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  • 基于滤波残差的组合导航系统故障检测研究

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    内容提示: 计测技术理论与实践· 5·基于滤波残差的组合导航系统故障检测研究孙学磊,赵忠,夏家和( 西北工业大学自动化学院,陕西西安71( }072)摘要:论文研究了两种用于组合导航系统中的故障检测方法,首先介绍了传统的残差x2检验法,随后给出了一种基于最大残差样本协方差阵特征值的故障检测算法。通过计算机仿真比较了两种算法在组合系统中的应用。仿真结果显示,基于特征值的故障检验算法对故障较敏感,系统组合精度略高,一定程度上优于传统残差X2算法。最后,文章讨论了组合导航系统中两种故障检测算法的优缺点。关键词:组合导航系统;故障检测;卡尔曼滤波中图分类号:TP 206;V249.32...

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    计测技术理论与实践· 5·基于滤波残差的组合导航系统故障检测研究孙学磊,赵忠,夏家和( 西北工业大学自动化学院,陕西西安71( }072)摘要:论文研究了两种用于组合导航系统中的故障检测方法,首先介绍了传统的残差x2检验法,随后给出了一种基于最大残差样本协方差阵特征值的故障检测算法。通过计算机仿真比较了两种算法在组合系统中的应用。仿真结果显示,基于特征值的故障检验算法对故障较敏感,系统组合精度略高,一定程度上优于传统残差X2算法。最后,文章讨论了组合导航系统中两种故障检测算法的优缺点。关键词:组合导航系统;故障检测;卡尔曼滤波中图分类号:TP 206;V249.32文献标识码:A文章编号:1674—5795( 2009) 02—0005—03StudyO i l Kal m an Fi l ter Innovati on Based011Integrated N avi gati on SystemFaul t D etecti onSU NXue- l ei ,ZH A0 Zhong,XIAJ i a-he(Col l egeof Autom ati c Control ,N orthw estern Pol yt舄chni ead Uni versi ty,Xi ’ 阴710072,Chi na)Abstract:Tw o i nnovati on based faul t detecti on m ethods i n the i ntegrated navi gati on system 哦presented.one the chi -squaretest m ethod and one the1且rgest ei genval ueof thesam pl ecovari ancem atri ces test m eathod.Theappl i cati onof the t w o m ethods i n thei ntegrated navi gati on systemi s si m ul ated andcom pared.Resul ts show that the newm et hod i s m oresensi ti vi tytothe faul t,thei nte-grated systemhavehi.glI accuracy.Therel ati vem eri ts i ni m pl em enti ngthe faul t detectal gori thmi n thei ntegrated navi gati on sy8temi s di scussed atlast.Key w ords:i ntegrated navi gati on system ;faul t detecti on;kal m anfi l ter0引言现代导航系统大多采用多传感器、多子系统配置,以减小系统不确定性。提高系统可靠性。大量的实践证明,这样的组合导航系统是提高导航系统精度及系统整体性能的有效途径。但是,随之而来的问题是导航子系统的增加使得组合系统的故障率也随之增加,只要其中有一个子系统发生故障,其他子系统也会被污染,从而使得整个组合导航系统性能下降甚至失效。因此,组合导航系统要实时监控系统的运行状态,快速准确地检测出故障部件,及时地进行故障隔离和系统重构,以免污染整个组合导航系统,从而使得系统能够在损失一定精度的情况下可靠地工作。组合导航系统中系统级故障检测方法常用的有状态r检验法和残差r检验法两种,其中残差,检验法由于计算量小、容易实现而被广泛采用⋯。然而残差,检验法存收稿日期:2008一12—24作者简介:孙学磊( 1982一) ,男,山东临朐人。硕士研究生,主要研究方向:先进惯性导航系统;赵忠( 1960一) ,男,贵州人,教授,主要从事惯性导航技术及仪器仪表等方向的研究。在漏检现象,对其进行安全观察处理可克服这一缺点,但这无疑增加了算法的复杂度。S矾S/GPs/星敏感器组合导航方法这里以SIN S/GPS/星敏感器组合导航系统为例进行说明。1.1系统方程对于捷联惯导系统,选东北天地理坐标系为导航坐标系,考虑其姿态误差、速度误差、位置误差;对于惯性器件仅考虑陀螺仪随机常值漂移以及加速度计随机常值误差;将GPS和星敏感器的噪声作为高斯白噪声处理。因此SIN S/星敏感器组合导航系统的状态向量工为F=[ 扩5俨乩龇8h式中:咖=[ 机机咖。] T为姿态误差;艿P=[ 6K1g蚜y岍](1)艿‰艿K]’ 为速度误差;8/, ,献,8h分别为纬度、经度和高度误差;矿为陀螺随机常值漂移;矿6为加速度计随机常值偏置。这里上标11,b表示在导航坐标系或机体坐标系的投影。SIN S/星敏感器组合导航的状态方程为 万方数据 · 6·理论与实践2009年第29卷第2期卜尚埘南卜南e以+乩志ta吐secL-肌岽畚匿㈩zc=【麓二Z。】+【:::】㈤弘刚菇i;]㈣z=【乏】=戤+y,日=【-窆03:x;耋三塞三塞三]c7,性坐标系与地球坐标系之间的变换矩阵为G,惯性坐标系与导航坐标系之间的变换矩阵C=CC。式( 7) 就是SIN S/星敏感器组合导航系统的量测方程。式( 2) 和式( 7) 组成了SIN S/星敏感器组合系统的卡尔曼滤波模型。2基于卡尔曼滤波残差的故障检测故障将改变系统的动态特性从而影响残差序列的特性,使得其不再具有白噪声特性,均值不再为零,另外其方差阵也将偏离滤波理论值。因此可在卡尔曼滤波残差的辅助下进行这类系统的故障检测,即这类系统的故障检测问题就转化为如何尽可能快地检测这些参数的改变。2.1残差,检验法考虑如下线性系统f以+l -哦+1.,· +氓+1.1w IIzI:风屯+叱,o、¨ ’式中:以为n维状态向量;蛾“ 。为状态转移矩阵;z。为rtz维量测向量;H k为量测矩阵;吼,叱为相互独立的白噪声向量。卡尔曼滤波残差为rt=zI一日‘ 屯I-.I(9)式中:王枞一。为状态一步预测值。正常工作时,卡尔曼滤波残差服从零均值高斯分布,其方差为SI=巩^¨ ,叫+见式中:^胁。为一步预测方差阵;R为量测噪声阵。可定义归一化残差于。=(瓯)一1(10)( 11)显然系统正常工作时,孑。应服从零均值、方差为单位阵的高斯分布。而当系统异常时,归一化残差于。将不再服从零均值、单位方差阵的高斯分布。残差r检验法就是构造统计量来检验于。的均值是否为零向量来判断系统故障的存在与否。具体算法如下,首先构造统计量反=一^系统正常工作情况下,尻服从自由度为m 的r分布,即尾一,(m )。通过选择适当的误警概率口,可得到检测门限值死。正常情况下尻>瓦的概率小于a是一小概率事件,因此一旦尻>死,则可判定系统发生了故障。所以有如下故障判定准则,即:若尻>Td,判定系统有故障;若风≤死,判定系统无故障。以上即为残差,检验法的单样本算法,包括残差生成、检验统计量构造和决策等三个步骤。2.2残差样本协方差阵特征值检验残差样本协方差阵是由残差向量各元素的样本方( 12) 万方数据 计测技术理论与实践· 7·差和协方差组成的随机矩阵。正常工作时,残差样本元素均值为零,残差样本方差阵具有如下形式帆:(1/s)K睇,这里K为m × s矩阵,s是残差采样数,K的列是m 维残差向量声I的样本。Si l verstei n[21证明了坂具有如下性质:记F(A)表示坂的特征值分布函数,令Y=m /s,b。=(1± 6)2,当rft..-.-oo,则有当0<,,≤1时,,,(A):尺A):f赢√(,,一6一)(6+一,,)6一<A<6+o0其他( 13)当l <,,<00时,,(A)=(1一号),[o.-】(A)+专职伽t(14)当1<y<O Ct即m >s时,Si l verstei n的结果表明坛的最大特征值A一的上界可由下式给出:A一≤b+虽然Si l verstei n的结论是在m -+∞的条件下给出的,数值仿真表明在s很小时( 如N =6) 也有很高的近似精度。利用以上性质,可对卡尔曼滤波残差白噪声特性做检验。考虑实时计算的要求,s不应取得很大,这里(15)取s=2,即取k,k一1时刻的归一化残差于I,于¨ 构造矩阵耽=[于¨ ,于。],计算样本协方差阵眠=(1^)耽砩‘ 和帆的最大特征值A叫。为了有更好的数值稳定性,可取最近Ⅳ个A。d取均值,即乙=专薹A皿(H,得到A。后,由以上结论容易得到如下故障判定准则:如果A。>舶+,判定系统有故障;如果A。≤m 6+,判定系统无故障。需要指出的是,K破和y1K具有相同的最大特征值,实际计算时可选取维数较低的矩阵来计算特征值以降低计算量。因为这里选择s=2,实际上我们仅需求解2× 2矩阵的特征值。3仿真分析仿真条件如下:陀螺随机常值漂移为0.1(o)/h,陀螺白噪声为0.03(。)/h;加速度计随机常值零偏为100蟮,加速度计量测白噪声为50瞄。仿真时间长度为900 s,过程中人为故障设置如表l 所示。在上述条件下对单样本残差r检验和残差样本协方差阵特征值检验两种算法进行了仿真,仿真中残差r检验法误警率取为0.005,计算A一时Ⅳ取为l o。仿真结果如图l 一3所示( 限于篇幅这里仅给出了故障检测量曲线和组合位置误差比较图)。表1各予系统的故障设王l ∞曩∞黎。妻耋SD 临,O CDl一..}...{....¨ l “ l l 一小山椭_ 舢“ ‰‘ M ‘600帆-J h竹Ⅵ一 M J -嵋“ 帆o0100舶O 3∞4∞5∞700800900恂.图1残差,故障检测量曲线图2残差样本方差阵特征值故障检测量曲线比较图l 和图2可知:当子系统发生突变故障时( 100—130 8,200—230 8,400—430 8) ,两种算法构造的统计量的值将发生大幅度的变化,从而可判定故障的发生,且检测延迟时间很短。但残差r检验存在漏检的现象,特别是故障量较小时( 100—130 8) ,这种现象很明显;对于慢变故障的检测( 600—630 s),两种算法都有一定的检测延迟。这是由于突变故障对( 下转第32页) 万方数据 · 32·计量、测试与校准2009年第29卷第2期探测器自动化测试系统,在满足准确测试的同时实现了自动化测试,测试的效率大幅度提高,已成功地解j{, {1r、一.V’r们一、/x-x/■光敏元位置/m m图6测试数据的图形显示决了红外探测器测试的瓶颈问题。由于采用了多种降低系统噪声的手段,测试系统具有很高的可靠性,能够长时间稳定工作。自动化测试的成功实现,使产品的研制和生产周期大幅度降低,取得了令人满意的效果。参考文献[ 1] 刘思科,朱秉生,罗晋生.半导体物理学[ M ] .北京:国防工业出版社,1992.266—267.[2]占细雄,林君,周志恒.近红外光谱仪中的微弱信号检测技术[J ].仪器仪表学报,2002( 6) :30—3L[ 3] 刘宝赋,李自容,廖志忠,杨庆贺.基于Pc平台的低成本自动测试设备( ATE) 的实现[ J ] .电子测量与仪器学报,2002( 增刊) i618.( 上接第7页)组合位置误差『fr⋯■ —脚二二I‘ --—一01002003004005∞600700800蛐时问,l图3组合系统位置误差比较系统的影响是即刻发生的,而慢变故障对系统的影响是随故障量的逐渐增大而缓慢发生的,需要有一个时间积累的过程。此外因这里设置的故障量较大,当故障消失后对其的报警持续了一段时间,这是由于故障量较大的故障使得滤波器估计值偏离真实值较大,即使故障消失后滤波估计值仍需要一定的时间去恢复精度;对于量测噪声的变化( 800—8308),残差,检验法检测效果较差,且故障期间漏检很严重,而残差样本协方差阵特征值检验能有效地做出检测。由图3可看出,组合系统采用残差样本方差阵特征值检验算法最终组合的位置精度(图中实线)要比采用残差矿检验法( 图中虚线) 略高,这也在一定程度上说明了前者的故障检测效果要优于后者。4结论本文研究比较了捷联/GPs/星敏感器组合导航系统基于卡尔曼滤波残差的两种故障检测方法:残差,检验法和残差样本协方差阵特征值检验法,并通过仿真比较了两种方法在组合导航系统故障检测中的应用。单样本残差矿检验法简单有效,已得到广泛使用。但单样本残差,检验法在故障期间(特别是当故障较小时)存在漏检;另外对量测噪声方差的改变不太敏感,同样存在漏检现象。基于残差样本方差阵特征值的检测算法并没有增加多少计算量,而故障检测效果明显优于传统残差,检验单样本算法,具有一定的工程应用价值。参考文献[ 1] 秦永元,张洪钺,汪叔华.卡尔曼滤波与组合导航原理[ M ] .西安:西北工业大学出版社,1998.205-211.[ 23 Si l verstei n J WEi genval ues and ei gonvectomof l arge di -covari ance m al l ' i ees[J ].Contem porarym ati cs。1986( 50) :153—159.m erm i onaisam pl eM athe-[ 3] Edel m an尢Ei genval uosand condi ti on num ber d randomm atri ces[ D] Cam bri dge:M IT,1989.[ 4] RenD a.Fai l ure detecti on ofdyl l am l c system sw i th thestatechl - squaretest.J our ofGui dance[J ].ControlandD】m 珊i∞,1994,17( 2) :271—277.[5]H aj i yev,Chi ngi z.Faul tni ght Control System .[ M ] .Kl uw erAcadem i cPubl i shers,2003.[ 6] Brum backBD,Sri nathMD.Faul t tol erant M ul ti —sensorN avi gati on SystemD髑晒[J ].IEEETrans.O nAero8pac圯andE-D i agnosi sandRecom ' i gurati oni nl ectroni c System 。1987,23( 6) :738-755.[ 7] H orn R A,J ohnson C It M atri xAnal ysi s[ M ] .Cai n-bri dge Uni versi ty Press,1985.∞蚰∞加∞∞∞{;}加mo>m,础脚mo书∞o啪mom亘制雕—掣厦等茸枷嗒叫单匠*里槲雕倒怔 万方数据 基于滤波残差的组合导航系统故障检测研究基于滤波残差的组合导航系统故障检测研究作者:孙学磊, 赵忠, 夏家和, SUN Xue-lei, ZHAO Zhong, XIA Jia-he作者单位:西北工业大学,自动化学院,陕西,西安,710072刊名:计测技术英文刊名:METROLOGY & MEASUREMENT TECHNOLOGY年,卷(期):2009,29(2)被引用次数: 参考文献(7条)参考文献(7条)3次 1.秦永元;张洪钺;汪叔华 卡尔曼滤波与组合导航原理 19982.Silverstein J W Eigenvalues and eigenvectors of large dimensional sample covarianco matrices1986(50)3.Edelman A Eigenvalues and condition number af random matrices 19894.Ren De Failure detection of dynamic systems with the state chi-square test.Jour of Guidance1994(02)5.Hajiyev Chingiz Fault Diagnosis and Reconfiguration in Flight Control Systems 20036.Brumback B D;Srinath M D Fault tolerant Multi-sensor Navigation System Design 1987(06)7.Horn R A;Johnson C R Matrix Analysis 1985 本文读者也读过(10条)本文读者也读过(10条)1. 沈鹏.张宏铭.刘大成.SHEN Peng.ZHANG Hong-ming.LIU Da-cheng 组合导航系统故障检测方法研究[期刊论文]-飞行器测控学报2009,28(3)2. 张亚崇 容错导航技术及其在INS/GPS/Doppler组合导航系统中的应用研究[会议论文]-20083. 刘国良.张迎春.强文义.孙增圻.LIU Guo-liang.ZHANG Ying-chun.QIANG Wen-yi.SUN Zeng-qi 组合导航系统故障检测方法的比较研究[期刊论文]-控制工程2006,13(2)4. 万振刚.袁文华.WAN Zhen-gang.YUAN Wen-hua 一种组合导航系统故障检测算法[期刊论文]-科学技术与工程2010,10(15)5. 赵灵峰.岳晓奎.陈今求.ZHAO Ling-feng.YUE Xiao-kui.CHEN Jin-qiu 基于神经网络的组合导航系统故障检测方法[期刊论文]-火力与指挥控制2008,33(9)6. 雷艳敏.朱齐丹.张勇.刘芳.LEI Yan-min.ZHU Qi-dan.ZHANG Yong.LIU Fang 基于状态χ2检测的神经网络故障检测算法研究[期刊论文]-弹箭与制导学报2007,27(3)7. 张亚崇.陆志东.高关根.雷宏杰 综合导航系统中的故障检测技术研究[会议论文]-20098. 向友君.吴宗泽.张克新.XIANG You-jun.WU Zong-ze.ZHANG Ke-xin 运动补偿时域滤波残差图像的特性研究[期刊论文]-电视技术2009,33(11)9. 李春科.LI Chun-ke 改进的状态χ2故障检验方法及其应用[期刊论文]-飞行力学2008,26(4)10. 高关根.程农 改进的残差检验法在组合导航系统故障检测中的应用[会议论文]-2009 引证文献(3条)引证文献(3条)1.阮雯.秦红磊.丛丽.许鹏 改进残差x2检验法在组合导航故障检测中应用[期刊论文]-电子测量技术 2012(11)2.丁宏升.李富荣.于建立 基于遍历性的组合导航系统故障检测方法研究[期刊论文]-航空计算技术 2011(2)3.黄国荣.彭兴钊.郭创.程洪炳 基于GPS/SINS紧耦合系统的新息外推法[期刊论文]-计算机应用 2011(8)

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