多信息冗余惯性测量组合重构研究

发布时间：2020-03-20 18:14

【摘要】：捷联惯性测量组合(捷联惯组)是飞行器控制系统的重要单机设备之一。为确保航天飞行器能够安全可靠的执行预定任务,国内外型号均开展捷联惯性测量组合冗余设计研究来提升可靠性和精度。以往冗余捷联惯组的研究主要集中在最优冗余配置设计和故障检测方法上,本文对于多表冗余捷联惯组的故障后重构理论展开深度研究,研究目的是通过故障后捷联惯组的重构来提升可靠性和精度。本文对多表捷联惯组的数学模型、重构策略、奇偶校验残差补偿、快速重构切换理论、冗余捷联惯组导航解算架构等关键技术进行研究。主要工作包括以下几个方面:(1)针对以往研究的基础模型假设条件较理想的情况,对各表噪声异方差、相关性进行建模。采用马氏变换和酉变换双变换算法对冗余信息进行处理,其中马氏变换消除了噪声异方差和相关性,酉变换简化了冗余信息,并将冗余多表信息投影到信息量测空间和故障判断空间。考虑陀螺、加表的安装误差、常值偏差和标度因子误差等因素,建立冗余捷联惯组多表输出误差模型。对陀螺随机漂移进行分析和建模。提出两个重构参数指标。(2)研究了基于贝叶斯决策方法的重构策略,考虑野值的存在提出信息可靠度模型来反映信息的正确性。在精度最优的前提下,考虑误警率和漏警率带来的精度损失风险,利用先验信息构建重构决策模型。以精度作为收益函数,首先研究高低精度两传感器融合的贝叶斯决策模型;在双传感器基础上研究三正交一斜置四表融合问题,分析斜置表信息参与融合的精度提升模型。根据所建立的决策模型,提出冗余捷联惯组的正交为主、斜置为辅的重构策略。(3)研究了基于正交为主策略模型下的多表空间配置,提出了判断架构可靠度的两个指标,分别为重构组合数和最小夹角。并基于两个指标和双三正交几何约束,优化得到一种最优的六表双三正交配置。对比了该配置与正十二面体配置分别在无故障、一度故障和两度故障下的解算精度,得出双三正交配置是一种更适合工程实践的构型。(4)提出了基于奇偶校验方程残差的时间序列分析方法,奇偶校验方程法是冗余捷联惯组在故障诊断中常用的校验方法,方程残差包含了各表在工作过程中的许多信息。对残差的结构进行分析,建立了残差的AR(1)模型,结合校验残差建立了标准卡尔曼滤波方程,通过滤波结果对投影定理推导的重构估计结果进行补偿,该方法绕过了对各轴噪声性质的研究和方差的估计,是一种基于历史信息的故障后重构补偿方法。(5)提出一种重构优先的三模型交叉融合信息管理算法。通过合理配置三个重构模型,通过模型输出结果提出一个判断指标,该指标能定位故障表,因此该方法也可作为一种故障诊断方法。给出三交叉模型在无故障时的融合精度可达到最高融合精度的证明,研究加权因子的计算方法。根据指标的计算方式,可知结构配置对判断指标有较大影响,并直接关系到重构算法的可行性,因此对配置方式和判断指标的关系给出研究。研究在考虑各项误差下的方法适用性,结合UKF算法研究对因参数变化引起软故障下的故障表参数估计方法。(6)分析了多表融合模式在导航方程中的误差传播模型,研究了冗余多表的捷联惯性导航算法架构,考虑了单表级的随机误差补偿,搭建了组合导航系统级两级滤波处理模型。同时总结对比了本文提出的部分重构算法的适用性和优缺点,并以无法单靠捷联惯组输出信息定位故障表的四表为模型,通过故障注入的方式验证了算法的可行性。
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第一研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V249.1

【参考文献】