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《中国科学技术大学》 2011年 博士论文
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基于证据理论的在轨航天器故障诊断方法研究

梁伟光  
【摘要】:在轨航天器的故障诊断是航天任务中的一项重要技术。随着我国航天事业的蓬勃发展,在轨航天器故障诊断方面不断有新的、更高的需求被提出。对在轨航天器的故障诊断是一项意义重大且具有挑战的研究课题。证据理论作为一种不确定性推理方法,在不确定性信息的表达和推理方面比较灵活便捷,对不确定性信息的处理过程接近人类专家的思维习惯,常被作为信息融合的理论基础,用于根据多源信息进行故障诊断。在轨航天器故障多源信息表示、不确定性、突发性、需要适时处理等特点使得证据理论成为融合诊断的一种合适选择。 本文结合在轨航天器故障诊断需求和证据理论在信息融合方面的优势,对利用证据理论对在轨航天器故障进行诊断的问题进行了研究。针对多源传感器数据在测量在轨航天器故障信息时所呈现出的共同特点,以及融合诊断方面的共性需求,本文设计了利用故障特征生成证据的通用方法和证据理论诊断框架下通用的故障信息提取模式,对在轨航天器的两类典型故障进行了通用方法的针对性实现,进而进行了融合诊断实验。最后,本文还对利用证据理论融合诊断未备案故障的问题进行了探索研究。 利用证据理论进行信息融合时,待融合证据的有效生成和对不确定信息的准确表达是融合的必需条件,组合规则的选择是融合思想的体现。本文第三章设计了基于证据理论的故障融合诊断通用框架,其中包括了利用多传感器数据信息自动生成证据的方法,诊断决策的制定和组合规则的比较与选取。首先,在肯定已有的利用传感器数据生成证据方法的基础上,对其中的缺陷进行了分析,并根据相应思路设计了一种更为合理的证据生成通用方法。其次,提出了融合诊断的决策原则。最后,以信息熵作为不确定性测量标准,对证据理论中的三种常用组合规则进行了评价,得出适用性结论,为本文采用Dempster组合规则进行的融合诊断实验提供了理论依据。 基于证据理论的故障诊断属于决策层信息融合,融合前的决策制定对融合结果有直接影响,对于本文根据多源传感器数据信息直接生成证据的处理方法,多源传感器数据中故障信息的提取便成为了关键问题。本文第四章设计了故障信息的通用提取模式。首先,对在轨航天器故障的特点进行了分析。其次,提出了用于提取数据阶段性信息的诊断窗口概念,并设计了利用阶段性数据的统计量表示故障信息的通用方法。最终,确定了本文用于在轨航天器故障融合诊断的故障信息提取模式。 通用方法的有效性通过对两类有代表性的在轨航天器故障进行融合诊断实验进行验证。本文第五章选用了协同工作类故障和振动发散类故障两类有代表性故障进行实验研究。其中,协同工作类故障的实验数据采用航天实测数据,振动发散类故障的数据选用具有代表性的隔振系统振动发散类故障数据。分别从故障表现、证据生成、融合诊断等方面对诊断过程加以实现,并根据振动发散类故障诊断过程中出现的传感器数据传输出错的问题进行了容错性改进,设计了证据重构方法。 未备案故障的诊断具有重要意义,但利用现有的证据理论融合诊断框架无法实现对未备案故障的诊断。本文第六章对利用证据理论诊断未备案故障的问题进行了探索性研究。首先分析了未备案故障的证据表现形式,进而选取开放世界思想和证据折扣方法形成了融合诊断机理。分别考虑故障焦元无交集和有传递性交集的两种情况,对开放框架下的折扣融合过程进行理论推导,并设计仿真实验验证了方法在诊断未备案故障方面的有效性与合理性。


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