基于信息融合方法的卫星部件可靠性预测

发布时间：2020-03-21 08:41

【摘要】：卫星作为一种重要的航天器,它具有系统集成度高、部件功能复杂、造价昂贵、寿命长、不易维修等特点,与普通产品相比,长期工作在恶劣的外太空环境中,高强度辐射效应、大量陨石撞击与单粒子事件等多种因素导致卫星部件会逐渐不可避免地产生性能退化,导致各种故障随之产生。动量轮、陀螺仪等部件作为卫星上最容易失效退化的关键部件,其失效往往导致严重的故障事故发生。保证卫星在轨安全可靠地运行是保障后续科研等任务高质量完成的前提,因此,对卫星的关键部件进行寿命预测具有非常重要的意义。本文在分析了国内外大量失效建模与剩余寿命预测资料的基础上,对各种方法进行了总结,认为通过单一的测量数据、单一的退化量、单一的退化模型不足以对复杂产品退化过程进行准确地描述。针对上述不足,本文采用信息融合理论进行寿命预测,具体总结如下:(1)针对外太空数据易被噪声污染的问题,提出了融合信号非局部信息的1维数据去噪方法;针对数据缺失的问题,提出了一种融合不同模型的缺失数据填充算法;实验数据表明本文方法可行、有效。(2)基于Wiener过程,针对单传感器系统退化建模误差较大的问题,使用多源传感器融合理论对退化数据进行建模,结合分布式Kalman滤波器融合不同传感器的状态估计,使用EM算法更新系统参数,得到了同步多传感器的剩余寿命预测模型,并将其与单传感器的剩余寿命预测模型进行对比,得到了更准确的估计结果。同时针对某些系统传感器测量时间不一致的情况,采用了一种将融合周期中的异步间接观测值转化为融合时间的方法,建立相应的状态空间方程,使用卡尔曼滤波器估计状态,并且利用EM算法更新模型参数,解决了异步多传感器系统的寿命预测问题。对符合Weibull分布的产品进行多传感器建模,对比分布式融合策略与集中式融合策略的预测结果。(3)通过研究动量轮的退化过程,发现电流、润滑剂剩余量、轴承温度等退化量均可作为度量动量轮失效过程的退化量。因此,本文使用这三种异源传感器采集的数据进行融合建模,使用Copula理论对分别基于电流、润滑剂和温度的失效分布模型进行了融合,得到了联合概率分布,进而求得到其可靠度函数。(4)针对陀螺仪等严格非线性退化产品进行了分析,认为单一的退化模型难以准确刻画其退化轨迹,因此提出了一种融合多种非线性退化模型的新型退化模型,推演得到寿命概率密度的表达式,计算其数学期望得到实时剩余寿命估计,采用某型号陀螺仪的退化数据进行了实验验证,结果表明提出的新型非线性退化模型能够较好地描述其退化过程。(5)对锂电池的退化过程进行了研究,通过相关性分析方法确定度量锂电池容量的退化量。提出了一种融合长短时记忆网络(Long Short Term Memory,LSTM)与稀疏降噪自编码器的锂电池寿命预测算法。使用栈式稀疏降噪自编码器(The Stacked Denoising Autoencoder,SDA)训练退化量与电池容量之间的相关模型,然后通过LSTM建立退化量的序列预测模型,最后将LSTM的退化预测结果输入SDA中,进而实现锂电池容量的预测,最终分析得到其剩余寿命结果。
【图文】：

结构图,动量轮,结构图

可以通过某些物理量反映出退化趋势，因此考虑通过选取某些物理量的监测数据作为设备的退化参数，从而得到以退化数据为基础的可靠度预测模型。动量轮是卫星姿控系统不可或缺的机械器件，，结构图如图4 1所示，原理图如图4 2所示，内部高速旋转的电机可产生一定的动量，通过调整电机转速的高低和旋转方向，施加一定的力矩到卫星上，进而控制整星姿态。研究动量轮的失效原因发现轴温、润滑剂系统、电流与失效事故密切相关【62】【91】【93】。现有的动量轮可靠性预测算法集中在单一退化量的模型上，从而建模分析其可靠度与剩余寿命。事实上，卫星动量轮的失效过程由润滑剂、电流、轴承温度等众多因素共同作用影响，在外太空中，恒星的辐射会使得卫星上的元器件存在严重的干扰噪声，进而致使轴温数据严重失真，同时因为带电荷的粒子撞击容易淹没微弱的电流信号。图4-3与图4-4分别给出了动量轮的润滑剂与电流的退化样本数据，不难发现其表现为近似线性退化趋势，考虑建立线性退化模型以表征动量轮的退化程度。综上

动量轮,工作原理图

可以通过某些物理量反映出退化趋势，因此考虑通过选取某些物理量的监测数据作为设备的退化参数，从而得到以退化数据为基础的可靠度预测模型。动量轮是卫星姿控系统不可或缺的机械器件，结构图如图4 1所示，原理图如图4 2所示，内部高速旋转的电机可产生一定的动量，通过调整电机转速的高低和旋转方向，施加一定的力矩到卫星上，进而控制整星姿态。研究动量轮的失效原因发现轴温、润滑剂系统、电流与失效事故密切相关【62】【91】【93】。现有的动量轮可靠性预测算法集中在单一退化量的模型上，从而建模分析其可靠度与剩余寿命。事实上，卫星动量轮的失效过程由润滑剂、电流、轴承温度等众多因素共同作用影响，在外太空中，恒星的辐射会使得卫星上的元器件存在严重的干扰噪声，进而致使轴温数据严重失真，同时因为带电荷的粒子撞击容易淹没微弱的电流信号。图4-3与图4-4分别给出了动量轮的润滑剂与电流的退化样本数据，不难发现其表现为近似线性退化趋势，考虑建立线性退化模型以表征动量轮的退化程度。综上
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V467;TP202

【参考文献】