面向卫星姿态控制系统的可重构性预计与评估方法研究

Reliable operation of attitude control systems(ACS) is the precondition that missions of satellite experiments can be carried out. However, the extreme environment of space can easily cause the high occurence of component faults. To improve ACS's on-orbit fault-handling capability, the improvement of system's reconfigurability design level is an effective approach, which predicts and evalutes the reconfigurability of the system with reasonable and proper usage of onboard resources, in addition to the proposal of effective on-orbit reconfigurable strategies. This project focuses on the requirement for satellite reliability development, with satellite attitude control system targeted on, the concept of reconfigurability is studied, the evalutaion indices for reconfigurability is proposed and the mathematical description of it is studied; then the criteria of reconfigurability prediction is studied and the framework of reconfigurability prediction and evaluation is established. This project is of challenges as well as innovation, the study results of which can not only provide valid theoretical support and decision-making basis for the accomplishment of on-orbit reconfiguration of satellite, but also lay a foundation for the further study of reconfigurability design, thus it possesses strong general applicability and wide engineering application prospects.

航天器姿态控制系统的可靠运行是卫星试验任务得以实施的前提，但恶劣的空间环境易导致部件故障高发,提高其在轨故障处理能力成为当前研究热点。本课申请紧扣卫星可靠性发展需求，创新性的提出卫星姿态控制系统可重构性概念；研究卫星故障情况下星载资源和能源均受约束的姿态控制系统在轨可重构的理论体系；研究系统在轨故障处理能力的度量指标及其数学描述；研究姿态控制系统的可重构性拓扑结构及其关系描述模型；研究姿态控制系统的可重构性预计方法；研究系统在轨重构的性能约束条件与系统配置的属性及其基于矩阵的体系架构，探索可重构性评估算法，建立可重构性预计和评估理论体系；以上研究的理论体系和建模方法将填补国内航天领域可重构性研究空白。本项目既具有创新性又富有挑战性，其研究成果将为实现卫星在轨重构提供有力的理论支持和核心决策方法，对开展可重构性设计研究具有重要理论与实际应用价值，而且具有较强的普适性和广阔的工程应用前景。

提高卫星在轨重构能力，除了提出有效的故障重构方法之外，另一条有效途径是提高系统的可重构性设计水平，针对在轨故障情况，预先进行可重构性预计和评估，提高卫星在轨故障处理能力，合理有效利用星载资源。.本课题系统而深入的开展了可重构性的国内外研究现状调研；研究了可重构性与系统能控性、能观性、稳定性之间的关系，从系统可控性出发，提出了基于二阶格莱姆矩阵的系统可重构性判据，分析了执行机构部分失效对于系统在线重构的影响及基于系统能耗指标的重构特性。针对系统硬件可重构，研究了系统可重构性度量指标的影响因素、部件属性与系统可重构性之间的关系；提出了基于故障失效率的一重可重构度量指标、两重可重构度量指标；研究了部件和功能模块特性与卫星姿态控制系统可重构性之间的关系；提出了基于深度搜索算法的部件和功能模块单重故障、双重故障下的可重构预计的实施方法；并针对多种传感器、执行机构配置开展了基于功能模块和部件的单重故障、双重故障可重构特性的预计。针对传统冗余度计算方法不能全面的量化系统冗余程度，提出一种新的基于系统配置矩阵的传感器和执行器冗余计算方法。在此基础上，分析了影响卫星姿态控制系统控制性能的指标因素，描述了指标因素与不同系统配置方案之间的属性矩阵，同时采用矢量投影法对不同配置方案进行了评估，建立了科学的卫星姿态控制系统方案评价体系，并针对多种配置方案开展了系统可重构性评估。.在卫星姿态控制系统方案论证和设计阶段，可重构性预计和评估体系可为开展约束条件下，提高卫星姿态控制系统的可靠性设计、优化资源配置、卫星在轨工作模式的合理切换等提供理论参考；卫星在轨运行发生故障情况下，开展可重构方案的评估，针对星载资源受限情况，根据卫星任务需求，为选择正确的重构策略和方案提供有力的理论支持和决策依据。