基于模型的空间电源故障诊断浅析

苗 狄

（深圳职业技术学院，广东深圳,518055）

基于模型的空间电源故障诊断浅析

苗 狄

（深圳职业技术学院，广东深圳,518055）

空间电源故障轻则影响航天器的工作寿命，重则导致航天灾难，空间电源是航天器的心脏，目前对于航天器的故障诊断主要是依靠人机结合的地面诊断系统，但其实时性难以保证，且当航天器通信系统故障时，地面诊断系统将毫无作用，因此，在空间电源的设计过程中，一方面通过采用软硬件冗余的方式提高其可靠性，另一方面，需要研究开发空间电源的智能故障诊断技术，能保证航天器在轨可靠运行。

失效机理;基于模型;空间电源;失效模式;故障诊断

0 引言

航天器作为一类由电子、机械、控制、能源、通讯、材料及计算机技术等多学科尖端成果协同工作的大型多功能复杂系统，在深空探测、国防军事、通信、气象、地质勘探、生态研究等各个领域起着不可替代的作用。由于航天器造价昂贵，并且大部分具有唯一性，因此，高可靠性是对航天器运行的重要要求，目前，航天器的可靠性主要通过硬件的可靠性及软硬件冗余来保证，仍然会出现航天器运行异常或系统故障问题，而空间电源系统作为航天器的重要组成部分，主要负责航天器上的全部负载的供电，该系统性能的好坏直接关系到其它系统的工作状态，决定着航天器的寿命，因此，研究空间电源的智能故障诊断技术将大大提高航天器的可靠性。目前，航天器故障诊断主要依靠人机结合的地面诊断系统实现，由地面系统接收航天器的遥测数据，通过对遥测数据进行分析，判断航天器的运行状态，制定对策，发出控制指令，但在航天器飞行过程中，地面诊断系统处理故障的实时性和控制能力是非常有限的，且当航天器的通信系统发生故障时，地面系统无法完成对航天器的故障诊断任务，因此，研究航天器的自主故障诊断技术是十分必要的。

图1 空间电源架构图

1 空间电源系统基本组成

空间电源系统多采用太阳电池阵—蓄电池结构，是目前应用最为广泛的航天器电源系统。太阳电池阵—蓄电池电源系统主要由太阳电池阵、蓄电池组和电源控制装置组成，其中电源控制装置可以分为两类，一类由分流调节器（SR—Shunt Regulator）、充电调节器（BCR—Battery Charge Regulator）、放电调节器（BDR—Battery Discharge Regulator）组成，为传统S3R架构，如图1所示；另一类由串联开关调节器和峰值功率跟随器（PPT）组成。它的主要作用是处理太阳电池阵的输出功率、实施母线调节、对蓄电池组进行充放电控制、故障诊断与隔离、系统重构和测控管理，保证电源系统可靠地工作。在光照期间，太阳电池阵给负载提供能量，同时给蓄电池充电；在地影期间，蓄电池组通过放电调节器给负载供电。整个能源的配置和调度由主误差控制单元负责。

2 空间电源故障影响分析

在对空间电源架构进行分析的基础上，分析总结空间电源系统的各分模块的故障影响，以及故障模式、故障机理等，有利于对空间电源故障诊断算法的设计，表1给出了空间电源主要模块的故障模式、故障原因及检测方式。

基于上述对空间电源故障模式及检测方法的分析，一般对于开路或者短路失效的，可直接通过阈值对比简单地实现故障检测，而需要对数值进行分析评估部分，则需要采用解析模型分析结果与实测数据进行残差发生，再对残差进行评估分析，如BCR输入电流值错误、BDR输出电流值错误等。

3 基于模型的故障诊断

基于模型的故障诊断技术的基本出发点是早期的硬件冗余思想，为了使得航天器具有较高的可靠性，一般在航天器的关键部分设计相同的硬件结构来保证在一路损坏的情况下不影响航天器的正常工作，但由于硬件冗余的方法成本高，不灵活等缺点，后期发展起来的基于模型的故障诊断技术是基于解析冗余思想，它是将原有的冗余硬件通过软件的方式取代，可以方便灵活地实现不同的诊断算法。NASA已经成功地开发了故障诊断引擎Livingstone，并将其应用于Earth Observing One中，取得了良好的效果，同时将它用到快速推进剂加载系统中。图2为基于模型的故障诊断原理图，基于模型的故障诊断方法首先建立被诊断系统的数学模型，构造不同类型的观测器，通过观测器的在线监控系统输出，同时采用数学模型对输出进行估计，将输出估计值与输出实测值进行适当转换生成残差，然后对残差进行分析处理，实现故障检测和诊断。

图2 基于模型的故障诊断原理图

目前，分别采用两套系统对空间电源故障诊断进行分析，一套是基于虚拟平台的空间电源故障诊断系统，是通过Simulink搭建空间电源内部电路的模型进行仿真分析，得到的仿真结果数据与基于解析模型的预测值进行对比生成残差信号，可通过在Simulink模型中制造不同的故障类型，分析不同的诊断算法对故障诊断的准确性；另一套是基于实际物理平台的故障诊断系统，与虚拟平台相类似，采用实际物理平台的测量值与解析模型的预测值进行对比生成残差，在物理平台中注入故障，并分析残差信号最终得到电源系统的故障诊断结果。基于虚拟平台主要是实现对诊断算法的准确性进行检测，在保证算法准确性的基础上，将算法嵌入到实际物理平台，实现诊断算法及时性、鲁棒性等相关性能的评估。如图3所示，为基于模型的空间电源故障诊断系统结构流程图，给出了基于虚拟平台和实际物理平台的故障诊断过程。

表1 空间电源主要模块故障模式及检测方式

4 结论

采用基于模型的故障诊断技术可有效地避免知识缺乏而导致的故障漏检问题，克服了专家系统的知识获取瓶颈，同时，它也克服了航天器故障诊断的历史数据积累不足问题，基于模型的故障诊断方法是通过对模型预估值与系统检测输出值的残差进行评估，最终获得被诊断系统的故障模式及类型，可方便直接地应用到空间电源故障诊断中，有效地实现故障的检测、诊断及隔离。

图3 基于模型的空间电源故障诊断系统结构流程图

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苗狄 (1980年)，男，黑龙江哈尔滨人，汉族，现职称：讲师，学历：博士，研究方向：新能源功率变换，微电网等。

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