李 偉，花文華，張金鵬，2

(1 中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009；2 航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室，河南洛陽 471009)

0 引言

導(dǎo)彈的飛行控制系統(tǒng)主要用以完成制導(dǎo)導(dǎo)引、穩(wěn)定控制等功能，需要由慣性傳感器敏感當前導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)參數(shù)。但是慣性傳感器在導(dǎo)彈貯存期間，隨著時間推移會發(fā)生參數(shù)漂移，在飛行過程中也可能發(fā)生性能故障或異常。這些故障或異常將導(dǎo)致慣性傳感器敏感到的導(dǎo)彈飛行參數(shù)與實際存在較大偏差，飛行控制系統(tǒng)由此產(chǎn)生的執(zhí)行器控制量也會偏離真實情況，導(dǎo)致任務(wù)失敗。因此慣性傳感器能否將當前導(dǎo)彈飛行狀態(tài)準確傳遞給飛行控制系統(tǒng)將對導(dǎo)彈可靠性產(chǎn)生重大影響。

為提高導(dǎo)彈的可靠性，有必要設(shè)計一種故障診斷器對慣性傳感器進行在線故障診斷，并對故障信號進行重構(gòu)。目前，故障診斷方法主要有基于解析模型的方法、基于信號處理的方法和基于知識的方法，具體到傳感器故障診斷器及狀態(tài)觀測器的建立方法主要有濾波器[1]、小波分析[2]、專家系統(tǒng)[3]、滑?？刂芠4]等。文中提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[5]的在線系統(tǒng)狀態(tài)觀測器，能夠準確高效的對導(dǎo)彈慣性傳感器敏感信號進行跟蹤、診斷并實現(xiàn)信號準確估計。

1 故障診斷器設(shè)計

文中搭建的故障診斷器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 故障診斷器結(jié)構(gòu)示意圖

首先基于導(dǎo)彈氣動模型建立導(dǎo)彈狀態(tài)觀測器，在線估計導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)參數(shù)。其次搭建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過學習訓(xùn)練導(dǎo)彈的實際飛行數(shù)據(jù)建立輸入輸出映射，通過該映射可在線估計導(dǎo)彈傳感器的預(yù)期輸出，將該預(yù)期估計值與傳感器的實際輸出值進行比較，并進行相應(yīng)的邏輯判斷，即可得到導(dǎo)彈傳感器的故障診斷結(jié)果。若判斷傳感器故障，則可將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的預(yù)期估計值代替?zhèn)鞲衅鲗嶋H輸出，傳遞至導(dǎo)彈的飛控系統(tǒng)中，用于執(zhí)行制導(dǎo)、穩(wěn)定等功能。

導(dǎo)彈飛行速度表示為：

(1)

式中：m為導(dǎo)彈質(zhì)量；P為發(fā)送機推力；X為氣動阻力；G為重力。

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷器設(shè)計中，考慮到導(dǎo)彈氣動特性，加速度傳感器的輸出值與導(dǎo)彈姿態(tài)、飛行速度、發(fā)動機推力與導(dǎo)彈所處海拔高度有關(guān)，因此設(shè)置9個BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點，分別為導(dǎo)彈姿態(tài)(四元數(shù)R0，R1，R2，R3)、導(dǎo)彈飛行速度(VX，VY，VZ)、發(fā)動機推力(P)與導(dǎo)彈海拔高度(H)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隱含層設(shè)置為1層，隱含層節(jié)點數(shù)依照Kolmogorov經(jīng)驗公式設(shè)置為17個。輸出層節(jié)點數(shù)設(shè)置為3個，分別為X，Y，Z三通道加速度傳感器輸出值。

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷器設(shè)計完成后，利用實際的彈道數(shù)據(jù)對故障診斷器進行訓(xùn)練。采用典型彈道數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值取[-1,1]之間的隨機值，網(wǎng)絡(luò)學習速率設(shè)置為0.9，訓(xùn)練誤差設(shè)置為0.001，訓(xùn)練次數(shù)為100次。在訓(xùn)練過程中節(jié)點權(quán)值經(jīng)過大量訓(xùn)練而逐漸穩(wěn)定，訓(xùn)練的迭代次數(shù)也不斷減少，直至訓(xùn)練成功。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功后，保存已訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點權(quán)值，故障診斷器即搭建成功，可進入后續(xù)工作階段。

2 仿真試驗

在故障診斷器搭建后，將設(shè)計好的故障診斷器嵌入導(dǎo)彈飛行控制軟件中，通過模擬慣性傳感器故障的數(shù)字仿真試驗來驗證其有效性。慣性傳感器故障一般有恒輸出、恒偏差和恒增益等故障模式，其數(shù)學描述為：

1)恒輸出：

yo=C

(2)

2)恒偏差：

yo=yi+C

(3)

3)恒增益：

yo=k·yi

(4)

式中：C為常數(shù)；yi為原始輸入；k為增益系數(shù)。采用Matlab搭建數(shù)字仿真平臺，利用蒙特卡洛統(tǒng)計試驗法進行仿真試驗。仿真試驗的彈道設(shè)計條件為：導(dǎo)航坐標系采用慣性系，導(dǎo)彈發(fā)射時海拔高度為3 km，初速為X向和Y向0 m/s，Z向260 m/s，目標海拔高度為4 km，速度為X向Y向0 m/s，Z向100 m/s，彈目相對距離X向為6 km，Y向為1 km，Z向為44 km。在數(shù)字仿真環(huán)境中模擬慣性傳感器故障，在給定的彈道曲線下，仿真計算導(dǎo)彈姿態(tài)、速度、位置，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 Z向加速度計故障輸出

如圖2所示，均在Z向加速度計進行故障注入，時間均在發(fā)射后20～30 s，具體的注入形式及仿真結(jié)果如表1所示。

表1 故障形式及仿真結(jié)果

注入故障后的X，Y，Z方向的彈目相對距離如圖3所示。

圖3 故障注入后仿真結(jié)果

試驗結(jié)果顯示導(dǎo)彈脫靶量過大，未能命中目標，Z向加速度計的這幾種故障模式對空空導(dǎo)彈造成的結(jié)果是不可逆的，僅憑原來的制導(dǎo)回路無法克服，會導(dǎo)致導(dǎo)彈任務(wù)不能完成。將文中設(shè)計的故障診斷器接入導(dǎo)彈制導(dǎo)回路中，重新按照故障條件進行仿真試驗，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 Z向加速度計故障數(shù)據(jù)和估計數(shù)據(jù)

圖5 接入故障診斷器后仿真結(jié)果

如圖5所示，所設(shè)計的故障診斷器準確判斷出Z向加速度計故障發(fā)生，并對Z向加速度計的輸出進行了準確的估計，用于導(dǎo)彈的導(dǎo)航制導(dǎo)。導(dǎo)彈在使用故障診斷器估計的Z向加速度計輸出后，仍能命中目標，完成飛行任務(wù)。

3 結(jié)論及展望

提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)彈傳感器在線故障診斷技術(shù)方案有效。為了探索故障診斷技術(shù)，設(shè)計的故障診斷器目前僅針對加速度傳感器通道，下一步將進一步對角速度傳感器通道等進行故障診斷設(shè)計。并且，目前故障診斷器訓(xùn)練數(shù)據(jù)僅為空空導(dǎo)彈的一般彈道，后續(xù)工作將考慮針對一些極限工作條件設(shè)計單獨的故障診斷分支以滿足空空導(dǎo)彈的全工況適應(yīng)性。