一种基于余度技术的惯性平台故障注入与测试方法

本发明涉及飞行器惯性导航与平台惯导测试等效与故障注入领域，具体而言，涉及一种基于余度技术的惯性平台故障注入与测试方法。

背景技术：

1、随着复杂的飞行器控制系统对测量仪器可靠性要求的增加，基于余度技术设计的测量元器件与测量系统引起了广泛研究，而且也被应用于越来越多的飞控系统中。而且本身采用惯导平台与加速度计测量高度不可避免的带来累积误差；而采用高度表测量尽管没有累积误差，但其精度具有随机散布的特点，难以进一步提高。因此采用两种进行组合测量高度形成基于余度技术的惯性平台组合高度测量系统，尽管比较复杂，但由于具有相互互补的优势而在大型飞行控制系统中获得了成功的应用。由于系统复杂，因此进行测试是保证其正常工作的必要环节；但由于测试过程中往往难以暴露其故障，或者仅仅暴露一种故障，这样对测试过程、测试设备的教学培训使用培训都是非常不方便的，从而人为针对其故障现象进行注入，从而实现测试等效器的方法，由于其可以避免对昂贵真实系统进行多次通断电的频繁测试，从而使得该研究具有很高的工程实用价值与经济价值。基于上述背景原因，本发提出明根据对基于余度技术的惯性平台的四类故障进行故障注入与测试等效的方法具有很高的工程价值。

2、需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于余度技术的惯性平台故障注入与测试方法，进而克服了由于相关技术的限制和缺陷而导致的惯性平台故障与基于余度技术高度测量故障模拟不过详实精确的问题。

2、根据本发明的一个方面，提供一种基于余度技术的惯性平台故障注入与测试方法，包括以下步骤：

3、步骤s10，设置惯性平台输出角度的初始值为零；然后采用传递函数方法建立陀螺仪测量模型，得到惯性平台陀螺测量角度信号；再设置平台噪声干扰故障注入时间函数，并设置平台的输入为高斯分布的白噪声信号，进行组合后得到故障注入下的平台输入信号；并与惯性平台陀螺测量角度信号进行比较得到惯性平台误差信号，并进行积分得到惯性平台误差积分信号；再根据惯性平台误差信号与惯性平台误差积分信号进行组合得到惯性平台比例积分控制信号。

4、步骤s20，根据所示的惯性平台比例积分控制信号作为平台直流电机输入，采用一阶传递函数建立惯性平台直流电机模型，得到电机输出力矩信号；然后采用正弦函数模拟平台所受大干扰力矩故障信号，并设计大干扰力矩故障的注入时间函数，进行组合得到故障注入下的平台干扰力矩信号；再叠加电机输出力矩信号得到惯性平台输入总力矩信号；再采用一阶传递函数建立惯性平台的机械动力学模型并输入惯性平台输入总力矩信号得到惯性平台角速度信号；再进行积分得到惯性平台输出角度信号。

5、步骤s30，根据所述的惯性平台角速度信号与加速度计安装位置形成的等效力臂参数解算惯性平台转动对加速度计的干扰信号；然后叠加惯性平台的平动垂向加速度信号得到加速度总输入信号；再采用二阶传递函数建立加速度计测量模型，输入加速度总输入信号得到平台力矩干扰故障下的加速度测量信号；然后根据加速度计测量模型输入惯性平台的平动垂向加速度信号得到惯性平台垂向加速度信号，再进行积分得到惯性平台垂向速度信号，进一步积分得到惯性平台位置信号。

6、步骤s40，采用白噪声信号模拟无线电高度表的测量噪声故障，得到高度表噪声模拟信号，然后建立一阶低通滤波器，得到高度表噪声故障信号；再设计高度表故障注入时间函数，进行组合得到高度表故障综合信号，再叠加惯性平台位置信号得到故障注入下的高度表测量信号。

7、步骤s50，设置故障注入下的高度余度误差信号的初始值为0，采用平台力矩干扰故障下的加速度测量信号叠加故障注入下的高度余度误差信号的放大信号，得到余度修正加速度信号；再进行积分得到基于余度技术的速度信号；然后叠加故障注入下的高度余度误差信号的放大信号得到余度修正速度信号；再进行积分得到基于余度技术的高度测量信号；采用基于余度技术的高度测量信号与所述的故障注入下的高度表测量信号进行比较，得到高度余度误差信号；再设计高度余度误差反馈故障的注入时间函数；得到故障注入下的高度余度误差信号。

8、步骤s60，根据所述的高度余度误差反馈故障的注入时间函数、高度表故障注入时间函数、平台噪声干扰故障注入时间函数、大干扰力矩故障的注入时间函数，选取一种或者几种故障同时进行故障注入，解算在多种平台故障注入下的基于余度技术的高度测量信号，实现惯性平台加速度计与高度表余度测量过程的故障注入模拟，完成惯性平台余度测量过程的测试等效功能。

9、在本发明的一种示例实施例中，设置惯性平台输出角度的初始值为零；然后采用传递函数方法建立陀螺仪测量模型，得到惯性平台陀螺测量角度信号；再设置平台噪声干扰故障注入时间函数，并设置平台的输入为高斯分布的白噪声信号，进行组合后得到故障注入下的平台输入信号；并与惯性平台陀螺测量角度信号进行比较得到惯性平台误差信号，并进行积分得到惯性平台误差积分信号；再根据惯性平台误差信号与惯性平台误差积分信号进行组合得到惯性平台比例积分控制信号包括：

10、

11、

12、r0＝rana1f0；

13、ea＝r0-ya；

14、sa＝∫eadt；

15、ua＝kb1ea+kb2sa；

16、其中θa为惯性平台输出角度的初始值为零；εt为陀螺仪的阻尼比参数，为常值系数；ωt为陀螺仪的自然频率参数，为常值系数；为陀螺仪测量模型，s为模型传递函数的微分算子；ya为惯性平台陀螺测量角度信号；f0为平台噪声干扰故障注入时间函数，t0s为平台噪声干扰故障的注入起始时间；t0e为平台噪声干扰故障的注入结束时间；na1为高斯分布的白噪声信号，ra为长海子参数，为噪声强度系数；r0为故障注入下的平台输入信号；ea为惯性平台误差信号，sa为惯性平台误差积分信号；ua为惯性平台比例积分控制信号；kb1、kb2为常值控制参数。

17、在本发明的一种示例实施例中，根据所示的惯性平台比例积分控制信号作为平台直流电机输入，采用一阶传递函数建立惯性平台直流电机模型，得到电机输出力矩信号；然后采用正弦函数模拟平台所受大干扰力矩故障信号，并设计大干扰力矩故障的注入时间函数，进行组合得到故障注入下的平台干扰力矩信号；再叠加电机输出力矩信号得到惯性平台输入总力矩信号；再采用一阶传递函数建立惯性平台的机械动力学模型并输入惯性平台输入总力矩信号得到惯性平台角速度信号；再进行积分得到惯性平台输出角度信号包括：

18、

19、ma3＝ma sin(ω1t)；

20、

21、ma2＝f1ma3；

22、ma＝ma1+ma2；

23、

24、θa＝∫ωgdt；

25、其中为惯性平台直流电机模型，k2为电机模型的等效放大系数，t2为电机模型的等效时间常数，为常值参数；ma1为电机输出力矩信号；ma3为大干扰力矩故障信号，ma为大干扰力矩的幅值参数，为常值；ω1为大干扰力矩的频率参数，为常值；t1s为大干扰力矩故障的注入起始时间；t1e为大干扰力矩故障的注入结束时间；f1为大干扰力矩故障的注入时间函数，ma2为故障注入下的平台干扰力矩信号；ma为惯性平台输入总力矩信号；为惯性平台的机械动力学模型的一阶传递函数；t1为惯性平台的机械动力学模型的等效时间常数，为常值参数；k1为惯性平台的机械动力学模型的等效放大系数，为常值参数；ωg为惯性平台角速度信号；θa为惯性平台输出角度信号。

26、在本发明的一种示例实施例中，根据所述的惯性平台角速度信号与加速度计安装位置形成的等效力臂参数解算惯性平台转动对加速度计的干扰信号；然后叠加惯性平台的平动垂向加速度信号得到加速度总输入信号；再采用二阶传递函数建立加速度计测量模型，输入加速度总输入信号得到平台力矩干扰故障下的加速度测量信号；然后根据加速度计测量模型输入惯性平台的平动垂向加速度信号得到惯性平台垂向加速度信号，再进行积分得到惯性平台垂向速度信号，进一步积分得到惯性平台位置信号包括：

27、ah2＝ωgrg；

28、ah＝ah1+ah2；

29、

30、

31、vc1＝∫ac1dt；

32、sc1＝∫vc1dt；

33、其中rg为加速度计安装位置形成的等效力臂参数，ah2为惯性平台转动对加速度计的干扰信号；ah1为惯性平台的平动垂向加速度信号，ah为加速度总输入信号；ω2为加速度计的自然频率，为常值参数；ε2为加速度计的阻尼比，为常值参数；为加速度计测量模型，ac为平台力矩干扰故障下的加速度测量信号；ac1为惯性平台垂向加速度信号，vc1为惯性平台垂向速度信号，sc1为惯性平台位置信号。

34、在本发明的一种示例实施例中，采用白噪声信号模拟无线电高度表的测量噪声故障，得到高度表噪声模拟信号，然后建立一阶低通滤波器，得到高度表噪声故障信号；再设计高度表故障注入时间函数，进行组合得到高度表故障综合信号，再叠加惯性平台位置信号得到故障注入下的高度表测量信号包括：

35、sn3＝w1n1；

36、

37、

38、sn1＝f2sn2；

39、sc1a＝sc1+sn1；

40、其中n1为白噪声信号，w1为无线电高度表的测量噪声故障强度，sn3为高度表噪声模拟信号，tn1为一阶低通滤波器的时间常数，sn2为高度表噪声故障信号；f2为高度表故障注入时间函数，t2s为高度表故障注入的起始时间，t2e为高度表故障注入的结束时间；sn1为高度表故障综合信号，sc1a为故障注入下的高度表测量信号。

41、在本发明的一种示例实施例中，设置故障注入下的高度余度误差信号的初始值为0，采用平台力矩干扰故障下的加速度测量信号叠加故障注入下的高度余度误差信号的放大信号，得到余度修正加速度信号；再进行积分得到基于余度技术的速度信号；然后叠加故障注入下的高度余度误差信号的放大信号得到余度修正速度信号；再进行积分得到基于余度技术的高度测量信号；采用基于余度技术的高度测量信号与所述的故障注入下的高度表测量信号进行比较，得到高度余度误差信号；再设计高度余度误差反馈故障的注入时间函数；得到故障注入下的高度余度误差信号包括：

42、acz＝ac-ks1es；

43、vc＝∫aczdt；

44、vcz＝vc-ks2es；

45、scz＝∫vczdt；

46、

47、es0＝scz-sc1a；

48、es＝f3es0；

49、其中es为故障注入下的高度余度误差信号；ks1、ks2为常值放大系数；acz为余度修正加速度信号；vc为基于余度技术的速度信号；vcz为余度修正速度信号；scz为基于余度技术的高度测量信号；es0为高度余度误差信号；f3为高度余度误差反馈故障的注入时间函数；t3s为高度余度误差反馈故障注入的起始时间；t3e为高度余度误差反馈故障注入的终止时间。

50、有益效果

51、本发明一种基于余度技术的惯性平台故障注入与测试方法，其主要创新点有如下三点。第一点是对整个惯性平台的加速度计测量高度与高度表测量高度的反馈补偿组合测高进行了故障模拟，模拟了反馈增益出现故障的情况，能够准确进行故障下的高度信号闭环解算，从而比传统的开环故障解算方法更加深入与精密，也更能够反应实际故障下的高度测量输出情况。第二点是对惯性平台受大干扰力矩故障下的双余度技术的高度测量系统进行了系统化的故障注入与解算分析，从而能够真实反应余度技术下，一个测量通道受故障影响下的整体输出情况。第三点是对高度表以及惯性平台收到大噪声干扰故障影响下的基于余度技术的高度测量系统进行了故障注入与解算，也实现了上述故障下的高度输出性能的模拟，从而能够为测试系统提供更加真实的对象，从而实现测试等效器的功能，能够替代真实系统，也能减少对昂贵真实系统的多次测试损失，从而具有很高的经济价值。

52、应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。