协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法技术方案

本发明专利技术公开了一种协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，利用协同系统构建共模伪距残差提高GNSS接收机故障检测灵敏度，利用集群系统的协作特性提高对故障卫星的识别效率；对于协同导航系统中的辅助传感器的观测量与GNSS接收机的伪距观测量进行组合建模，对GNSS接收机的完好性进行监测后还能够检测辅助传感器是否发生故障。本发明专利技术方法能够在复杂环境下，应对诱发伪距故障的不同因素，采用分散式故障处理，提高协同导航系统中GNSS接收机的故障检测率和识别率，并且检测识别协同导航系统中辅助传感器的故障，提高协同导航系统整体的完好性，以保证导航系统的准确性和鲁棒性。性和鲁棒性。性和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法


[0001]本专利技术涉及测量与导航
，尤其涉及一种协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法。

技术介绍

[0002]协同导航技术通过利用集群飞行器在通信和交互过程中获得的相对测量信息进行辅助定位，提升系统整体导航精度。其中以全球卫星导航技术应用最为广泛，对于协同导航系统而言，利用卫星导航技术获得相对较高的定位精度的同时，根据实际应用场景，引入数据链，惯性导航和视觉导航等辅助传感器的相对量测信息，提高整个导航系统的定位性能和可靠性。然而，除了定位精度外，还应注意协同导航系统的完好性，以保证导航系统的准确性和鲁棒性。
[0003]比如，集群飞行器在执行任务时可能会出现传感器故障等情况，若发生故障后，导航系统不能及时告警，将导致严重的后果。在导航系统中，对于卫星的故障检测，接收器自主完好性监测(RAIM)是一种内置于GNSS接收器中的技术，用于监测卫星的伪距残差判断是否出现卫星故障。虽然它具有快速报警能力和不依赖外部设备的优点，但是在可用卫星数量有限、信号多径或非视距(NLOS)等复杂环境下，其故障检测灵敏度将严重下降。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：
[0006]协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1)，集群系统内各飞行器利用GNSS接收机获取卫星伪距观测值并利用数据链作为辅助传感器获取飞行器之间的相对距离信息，根据卫星伪距观测值和相对距离观测值建立观测方程；
[0008]集群飞行器数量为M，其中一架飞行器为目标飞行器v，v∈{1,2,
…
,M}时，其余作为辅助飞行器k，k∈{1,2,
…
,M}；目标飞行器v和辅助飞行器k的可见卫星数分别为n
v
和n
k
；
[0009]步骤1.1)，计算集群系统内各飞行器的卫星伪距观测值，辅助飞行器k的伪距观测方程为：
[0010][0011]其中，为辅助飞行器k当前所有可见卫星中到第个可见卫星的伪距测量值，j∈{1,2,
…
,n
k
}，为辅助飞行器k到卫星的距离真值，η为光速，δt
u
为飞行器k机载的GNSS设备的时钟误差，ε
ρ
为包含卫星钟差、电离层、对流层延时以及由于信号多径和非视距造成的误差等伪距噪声；
[0012]步骤1.2)，计算目标飞行器v到辅助飞行器k的相对距离观测方程为：
[0013][0014]其中，为目标飞行器v到辅助飞行器k的相对距离测量值，d
k
为目标飞行器v到辅助飞行器k的相对距离真值，δt
r
为目标飞行器v机载的数据链系统的钟差，δt
s
为辅助飞行器k机载的数据链系统的钟差，ε
d
为数据链系统的测量噪声
[0015]步骤2)，在集群网络内，各飞行器之间进行信息交互，共享各自的观测量，且每个飞行器单元将其观测方程进行线性化处理、计算相应的伪距残差和相对距离残差；
[0016]步骤3)，每个飞行器根据可见卫星以及到其他飞行器的距离信息，构建各自的观测矩阵，并且建立伪距残差和相对距离残差组合模型，对观测量的量测噪声归一化处理，计算目标飞行器的状态估计解；
[0017]步骤4)，各飞行器将自身可见卫星的编号和数量信息在集群网络进行广播；目标飞行器将自身可见卫星的编号与其他每个飞行器的所有可见卫星的编号进行对比，并记录编号相同的可见卫星；令飞行器之间编号相同的可见卫星为飞行器的共模卫星；
[0018]步骤5)，目标飞行器选择集群系统中所有与之存在共模卫星的辅助飞行器，根据每个飞行器观测矩阵计算得到各自的伪距残差向量，构建共模伪距残差统计检测量；
[0019]步骤6)，对于共模伪距残差统计检测量进行优化，目标飞行器进行故障检测之前，在导航系统中先计算出选择与哪些辅助飞行器构建共模检测统计量能够使得导航系统当前的故障检测性能最佳；
[0020]步骤7)，计算目标飞行器的故障检测门限值，并与其共模伪距残差统计检测量比较大小，判断是否发生伪距测量故障；
[0021]步骤8)，若存在故障，则目标飞行器对故障进行识别并排除相应的故障，当系统无伪距故障后，则进一步判断协同导航系统中使用的数据链是否发生故障；
[0022]步骤9)，目标飞行器利用其组合模型构建其协同检测统计量，计算其协同检测门限值，比较其协同统计检测量和协同检测门限大小，判断数据链的相对距离信息是否发生故障；
[0023]步骤10)，若系统中存在数据链测量故障，则进行故障识别和隔离处理。
[0024]作为本专利技术协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法进一步的优化方案，所述步骤2)的具体步骤如下：
[0025]步骤2.1)，计算辅助飞行器k到当前可见卫星的几何距离为：
[0026][0027]其中，为辅助飞行器k的可见卫星的位置，在地球固定坐标系(Earth
‑
Centered，Earth Fixed，ECEF)下的三维位置坐标为p
k
为辅助飞行器k的位置，在地球固定坐标系下的三维位置坐标为(x
k
,y
k
,z
k
)；
[0028]步骤2.2)，将辅助飞行器k到其可见卫星的几何距离进行泰勒级数展开并进行线性化处理，转化后的表达式为：
[0029][0030][0031]其中，δx
k
,δy
k
,δz
k
分别为辅助飞行器k在ECEF坐标系下X、Y、Z方向上的位置误差，分别为辅助飞行器k与卫星在X、Y、Z方向的方向余弦，表示可见星的位置误差求方向余弦；
[0032]步骤2.3)，计算辅助飞行器k到其可见卫星的距离计算值与测量值的差值得到辅助飞行器k的伪距残差值为：
[0033][0034]步骤2.4)，计算目标飞行器v与辅助飞行器k的几何计算距离为：
[0035][0036]其中，p
v
为目标飞行器v的位置，在ECEF坐标系下的三维位置坐标为(x
v
,y
v
,z
v
)，p
k
为辅助飞行器k的位置，在ECEF坐标系下的三维位置坐标为(x
k
,y
k
,z
k
)；
[0037]步骤2.5)，将目标飞行器v与辅助飞行器k的几何计算距离进行泰勒级数展开并进行线性化处理，转化后的表达式为：
[0038][0039][0040]其中，δx,δy,δz分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)，集群系统内各飞行器利用GNSS接收机获取卫星伪距观测值并利用数据链作为辅助传感器获取飞行器之间的相对距离信息，根据卫星伪距观测值和相对距离观测值建立观测方程；集群飞行器数量为M，其中一架飞行器为目标飞行器v，v∈{1,2,
…
,M}时，其余作为辅助飞行器k，k∈{1,2,
…
,M}；目标飞行器v和辅助飞行器k的可见卫星数分别为n
v
和n
k
；步骤1.1)，计算集群系统内各飞行器的卫星伪距观测值，辅助飞行器k的伪距观测方程为：其中，为辅助飞行器k当前所有可见卫星中到第个可见卫星的伪距测量值，j∈{1,2,
…
,n
k
}，为辅助飞行器k到卫星的距离真值，η为光速，δt
u
为飞行器k机载的GNSS设备的时钟误差，ε
ρ
为包含卫星钟差、电离层、对流层延时以及由于信号多径和非视距造成的误差等伪距噪声；步骤1.2)，计算目标飞行器v到辅助飞行器k的相对距离观测方程为：其中，为目标飞行器v到辅助飞行器k的相对距离测量值，d
k
为目标飞行器v到辅助飞行器k的相对距离真值，δt
r
为目标飞行器v机载的数据链系统的钟差，δt
s
为辅助飞行器k机载的数据链系统的钟差，ε
d
为数据链系统的测量噪声；步骤2)，在集群网络内，各飞行器之间进行信息交互，共享各自的观测量，且每个飞行器单元将其观测方程进行线性化处理、计算相应的伪距残差和相对距离残差；步骤3)，每个飞行器根据可见卫星以及到其他飞行器的距离信息，构建各自的观测矩阵，并且建立伪距残差和相对距离残差组合模型，对观测量的量测噪声归一化处理，计算目标飞行器的状态估计解；步骤4)，各飞行器将自身可见卫星的编号和数量信息在集群网络进行广播；目标飞行器将自身可见卫星的编号与其他每个飞行器的所有可见卫星的编号进行对比，并记录编号相同的可见卫星；令飞行器之间编号相同的可见卫星为飞行器的共模卫星；步骤5)，目标飞行器选择集群系统中所有与之存在共模卫星的辅助飞行器，根据每个飞行器观测矩阵计算得到各自的伪距残差向量，构建共模伪距残差统计检测量；步骤6)，对于共模伪距残差统计检测量进行优化，目标飞行器进行故障检测之前，在导航系统中先计算出选择与哪些辅助飞行器构建共模检测统计量能够使得导航系统当前的故障检测性能最佳；步骤7)，计算目标飞行器的故障检测门限值，并与其共模伪距残差统计检测量比较大小，判断是否发生伪距测量故障；步骤8)，若存在故障，则目标飞行器对故障进行识别并排除相应的故障，当系统无伪距故障后，则进一步判断协同导航系统中使用的数据链是否发生故障；
步骤9)，目标飞行器利用其组合模型构建其协同检测统计量，计算其协同检测门限值，比较其协同统计检测量和协同检测门限大小，判断数据链的相对距离信息是否发生故障；步骤10)，若系统中存在数据链测量故障，则进行故障识别和隔离处理。2.根据权利要求1所述的协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，其特征在于，所述步骤2)的具体步骤如下：步骤2.1)，计算辅助飞行器k到当前可见卫星的几何距离为：其中，为辅助飞行器k的可见卫星的位置，在地球固定坐标系(Earth
‑
Centered，Earth Fixed，ECEF)下的三维位置坐标为p
k
为辅助飞行器k的位置，在地球固定坐标系下的三维位置坐标为(x
k
,y
k
,z
k
)；步骤2.2)，将辅助飞行器k到其可见卫星的几何距离进行泰勒级数展开并进行线性化处理，转化后的表达式为：化处理，转化后的表达式为：其中，δx
k
,δy
k
,δz
k
分别为辅助飞行器k在ECEF坐标系下X、Y、Z方向上的位置误差，分别为辅助飞行器k与卫星s
kj
在X、Y、Z方向的方向余弦，表示可见星的位置误差求方向余弦；步骤2.3)，计算辅助飞行器k到其可见卫星的距离计算值与测量值的差值得到辅助飞行器k的伪距残差值为：步骤2.4)，计算目标飞行器v与辅助飞行器k的几何计算距离为：其中，p
v
为目标飞行器v的位置，在ECEF坐标系下的三维位置坐标为(x
v
,y
v
,z
v
)，p
k
为辅助飞行器k的位置，在ECEF坐标系下的三维位置坐标为(x
k
,y
k
,z
k
)；步骤2.5)，将目标飞行器v与辅助飞行器k的几何计算距离进行泰勒级数展开并进行线性化处理，转化后的表达式为：
其中，δx,δy,δz分别为目标飞行器v在ECEF坐标系下X、Y、Z方向上的位置误差，分别为辅助飞行器k与目标飞行器v在X、Y、Z方向的方向余弦，表示对辅助飞行器k位置误差求方向余弦；步骤2.6)，计算目标飞行器v到飞行器k的相对距离残差为：步骤2.7)，根据辅助飞行器k的伪距残差得到集群系统中目标飞行器v的伪距残差为：其中，为目标飞行器v当前所有可见卫星中到第个可见卫星的伪距测量值，j∈{1,2,
…
,n
v
}，为目标飞行器v到其可见卫星的距离计算值，分别为目标飞行器v与可见卫星在X、Y、Z方向的方向余弦。3.根据权利要求2所述的协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，其特征在于，所述步骤3)具体步骤如下：步骤3.1)，目标飞行器v和辅助飞行器k根据自身的伪距观测信息和相对距离信息，分别构建观测矩阵和其中目标飞行器v的观测矩阵H
v
由卫星的观测矩阵H
v,g
和对其他辅助飞行器的观测矩阵H
v,d
构成，具体如下：构成，具体如下：步骤3.2)，目标飞行器v将根据其到辅助飞行器k的相对距离残差和目标飞行器v的伪距残差进行组合建模如下：y
v
＝H
v
·
x
v
+ε
v
其中，为目标飞行器v的距离残差观测量，x
v
＝[δx,δy,δz,δt
u
]
T
为目标飞行器的状态量，为目标飞行器机载传感器的量测噪声；步骤3.3)，选择加权矩阵W将伪距测量噪声的方差和测量噪声的方差归一化处理,加权矩阵W的具体格式如下：其中，为伪距观测噪声的方差，为测距噪声的方差；步骤3.4)，根据加权最小二乘原理，计算使估计误差向量的平方和取极小值时目标飞行器v的加权最小二乘状态估计解为：其中，W
v
为目标飞行器对应的加权矩阵。4.根据权利要求3所述的协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，其特征在于，所述步骤4)的具体步骤如下：步骤4.1)，各飞行器检测自身的所有可见卫星信息，并且在集群网络内进行交互，使得每一个飞行器都能实时观测到其他飞行器的可见卫星编号和数量信息；目标飞行器v的可见卫星编号的集合为辅助飞行器k的可见卫星编号的集合为步骤4.2)，目标飞行器根将自身的可见卫星编号集合与其他辅助飞行器的可见卫星编号集合进行对比，若存在相同的可见卫星编号，即目标飞行器v和辅助飞行器k的共模卫星，将该卫星编号存入目标飞行器v和辅助飞行器k的共模卫星集合式中，为目标飞行器v与辅助飞行器k的共模卫星数量。5.根据权利要求4所述的协同导航信息共模组合的导航系统群故障检测与识别方法，其特征在于，所述步骤5)的具体步骤如下：步骤5.1)，提取步骤3.3)中关于目标飞行器v伪距观测量的状态估计解为：其中为目标飞行器v的伪距残差观测量，为目标飞行器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王融，刘瑶凯，何辉，熊智，刘建业，赵惟成，顾晨，王思晨，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：