题目：星载光纤陀螺姿态测量系统故障诊断与重构技术

对于卫星和深空探测器来说，全固态、低成本、高精度、高可靠的光纤陀螺不失为一种理想之选。但由于复杂而恶劣的空间环境和陀螺器件老化等原因，光纤陀螺不可避免地出现性能退化。这类故障将引起光纤陀螺姿态测量系统的精度下降，从而影响卫星姿态控制效果，并最终导致卫星定向精度和稳定度超标，造成卫星任务失败。由于星上资源的限制，现有的光纤陀螺故障诊断与重构大多依赖地面支持。尤其是高精度光纤陀螺性能退化更需地面站对长期大量陀螺遥测数据进行复杂事后处理才能发现。这样难以满足卫星对陀螺故障自检测、自诊断和自处理的需求。本文正是依据卫星自治的迫切需求，研究卫星自主诊断和重构光纤陀螺姿态测量系统的相关技术，以提高卫星对光纤陀螺自主诊断的能力，同时通过重构来维持存在光纤陀螺性能退化的陀螺姿态测量系统姿态估计精度，进而延长光纤陀螺姿态测量系统使用寿命，为高精度、长寿命、高可靠卫星的研制提供技术保障。 论文主要开展了以下研究： 一、星载光纤陀螺故障诊断算法的研究。分别以Allan 方差五项主要噪声系数、标度因数和零偏为故障特征量来在轨实时诊断光纤陀螺故障。其中，针对不同噪声项和应用场合，先后提出了基于单点Allan 方差、基于误差传播和基于非线性鲁棒EKF 的噪声系数估计方法，以跟踪各噪声项系数的退化过程；从标度因数的误差对光纤陀螺与星敏感器角增量残差的Allan 方差的影响入手，提出了基于Allan 方差噪声分析的光纤陀螺标度因数估计方法，实现了对标度因数的跟踪，同时避免了对卫星正常探测任务的干扰；通过分析光纤陀螺零偏地面测试方法的特点，提出了基于截止频率自适应的陀螺零偏估计方法以跟踪光纤陀螺零偏变化过程，从而将光纤陀螺零偏地面测试方法扩展到了卫星姿态运动下的情况。通过地面在轨模拟仿真实验验证了上述算法的有效性。 二、星载光纤陀螺姿态测量系统重构方法研究。针对星载光纤陀螺性能退化现象，从冗余数据融合算法和陀螺构型两个方面分别进行了重构研究。在分析了工程常用的一般最小二乘法的数据融合过程的基础上，采用马尔科夫估计抑制了因某只陀螺噪声增大而导致的三轴姿态估计精度劣化。通过分析传统最优固定构型在陀螺性能退化下的缺点，提出并证明了陀螺性能退化时的最优构型定理，并据此提出了基于动态最优构型的重构方法。通过地面在轨模拟仿真实验验证了该重构方法的效果。 三、星载光纤陀螺姿态测量系统故障诊断和重构应用研究。通过整合各项光纤陀螺故障诊断和重构技术方法，抽象出了适用于各种陀螺构型的通用故障诊断和重构方案。在此基础上，针对“3+1S”、正四面体和动态最优构型，设计了三种故障诊断和重构方案。通过仿真实验验证了这三种方案的有效性。