(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)95分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

艦船全天時(shí)高精度容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

查月

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)95分隊(duì)，遼寧葫蘆島125001)

針對(duì)單一導(dǎo)航系統(tǒng)的性能不能滿足全天候、全天時(shí)、高精度、高可靠性的艦船導(dǎo)航信息測(cè)量要求，提出了一種基于多傳感器信息融合(MSF，Multi-SensorFusion)的容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案；方案中增加了子濾波器故障隔離檢測(cè)模塊，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行全參量最優(yōu)估計(jì)和容錯(cuò)處理；對(duì)融合后的系統(tǒng)精度和故障隔離能力進(jìn)行了試驗(yàn)仿真驗(yàn)證，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)方案能夠提高系統(tǒng)的精度和可靠性。

多傳感器信息融合；聯(lián)邦濾波；全天時(shí)測(cè)量；容錯(cuò)；故障檢測(cè)；仿真驗(yàn)證

0 前言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（ＩＮＳ）是自主式的導(dǎo)航系統(tǒng)，利用慣性器 件對(duì)載體的運(yùn)動(dòng)測(cè)量，不依賴外信息工作，具有自主性強(qiáng)、輸出信息連續(xù)，短時(shí)精度高、但誤差隨時(shí)間積累，因而難以長(zhǎng)時(shí)間的獨(dú)立工作。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位和測(cè)速精度高、誤差不隨時(shí)間積累，但易被干擾且不能提供高精度載體的姿態(tài)信息，如全球定位系統(tǒng)（ＧＰＳ）是非自主式的，應(yīng)用易受外界環(huán)境及美國(guó)ＧＰＳ政策等多方面的限制。因此，ＧＰＳ 不宜單獨(dú)作為唯一的導(dǎo)航設(shè)備，尤其是用于軍事的導(dǎo)航設(shè)備，而只能作為輔助的導(dǎo)航設(shè)備。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（ＢＤＳ）為我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，除能夠提供高精度、高可靠性定位測(cè)速授時(shí)服務(wù)外，還具有短報(bào)文通信能力。多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)（ＤＯＰＰＬＥＲ） 能夠在艦船上自主的測(cè)量艦船對(duì)地的絕對(duì)速度，反應(yīng)速度快，使用方便；由于發(fā)射波束窄，發(fā)射角度陡，因此抗干擾性和隱蔽性好，測(cè)速度精度高且誤差不隨時(shí)間發(fā)散，但由于作用距離有限，超過(guò)作用距離的海深處只能測(cè)量相對(duì)水的速度[1-2]。

現(xiàn)代艦船作戰(zhàn)任務(wù)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的精確性可靠性提出了非常高的要求，促使艦船慣性導(dǎo)航系統(tǒng)向綜合化、智能化、容錯(cuò)化發(fā)展。將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)系統(tǒng)組合起來(lái)，利用信息融合技術(shù)將信息互補(bǔ)，達(dá)到提高組合后的導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和容錯(cuò)性能的目的[3]。

1 艦船全天時(shí)高精度容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 INS誤差模型

1.1.1 平臺(tái)誤差角方程

(1)

(2)

(3)

其中:α,β和γ分別為沿東向軸、北向軸和方位軸轉(zhuǎn)過(guò)的誤差角；λ，φ分別為經(jīng)度、緯度；εx，εy和εz分別為北向、東向和方位陀螺漂移；RM，RN分別為地球子午面和卯酉面曲率半徑。

1.1.2 速度誤差方程

(4)

(5)

其中:δVe,δVn分別為東向、北向速度誤差；fe,fn和fζ分別為北向、東向和垂向加速度輸出比力值；▽x，▽y分別為北向、東向加速度計(jì)零位。

1.1.3 位置誤差方程

(6)

(7)

其中:δλ，δφ分別為經(jīng)度、緯度誤差。

1.1.4 陀螺漂移誤差模型

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要誤差源為東向、北向和方位陀螺漂移εx、εy、εz。陀螺漂移包括常值漂移和隨機(jī)漂移，隨機(jī)漂移為一階馬爾科夫過(guò)程，則:

(8)

1.2 INS/BDS/GPS/DOPPLER組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艦船導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)各自工作，互不相關(guān)，且信息隨時(shí)可能中斷，需要慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將獲得的各導(dǎo)航信息進(jìn)行信息融合，將融合后的信息作為準(zhǔn)確的外信息對(duì)性導(dǎo)航系統(tǒng)的主要誤差和誤差源進(jìn)行估計(jì) 和補(bǔ)償[4-5]。因此，設(shè)計(jì)的INS/BDS/GPS/DOPPLER聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)以平臺(tái)式慣導(dǎo)作為公共參考系統(tǒng)，以BDS、GPS、多普勒測(cè)速儀作為輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。即由一個(gè)主濾波器(MF)和3個(gè)子濾波器(LF)組成，其中子濾波器LF1和子濾波器LF2為位置信息組合，子濾波器LF3為速度組合。聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 INS/BDS/GPS/DOPPLER聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)

LF1、LF2、LF3均為常規(guī)卡爾曼濾波器，子濾波器處理過(guò)的信息送入故障檢測(cè)器，故障檢測(cè)能夠保證觀測(cè)信息短時(shí)間丟失或出現(xiàn)較大偏差時(shí)將隔離相應(yīng)子濾波器信息，從而錯(cuò)誤信息不會(huì)污染主濾波器。信息的重構(gòu)是以各個(gè)分系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估為基礎(chǔ)，目的是保證系統(tǒng)有較強(qiáng)的容錯(cuò)能力[5-6]。

考慮到反饋校正，濾波器故障會(huì)直接污染慣導(dǎo)輸出，使可靠 性降低，而輸出校正，濾波器故障不會(huì)影響慣導(dǎo)工作，故本方案設(shè)定了校正周期，在校正周期結(jié)束時(shí)，采用反饋校正的方式，在校正周期期間，采用輸出校正方式，這樣既保證了慣導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，又提高了組合工作期間ＩＮＳ導(dǎo)航數(shù)據(jù)的輸出精度。

1.2.1 容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程

以INS誤差方程為基礎(chǔ)，將陀螺常值漂移和隨機(jī)漂移擴(kuò)充為系統(tǒng)的狀態(tài)，由于通常加速度計(jì)誤差較小，在濾波器的狀態(tài)方程中將其省略，因此形成15階的狀態(tài)方程。

(9)

1.2.2 容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)方程

1.2.2.1 子濾波器LF1的觀測(cè)方程

由于GPS在位置精度上有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，利用慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS組合成子濾波器LF1，將慣導(dǎo)系統(tǒng)與GPS位置信息之差作為觀測(cè)量，觀測(cè)周期為10 s。子濾波器LF1的系統(tǒng)觀測(cè)方程為：

(10)

其中:φI，λI為INS的緯度、經(jīng)度，φG，λG為GPS的緯度、經(jīng)度，H1為2×15維觀測(cè)矩陣，

H1(1,1)=1，H1(2,2)=1，其余元素都等于零；V1(t)為觀測(cè)噪聲矩陣，E[V1V1T] =R1，R1為2×2維觀測(cè)噪聲方差矩陣。

1.2.2.2 子濾波器LF2的系統(tǒng)的觀測(cè)方程

(1)空氣濾清器阻塞清洗空氣濾清器芯子或清除指質(zhì)濾芯上的灰塵，必要時(shí)應(yīng)更換，以及檢查機(jī)油平面是否正常。(2)排氣管阻塞或接管過(guò)長(zhǎng)，轉(zhuǎn)彎半徑太小、彎頭過(guò)多清除排氣管內(nèi)積碳，重新排氣接管，彎頭不能多余三個(gè)，并有足夠大的排氣截面。

由于BDS為我國(guó)自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，精度較高，利用BDS與GPS組合成子濾波器LF2，，將BDS與GPS位置信息之差作為觀測(cè)量，觀測(cè)周期為10 s。子濾波器LF2的系統(tǒng)觀測(cè)方程為：

(11)

其中:φB，λB為BDS緯度、經(jīng)度；H2為2×15維觀測(cè)矩陣，H2(1,1)=1，H2(2,2)=1，其余元素都等于零；V2(t)為觀測(cè)噪聲矩陣，E[V2V2T] =R2，R2為2×2維觀測(cè)噪聲方差矩陣。

1.2.2.3 子濾波器LF3的觀測(cè)方程為

由于多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)能夠完全自主測(cè)速且精度很高，利用多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS組合成子濾波器LF3，將慣導(dǎo)與多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)速度信息之差作為觀測(cè)量，觀測(cè)周期為10 s。子濾波器LF3的系統(tǒng)觀測(cè)方程為：

(12)

其中:VxI，VyI為慣導(dǎo)系統(tǒng)東向、北向速度；VxD，VyD為多普勒的東向、北向速度；H3為2×15維觀測(cè)矩陣，H3(1,3)=1，H3(2,4)=1，其余元素都等于零；V3(t)為觀測(cè)噪聲矩陣，E[V3V3T] =R3，R3為2×2為觀測(cè)噪聲方差矩陣。

2 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證與分析

2.1 仿真條件

容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)初始條件設(shè)定位置為北緯40°40′，東經(jīng)121°00′，陀螺漂移為常值是εcx=0.005°/h，εcy=0.01°/h，εcz=0.01°/h，隨機(jī)漂移為一階markov過(guò)程，相關(guān)時(shí)間為1小時(shí)，σrx=0.001°/h，σry=0.001°/h，σrz=0.001°/h； 兩個(gè)水平加速度計(jì)零位常值為5×10-5g，隨機(jī)部分為白噪聲N(0,σ2)，其中σ=5×10-6g；其余狀態(tài)變量的初值為零。

GPS水平定位精度為30 m(1 σ)；BDS水平定位精度為100 m(1 σ)；DOPPLER水平測(cè)速精度為0.25 kn(1 σ)。系統(tǒng)時(shí)間更新為1 s，觀測(cè)更新10 s，反饋校正周期為4 h。

2.2 系統(tǒng)仿真流程

利用Simulink仿真功能，根據(jù)慣導(dǎo)的誤差方程建立仿真模型，分別按照設(shè)置的仿真條件和以下兩種方式進(jìn)行仿真；

2.2.1 傳統(tǒng)的位置綜合校準(zhǔn)方式仿真

慣導(dǎo)系統(tǒng)自主工作2小時(shí)后，每4h利用外部輔助位置信息對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行綜合校正。系統(tǒng)仿真試驗(yàn)時(shí)間為12小時(shí)，其間BDS系統(tǒng)一直保持正常工作。

2.2.2 容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)濾波方式仿真

首先慣導(dǎo)系統(tǒng)獨(dú)立自主工作2小時(shí)，然后容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入組合濾波工作模式，3個(gè)子濾波器同時(shí)工作，系統(tǒng)每4小時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行一次綜合校正。仿真試驗(yàn)第2～3小時(shí)人為中斷GPS信息，仿真試驗(yàn)第3～4小時(shí)人為中斷多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)信息，仿真試驗(yàn)第5小時(shí)人為將多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)誤差增大到10kn，持續(xù)5分鐘后恢復(fù)正常，仿真試驗(yàn)第9小時(shí)，人為增大GPS經(jīng)緯度、航向誤差均到10′，持續(xù)5分鐘后恢復(fù)正常。試驗(yàn)中檢查系統(tǒng)在組合工作模式下的精度和子濾波器有持續(xù)非正常觀測(cè)信息輸入時(shí)或信息中斷時(shí)的容錯(cuò)性能。檢查組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度與故障隔離效果。系統(tǒng)仿真流程圖見(jiàn)圖2。

圖2 系統(tǒng)仿真流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真時(shí)間為12小時(shí)，組合濾波過(guò)程中只修正系統(tǒng)顯示量，綜合校正時(shí)校正系統(tǒng)值，仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。由兩種仿真方式對(duì)比可以得出：

圖3 組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差曲線

1)兩種工作方式下，系統(tǒng)經(jīng)度誤差和緯度誤差估計(jì)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)位置精度提高；

2)組合濾波方式下，由于組合濾波過(guò)程中，GPS和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)而中斷，時(shí)而突跳，，使得速度誤差估計(jì)有小量波動(dòng)，總體精度提高；

3)與傳統(tǒng)位置綜合校正方式比較，組合濾波方式下，航向誤差估計(jì)比較準(zhǔn)確，系統(tǒng)精度有較大提高；

4)組合濾波方式下，GPS信息中斷和和多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)誤差引入并未對(duì)組合系統(tǒng)造成影響，子濾波器的故障得到了理想的檢測(cè)與隔離，系統(tǒng)達(dá)到了能夠全天時(shí)工作并具有很好的精度和容錯(cuò)性能。

4 結(jié)論

針對(duì)艦船單一導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量精度低、可靠性差、測(cè)量不連續(xù)等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了全天時(shí)高精度容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、誤差模型、濾波算法、仿真流程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并通過(guò)兩種不同的組合導(dǎo)航方式方法進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了多傳感 器組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案的有效性。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠抑制慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差發(fā)散，提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度，通過(guò)引入輔助導(dǎo)航系統(tǒng)不可靠信息，驗(yàn)證了組合導(dǎo)航系統(tǒng)故障檢測(cè)效果及容錯(cuò)性能，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

[1] 付夢(mèng)印,鄧志紅,等. Kalman濾波理論及其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

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DesignandValidationforaAll-TimeHigh-PrecisionFault-TolerantIntegratedNavigationSystemofaShip

Cha Yue

(Unit 95 of 92431 Troop,Huludao 125001,China)

In view of the performance of a single navigation system is unable to satisfy the requirements for measuring navigation information of the ships of all-weather, all-time, high-precision and high reliability, a solution of a fault-tolerant integrated navigation system based on Multi-Sensor Fusion (MSF) is proposed in this paper. The solution, which has an additional sub-filter fault detection module, makes optimal estimate and fault-tolerant treatment to all parameters of the system status. Afterwards, an experimental simulation validation is done to the precision and fault isolation ability of the fused system and the results show that the accuracy and reliability of the system are improved by the designed solution.

multi-sensor fusion (MSF); federal filtering; all-time measurement; fault-tolerance; fault detection; simulation validation

2017-03-27；

2017-05-15。

查 月(1977-)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0280-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.071

U666.1

A