基于联邦滤波的容错组合导航系统设计及实现方案

以SINS／GPS／Doppler为例，设计容错组合导航系统，该系统包括SINS容错算法、子系统故障检测及隔离、容错综合算法。采用联邦滤波算法，提高了计算精度和可靠性，具有较好的容错性和环境适应性，有较高的工程实用价值。     

基于一种灰色聚类滤波算法的飞机远程故障诊断虚警辨识方法

 在航线排故过程中,常会出现飞机远程实时故障报文信息的“飞机通信与寻址系统(ACARS)虚警”现象,使排故效率降低。对此,本文将灰色聚类和滤波理论结合提出了一种新的辨识算法——灰色聚类滤波算法,将常增益滤波引入灰色聚类算法,在灰色聚类算法中使用ACARS报文故障的当前数据分类故障、判断虚警的基础上,增加报文故障的历史数据,用滤波方法将历史的和当前的数据结合起来,提高辨识虚警的准确性。本算法应用于航空公司的波音777机队,能够有效辨识飞机实时故障报文信息中的虚警。     

有效性因子在卫星姿控系统集成故障诊断与容错控制中的应用

 研究了在轨卫星姿态控制系统(ACS)发生可修复性故障状况下的集成故障诊断与容错控制。考虑执行机构和敏感器分别或同时出现故障,相应地分别或同时在姿态动力学和运动学方程引入控制有效性因子和测量有效性因子,利用二级卡尔曼滤波算法求解其值,以说明系统的控制以及测量的有效程度。采用统计假设检验通过其幅值变化判断系统是否存在故障,当故障发生时,引入重构容错控制器对原控制器进行补偿控制。建立卫星闭环姿态控制系统对算法进行了仿真验证,仿真结果表明该算法快速可靠,能够满足在轨卫星姿态控制系统故障状况下的性能要求。     

航天靶场外测数据野值点的准实时诊断方法研究

野值点的检测与诊断在航天器测控工程中有重要意义。本文根据测量数据序列容错滤波技术，建立了三组不但能用于事后高精度处理也可实时在线处理的野值点检测方法。仿真计算结果证实，这些方法不但能以１００％准确率检出采样序列中孤立型的野值点，还可快速有效地检出存在于序列中的各野值斑点，准确率达到９８％以上（与斑点长度和滑动窗工度有关）。     

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。     

机载多余度容错计算机瞬态故障与恢复技术研究

本文针对航空电子系统高可靠性要求，对瞬态故障进行了分析，论述了瞬态故障对机载设备的影响，提出了瞬态故障的故障诊断与故障窗口监控综合恢复方法，并以航空计算技术研究所研制的四余度容错计算机为模型，描述了其实现算法     

GA—HCM混合聚类算法及其在液体火箭发动机故障检测中的应用

针对HCM聚类算法对初始值和学习参数具有较强依赖性的缺点，提出了GA－HCM混合聚类算法。应用改进的基因算法为HCM算法选取初始种子解，使滑动数据窗上的聚类算法以功能层次分明的“导师一学生”制智能结构出现，从而实现了“精”与“初”相结合的解空间搜索算法，使HCM聚类算法能较快收敛到问题的最优解。同时针对液体火箭发动机系统动力学的特殊性，利用我们提出的一种适用于离线或在线系统故障检测与诊断的算法框架，基于实际试车数据对GA－HCM混合聚类算法进行了准实时的数字仿真。仿真结果表明该算法基本上克服了HCM算法的缺点，能有效地用于液体火箭发动机的事后故障分析或在线故障诊断。该故障诊断框架能区分干扰噪声、永久性故障或间歇性故障所引起的异常数据现象，并能形成当前系统的故障特征模式。对缓变故障的早期检测能力使该算法框架极富应用前景。     

多维平稳过程的容错辨识与突变检测

本文将参数容错辨识与过程突变检测相结合,构造了多维平稳过程的协方差-位置参数(∑,μ)的一组具有良好容错能力的辨识算法;基于该算法,建立了多维平稳过程突发性故障的检测与诊断算法;简要指出了上述方法在航天测控工程中的应用前景。最后,通过仿真计算证实了容错辨识与突变检测算法的有效性。     

可模拟绕组内部故障的双馈风力发电半实物实时仿真平台

双馈风力发电机(DFIG)系统控制复杂,离线仿真与传统全实物的故障试验存在一定局限性。在控制功能强大的MATLAB/Simulink环境下构建基于dSPACE1007系统的双馈风力发电系统半实物实时仿真平台,解决可模拟绕组内部故障的实物电机、dSPACE与Simulink软件三方联调时的数据接口与控制问题。试验结果表明,该平台在DFIG定、转子匝间短路故障工况下,通过Control Desk界面可灵活改变控制参数及算法,实现电机绕组内部故障状态下的容错运行,为DFIG故障检测和容错控制研究提供硬件平台。     

基于双树复小波和形态学的卫星异常数据滤波方法

受系统结构复杂、工作环境恶劣等因素影响,卫星的工作状态会存在介于正常和故障之间的异常状态,导致其遥测数据中不仅含有噪声,还存在异常数据。采用传统滤波算法进行去噪处理时,会存在对异常数据保留不充分的问题,从而导致突变信息丢失。针对上述问题,提出一种基于双树复小波与形态学滤波的卫星遥测数据组合滤波方法,设计一种半软阈值滤波函数来提高双树复小波的滤波性能,并提出一种组合滤波算法。通过仿真实验进行验证,结果表明:本文方法可以对遥测数据中的噪声进行有效滤除并对异常数据进行保留。     

基于双状态卡方故障检测的组合导航系统

故障检验与隔离是利用联邦滤波实现组合导航系统安全可靠运行的关键技术。针对常规残差卡方检验法对于慢变故障检验效果差,以及状态卡方检验受到初值误差、系统噪声和建模误差影响导致子系统被频繁隔离的问题,提出一种改进的SINS/GPS/ADS/DVL组合导航系统故障检验算法。该算法采用2个状态推进器交替地对滤波数据进行重置,避免状态递推器被未检测出来的故障污染。实验结果表明,改进的算法能够有效提高故障检验的灵敏度,增强组合导航系统的可靠性。     

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。     

卫星导航接收机自主完好性监测算法研究

针对航空导航定位高可靠性的要求和GPS接收机观测噪声分布的特点,研究将粒子滤波算法应用于接收机自主完好性监测（RUM）中.通过粒子滤波算法对状态进行精确估计,利用对数似然比建立一致性检验统计量进行故障检测与隔离.对算法进行了数学建模,描述了完整的RAIM算法详细流程.通过实测数据对提出的RAIM算法进行验证,结果表明：粒子滤波算法在非高斯测量噪声情况下可以对GPS接收机状态进行精确的估计,利用对数似然比建立的一致性检验统计量能有效地检测并隔离故障卫星,验证了该算法应用于GPS接收机自主完好性监测的可行性和有效性.     

航天靶场外测数据野值点的准实时诊断方法研究

野值点的检测与诊断在航天测控工程中有重要意义。本文根据测量数据序列容错滤波技术,建立了三组不但能用于事后高精度处理也可实时在线处理的野值点检测方法。仿真计算结果证实,这些方法不但能以100％准确率检出采样序列中孤立型的野值点,还可快速有效地检出存在于序列中的各野值斑点,准确率达到98％以上(与斑点长度和滑动窗长度有关)。     

航天器下行数据异变检测算法研究

针对航天器下行遥测数据故障检测问题,建立了相应的非平稳+异常分量模型,并借鉴采样数据新息增量过程的回归系数有界影响辨识方法,提出了航天器下行数据异常突变在线检测算法,该算法具有简捷的递推关系和良好的容错能力。实测数据结果表明,该算法可以有效地检测出航天器异常数据,并能克服异常数据的不利影响,提高在轨航天器测控过程的可靠性。     

基于NFTET的高超声速飞行器再入容错制导

针对以X-33为对象的三自由度高超声速飞行器,采用相邻可行轨迹存在定理(NFTET)设计了容错制导律以解决再入段执行器发生故障的轨迹重构问题。在标称情况下采用预测校正算法生成满足再入过程约束和终端约束要求的再入轨迹;当执行器发生故障时,飞行器气动参数、结构和舵面力矩都可能发生不可预测的变化,原先的轨迹不再满足制导要求,因此需要设计新型容错制导律。针对实际再入制导模型,基于NFTET设计容错制导算法对轨迹进行重构,得到满足故障情况下制导任务的可行轨迹。从仿真结果中可以看出,容错制导算法生成的新轨迹重新回到了约束范围之内,轨迹呈收敛趋势,使得高超声速飞行器从故障恢复到正常飞行状态,提高了飞行器的自主容错能力。     

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。     

飞翼布局无人机舵面分配算法研究

针对某飞翼式无人机飞行过程中出现舵面破损情况,提出了一种具有容错能力的舵面权限动态分配算法。针对舵面无故障和副翼两侧完全破损故障,分析比较了典型舵面分配算法和动态分配算法的性能。分析结果表明:舵面无故障时,在满足约束条件的情况下,由动态分配算法实现的舵面分配其滚转和俯仰操纵力矩可达范围大于由典型舵面分配算法实现的,有利于克服较大的俯仰或滚转干扰,而在升降舵或者副翼出现破损故障时具有更强的容错能力。     

面向雷达天线平台的容错纠错策略及其FPGA实现

 针对雷达天线平台可能出现的传感器故障,提出了一种容错纠错策略。如果雷达天线平台周围的3条驱动腿中的某一个传感器发生故障,则可根据空间闭链机构约束,由其他正常工作驱动腿的传感器和中间从动腿的冗余传感器的测量值计算出故障传感器的应测值。推导了对应的位移传感器故障的容错重构算法,研究了基于现场可编程门阵列（FPGA）的上述容错策略的硬件实现方法。通过引入坐标旋转数字计算（CORDIC）算法使得FPGA运算中只需进行基本的移位和加/减操作;设计了基于FPGA的循环高速流水线处理器结构,使得重构算法的在线计算速度大大提高。仿真模拟了突变型传感器故障,结果表明,所提容错纠错方案能有效地保证雷达天线平台运行的安全性和可靠性。     

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。