一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及的是一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法，屬于組合導(dǎo)航系統(tǒng)故 障檢測(cè)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各類工程系統(tǒng)的復(fù)雜程度也越來越高，系統(tǒng)的可 靠性和安全性受到越來越多的重視，故障檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為保障各系統(tǒng)可靠性工作的重要 措施。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)具有信息冗余、優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的特點(diǎn)，因此將兩者通過不同 方式的組合可以實(shí)現(xiàn)取長(zhǎng)補(bǔ)短、提高精度和可靠性的目的。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu) 成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)在各領(lǐng)域得到了越來越廣泛地應(yīng)用。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測(cè)是提高組 合導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性的重要途徑。其中，常用的故障檢測(cè)方法包括殘差X 2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢 驗(yàn)法。
[0003] 采用殘差X2檢驗(yàn)法很難檢測(cè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的軟故障，而對(duì)于系統(tǒng)硬故障的檢測(cè)效 果要好的多。雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法能夠有效的解決狀態(tài)遞推器誤差逐漸擴(kuò)大的問題，但兩個(gè)狀 態(tài)遞推器交替工作的時(shí)間間隔的選擇非常重要，如果選擇過小，則在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，經(jīng)過 狀態(tài)遞推器兩次重置仍可能未被檢測(cè)出來;如果選擇過大，則由于狀態(tài)遞推器隨時(shí)間增長(zhǎng) 會(huì)引起方差增大、精確性降低的問題，從而影響到雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性，容易產(chǎn)生虛警。 針對(duì)殘差X2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法各自的優(yōu)點(diǎn)和存在的缺陷，有必要研究將兩者結(jié)合起 來使用，達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短、提高系統(tǒng)故障檢測(cè)準(zhǔn)確性的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是在殘差X2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高慣性導(dǎo)航 系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成的組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:在 殘差X 2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的基礎(chǔ)上提出一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法， 其特征在于該組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)方法中用到的殘差X 2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法共同使 用同一個(gè)卡爾曼濾波器，同時(shí)殘差X2檢驗(yàn)法的檢測(cè)結(jié)果決定了對(duì)雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法的兩個(gè)狀 態(tài)遞推器的操作：當(dāng)殘差X2檢驗(yàn)法檢測(cè)到組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障時(shí)，則通過對(duì)控制開關(guān)的控制 不允許卡爾曼濾波結(jié)果對(duì)雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法的兩個(gè)狀態(tài)遞推器進(jìn)行狀態(tài)重置;反之，如果通 過殘差X2檢驗(yàn)法檢測(cè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)正常，則通過對(duì)控制開關(guān)的控制允許卡爾曼濾波結(jié)果對(duì) 雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法的狀態(tài)遞推器進(jìn)行狀態(tài)重置。組合導(dǎo)航系統(tǒng)最終的故障檢測(cè)結(jié)果由殘差X2 檢測(cè)法和雙狀態(tài)X2檢測(cè)法的檢測(cè)結(jié)果共同決定。該方法有效地解決了殘差X2檢驗(yàn)法對(duì)軟故 障不敏感的問題和雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法的兩個(gè)狀態(tài)遞推器易受污染的問題，具體步驟如下： ①采用殘差X2檢驗(yàn)法對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)； 殘差X2檢測(cè)法的基本思想為:如果系統(tǒng)在刻包括刻以前無故障，那么經(jīng)過 卡爾曼濾波得到的時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值戈1)也應(yīng)該是正確的。根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方 程可以得到tk時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的遞推值計(jì)算公式如下： -1) = Φ(^7 k-\)X(k-1) 上式中，為時(shí)刻到tk時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)的遞推值，:外^卜!)為時(shí)刻到tk時(shí) 刻的一步轉(zhuǎn)移矩陣，戈沐-1)為時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)值;從上式可以得到tk時(shí)刻系統(tǒng)量測(cè)的預(yù) 測(cè)值爻(ΛΑ-1)如下： Z(k,k~Yj = H(k)X(k,k-l) y(k) = Z(k)-Z(k,k-l) 上式中，1)是tk時(shí)刻系統(tǒng)量測(cè)的預(yù)測(cè)值，丑抑為tk時(shí)刻的量測(cè)矩陣，2師為tk 時(shí)刻系統(tǒng)量測(cè)的真實(shí)值，Γ(1在卡爾曼濾波器中稱為新息（即殘差）； 根據(jù)新息理論，當(dāng)系統(tǒng)沒有故障時(shí)，殘差是零均值高斯白噪聲過程，；τ(妗的方差 可用下式表示： MJc) = H(k)P(k, {k) + R{k) 上式中，為rW的方差，為tk-i時(shí)刻到tk時(shí)刻的一步預(yù)測(cè)均方誤差陣， 為tk時(shí)刻量測(cè)矩陣的轉(zhuǎn)置，為測(cè)量噪聲的方差矩陣;若殘差3<幻的均值不 再為零，則說明系統(tǒng)發(fā)生了故障。因此，根據(jù)以上分析，可以通過對(duì)殘差pet)的均值的檢驗(yàn) 來確定系統(tǒng)是否發(fā)生了故障； 對(duì)3<巧作以下二元假設(shè)： 無故障.丑;與7(七)5^.(七 有故障與?Κ_ - A ]τ}=火? 上式中，抑為殘差Γ山的均值，哥rW/W)為殘差?'⑷的方差，聲為一非零常 數(shù)，在? [ rC6 -片]Ο (七)-只:]τ}:為J，謝-聲:的方差； 定義系統(tǒng)故障檢測(cè)函數(shù)為： 上式中，，(幻為殘差Μ*):的轉(zhuǎn)置，^r1：^)為A幻的逆矩陣，為根據(jù)新息序列統(tǒng)計(jì)特性， .??是服從自由度為力的X2分布，其中-為量測(cè)向量之⑷的維數(shù)。如果系統(tǒng)發(fā)生故障，則殘 差ret):將不再是零均值白噪聲過程，此時(shí)本幻將會(huì)變大，因而可以采用以下方法檢測(cè)系統(tǒng) 是否發(fā)生故障： P{A(k) > TD\ = α; 上式中，^為設(shè)定的門限值，巧也幻> 為私幻大于4的概率，^為允許的虛警概 率； 此時(shí)系統(tǒng)故障檢測(cè)過程可描述為： 若也%，判定系統(tǒng)有故障； 若也，判定系統(tǒng)無故障； ② 在采用殘差X2檢驗(yàn)法對(duì)組合系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)的同時(shí)采用雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法對(duì)組合 導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)，但雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法的狀態(tài)遞推器的重置受殘差X2檢驗(yàn)法檢測(cè)結(jié)果 的控制； 由于雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的狀態(tài)遞推器容易受到系統(tǒng)未檢測(cè)出來的故障的污染，本發(fā)明所 提出的一種用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)方法將利用殘差X2檢驗(yàn)法的檢測(cè)結(jié)果來決定對(duì)雙 狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的兩個(gè)狀態(tài)遞推器的操作，當(dāng)殘差X 2檢驗(yàn)法檢測(cè)到組合導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則 通過對(duì)控制開關(guān)的控制使卡爾曼濾波結(jié)果不對(duì)兩個(gè)狀態(tài)遞推器的任何一個(gè)進(jìn)行狀態(tài)重置； 如果通過殘差X 2檢驗(yàn)法檢測(cè)到組合導(dǎo)航系統(tǒng)正常，則通過對(duì)控制開關(guān)的控制允許卡爾曼濾 波結(jié)果對(duì)狀態(tài)遞推器進(jìn)行狀態(tài)重置，此時(shí)，雙狀態(tài)X 2檢驗(yàn)法繼續(xù)按照雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的工作 原理對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行故障檢測(cè)； ③ 組合導(dǎo)航系統(tǒng)最終故障檢測(cè)結(jié)果將根據(jù)殘差X2檢驗(yàn)法的結(jié)果和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的 結(jié)果做出判斷;判斷準(zhǔn)則如下： 情況一:殘差X2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法檢測(cè)的結(jié)果都為故障，則確定系統(tǒng)為故障； 情況二:殘差X2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法檢測(cè)的結(jié)果都為正常，則確定系統(tǒng)為正常； 情況三:殘差X2檢驗(yàn)法檢測(cè)系統(tǒng)正常而雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法檢測(cè)系統(tǒng)為故障，則確定系統(tǒng) 出現(xiàn)了軟故障； 情況四：殘差X2檢驗(yàn)法檢測(cè)系統(tǒng)故障而雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法檢測(cè)系統(tǒng)為正常，則需進(jìn)一步 判斷，以確定系統(tǒng)出現(xiàn)虛警還是故障； 本發(fā)明在充分發(fā)揮了殘差X2檢驗(yàn)法和雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法兩者優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)彌補(bǔ)了兩者的 不足，系統(tǒng)故障診斷結(jié)果由殘差X2檢測(cè)法和雙狀態(tài)X2檢測(cè)法共同決定，提高了系統(tǒng)故障診斷 的準(zhǔn)確性，降低了虛警率。
[0005]對(duì)本發(fā)明有益的效果說明如下： 在Mat lab仿真條件下，對(duì)該方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)： 赤道半徑式=6378393 · 0m; 地球橢球度:e=3.367e-3; 地球表面重力加速度g=9 · 78049; 地球自轉(zhuǎn)角速率(弧度/秒）：7.2921158e-5; 圓周率￥=3.1415926; 載體的初始位置:東經(jīng)116°，北煒39°N，海拔高度為Om; 載體的初始姿態(tài)角:方位角為90°，橫滾角為0°，俯仰角為0° ; 陀螺常值漂移為0.1 °/h，隨機(jī)漂移為0.01 °/h; 加速度計(jì)的零偏為500?，隨機(jī)漂移為lOOyg; 捷聯(lián)慣導(dǎo)距天線盤旋轉(zhuǎn)中心距離為50cm; 載體前向速度為lOm/s; 捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出數(shù)據(jù)頻率為100Hz; GPS輸出數(shù)據(jù)頻率為1Hz; 仿真時(shí)間長(zhǎng)度為300s; GPS出現(xiàn)故障時(shí)間為100s至110s; GPS故障期間位置精度為30m; GPS故障期間速度精度為2m/s; 虛警率為〇 ·〇〇〇〇1; 仿真所采用的載體運(yùn)行軌跡如圖3所示，圖4、圖5和圖6分別為采用本發(fā)明所提出的一 種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法和不采用本發(fā)明所提出一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng) 的故障檢測(cè)方法兩種情況下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的位置誤差曲線、速度誤差曲線和姿態(tài)誤差曲線 的比較圖，結(jié)果表明本發(fā)明的方法能夠準(zhǔn)確檢測(cè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障，有利于提高組合導(dǎo) 航系統(tǒng)的可靠性。
【附圖說明】
[0006] 圖1是本發(fā)明的一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測(cè)方法的原理結(jié)構(gòu)圖，圖1中， 名是卡爾曼濾波器的估計(jì)誤差，巧是卡爾曼濾波器的估計(jì)誤差方差;&是狀態(tài)遞推器的估 計(jì)誤差，吞是狀態(tài)遞推器的估計(jì)誤差方差;K Q為控制開關(guān)，決定是否允許卡爾曼濾波結(jié)果對(duì) 狀態(tài)遞推器進(jìn)行重置;心為選擇控制開關(guān)，決定選擇兩個(gè)狀態(tài)遞推器中的一個(gè)進(jìn)行狀態(tài)重 置;心為選擇控制開關(guān)，選擇選擇兩個(gè)狀態(tài)遞推器的其中一個(gè)的處理結(jié)果用于后續(xù)的處理； 圖2是本發(fā)明雙狀態(tài)X2檢驗(yàn)法的原理結(jié)構(gòu)圖，圖中，尤i、荇、戈2、P2、KdPK 2的意義和圖1 中相同； 圖3是仿真實(shí)驗(yàn)中載體運(yùn)行軌跡圖，橫軸表示經(jīng)度，縱軸表示