一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測方法
【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)的故障檢測方法,屬于組合導(dǎo)航系統(tǒng)故 障檢測領(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)勢互補的特點,因此將兩者通過不同 方式的組合可以實現(xiàn)取長補短、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,常用的故障檢測方法包括殘差X 2檢驗法和雙狀態(tài)X2檢 驗法。
[0003] 采用殘差X2檢驗法很難檢測組合導(dǎo)航系統(tǒng)的軟故障,而對于系統(tǒng)硬故障的檢測效 果要好的多。雙狀態(tài)X 2檢驗法能夠有效的解決狀態(tài)遞推器誤差逐漸擴大的問題,但兩個狀 態(tài)遞推器交替工作的時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,經(jīng)過 狀態(tài)遞推器兩次重置仍可能未被檢測出來;如果選擇過大,則由于狀態(tài)遞推器隨時間增長 會引起方差增大、精確性降低的問題,從而影響到雙狀態(tài)X 2檢驗的準(zhǔn)確性,容易產(chǎn)生虛警。 針對殘差X2檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法各自的優(yōu)點和存在的缺陷,有必要研究將兩者結(jié)合起 來使用,達到取長補短、提高系統(tǒng)故障檢測準(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檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法的基礎(chǔ)上進一步提高慣性導(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檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法的基礎(chǔ)上提出一種應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測方法, 其特征在于該組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測方法中用到的殘差X 2檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法共同使 用同一個卡爾曼濾波器,同時殘差X2檢驗法的檢測結(jié)果決定了對雙狀態(tài)X 2檢驗法的兩個狀 態(tài)遞推器的操作:當(dāng)殘差X2檢驗法檢測到組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障時,則通過對控制開關(guān)的控制 不允許卡爾曼濾波結(jié)果對雙狀態(tài)X 2檢驗法的兩個狀態(tài)遞推器進行狀態(tài)重置;反之,如果通 過殘差X2檢驗法檢測組合導(dǎo)航系統(tǒng)正常,則通過對控制開關(guān)的控制允許卡爾曼濾波結(jié)果對 雙狀態(tài)X 2檢驗法的狀態(tài)遞推器進行狀態(tài)重置。組合導(dǎo)航系統(tǒng)最終的故障檢測結(jié)果由殘差X2 檢測法和雙狀態(tài)X2檢測法的檢測結(jié)果共同決定。該方法有效地解決了殘差X2檢驗法對軟故 障不敏感的問題和雙狀態(tài)X 2檢驗法的兩個狀態(tài)遞推器易受污染的問題,具體步驟如下: ①采用殘差X2檢驗法對組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行故障檢測; 殘差X2檢測法的基本思想為: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刻的狀態(tài)估計值戈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時刻系統(tǒng)狀態(tài)的遞推值計算公式如下: -1) = Φ(^7 k-\)X(k-1) 上式中,為時刻到tk時刻系統(tǒng)狀態(tài)的遞推值,:外^卜!)為時刻到tk時 刻的一步轉(zhuǎn)移矩陣,戈沐-1)為時刻的系統(tǒng)狀態(tài)值;從上式可以得到tk時刻系統(tǒng)量測的預(yù) 測值爻(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時刻系統(tǒng)量測的預(yù)測值,丑抑為tk時刻的量測矩陣,2師為tk 時刻系統(tǒng)量測的真實值,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,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時刻到tk時刻的一步預(yù)測均方誤差陣, 為tk時刻量測矩陣的轉(zhuǎn)置,為測量噪聲的方差矩陣;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,可以通過對殘差pet)的均值的檢驗 來確定系統(tǒng)是否發(fā)生了故障; 對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)計特性, .??是服從自由度為力的X2分布,其中-為量測向量之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,此時本幻將會變大,因而可以采用以下方法檢測系統(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; 此時系統(tǒng)故障檢測過程可描述為: 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檢驗法對組合系統(tǒng)進行故障檢測的同時采用雙狀態(tài)X2檢驗法對組合 導(dǎo)航系統(tǒng)進行故障檢測,但雙狀態(tài)X 2檢驗法的狀態(tài)遞推器的重置受殘差X2檢驗法檢測結(jié)果 的控制; 由于雙狀態(tài)X2檢驗法的狀態(tài)遞推器容易受到系統(tǒng)未檢測出來的故障的污染,本發(fā)明所 提出的一種用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測方法將利用殘差X2檢驗法的檢測結(jié)果來決定對雙 狀態(tài)X2檢驗法的兩個狀態(tài)遞推器的操作,當(dāng)殘差X 2檢驗法檢測到組合導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)故障,則 通過對控制開關(guān)的控制使卡爾曼濾波結(jié)果不對兩個狀態(tài)遞推器的任何一個進行狀態(tài)重置; 如果通過殘差X 2檢驗法檢測到組合導(dǎo)航系統(tǒng)正常,則通過對控制開關(guān)的控制允許卡爾曼濾 波結(jié)果對狀態(tài)遞推器進行狀態(tài)重置,此時,雙狀態(tài)X 2檢驗法繼續(xù)按照雙狀態(tài)X2檢驗法的工作 原理對組合導(dǎo)航系統(tǒng)進行故障檢測; ③ 組合導(dǎo)航系統(tǒng)最終故障檢測結(jié)果將根據(jù)殘差X2檢驗法的結(jié)果和雙狀態(tài)X2檢驗法的 結(jié)果做出判斷;判斷準(zhǔn)則如下: 情況一:殘差X2檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法檢測的結(jié)果都為故障,則確定系統(tǒng)為故障; 情況二:殘差X2檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法檢測的結(jié)果都為正常,則確定系統(tǒng)為正常; 情況三:殘差X2檢驗法檢測系統(tǒng)正常而雙狀態(tài)X2檢驗法檢測系統(tǒng)為故障,則確定系統(tǒng) 出現(xiàn)了軟故障; 情況四:殘差X2檢驗法檢測系統(tǒng)故障而雙狀態(tài)X2檢驗法檢測系統(tǒng)為正常,則需進一步 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檢驗法和雙狀態(tài)X2檢驗法兩者優(yōu)點的同時彌補了兩者的 不足,系統(tǒng)故障診斷結(jié)果由殘差X2檢測法和雙狀態(tài)X2檢測法共同決定,提高了系統(tǒng)故障診斷 的準(zhǔn)確性,降低了虛警率。
[0005]對本發(fā)明有益的效果說明如下: 在Mat lab仿真條件下,對該方法進行仿真實驗: 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,隨機漂移為0.01 °/h; 加速度計的零偏為500?,隨機漂移為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; 仿真時間長度為300s; GPS出現(xiàn)故障時間為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)的故障檢測方法的原理結(jié)構(gòu)圖,圖1中, 名是卡爾曼濾波器的估計誤差,巧是卡爾曼濾波器的估計誤差方差;&是狀態(tài)遞推器的估 計誤差,吞是狀態(tài)遞推器的估計誤差方差;K Q為控制開關(guān),決定是否允許卡爾曼濾波結(jié)果對 狀態(tài)遞推器進行重置;心為選擇控制開關(guān),決定選擇兩個狀態(tài)遞推器中的一個進行狀態(tài)重 置;心為選擇控制開關(guān),選擇選擇兩個狀態(tài)遞推器的其中一個的處理結(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是仿真實驗中載體運行軌跡圖,橫軸表示經(jīng)度,縱軸表示