专利名称：用于确定惯性导航系统故障的系统和方法
技术领域：
本发明总体上涉及惯性导航系统，并且更特别地涉及健康管理系统以及惯性导航系统中的陀螺仪和加速计故障的检测。
背景技术：
惯性导航系统(INS)是使用一个或多个惯性测量单元(IMU)的导航辅助设备，所述惯性测量单元(IMU)具有传感器(例如加速计和陀螺仪)以连续计算移动对象的位置、 速度和角定向。INS可以用于诸如陆地车辆、轮船、航空器、潜艇、导弹和太空船之类的运载工具。来自IMU的传感器测量的保真度对整个导航性能来说非常重要，并且传感器故障或不精确的传感器测量模型可能引起导航性能的损失。诸如全球导航卫星系统(GNSS)传感器之类的辅助传感器已被用来校正由加速计偏差和陀螺仪偏差引起的导航误差，但是就校正导航误差，特别地关于诸如加速计和陀螺仪测量故障或加速计和陀螺仪测量模型误差之类的问题来说，传统的方法不令人满意。因此，期望提供一种在存在IMU传感器测量故障和IMU测量模型误差的情况下更精确且鲁棒的INS。此外，结合附图和本发明的该背景技术，根据随后本发明的详细描述和所附权利要求，本发明的其它期望特征和特性将变得显而易见。
发明内容
根据示例性实施例，惯性导航系统(1赂)包括初级惯性导航系统(1赂)单元，其被配置成从加速计接收加速计测量，并且从陀螺仪接收角速度测量。初级INS单元还被配置成从GNSS传感器接收全球导航卫星系统(GNSS)信号，并且基于加速计测量、角速度测量和 GNSS信号来确定第一组运动状态矢量。INS还包括次级INS单元，其被配置成接收加速计测量和角速度测量，并且基于加速计测量和角速度测量来确定运载工具的第二组运动状态矢量。INS还包括健康管理系统，其被配置成将第一组运动状态矢量和第二组运动状态矢量进行比较，以便基于所述比较来确定与加速计或陀螺仪中的至少一个相关联的故障。根据另一个示例性实施例，运载工具系统包括惯性测量单元(IMU)，其包括被配置成生成加速度测量的加速计和被配置成生成角速度测量的陀螺仪；全球导航卫星系统 (GNSS)，其被配置成生成GNSS信号；初级惯性导航系统(1赂)单元，其被配置成接收加速计测量、角速度测量和GNSS信号，所述初级INS单元还被配置成基于所述加速计测量、角速度测量和GNSS信号来确定第一组运动状态矢量；次级INS单元，其被配置成接收加速计测量和角速度测量并且基于所述加速计测量和角速度测量来确定运载工具的第二组运动状态矢量；以及健康管理系统，其耦合到初级INS单元和次级INS单元，并且被配置成将第一组运动状态矢量和第二组运动状态矢量进行比较，以便基于所述比较来确定与加速计或陀螺仪中的至少一个相关联的故障。
此后，将结合下面的图来描述本发明，其中相似的数字表示相似的元件，并且图1是根据示例性实施例的具有惯性导航系统(INS)的运载工具系统的功能框图；图2是根据示例性实施例的图1的运载工具系统的部分的更详细的功能框图；图3是指示随着时间变化的加速计偏差的测试数据；以及图4是指示随着时间变化的陀螺仪偏差的测试数据。
具体实施例方式下面详细的描述本质上仅仅是示例性的，并且不意图限制本发明或者本发明的应用和使用。如在本文中所使用的，词“示例性”意味着“作为示例、实例或说明”。因此，本文所述的作为“示例性”的任何实施例不必解释为优于其它实施例的优选或者优点。本文所述的所有实施例是所提供的示例性实施例，以使得本领域技术人员能够实现或使用本发明，并且不限制由权利要求限定的本发明的范围。此外，不意图通过在前述技术领域、背景技术、简要概述或下面详细描述中给出的任何所表述或暗示的理论来约束。概括来说，本文所述的示例性实施例针对具有惯性导航系统(INS)的运载工具系统，所述惯性导航系统(1赂)包括初级INS单元，其基于来自惯性测量单元(IMU)、全球导航卫星系统(GNSQ和其它辅助传感器的信号计算该运载工具的第一组运动状态矢量。INS 还可以包括次级INS单元，其在不考虑来自GNSS的信号的情况下计算该运载工具的第二组运动状态矢量。健康管理系统基于来自初级INS单元和次级INS单元的运动状态矢量之间的比较，以及其它运载工具信息来识别与IMU相关联的故障，如现在将参考图1-4更详细描述的那样。图1是根据示例性实施例的运载工具系统100的功能框图。如所示的那样，运载工具系统100可以包括惯性测量单元(IMU) 110、辅助传感器120、惯性导航系统(INS) 150、 健康管理系统180、控制器160和图形用户界面(⑶I)或显示器170。运载工具系统100以及特别地INS 150可以在任何适合类型的运载工具(未示出)中被用于导航和控制，所述运载工具包括陆地车辆、航空器、潜艇、导弹和太空船。一般来说，并且如下文更详细讨论的那样，INS 100包括初级INS单元130和次级INS单元140， 其基于来自惯性测量单元(IMU)IlO的信号确定相关联的运载工具的位置、速度和角定向。 如下文所讨论的那样，运载工具的位置、速度和角定向还基于来自辅助传感器120组的信号，辅助传感器120可以包括全球导航卫星系统(GNSS) 122(例如全球定位系统(GPS))，以及附加辅助传感器124。如本文所使用的那样，运载工具的位置、速度和角定向可以共同称为运动状态矢量。INS 150为控制器160提供运动状态矢量，所述控制器160包括沿着期望的轨道引导、控制和稳定运载工具所需的任何功能(例如控制襟翼(flap)、引擎、推进器(thruster)、火箭 (rocket)等等)。来自INS 150的运动状态矢量还可以适当地被格式化并显示在⑶I 170 上以由操作者查看。还如下文所讨论的那样，运动状态矢量的计算可以受制于与IMU 110 的测量相关联的误差。尽管初级INS单元130可以结合某些误差校正，但是提供健康管理系统180以更精确地检测和容纳与IMU 110相关联的故障和误差。健康管理系统180可以是运载工具的或专用于INS 150的中央健康管理系统。一般来说并且如下文中更详细描述的那样，初级INS单元130基于来自IMU 110 和辅助传感器120(包括GNSS 122)的信号生成运动状态矢量，其随后被提供给控制器160。 次级INS单元140起到与初级INS单元130相似的功能以基于来自IMU 110以及有时基于某些附加辅助传感器1 的信号生成附加的运动状态矢量组。如本文所使用的那样，“第一组”运动状态矢量指的是由初级INS单元130生成的运动状态矢量，并且“第二组”运动状态矢量指的是由次级INS单元140生成的运动状态矢量。与第一组运动状态矢量不同，在没有考虑任何来自GNSS 122的信号的情况下生成第二组运动状态矢量。第二组运动状态矢量被提供给健康管理系统180，以用于改进的误差和故障检测，如下文所讨论的那样。尽管作为INS 150的一部分图示了次级INS单元140，但是次级INS单元140可以看作与INS 150分离或者是健康管理系统180的一部分。现在以更详细描述的方式转向图1中的图，IMU 110包括诸如加速计112和速率陀螺仪114之类的传感器。在一个示例性实施例中，IMUllO可以看作INS 150的部分。虽然IMU 110通常包含三个正交加速计112和三个正交陀螺仪114，但是可以提供各种类型的。加速计112和陀螺仪114分别向INS 150提供与运载工具的加速度和角速度相关联的测量。INS 150基于由IMU 110提供的测量来确定运载工具在两个参考坐标系(reference frame)中的运动状态矢量。两个参考坐标系通常包括固定的主体运载工具坐标系和具有已知定向的导航坐标系。最初，初级INS单元130对来自陀螺仪114的角速度测量进行积分以计算与导航坐标系相关的运载工具主体坐标系的定向(orientation)。在一个示例性实施例中，加速计 112测量比力(specificforce)，其然后由初级INS单元130进行重力和加速计偏差补偿， 以产生运载工具加速度。初级INS单元130还分解导航坐标系中的补偿加速度，并且对所补偿的运载工具加速度进行积分以得到在导航坐标系中分解的速度矢量，对所补偿的运载工具加速度积分两次以得到在导航坐标系中分解的位置矢量。当然，可以提供用于计算运载工具的位置、速度和角定向的其它机制。然而，如上文所引入的那样，IMU测量可以具有相关联的误差，例如偏差、比例因子、非正交性以及宽带噪声。如果未被校正，这些误差可以在运动状态矢量的估计中产生潜在的不受约束的误差。例如，当初级INS单元130对加速度测量进行积分以确定速度时，加速度测量中的恒定误差将变成线性速度误差。继续该示例，当初级INS单元130对加速度测量积分两次以确定位置时，加速度测量中的恒定误差将变成抛物线位置误差。类似地，当初级INS单元130对角速度进行积分以确定角定向时，角速度中的恒定误差将变成线性角定向误差。角速度中的误差还影响速度和位置计算，因为角定向被用来在导航坐标系中分解速度和位置。非线性或随机误差进一步恶化该问题。同样地，初级INS单元130试图在确定运动状态矢量时校正误差。在一些示例性实施例中，通常优选地是在对测量进行积分之前去除误差，因为在其误差本身中包括某些随机性和估计。存在可以在运动状态矢量中产生误差的若干类型的故障。这样的误差可以包括例如特定时间的IMU传感器测量故障(例如测量应该是lm/s2，但是测量是lOOm/s2)；或者IMU 测量和IMU传感器测量模型之间的失配(例如因为随着时间产生的模型中的参数误差或者诸如丢失参数或使用不正确的参数的建模误差)。这些故障可以是偏差的指示，其可以包括偏差变化或偏差漂移并且称为模型或传感器自身中的误差。在一个示例性实施例中，偏差变化可以是相对较慢的随时间变化的误差或者偏差变化可以是相对较快的随时间变化的误差，但是可以提供任何适合的特征化技术。一般来说，偏差变化是所感兴趣的关于IMU 110的加速计112的最常见的故障，并且偏差漂移是关于IMU 110的陀螺仪114的最常见的故障。如校正或容纳这些误差的一种方法那样，初级INS单元130还从GNSS 122接收包括GNSS测量的附加传感器测量，并且从附加辅助传感器IM接收附加辅助传感器测量，如上文所指出的那样。一般来说，GNSS IM可以包括接收机，其接收卫星信号来确定例如位置和速度。附加辅助传感器1 可以包括例如磁力计、气压计、里程表或任何其它传感器的各种组合。来自附加辅助传感器124和GNSS 122的测量独立于IMU传感器测量，并且可以被用来定期估计运动状态矢量误差并且重置运动状态矢量的基于IMU的估计以因此产生改进的运动状态矢量的估计。例如，GNSS 122可以提供位置和速度测量，可以将其与由初级INS单元130基于来自IMU 110的测量最初估计的位置和速度值进行比较。该比较提供用于估计由初级INS 130生成的位置和速度值中的误差的基础。这些估计的相应校正防止来自基于IMU的估计的任何误差增长而没有限制。作为另一示例，附加辅助传感器124的磁力计可以被用来或者结合根据GNSS速度测量计算的航向角(headingangle)或者通过其自身计算航向角。尽管来自辅助传感器120的这些信号，某些误差可以残留(remain)，如下文所讨论的那样。根据示例性实施例，运载工具系统100还考虑残留在由初级INS单元130生成的运动状态矢量中的误差，以大体提供更精确的运动状态计算。尽管GNSS 122可以被用来通过提供位置和速度测量来从初级INS单元130中的运动状态矢量计算去除某些误差，但是在一些实施例中，GNSS 122以比IMU 110低得多的频率操作，并且初级INS单元130大体必须比它从GNSS 122接收信息更频繁地生成运动状态矢量。同样，如果GNSS 122是误差校正的唯一来源，仍然会有运动状态矢量中的某些误差将残留，特别地诸如从加速计112 中的故障产生的加速计偏差变化以及从陀螺仪114中的故障产生的陀螺仪偏差漂移之类的误差。为了容纳并检测这些误差，健康管理系统180可以被初始化以接收并处理由初级 INS单元130生成的第一组运动状态矢量和由次级INS单元140生成的第二组运动状态矢量。如上文所描述的那样，次级INS单元140以与初级INS单元130类似的方式生成位置、 速度和角定向(除了没有考虑来自GNSS 122的测量之外)。例如，次级INS单元140可以像初级INS单元130那样使用动态模型、IMU传感器测量模型、辅助传感器测量模型以及滤波器，但是不会基于来自GNSS 122的测量来修改、校正或校准得到的运动状态矢量。结果， 当次级INS单元140计算运动状态矢量时，未补偿的IMU传感器测量误差与IMU传感器测量结合，从而使得所估计的运动状态矢量中的误差能够没有约束地增长。来自附加辅助传感器124的测量可以用来或者不可以用来计算次级INS单元140的运动状态矢量。实际上， 次级INS单元140使得这样的误差按照需要或者期望增长，无需来自GNSS 124的校正，以使得与IMU 110相关联的任何误差可以被更容易地识别。因此，健康管理系统180然后通过比较分别由初级INS单元130和次级INS单元 140生成的两组运动状态矢量来识别IMU 110内的故障。得到的差对应于归因于IMU 110 中的测量误差或偏差的误差。故障可以被存储以用于后来的使用，或者为操作员显示在GUI 170上。现在将参考图2描述初级INS单元130、次级INS单元140和健康管理系统180的其它细节。图2是根据示例性实施例的图1的运载工具系统100的部分的更详细功能框图。 图2总体上对应于上文所讨论的运载工具系统100，并且更详细地特别地图示初级INS单元 130、次级INS单元140和健康管理系统180的误差校正机制。如在图2中所示的那样，初级INS单元130包括输入滤波器132、运动状态矢量估计模块Π4和卡尔曼(Kalman)滤波器136。在该示例性实施例中，来自IMU 110(其包括加速计112和陀螺仪114) ,GNSS单元122和附加辅助传感器124的测量被提供给初级INS 单元130的输入滤波器132。输入滤波器132通常起到滤除(reject)完全在可能的范围之外的测量的作用。例如，输入滤波器132可以计算输入余量(residual)，例如传感器测量和运动状态矢量的当前估计之间的差，并且使用统计测试来确定应该滤除哪些测量。这些来自输入滤波器132的滤除的测量可以被提供给健康管理系统180作为第一健康指示符 (indicator)0所接受的来自输入滤波器132的测量被提供给运动状态矢量估计模块134，其包括最初基于来自IMU 110的测量而估计运动状态矢量的许多模型。该模型可以包括用于生成随机系统的传感器测量模型、动态模型、以及测量模型，所述随机系统使用传感器测量来计算运动状态矢量的估计。如上文所描述的那样，运动状态矢量估计模块134被特别配置成估算来自IMU 110的测量并且产生加速度值，它随后被积分一次以产生速度值，并且被积分两次以产生位置值，它们中的每一个可以在期望的参考坐标系中被分解。运动状态矢量估计模块134向卡尔曼滤波器136提供初始运动状态矢量，所述卡尔曼滤波器136接着将该运动状态矢量与辅助传感器测量混合以产生后验的(或补偿的) 运动状态矢量的有约束的估计。一般来说，卡尔曼滤波器136使用来自GNSS 122和(独立于IMU 110的)附加辅助传感器124的测量以校正来自IMU 110的测量，从而提供更精确的运动状态矢量。卡尔曼滤波器136可以包括偏差估计模块和先验偏差估计模块。偏差估计模块可以包括利用例如来自辅助传感器120(例如GNSS 122和附加辅助传感器124)的测量来估计IMU 136的测量偏差的多个模块，并且可以使用来自先验偏差估计模块的某些先验偏差统计，来例如考虑已知的偏差。在一个示例性实施例中，先前偏差估计模块是偏差的动态模型并且使用IMU测量来向前传播IMU偏差的统计以提供先验偏差统计，并且偏差估计模块使用辅助传感器测量、先验运动状态矢量和先验偏差统计的组合以更新先验偏差统计，从而作为后验偏差统计。辅助传感器测量可以被用来校正任何IMU测量偏差的前向整合(forward integration)的影响，如上文所讨论的那样。一般来说，使用动态模型、IMU传感器测量和IMU测量模型来预测运动状态矢量；并且在辅助传感器测量模型中使用辅助传感器测量以校正位置、速度和角定向的基于IMU的估计。举例来说，由运动状态矢量估计模块134和/ 或卡尔曼滤波器136生成的信息可以包括运动状态矢量的时间演化、运动状态误差矢量和运动状态矢量的协方差矩阵。运动状态矢量估计模块134和/或卡尔曼滤波器136的传感器测量模型可以指示传感器测量误差的时间演化，或者传感器测量之间的关系、传感器测量误差、运动状态矢量和运动状态误差矢量。IMU传感器测量模型还可以包括建模包括传感器测量误差或偏差的传感器性能特性的参数。这些传感器模型的参数的估计可以试图补偿诸如模型匹配误差、校准误差、温度改变、运载工具振动等等的多个因素。一般来说，卡尔曼滤波器136使用迭代预测校正方法中的模型和所有传感器测量。在一个示例性实施例中，卡尔曼滤波器136如下产生后验初级运动状态矢量和所估计的误差。如上文所指出的那样，偏差估计模块可以提供至少一些误差估计，包括所观察的值和估计值之间的余量。根据余量和相关联的统计特性，具有卡方分布(chi-square distribution)和η个自由度的标量测试统计被创建，其中η是用于创建测试统计的测量的数目。随后将该统计与预定的阈值相比较以识别误差。使用卡方分布允许一组测量彼此关联，从而改进成功检测并计算对于加速计和陀螺仪测量的误差和对应的偏差的机会。高斯-马尔可夫(Gauss-Markov，GM)过程可以被用来为随着时间变化的偏差
权利要求
1.一种惯性导航系统(INS)，包括；初级惯性导航系统(1赂)单元，其被配置成从加速计接收加速计测量，并且从陀螺仪接收角速度测量，所述初级INS单元还被配置成从GNSS传感器接收全球导航卫星系统(GNSQ信号，并且基于加速计测量、角速度测量和GNSS信号来确定第一组运动状态矢量；次级INS单元，其被配置成接收加速计测量和角速度测量，并且基于所述加速计测量和所述角速度测量来确定运载工具的第二组运动状态矢量；以及健康管理系统，其被配置成将第一组运动状态矢量和第二组运动状态矢量进行比较， 以便基于所述比较来确定与加速计或陀螺仪中的至少一个相关联的故障。
2.根据权利要求1所述的INS，其中所述初级INS单元包括用于确定第一组运动状态矢量的初级加速计和陀螺仪测量模型，并且所述次级INS单元包括用于确定第二组运动状态矢量的次级加速计和陀螺仪测量模型。
3.根据权利要求2所述的INS，其中所述初级加速计和陀螺仪测量模型和次级加速计和陀螺仪测量模型近似相同。
4.根据权利要求2所述的INS，其中所述健康管理系统还被配置成确定与初级加速计和陀螺仪测量模型或者次级加速计和陀螺仪测量模型相关联的故障。
5.根据权利要求1所述的INS，其中所述健康管理系统被配置成生成具有由加速计偏差产生的误差的第二组运动状态矢量。
6.根据权利要求1所述的INS，其中所述健康管理系统被配置成生成具有由陀螺仪偏差产生的误差的第二组运动状态矢量。
7.根据权利要求1所述的INS，还包括转换器，其耦合到所述次级INS单元并且被配置成初始化所述次级INS单元。
8.根据权利要求1所述的INS，其中所述初级INS单元还被配置成从至少一个附加辅助传感器接收附加传感器测量，并且附加地基于所述附加传感器测量来确定第一组运动状态矢量。
9.根据权利要求1所述的INS，其中所述次级INS单元被配置成确定与GNSS信号无关的第二组运动状态矢量。
10.根据权利要求1所述的INS，其中所述第一组运动状态矢量和第二组运动状态矢量之间的比较生成第一组健康指示符，并且其中所述初级INS单元包括第一卡尔曼滤波器， 所述第一卡尔曼滤波器被配置成接收GNSS信号并且确定与所述第一组运动状态矢量相关联的第二组健康指示符。
全文摘要
用于确定惯性导航系统故障的系统和方法。惯性导航系统(INS)包括初级惯性导航系统(INS)单元，其被配置成从加速计接收加速计测量，并且从陀螺仪接收角速度测量。初级INS单元还被配置成从GNSS传感器接收全球导航卫星系统(GNSS)信号，并且基于加速计测量、角速度测量和GNSS信号来确定第一组运动状态矢量。INS还包括次级INS单元，其被配置成接收加速计测量和角速度测量，并且基于加速计测量和角速度测量来确定运载工具的第二组运动状态矢量。健康管理系统被配置成将第一组运动状态矢量和第二组运动状态矢量进行比较，以便基于所述比较来确定与加速计或陀螺仪相关联的故障。
文档编号G01C21/18GK102221365SQ20111005058
公开日2011年10月19日 申请日期2011年2月18日 优先权日2010年4月19日
发明者K·金, R·M·巴拉瓦, V·L·贝格什瓦 申请人:霍尼韦尔国际公司