GNC系统故障诊断与容错控制

📚 共计 30 章节

GNC系统概述

GNC系统定义、功能与组成，在航天器中的核心地位。

核心概念航天基础

故障诊断基础

故障定义、分类（硬/软，执行器/传感器/结构），传播机理。

故障分类机理

信号处理与特征提取

时域分析、频域分析(FFT)、小波变换在故障特征提取中的应用。

FFT小波特征

基于解析模型的方法

状态估计(卡尔曼滤波)、参数估计、等价空间法。

卡尔曼解析模型

基于知识的方法

专家系统、故障树分析(FTA)、符号有向图(SDG)。

专家系统FTA

基于数据驱动的方法

主成分分析(PCA)、偏最小二乘(PLS)、支持向量机(SVM)。

深度学习在故障诊断中的应用

CNN、RNN/LSTM、自编码器。

CNNLSTM自编码器

传感器故障诊断

偏差、漂移、精度下降、完全失效，冗余管理与一致性检验。

冗余一致性

执行机构故障诊断

推力下降、卡死、饱和，基于推力估计与残差分析。

推力估计残差

姿态控制系统故障诊断

陀螺、星敏感器、反作用飞轮的故障模式与诊断策略。

导航系统故障诊断

GPS/INS组合导航中的故障检测与隔离(FDI)。

组合导航FDI

容错控制基础

容错控制定义、分类(被动/主动)，系统重构与重组。

被动/主动重构

被动容错控制

鲁棒控制、H∞控制、μ综合在容错设计中的应用。

主动容错控制

控制律重构、控制分配、模型预测控制(MPC)在容错中的应用。

控制分配技术

伪逆法、直接分配法、动态控制分配，过驱动系统应用。

伪逆过驱动

基于观测器的容错控制

未知输入观测器、滑模观测器在故障重构与补偿中的应用。

滑模观测器重构

自适应容错控制

模型参考自适应(MRAC)、自校正控制，应对参数摄动与故障。

航天器姿态容错控制

飞轮故障下的姿态稳定与机动控制策略。

姿态稳定飞轮故障

航天器轨道容错控制

推力器故障下的轨道保持与机动重构。

轨道保持推力器

多航天器编队容错控制

编队保持、重构中的故障诊断与分布式容错控制。

编队分布式

无人机GNC容错控制

舵面故障、发动机故障下的飞行控制重构。

无人机舵面

机器人GNC容错控制

关节故障、传感器故障下的运动规划与控制。

机器人关节故障

故障诊断系统性能评估

检测率、误报率、检测延迟、隔离精度等指标。

性能指标评估

容错控制系统稳定性分析

李雅普诺夫方法、线性矩阵不等式(LMI)在容错控制中的应用。

LMI李雅普诺夫

硬件冗余与解析冗余

三模冗余(TMR)、解析冗余关系(ARR)的设计与比较。

故障可诊断性与可重构性分析

系统结构分析、图论方法在可诊断性评估中的应用。

可诊断性图论

实时故障诊断与容错控制实现

嵌入式系统、FPGA、实时操作系统(RTOS)的考量。

GNC系统半实物仿真与验证

硬件在环(HIL)测试、故障注入技术。

HIL故障注入

典型GNC系统故障案例分析

实际航天任务故障案例：阿波罗13号、火星探路者等。

案例阿波罗13

前沿趋势与挑战

智能故障诊断、数字孪生、联邦学习在GNC系统中的应用展望。

数字孪生联邦学习