模式分类与建模39

24小结42

参考文献43

第3章可诊断性与可重构性理论方法44

31引言44

32可诊断性理论44

321可诊断性表征44

322可诊断性判定45

323可诊断性量化57

33可重构性理论59

331可重构性表征59

332可重构性判定62

333可重构性量化68

34小结70

参考文献71

第4章可诊断性评价方法72

41引言72

42基于相关性模型的可诊断性评价方法72

421基于多信号流图技术的可诊断性模型建立72

422基于相关性模型的可诊断性评价指标设计74

423仿真算例75

43基于解析冗余关系的可诊断性评价方法78

431基于解析冗余关系的可诊断性模型建立79

432基于解析冗余关系的可诊断性评价指标设计80

433仿真算例80

44基于距离相似度的可诊断性评价方法84

441问题的数学描述84

442评价原理85

443基于巴氏系数的距离相似性度量86

444可检测性和可分离性的评价指标设计87

445基于距离相似度的可诊断性评价流程89

446仿真算例89

45基于方向相似度的可诊断性评价方法98

451距离相似度评价准则的局限性分析98

452基于方向相似度的可诊断性评价原理100

453基于方向相似度的可诊断性评价指标和具体流程102

454仿真算例105

46考虑非线性因素影响的可诊断性评价方法110

461问题的数学描述110

462考虑非线性因素影响的可诊断性定义和定性评价准则111

463考虑非线性因素影响的可诊断性量化评价原理114

464基于子空间相似度的判别准则114

465考虑非线性因素影响的可诊断性量化评价指标115

466考虑非线性因素影响的可诊断性评价流程116

467仿真算例116

47小结121

参考文献122

第5章可诊断性设计方法124

51引言124

52可诊断性指标分配方法124

521基于部件分配权重的可诊断率指标分配方法124

522基于故障模式分配权重的可诊断率指标分配方法127

523仿真算例128

53基于相关性模型的可诊断性设计方法130

531满足可检测性要求的可诊断性设计流程131

532满足可分离性要求的可诊断性设计流程131

533仿真算例132

54基于DM分解技术的可诊断性设计方法134

541偶邻近矩阵的构建134

542变量之间约束关系的分析135

543测点的优化配置135

544仿真算例136

55基于优化理论的可诊断性设计方法141

551优化问题的构建141

552优化问题的求解142

553仿真算例144

56考虑干扰因素影响的可诊断性设计方法147

561考虑干扰因素影响的可诊断性设计指标147

562考虑干扰因素影响的可诊断性设计流程148

563仿真算例148

57小结151

参考文献152

第6章可重构性评价方法153

61引言153

62可重构性评价指标设计153

621评价指标的定义154

622权值矩阵的确定155

63面向不同影响因素的可重构性评价156

631能控系统的可重构性评价156

632能量及时间受限系统的可重构性评价157

633受扰及时间受限系统的可重构性评价165

634评价指标的应用173

64复杂系统的可重构性评价176

641结构分解相关概念176

642功能分解相关概念177

643功能目标模型建立179

644可重构性评价182

645航天器控制系统可重构性评价实例183

65小结189

参考文献191

第7章可重构性设计方法192

71引言192

72可重构性指标分配192

721可重构性分配原则192

722基于加权理论的可重构性分配193

723基于优化理论的可重构性分配198

73基于优化理论的可重构性设计199

731系统构型的优化设计199

732重构时机的优化设计208

74基于功能目标模型的复杂系统可重构性设计216

741复杂系统设计问题描述216

742航天器控制系统可重构性设计220

75小结227

参考文献228

第8章自主诊断重构地面仿真验证技术229

81引言229

82地面仿真验证系统简介229

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