改进故障隔离的容错联邦滤波

为了解决重置模式下联邦滤波器中子系统故障对导航系统污染的问题,提出利用故障检测函数构建时变量测噪声的容错联邦滤波结构。通过将故障子滤波器等价为量测噪声趋于无穷大的正常系统,来取代传统的故障隔离方法;推导出了子滤波器对应的最优估计值,用以消除子滤波器估计次优性对故障检测的影响;采用动态信息分配系数,以减少故障信息对全局估计的影响。采用惯性/天文/景象/地形(INS/CNS/SMNS/TERCOM)的组合导航系统进行了仿真验证,结果表明该容错联邦滤波方法在子系统发生故障时的估计性能优于故障隔离方法。因此,所提方法具有提高故障子滤波器精度、保证无故障子滤波器鲁棒性以及全局估计精度的优势,具有较高的实用价值。     

一种改进余度捷联惯导系统最优奇偶矢量故障容错算法

针对余度捷联惯导系统故障检测方法对小故障和渐变型故障检测率低的问题,提出了利用对特定传感器敏感的最优奇偶矢量来构造最小二乘加权矩阵的算法。该算法利用最优奇偶矢量产生奇偶残差来反映特定传感器对待测状态量测的准确程度,通过该残差确定最小二乘加权阵,进而再辅助最优奇偶矢量进行故障检测,达到对小故障和渐变型故障的容错。仿真结果表明本方法能够有效提高待测状态的估计精度,具有一定的工程参考价值。     

组合导航系统故障检测方法研究

针对组合导航系统的故障检测问题,提出了一种基于自适应加权和卡尔曼滤波相结合的自适应滤波新方法。它不仅可以检测出系统故障,而且可以对故障大小进行跟踪估计,同时可以对故障进行具体定位。仿真表明,该方法能够快速有效地对组合导航系统的故障进行检测和隔离,计算速度快,实时性好,可以很好地保证组合导航系统的安全可靠性。     

组合导航系统的容错技术发展综述

介绍了当前组合导航系统的发展概况,对基于联邦滤波理论的组合导航系统进行了详细分析,比较了几种不同结构的滤波器在组合导航系统容错性能上的优缺点。同时针对组合导航系统的特点,对其容错技术进行了的详细研究,尤其在故障检测和系统重构方面做了详细论述。     

基于矢量化检测联邦滤波的INS/BDS/地磁组合导航容错方法

组合导航能够将多种类型的导航信息进行结合,实现优势互补,因此成为了目前导航应用领域的主要发展方向。然而,导航信息的增多势必会引入更多的风险源,从而降低导航系统的可靠性。基于联邦滤波的容错方法是目前抑制故障信息影响的主要解决手段,但是现有的故障容错方法普遍采用统一的检测机制,没有根据各个导航子系统的误差传播特性针对性地构建故障检测模型,因此会引起较高的误警率与漏检率。针对上述问题,提出了基于矢量化检测联邦滤波的INS/BDS/地磁组合导航容错方法。通过构建面向INS/BDS/地磁不同导航信息的故障检测函数,能够实现更加准确的矢量化信息分配,从而可以有效避免可用导航信息的损失以及故障导航信息对整体系统的影响。仿真结果表明,提出的方法可以有效隔离不同类型的故障信息,并减小其对无故障导航信息及整体系统的影响,从而提高了组合导航的精度和可靠性。     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。     

SINS/BD紧组合导航系统故障检测算法研究与实现

由于惯性导航系统和卫星导航系统具有良好的互补性与北斗导航系统的迅速发展,惯性/卫星紧组合导航系统得到广泛应用。但卫星导航系统的时变、易受干扰等特性,极易污染整个组合导航系统。因此,研究了一种新型的惯性/北斗紧组合导航系统的故障检测算法,在传统的卡方故障检测算法基础上,利用新息动态变化特性来识别故障星,并对故障星进行隔离,从而保证整个导航系统的稳定性与精度。最后基于嵌入式PC104平台,利用Qt Creator软件开发了多线程惯性/北斗紧组合导航系统,对所研究的算法进行了可靠验证。实验结果表明,所研究的故障检测算法能够有效地检测出卫星信号故障,能及时剔除故障星,大大降低了漏检、错检的概率,提高了整个导航系统的可靠性与精度。     

惯性辅助的北斗导航故障自适应方法研究

北斗导航系统完好性是指北斗导航系统不能用于导航服务或导航精度超出给定范围时,具备及时发现故障并通知用户的能力.针对北斗导航完好性检测问题,为改善北斗导航定位系统的精度、连续性、完好性和可用性,研究了基于惯性辅助的北斗导航故障检测方法,设计了北斗导航系统的量测修正与故障检测实现方案,构建了基于新息正交性的自适应滤波北斗/SINS紧组合导航架构,根据滑动窗口内新息动态变化特性修正系统量测噪声方差,在北斗导航信号受到较大干扰、发生异常的情况下,对品质较差的卫星测量信号进行识别,并对检测超出一定阈值的突变卫星信号实现故障隔离,从而提高系统适应能力,增强北斗/SINS紧组合导航系统容错性.构建了北斗/SINS组合导航系统仿真验证模型,结果表明,基于惯性辅助的北斗导航方法能够有效检测出卫星信号故障,提高了系统的适应性和定位精度.     

容错多传感器组合导航系统发展综述

对容错组合导航系统的基本理论、联邦滤波器的设计方法、特点进行了分析；指出联邦滤波器在时间和空间上为组合导航系统的容错设计提供了条件；同时对组合导航系统故障诊断、故障隔离和系统重构方法进行了研究。     

小波技术在组合导航系统故障诊断中的应用

针对组合导航系统中存在的故障类型和特点，提出一种新的基于信号处理的故障检测方法。该方法利用小波分析技术对含有故障信息的系统信号进行分析处理，并将此方法应用于SINS／GPS组合导航系统。仿真结果分析表明，小波分析技术能很好地及时检测出组合导航系统的硬故障，且更加简便灵活，从而可以将小波分析技术应用于组合导航系统的故障检测。     

组合导航系统中一种基于特征值分解的自适应信息融合滤波算法

基于分散滤波理论的联合滤波算法,可以有效地降低组合导航系统的计算负担,并且增强系统的容错性能。给出了一种联合滤波算法中信息分配系数的自适应计算方法,能够使联合系统根据导航过程中各传感器的信息质量的变化合理地反馈全局信息。仿真结果表明,该算法可以有效地降低由于导航子系统降级带来的滤波误差。     

JIDS/SINS/GPS组合导航系统两级故障检测结构设计

针对传统组合导航系统故障检测方法不能同时准确检测突变故障及缓变故障的不足,提出了一种两级故障检测结构。这种结构采用联邦滤波器结合了残差χ2检测法易于检测突变故障和状态χ2检测法易于检测缓变故障的优势,在JIDS/SINS/GPS组合导航系统中得到了成功应用。仿真表明,这种方法对突变故障和缓变故障都达到了较好的检测效果。此外,此方法没有改变联邦滤波器原有结构,检测准确度高,计算量小,是一种便于工程实现的检测方法。     

再论联邦滤波在组合导航中的应用可行性

在联邦滤波算法中，针对子滤波器存在私有状态从而导致全局状态信息融合估计为次优估计的问题，通过一个简单的3维状态、2维量测系统的数值仿真以及速度+姿态传递对准组合导航仿真，验证了联邦滤波的次优估计结果误差太大，难以满足实际系统的高精度滤波需求。联邦滤波估计的次优程度没有经过严格证明，且难以证明，因而存在应用风险。对于以精度为主要性能指标的组合导航系统，不建议采用联邦滤波算法，否则其精度损失不足以弥补其带来的计算量降低和容错性提高的优势。     

基于联邦滤波的容错组合导航系统仿真分析

设计INS／GPS组合导航系统时,考虑到观测量GPS位置和速度是正相关的,可通过降低单个滤波器的维度形成两个局部滤波器,主滤波器融合局部滤波器的状态估计,得到整个组合导航系统的误差状态估计值。同时,根据各局部滤波器的故障情况选择输出,仅利用未失效系统的局部滤波器得到可靠的最优误差状态估计值,使得容错性能大大提高。结果表明,由于采用了并行运算,增加了系统的余度,有效提高了导航系统的精度和可靠性,有较好的容错性和环境适应性,具有较高的应用价值。     

高空长航时无人机SINS/CNS组合导航系统仿真研究

根据高空长航时无人机的特点研究了SINS/CNS组合导航系统并进行了仿真。研究了分段定常系统(PWCS)的可观测性分析方法和基于奇异值分解的系统状态可观测度分析问题,并提出了一种改进的状态可观测度分析方法,在求状态变量的可观测度时,抛开了观测量,只利用可观测矩阵进行分析,然后将该理论应用到SINS/CNS组合导航系统中,证明了其合理性与可行性,进一步根据可观测度分析的结果对系统进行反馈校正,通过仿真结果证明导航精度得到了提高。     

一种全天时星跟踪器相对惯导的安装阵在线快速估计方法

全天时星跟踪器与捷联惯导组成的惯性/天文组合导航系统具有精度高、自主性强等优点，在飞机、无人机、船舶等领域具有广泛的应用前景。组合导航系统长时间工作中力热变化导致安装矩阵漂移进而影响导航系统精度，全天时星跟踪器由于天空光影响视场小，一次只能观测一颗恒星，无法根据一副星图直接进行安装阵估计。提出了一种基于Levenberg-Marquart （L-M）算法的捷联惯性/天文组合导航系统安装阵在线快速高精度估计方法，利用捷联惯导姿态测量值，将不同时刻的观测星矢量转移到同一时刻同一坐标系中，构造多颗观测星的观测矢量误差与导航星矢量最小二乘目标函数，利用自适应步长的L-M算法对其进行迭代求解，实时得到系统安装矩阵的变化量。试验结果表明，使用该方法后星跟踪器在捷联惯导本体坐标系的输出恒星投影矢量精度提升了1倍以上，在线估计时间优于5 ms，满足用户实时性和高精度要求。     

区域导航无人机空中基准站的多源信息融合容错导航系统研究

作为卫星导航系统的补充和备份,区域导航服务系统近年来得到较大发展。在基于无人机的区域导航服务系统中,无人机自身的定位精度对区域导航服务系统的可靠运行有直接的影响。针对无人机导航传感器及系统的容错和可靠性问题,设计了具有针对性和自优化功能的多源信息融合容错导航方案,提出了一种优化的基于矢量分配形式的自适应联邦滤波算法。通过对每个状态量设计不同的信息分配系数,实现传感器量测噪声的动态优化调整,有效减小了传感器故障对融合导航系统的影响,提高了无人机导航系统的鲁棒性。验证分析表明,该方法可以减小子滤波器故障信息对融合导航系统联邦滤波全局估计的影响,避免了故障子滤波器在信息重置过程中对系统造成的污染,提高和保障了无人机空中基准站多源信息融合导航系统的稳定性和可靠性。     

Model-based robust estimation and fault detection for MEMS-INS/GPS integrated navigation systems

In micro-electro-mechanical system based inertial navigation system（MEMS-INS）/global position system（GPS） integrated navigation systems, there exist unknown disturbances and abnormal measurements. In order to obtain high estimation accuracy and enhance detection sensitivity to faults in measurements, this paper deals with the problem of model-based robust estimation（RE） and fault detection（FD）. A filter gain matrix and a post-filter are designed to obtain a RE and FD algorithm with current measurements, which is different from most of the existing priori filters using measurements in one-step delay. With the designed filter gain matrix, the H-infinity norm of the transfer function from noise inputs to estimation error outputs is limited within a certain range; with the designed post-filter, the residual signal is robust to disturbances but sensitive to faults. Therefore, the algorithm can guarantee small estimation errors in the presence of disturbances and have high sensitivity to faults. The proposed method is evaluated in an integrated navigation system, and the simulation results show that it is more effective in position estimation and fault signal detection than priori RE and FD algorithms.