一种六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障隔离方法与流程

本发明属于惯导系统领域，具体涉及一种六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障隔离方法。

背景技术：

惯性导航系统简称为惯导系统，该系统主要是运用惯性敏感元器件(比如加速度计和陀螺仪等)对车辆、舰船、飞行器等运载体相对于基础惯性空间运动的角运动信息和线运动信息进行测量，从而计算得到运载体相应的姿态、速度、位置信息的自主式导航系统。伴随着舰船航程、作战使命要求的不断发展，在对惯导系统精度要求不断提升的同时，对系统可靠性的要求也越来越高。随着控制理论和计算机技术的发展，利用冗余技术提高导航系统的可靠性是现代导航技术主要的发展方向之一。

冗余式捷联惯导系统中任何一个加速度计或陀螺仪惯性敏感元件失灵不能正常工作时，都有可能带来十分严重的后果而发生严重的经济损失。为防止导航过程发生故障进而导致整个生产过程的瘫痪，有必要对系统的运行状态进行故障诊断，保证导航过程安全可靠。故障诊断就是对导航系统进行故障检测和故障隔离的过程。故障检测是利用各种检查测试方法发现系统和设备是否存在故障的过程；故障隔离是紧跟在故障检测之后，确定故障发生的位置、种类和发生时间的过程。

现有的故障检测与隔离方法种类繁多，其中，基于解析模型的故障检测与隔离方法，是利用系统精确的数学模型和可观测输入输出量构造残差信号来反映系统期望行为与实际运行模式之间的不一致，并基于对残差信号的分析进行故障检测与隔离的方法，能深入系统本质的动态性质和实时诊断，尤其对线性系统的研究较为透彻，但多是针对单故障的冗余式捷联惯导系统的故障检测与隔离。daly等人在《generalizedlikelihoodtestforfdiinredundantsensorconfigurations》(发表于《guidanceandcontrol》，1979年，02期)提出一种经典并沿用至今的故障检测与隔离方法—广义似然比故障检测与隔离方法，检测灵敏度高且计算量小，便于工程实现而得到了广泛应用。但该方法适用于单故障的检测与隔离，对双故障的检测与隔离并不适用。双故障检测与隔离方法是用于系统两个惯性元件同时发生故障时，对故障进行检测与隔离的方法。yang在《doublefaultsisolationbasedonthereduced-orderparityvectorsinredundantsensorconfiguration》(2007年，02期)提出降阶奇偶向量方法进行双故障的检测与隔离，可对实现不同故障幅值的软故障及硬故障检测及隔离；wonheellee在《two-faultsdetectionandisolationusingextendedparityspaceapproach》(2012年，03期)提出扩展奇偶向量方法进行双故障的检测与隔离，然而，上述方法都是针对七个或七个以上的惯性器件，对七冗余以下的惯导系统并不适用；秦永元和魏伟在《捷联惯导系统中确保全姿态测量的软故障检测和隔离》(1999年，02期)与《余度传感器捷联惯导软故障检测》(2009年，01期)基于极大似然估计方法，提出了一种双故障隔离函数，可以隔离六陀螺系统中双故障的个别情况，无法完全实现双故障的隔离。

目前未能有一种双故障隔离方法同时隔离六陀螺冗余系统中的两个软故障或两个硬故障。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种有效检测并隔离六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障的方法。

一种六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障隔离方法，包括以下步骤：

(1)采集冗余式捷联惯导系统惯性器件输出数据，得到不同时刻陀螺仪和加速度计的输出值；

(2)采用广义似然比故障检测方法进行故障检测，若发生故障，记录故障时刻；

(3)采用基于极大似然估计的双故障隔离方法进行故障隔离；

(4)采用基于降阶奇偶向量的故障隔离方法进行故障隔离；

(5)确定故障信息矩阵r，依据系统重构公式进行系统重构；

(6)将重构后的系统状态量代入导航解算过程，实时输出导航信息并继续对下一时刻的惯性器件输出值进故障检测、故障隔离以及系统重构，连续输出导航信息，直至导航任务结束。

所述采用广义似然比故障检测方法进行故障检测，若发生故障，记录故障时刻，包括：

利用广义似然比故障检测方法构造故障检测函数值，并将故障检测函数值与故障门限值进行比较；

若某时刻系统故障检测函数值小于或等于门限值，表明系统无故障发生，此时重复步骤(1)，并继续采用广义似然比进行故障检测，直至系统故障检测函数值大于故障门限值；

若某时刻系统故障检测函数值大于故障门限值，表明此时系统发生故障，记录该故障发生时刻，并执行步骤(3)。

所述采用基于极大似然估计的双故障隔离方法进行故障隔离，包括：

分别计算故障时刻系统的双故障隔离函数值，比较各组双故障隔离函数值；

当其最大值有且仅有一组时，对应的陀螺组即为发生故障的两个惯性器件，隔离系统中的两个故障惯性器件并执行步骤(5)，进行系统重构；

当其最大值不唯一时，锁定发生双故障的惯性器件范围，并执行步骤(4)采用降阶奇偶向量的故障隔离方法定位故障。

所述采用基于降阶奇偶向量的故障隔离方法进行故障隔离，包括：

当系统发生双故障，此时先排除其中一个故障惯性器件，其余的惯性器件构成降阶故障隔离系统，对该系统采用基于降阶奇偶向量的故障隔离方法，当降阶隔离函数最大值对应的惯性器件为假设中的另一个故障惯性器件，由此定位系统中的两个故障惯性器件。

所述确定故障信息矩阵r，依据系统重构公式进行系统重构，包括：

当系统无故障时，r为单位矩阵；

当系统隔离第i号惯性器件，则r的第i行设置为零行；

所述系统重构公式为：

其中，为不含有故障信息的系统状态量，z∈r^m为m个传感器惯性器件测量值，ε为传感器量测噪声，h为传感器配置矩阵。

本发明的有益效果在于：

通过本发明提出的六陀螺冗余式系统故障双检测与隔离方法，可以准确地检测并隔离两个同时发生故障的惯性器件，保障了惯导系统的可靠性。因此，本发明可以更为全面地提升导航系统性能，满足导航系统长时间高可靠性实际应用需求。

附图说明

图1为本发明提出的捷联惯导系统双故障检测与隔离方法的基本流程框图。

图2为六陀螺正十二面体冗余配置方案。

图3为1号、2号陀螺故障时冗余系统的故障检测函数曲线。

图4为1号、2号陀螺故障时冗余系统双故障隔离函数曲线。

图5为1号、3号陀螺故障时冗余系统的故障检测函数曲线。

图6为1号、3号陀螺故障时冗余系统的双故障隔离函数曲线。

图7为1号、3号陀螺故障时冗余系统的降阶隔离函数曲线(排除1号陀螺)。

图8为1号、3号陀螺故障时冗余系统的降阶隔离函数曲线(排除4号陀螺)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

惯性导航系统简称为惯导系统，该系统主要是运用惯性敏感元器件(比如加速度计和陀螺仪等)对车辆、舰船、飞行器等运载体相对于基础惯性空间运动的角运动信息和线运动信息进行测量，从而计算得到运载体相应的姿态、速度、位置信息的自主式导航系统。伴随着舰船航程、作战使命要求的不断发展，在对惯导系统精度要求不断提升的同时，对系统可靠性的要求也越来越高。随着控制理论和计算机技术的发展，利用冗余技术提高导航系统的可靠性是现代导航技术主要的发展方向之一。

冗余式捷联惯导系统中任何一个加速度计或陀螺仪惯性敏感元件失灵不能正常工作时，都有可能带来十分严重的后果而发生严重的经济损失。为防止导航过程发生故障进而导致整个生产过程的瘫痪，有必要对系统的运行状态进行故障诊断，保证导航过程安全可靠。故障诊断就是对导航系统进行故障检测和故障隔离的过程。故障检测是利用各种检查测试方法发现系统和设备是否存在故障的过程；故障隔离是紧跟在故障检测之后，确定故障发生的位置、种类和发生时间的过程。

现有的故障检测与隔离方法种类繁多，其中，基于解析模型的故障检测与隔离方法，是利用系统精确的数学模型和可观测输入输出量构造残差信号来反映系统期望行为与实际运行模式之间的不一致，并基于对残差信号的分析进行故障检测与隔离的方法，能深入系统本质的动态性质和实时诊断，尤其对线性系统的研究较为透彻，但多是针对单故障的冗余式捷联惯导系统的故障检测与隔离。daly等人在《generalizedlikelihoodtestforfdiinredundantsensorconfigurations》(发表于《guidanceandcontrol》，1979年，02期)提出一种经典并沿用至今的故障检测与隔离方法—广义似然比故障检测与隔离方法，检测灵敏度高且计算量小，便于工程实现而得到了广泛应用。但该方法适用于单故障的检测与隔离，对双故障的检测与隔离并不适用。双故障检测与隔离方法是用于系统两个惯性元件同时发生故障时，对故障进行检测与隔离的方法。yang在《doublefaultsisolationbasedonthereduced-orderparityvectorsinredundantsensorconfiguration》(2007年，02期)提出降阶奇偶向量方法进行双故障的检测与隔离，可对实现不同故障幅值的软故障及硬故障检测及隔离；wonheellee在《two-faultsdetectionandisolationusingextendedparityspaceapproach》(2012年，03期)提出扩展奇偶向量方法进行双故障的检测与隔离，然而，上述方法都是针对七个或七个以上的惯性器件，对七冗余以下的惯导系统并不适用；秦永元和魏伟在《捷联惯导系统中确保全姿态测量的软故障检测和隔离》(1999年，02期)与《余度传感器捷联惯导软故障检测》(2009年，01期)基于极大似然估计方法^[53，29]，提出了一种双故障隔离函数，可以隔离六陀螺系统中双故障的个别情况，无法完全实现双故障的隔离。

目前未能有一种双故障隔离方法同时隔离六陀螺冗余系统中的两个软故障或两个硬故障。

本发明的目的在于提供一种有效检测并隔离六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括下列步骤：

步骤一：采集冗余式捷联惯导系统惯性器件输出数据，得到不同时刻陀螺仪和加速度计的输出值；

步骤二：采用广义似然比故障检测方法进行故障检测；

利用广义似然比故障检测方法构造故障检测函数值，并将故障检测函数值与故障门限值进行比较，若某时刻系统故障检测函数值小于门限值，表明系统无故障发生，此时重复步骤一，并继续采用广义似然比进行故障检测，直至系统故障检测函数值大于故障门限值；若某时刻系统故障检测函数值大于故障门限值，表明此时系统发生故障，记录该故障发生时刻，并进行系统故障隔离；

步骤三：采用基于极大似然估计的双故障隔离方法进行故障隔离；

针对该冗余式惯导系统惯性器件输出值，采用基于极大似然估计的双故障隔离方法，分别计算故障时刻系统的双故障隔离函数值，比较各组双故障隔离函数值。当其最大值有且仅有一组时，对应的陀螺组即为发生故障的两个惯性器件，隔离系统中的两个故障惯性器件并执行步骤五，进行系统重构；当其最大值不唯一时，可锁定发生双故障的惯性器件范围，采用降阶奇偶向量的故障隔离方法定位故障。

步骤四：采用基于降阶奇偶向量的故障隔离方法进行故障隔离；

当基于极大似然估计的双故障隔离函数极大值不唯一时，确定发生双故障的惯性器件范围。假设范围中的某种情况发生双故障，此时可先排除其中一个故障惯性器件，其余的惯性器件构成降阶故障隔离系统，对该系统采用基于降阶奇偶向量的故障隔离方法，当降阶隔离函数最大值对应的惯性器件为假设中的另一个故障惯性器件，则该假设成立，由此定位系统中的两个故障惯性器件。

步骤五：根据步骤三或步骤四隔离出的故障惯性器件，确定故障信息矩阵r，依据系统重构公式进行系统重构；

当系统无故障时，r为单位矩阵；当系统隔离第i号惯性器件，则r的第i行设置为零行；

所述系统重构公式为：

其中，为不含有故障信息的系统状态量。z∈r^m为m个传感器惯性器件测量值，ε为传感器量测噪声，h为传感器配置矩阵；

由此完成冗余式惯导系统的故障检测、故障隔离与重构。将重构后的系统状态量代入导航解算过程，实时输出导航信息并继续对下一时刻的惯性器件输出值进故障检测、故障隔离以及系统重构，连续输出导航信息，直至导航任务结束。

本发明提出一种冗余式捷联惯导系统多故障隔离方法，其流程图如附图1所示，该方法的主要步骤如下：

(1)以六陀螺正十二面体配置的冗余捷联惯导为对象，构成六陀螺冗余式捷联惯导系统，陀螺仪和加速度计成对放置，本实验仅以陀螺仪为例，其配置方案如图2所示，并采集该系统陀螺仪输出数据；

所涉及的配置方式为：

六个陀螺的测量轴各自沿着该正十二面体六个平面的发现方向进行安装。如图所示，所有测量轴彼此相距空间夹角为α＝31.72°。面xbozb内有陀螺仪m1、m2的敏感轴，m1的敏感轴与xb轴正半轴的夹角是58.28°，m1的敏感轴与zb轴正半轴的夹角为31.72°，m2的敏感轴与xb轴负半轴的夹角为58.28°，m2的敏感轴与zb轴正半轴的夹角为31.72°。该配置结构具有几何对称性。易知，其余四个陀螺的安装如图所示；

按上述配置方式，六陀螺冗余系统量测方程为：

z＝hx+f+ε

式中，z∈r^m为m个传感器陀螺测量值，x∈r³为需要计算的状态变量，f为故障向量，ε为传感器量测噪声，h为传感器配置矩阵：

(2)对于发生同时发生多故障的六陀螺惯性导航系统，得到某时刻六个陀螺仪输出值，根据陀螺仪输出值，采用广义似然比故障检测方法进行故障检测。

将传感器测量值z代入广义似然比故障检测函数：

其中v为奇偶矩阵，且有：vh＝0，vv^t＝im-3。

已知陀螺个数，通过查χ²表可得到故障门限值。将故障检测函数值与故障门限值比较判断系统是否发生故障。当系统无故障发生时，利用最小二乘法得到系统状态量：

将系统所需状态量代入导航解算过程，实时输出载体的姿态、速度和位置的导航信息，并继续对下一时刻的陀螺仪量测值进行故障检测，直至导航任务结束；若该时刻系统故障检测函数值超出门限值，表明系统发生故障，同时记录该故障发生时刻，并进行系统故障隔离。

(3)针对该六陀螺惯性导航系统陀螺仪输出值，采用基于极大似然估计的双故障隔离方法进行故障隔离，在发生双故障情况下新的对数似然函数为：

对上式关于f求导数，得f的极大似然估计值并带入上式，可得

基于极大似然估计的双故障隔离函数为：

当且仅当figlt最大值有且仅有一组时，对应的陀螺组即为发生故障的两个惯性器件，隔离系统中的两个故障惯性器件并执行步骤五，进行系统重构。

(4)当步骤(3)中figlt最大值不唯一时，即figltmax＝figlt(ij)＝figlt(qk)，可锁定发生双故障的惯性器件范围惯性器件i、j发生故障或惯性器件q、k发生故障，采用降阶奇偶向量的故障隔离方法定位故障。

假设范围中的某种情况发生双故障(惯性器件i、j发生故障)，此时可先排除其中一个故障惯性器件(惯性器件i)，其余的惯性器件构成降阶故障隔离系统z^-i，

z^-i＝[s1...si-1si+1...sm]^t

对该系统采用基于降阶奇偶向量的故障隔离方法：

设

h^-i＝[h1...hi-1hi+1...hm]^t

满足

z^-i＝h^-ix+f+ε

其中，h^-i为不包含第i个传感器配置矩阵。

由v^-ih^-i＝0，v^-i(v^-i)^t＝im-4可得新的奇偶矩阵v^-i。

可得新的降阶奇偶向量

p^-i＝v^-iz^-i＝v^-ih^-ix+v^-if+v^-iε

＝v^-if+v^-iε

因此，基于降阶奇偶向量的故障检测函数

满足

时系统发生故障。

基于降阶奇偶向量的故障隔离函数：

若值最大这说明系统中最大值对应的传感器发生故障。

当降阶隔离函数最大值即对应的惯性器件为假设中的另一个故障惯性器件j，则假设成立，由此定位系统中的两个故障惯性器件。

(5)根据步骤(4)隔离出的故障陀螺，确定故障信息矩阵为r，当系统无故障时，r为单位矩阵；当系统隔离第i号陀螺，则r的第i行设置为零行。根据故障信息矩阵r得到系统重构公式为：

其中，为系统状态量。

由此完成系统的故障检测，故障隔离与故障重构。将重构后的系统状态量代入导航解算过程，实时输出导航信息并继续对下一时刻的陀螺仪输出值进故障检测、故障隔离以及系统重构，连续输出导航信息，直至导航任务结束。

visualstudio2010程序仿真的方案、条件及结果如下所示：

(1)仿真时间设置

仿真时长为10s，仿真步长为0.005s。

(2)载体运动设置

模拟载体三轴角运动设为x：50sin(8πt)°/s；y：50cos(πt)°/s；z：50t°/s。(3)陀螺仪噪声设置

陀螺仪噪声标准差为ση＝1°/h；

(4)系统故障设置

双故障仿真条件a：1号陀螺和2号陀螺在第3秒发生噪声信噪比为20ση的阶跃型故障；双故障仿真条件b：1号陀螺和3号陀螺在第3秒发生噪声信噪比为20ση的阶跃型故障。

(5)仿真结果

依上述仿真条件，对所设计的六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障检测与隔离方法进行仿真验证，其中，当1号2号陀螺发生故障时，由图3可知，系统故障检测函数3秒后超过故障检测门限值，说明系统发生故障。图4中1号2号陀螺的双故障隔离函数值明显高于其他情况，由此判定系统中1号和2号陀螺在3秒后发生了阶跃故障，说明基于极大似然估计的双故障隔离方法能有效隔离双故障；当系统中1号3号陀螺发生故障时，由图5可知，系统故障检测函数3秒后超过故障检测门限值，说明系统发生故障。图6中1号3号陀螺的双故障隔离函数值明显与4号5号陀螺的双故障隔离函数值相同，说明此时基于极大似然估计的双故障隔离方法失效，此时无法区分1号3号发生故障还是4号5号陀螺发生故障。由图7可知，当排除1号陀螺时，新系统中3号陀螺的降阶隔离函数值最大，说明3号陀螺存在故障，因此，1号、3号陀螺发生阶跃故障，同理图8可知4号五号陀螺无故障。说明基于降阶奇偶向量的故障隔离方法在极大似然估计的双故障隔离方法后进一步确定发生双故障的陀螺，算法有效。

结合上述分析，得到如下的分析结果：通过本发明提出的六陀螺冗余式系统故障双检测与隔离方法，可以准确地检测并隔离两个同时发生故障的惯性器件，保障了惯导系统的可靠性。因此，本发明可以更为全面地提升导航系统性能，满足导航系统长时间高可靠性实际应用需求。