A Reliable Deep Learning Approach for Time-Varying Faults Identification: Spacecraft Reaction Wheel Case Study
- 1. National Authority for Remote Sensing and Space Sciences
- 2. Al Azhar University
Description
Reaction wheels are key components for the spacecraft attitude control subsystems.Faults in reaction wheels may lead to high energy consumption, lack of spacecraft attitude control, and in case of failure, loss of the spacecraft.The accurate identification of reaction wheels anomalies is a challenging task due to the internal nonlinearities of the reaction wheels.This study proposes a fast and accurate end-to-end architecture for detecting and identifying the anomalies occurring in spacecraft reaction wheels using One-Dimensional Convolutional Neural Network (1D-CNN) with Long Short-Term Memory (LSTM) network architecture.1D-CNN is used to capture the useful features from the raw residual signals.The Long Short-Term Memory layer is used due to its effectiveness in handling the time series data and its capabilities for learning long-term dependencies.The proposed architecture is directly trained using the raw torque residual signals captured from a 3axis attitude control subsystem simulation model.In this way, this scheme eliminates the need for a specific feature extraction method.Results showed that the proposed algorithm represents a reliable and robust anomaly detection and identification mechanism with compact system architecture.Furthermore, the obtained results revealed the superiority and generalizability of the proposed model in diagnosing time-varying reaction wheel faults over other recent approaches.Ultimately, the proposed approach is considered to be a generic fault diagnosis architecture for safety-critical systems.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
عجلات التفاعل هي المكونات الرئيسية للأنظمة الفرعية للتحكم في وضع المركبة الفضائية. قد تؤدي الأعطال في عجلات التفاعل إلى ارتفاع استهلاك الطاقة، ونقص التحكم في وضع المركبة الفضائية، وفي حالة الفشل، فقدان المركبة الفضائية. يعد التحديد الدقيق لشذوذ عجلات التفاعل مهمة صعبة بسبب عدم الخطية الداخلية لعجلات التفاعل. تقترح هذه الدراسة بنية سريعة ودقيقة من البداية إلى النهاية لاكتشاف وتحديد الحالات الشاذة التي تحدث في عجلات تفاعل المركبة الفضائية باستخدام الشبكة العصبية الالتفافية أحادية البعد (1D - CNN) ذات الذاكرة طويلة المدى (LSTM) يتم استخدام بنية الشبكة 1D - CNN لالتقاط الميزات المفيدة من الإشارات المتبقية الخام. يتم استخدام طبقة الذاكرة طويلة الأجل قصيرة الأجل بسبب فعاليتها في التعامل مع بيانات السلاسل الزمنية وقدراتها على تعلم التبعيات طويلة الأجل. يتم تدريب البنية المقترحة مباشرة باستخدام إشارات عزم الدوران المتبقية الخام التي تم التقاطها من نموذج محاكاة النظام الفرعي للتحكم في الموقف ثلاثي المحاور. وبهذه الطريقة، يلغي هذا المخطط الحاجة إلى طريقة استخراج ميزة محددة. أظهرت النتائج أن الخوارزمية المقترحة تمثل آلية موثوقة وقوية للكشف عن الشذوذ وتحديده مع نظام مدمج علاوة على ذلك، كشفت النتائج التي تم الحصول عليها عن تفوق وتعميم النموذج المقترح في تشخيص أخطاء عجلة التفاعل المتغيرة زمنيًا على الأساليب الحديثة الأخرى. في النهاية، يعتبر النهج المقترح بنية عامة لتشخيص الأخطاء للأنظمة الحرجة للسلامة.Translated Description (French)
Les roues de réaction sont des composants clés des sous-systèmes de contrôle d'attitude des engins spatiaux.Les défauts des roues de réaction peuvent entraîner une consommation d'énergie élevée, un manque de contrôle d'attitude des engins spatiaux et, en cas de défaillance, la perte de l'engin spatial.L' identification précise des anomalies des roues de réaction est une tâche difficile en raison des non-linéarités internes des roues de réaction.Cette étude propose une architecture de bout en bout rapide et précise pour détecter et identifier les anomalies survenant dans les roues de réaction des engins spatiaux à l'aide du réseau neuronal convolutif unidimensionnel (1D-CNN) avec mémoire à long terme (LSTM) architecture de réseau.1D-CNN est utilisée pour capturer les caractéristiques utiles des signaux résiduels bruts. La couche de mémoire à long terme est utilisée en raison de son efficacité dans le traitement des données de séries chronologiques et de ses capacités d'apprentissage des dépendances à long terme. L'architecture proposée est directement formée à l'aide des signaux résiduels de couple bruts capturés à partir d'un modèle de simulation de sous-système de contrôle d'attitude à 3 axes. De cette manière, ce schéma élimine le besoin d'une méthode d'extraction de caractéristiques spécifiques. Les résultats ont montré que l'algorithme proposé représente un mécanisme fiable et robuste de détection et d'identification des anomalies avec un système compact architecture.En outre, les résultats obtenus ont révélé la supériorité et la généralisabilité du modèle proposé dans le diagnostic de défauts de roue de réaction variant dans le temps par rapport à d'autres approches récentes.Enfin, l'approche proposée est considérée comme une architecture générique de diagnostic de défauts pour les systèmes critiques pour la sécurité.Translated Description (Spanish)
Las ruedas de reacción son componentes clave para los subsistemas de control de actitud de la nave espacial. Las fallas en las ruedas de reacción pueden conducir a un alto consumo de energía, falta de control de actitud de la nave espacial y, en caso de falla, pérdida de la nave espacial. La identificación precisa de las anomalías de las ruedas de reacción es una tarea desafiante debido a las no linealidades internas de las ruedas de reacción. Este estudio propone una arquitectura de extremo a extremo rápida y precisa para detectar e identificar las anomalías que ocurren en las ruedas de reacción de la nave espacial utilizando una red neuronal convolucional unidimensional (1D-CNN) con memoria a corto plazo (LSTM) arquitectura de red.1D-CNN se utiliza para capturar las características útiles de las señales residuales sin procesar. La capa de memoria a largo plazo se utiliza debido a su efectividad en el manejo de los datos de series de tiempo y sus capacidades para aprender dependencias a largo plazo. La arquitectura propuesta se entrena directamente utilizando las señales residuales de torque sin procesar capturadas de un modelo de simulación de subsistema de control de actitud de 3 ejes. De esta manera, este esquema elimina la necesidad de un método de extracción de características específico. Los resultados mostraron que el algoritmo propuesto representa un mecanismo de detección e identificación de anomalías confiable y robusto con un sistema compacto arquitectura. Además, los resultados obtenidos revelaron la superioridad y generalización del modelo propuesto en el diagnóstico de fallas de ruedas de reacción variables en el tiempo sobre otros enfoques recientes. En última instancia, el enfoque propuesto se considera una arquitectura genérica de diagnóstico de fallas para sistemas críticos para la seguridad.Files
      
        09830739.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (245 Bytes)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:ab07f13ee7d540ed88ada0e8efba5ae2 | 245 Bytes | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نهج التعلم العميق الموثوق به لتحديد أخطاء التباين الزمني: دراسة حالة عجلة رد فعل المركبة الفضائية
- Translated title (French)
- Une approche fiable d'apprentissage en profondeur pour l'identification des défauts variant dans le temps : étude de cas de roue de réaction d'engin spatial
- Translated title (Spanish)
- Un enfoque confiable de aprendizaje profundo para la identificación de fallas variables en el tiempo: estudio de caso de la rueda de reacción de la nave espacial
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4285504903
- DOI
- 10.1109/access.2022.3191331
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1556585131
- https://openalex.org/W1581249620
- https://openalex.org/W1597576211
- https://openalex.org/W1849641226
- https://openalex.org/W1881928823
- https://openalex.org/W2003377220
- https://openalex.org/W2004715752
- https://openalex.org/W2020793077
- https://openalex.org/W2032192745
- https://openalex.org/W2042093426
- https://openalex.org/W2064675550
- https://openalex.org/W2072857564
- https://openalex.org/W2090089758
- https://openalex.org/W2091987367
- https://openalex.org/W2100028154
- https://openalex.org/W2134448699
- https://openalex.org/W2144499799
- https://openalex.org/W2185028967
- https://openalex.org/W2309861434
- https://openalex.org/W2561981131
- https://openalex.org/W2584994008
- https://openalex.org/W2586223032
- https://openalex.org/W2588610288
- https://openalex.org/W2735326783
- https://openalex.org/W2736654986
- https://openalex.org/W2737654582
- https://openalex.org/W2737897717
- https://openalex.org/W2739632346
- https://openalex.org/W2763565070
- https://openalex.org/W2774163364
- https://openalex.org/W2790625295
- https://openalex.org/W2804516376
- https://openalex.org/W2912412749
- https://openalex.org/W2914042425
- https://openalex.org/W2931273669
- https://openalex.org/W2942847812
- https://openalex.org/W2949062675
- https://openalex.org/W2964250810
- https://openalex.org/W2967235117
- https://openalex.org/W2969168777
- https://openalex.org/W2971900667
- https://openalex.org/W2977053225
- https://openalex.org/W2979964386
- https://openalex.org/W2981037163
- https://openalex.org/W2990279991
- https://openalex.org/W3000835335
- https://openalex.org/W3003987289
- https://openalex.org/W3010799811
- https://openalex.org/W3022996714
- https://openalex.org/W3029376269
- https://openalex.org/W3033236487
- https://openalex.org/W3038956143
- https://openalex.org/W3041218800
- https://openalex.org/W3043713335
- https://openalex.org/W3048065666
- https://openalex.org/W3048602189
- https://openalex.org/W3091659788
- https://openalex.org/W3092478970
- https://openalex.org/W3094110601
- https://openalex.org/W3096679580
- https://openalex.org/W3112294296
- https://openalex.org/W3115507218
- https://openalex.org/W3124400615
- https://openalex.org/W3135822842
- https://openalex.org/W3155858692
- https://openalex.org/W3158389626
- https://openalex.org/W3163781022
- https://openalex.org/W3164962239
- https://openalex.org/W3166221225
- https://openalex.org/W3189017419
- https://openalex.org/W3189470298
- https://openalex.org/W3198381997
- https://openalex.org/W3210180182
- https://openalex.org/W4205590286
- https://openalex.org/W4205669430
- https://openalex.org/W4211159904
- https://openalex.org/W4243308629
- https://openalex.org/W4247615697
- https://openalex.org/W591732527