本发明专利技术公开一种应用于组合导航系统的故障检测方法，该方法中残差χ2检验法和双状态χ2检验法并行工作且共用同一个卡尔曼滤波器，同时残差χ2检验法的检测结果决定了对双状态χ2检验法的两个状态递推器的操作：当残差χ2检验法检测到组合导航系统故障时，则通过控制开关K0使卡尔曼滤波结果不对两个状态递推器进行状态重置；反之，如果残差χ2检验法检测系统正常，则允许卡尔曼滤波结果对状态递推器进行状态重置，从而有效地解决了残差χ2检验法对软故障不敏感的问题和双状态χ2检验法的两个状态递推器易受污染的问题。组合导航系统故障诊断结果由残差χ2检测法和双状态χ2检测法共同决定，提高了系统故障诊断的准确性和可靠性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及的是，属于组合导航系统故 障检测领域。
技术介绍
随着现代电子技术的不断发展，各类工程系统的复杂程度也越来越高，系统的可 靠性和安全性受到越来越多的重视，故障检测技术已经成为保障各系统可靠性工作的重要 措施。惯性导航系统和GPS导航系统具有信息冗余、优势互补的特点，因此将两者通过不同 方式的组合可以实现取长补短、提高精度和可靠性的目的。惯性导航系统和GPS导航系统构 成的组合导航系统在各领域得到了越来越广泛地应用。组合导航系统的故障检测是提高组 合导航系统可靠性的重要途径。其中，常用的故障检测方法包括残差X 2检验法和双状态X2检 验法。 采用残差X2检验法很难检测组合导航系统的软故障，而对于系统硬故障的检测效 果要好的多。双状态X 2检验法能够有效的解决状态递推器误差逐渐扩大的问题，但两个状 态递推器交替工作的时间间隔的选择非常重要，如果选择过小，则在系统发生故障时，经过 状态递推器两次重置仍可能未被检测出来;如果选择过大，则由于状态递推器随时间增长 会引起方差增大、精确性降低的问题，从而影响到双状态X 2检验的准确性，容易产生虚警。 针对残差X2检验法和双状态X2检验法各自的优点和存在的缺陷，有必要研究将两者结合起 来使用，达到取长补短、提高系统故障检测准确性的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是在残差X2检验法和双状态X2检验法的基础上进一步提高惯性导航 系统和GPS导航系统构成的组合导航系统故障检测的准确性。本专利技术的技术解决方案为:在 残差X 2检验法和双状态X2检验法的基础上提出， 其特征在于该组合导航系统故障检测方法中用到的残差X 2检验法和双状态X2检验法共同使 用同一个卡尔曼滤波器，同时残差X2检验法的检测结果决定了对双状态X 2检验法的两个状 态递推器的操作：当残差X2检验法检测到组合导航系统故障时，则通过对控制开关的控制 不允许卡尔曼滤波结果对双状态X 2检验法的两个状态递推器进行状态重置;反之，如果通 过残差X2检验法检测组合导航系统正常，则通过对控制开关的控制允许卡尔曼滤波结果对 双状态X 2检验法的状态递推器进行状态重置。组合导航系统最终的故障检测结果由残差X2 检测法和双状态X2检测法的检测结果共同决定。该方法有效地解决了残差X2检验法对软故 障不敏感的问题和双状态X 2检验法的两个状态递推器易受污染的问题，具体步骤如下： ①采用残差X2检验法对组合导航系统进行故障检测； 残差X2检测法的基本思想为:如果系统在刻包括刻以前无故障，那么经过 卡尔曼滤波得到的时刻的状态估计值戈1)也应该是正确的。根据系统的状态方 程可以得到tk时刻系统状态的递推值计算公式如下： -1) = Φ(^7 k-\)X(k-1) 上式中，为时刻到tk时刻系统状态的递推值，:外^卜!)为时刻到tk时 刻的一步转移矩阵，戈沐-1)为时刻的系统状态值;从上式可以得到tk时刻系统量测的预 测值爻(ΛΑ-1)如下： Z(k,k~Yj = H(k)X(k,k-l) y(k) = Z(k)-Z(k,k-l) 上式中，1)是tk时刻系统量测的预测值，丑抑为tk时刻的量测矩阵，2师为tk 时刻系统量测的真实值，Γ(1在卡尔曼滤波器中称为新息（即残差）； 根据新息理论，当系统没有故障时，残差是零均值高斯白噪声过程，；τ(妗的方差 可用下式表示： MJc) = H(k)P(k, {k) + R{k) 上式中，为rW的方差，为tk-i时刻到tk时刻的一步预测均方误差阵， 为tk时刻量测矩阵的转置，为测量噪声的方差矩阵;若残差3<幻的均值不 再为零，则说明系统发生了故障。因此，根据以上分析，可以通过对残差pet)的均值的检验 来确定系统是否发生了故障； 对3<巧作以下二元假设： 无故障.丑;與7(七)5^.(七 有故障與?Κ_ - A ]τ}=火? 上式中，抑为残差Γ山的均值，哥rW/W)为残差?'⑷的方差，声为一非零常 数，在? Ο (七)-只:]τ}:为J，谢-声:的方差； 定义系统故障检测函数为： 上式中，，(幻为残差Μ*):的转置，^r1：^)为A幻的逆矩阵，为根据新息序列统计特性， .??是服从自由度为力的X2分布，其中-为量测向量之⑷的维数。如果系统发生故障，则残 差ret):将不再是零均值白噪声过程，此时本幻将会变大，因而可以采用以下方法检测系统 是否发生故障： P{A(k) > TD\ = α; 上式中，^为设定的门限值，巧也幻> 为私幻大于4的概率，^为允许的虚警概 率； 此时系统故障检测过程可描述为： 若也%，判定系统有故障； 若也，判定系统无故障； ② 在采用残差X2检验法对组合系统进行故障检测的同时采用双状态X2检验法对组合 导航系统进行故障检测，但双状态X 2检验法的状态递推器的重置受残差X2检验法检测结果 的控制； 由于双状态X2检验法的状态递推器容易受到系统未检测出来的故障的污染，本专利技术所 提出的一种用于组合导航系统故障检测方法将利用残差X2检验法的检测结果来决定对双 状态X2检验法的两个状态递推器的操作，当残差X 2检验法检测到组合导航系统出现故障，则 通过对控制开关的控制使卡尔曼滤波结果不对两个状态递推器的任何一个进行状态重置； 如果通过残差X 2检验法检测到组合导航系统正常，则通过对控制开关的控制允许卡尔曼滤 波结果对状态递推器进行状态重置，此时，双状态X 2检验法继续按照双状态X2检验法的工作 原理对组合导航系统进行故障检测； ③ 组合导航系统最终故障检测结果将根据残差X2检验法的结果和双状态X2检验法的 结果做出判断;判断准则如下： 情况一:残差X2检验法和双状态X2检验法检测的结果都为故障，则确定系统为故障； 情况二:残差X2检验法和双状态X2检验法检测的结果都为正常，则确定系统为正常； 情况三:残差X2检验法检测系统正常而双状态X2检验法检测系统为故障，则确定系统 出现了软故障； 情况四：残差X2检验法检测系统故障而双状态X2检验法检测系统为正常，则需进一步 判断，以确定系统出现虚警还是故障； 本专利技术在充分发挥了残差X2检验法和双状态X2检验法两者优点的同时弥补了两者的 不足，系统故障诊断结果由残差X2检测法和双状态X2检测法共同决定，提高了系统故障诊断 的准确性，降低了虚警率。对本专利技术有益的效果说明如下： 在Mat lab仿真条件下，对该方法进行仿真实验： 赤道半径式=6378393 · 0m; 地球椭球度:e=3.367e-3; 地球表面重力加速度g=9 · 78049; 地球自转角速率(弧度/秒）：7.2921158e-5; 圆周率￥=3.1415926; 载体的初始位置:东经116°，北炜39°N，海拔高度为Om; 载体的初始姿态角:方位角为90°，横滚角为0°，俯仰角为0° ; 陀螺常值漂移为0.1 °/h，随机漂移为0.01 °/h; 加速度计的零偏为500?，随机漂移为lOOyg; 捷联惯导距天线盘旋转中心距离为50cm; 载体前向速度为lOm/s; 捷联惯导输出数据频率为100Hz; GPS输出数据频率为1Hz; 仿真时间长度为300s; GPS出现故障时间为100s至110s; GPS故障期间位置精度本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于组合导航系统的故障检测方法，其特征在于：该方法是在残差χ2检验法和双状态χ2检验法的基础上改进实现的，用于对组合导航系统进行故障检测；该组合导航系统故障检测方法中用到的残差χ2检验法和双状态χ2检验法并行工作且共同使用同一个卡尔曼滤波器，同时残差χ2检验法的检测结果决定了对双状态χ2检验法的两个状态递推器的操作：当残差χ2检验法检测到组合导航系统故障时，则通过对控制开关的控制不允许卡尔曼滤波结果对双状态χ2检验法的两个状态递推器进行状态重置；反之，如果通过残差χ2检验法检测组合导航系统正常，则通过对控制开关的控制允许卡尔曼滤波结果对双状态χ2检验法的状态递推器进行状态重置，从而有效地解决了残差χ2检验法对系统软故障不敏感的问题和双状态χ2检验法的两个状态递推器易受污染的问题。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张华强，许敬，李东兴，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37
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