【摘 要】
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冗余式捷联惯导系统通过惯性器件冗余配置技术,能解决传统惯导系统单一器件故障导致系统失效的问题。基于冗余惯性器件敏感信息间的空间指向关系,冗余式捷联惯导系统的故障检测与隔离技术,能够实现对惯性器件的故障检测与隔离,进而完成惯性器件敏感信息空间关系的重构,从而保证系统在巨大冲击、长期振动和高海况摇摆等严苛环境正常工作,是未来捷联惯导系统在高可靠性应用领域的重要发展方向。然而,冗余式捷联惯导系统仍然面临
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冗余式捷联惯导系统通过惯性器件冗余配置技术,能解决传统惯导系统单一器件故障导致系统失效的问题。基于冗余惯性器件敏感信息间的空间指向关系,冗余式捷联惯导系统的故障检测与隔离技术,能够实现对惯性器件的故障检测与隔离,进而完成惯性器件敏感信息空间关系的重构,从而保证系统在巨大冲击、长期振动和高海况摇摆等严苛环境正常工作,是未来捷联惯导系统在高可靠性应用领域的重要发展方向。然而,冗余式捷联惯导系统仍然面临软故障检测实时性低,故障隔离不确定性以及环境干扰影响故障检测与隔离效能等问题。因此,开展冗余式捷联惯导系统的故障检测与隔离技术研究,对于提升相关理论方法的性能,推进冗余式捷联惯导系统的应用,具有重要的理论和实际意义。课题以四陀螺冗余系统和六陀螺冗余系统两种主流冗余系统为研究对象,在优化冗余配置方案基础上,深入开展冗余式捷联惯导系统软故障检测改进优化、单故障/双故障隔离方法研究,具体包括以下研究内容:（1）基于优化性能指标的冗余配置方案设计针对现有冗余配置方案缺少故障检测与隔离性能准则设计的问题,以四陀螺、六陀螺冗余配置方案为研究对象,对现有冗余配置设计准则进行总结,系统分析冗余配置方案与故障检测与隔离性能之间的关系,设计故障检测与隔离性能准则,完善冗余配置方案设计准则。根据冗余配置方案设计准则,对四陀螺冗余配置方案和六陀螺冗余配置方案的性能进行分析,并确定性能较好的四陀螺冗余配置方案和六陀螺冗余配置方案。（2）高实时性软故障检测改进方法研究现有的基于卡尔曼滤波（Kalman Filter,KF）补偿的广义似然比（Generalized Likelihood Test,GLT）故障检测方法由于软故障缓变的特性以及故障情况下KF方法抑制量测残差等两方面原因,导致该方法在检测软故障时存在较大延时现象。为解决上述问题,本文提出基于交互多模型（Interactive Multiple Model）估计与平均奇偶向量（Average Parity Vector,APV）改进的GLT故障检测方法。该方法一方面利用IMM方法能够对未知故障建模的特点,通过IMM方法代替KF方法估计并补偿奇偶向量中惯性器件误差项,使估计状态值不被故障信息污染,进而得到保全故障信息的量测残差,改善滤波方法对量测残差的抑制情况;另一方面结合APV方法改进GLT故障检测方法,降低量测噪声的影响并合理设置故障检测门限,提高缓变软故障检测实时性。与传统故障检测方法相比,基于IMM与APV改进的GLT故障检测方法能够在较短时间内有效检测软故障,从而达到提高软故障检测实时性的目的。（3）四陀螺冗余系统单故障隔离方法研究广泛应用于冗余系统的单故障隔离方法-GLT故障隔离方法通过奇偶向量的方向识别故障。然而在四陀螺冗余系统中,GLT故障隔离方法中的奇偶向量为无方向的标量,因此,GLT故障隔离方法无法实现四陀螺冗余系统单故障的隔离。基于此,提出基于平均降维矢量的残差卡方检验故障隔离方法隔离四陀螺冗余系统中的单故障。该方法摒弃采用奇偶向量对系统故障进行隔离的思想,在采用星敏感器提供角速率基准信息的基础上,创新性地引入冗余系统陀螺误差估计的残差卡方检验思想,结合降维矢量思想对单个陀螺的残差信息进行检测,实现四陀螺冗余系统单故障隔离;在此基础上,结合APV方法思想,降低量测噪声影响并设置可容性故障隔离门限,改善软故障隔离延时情况。基于平均降维矢量的残差卡方检验故障隔离方法能够实现冗余系统单故障的隔离;并且能够在系统发生软故障时,缩短软故障隔离时间,提高软故障隔离性能。（4）六陀螺冗余系统双故障隔离方法研究六陀螺冗余系统中,现有的基于极大似然估计（Maximum Likelihood Estimation,MLE）的双故障隔离方法由于不同双故障组合会产生共线的奇偶向量,进而无法判断共线的奇偶向量来自哪两个陀螺,导致双故障隔离存在不确定性,因此无法对六陀螺冗余系统双故障所有组合进行有效隔离。基于此,本文首先分析基于MLE的双故障隔离方法适用条件,其次提出基于MLE与降阶奇偶向量（Reduced-order Parity Vector,RPV）的双故障隔离方法。该方法针对基于MLE的双故障隔离方法不适用的情况,通过基于MLE的双故障隔离方法锁定双故障范围,在改进的RPV故障隔离方法作用下,分别验证每一种双故障组合实现故障陀螺的定位。基于MLE与RPV的双故障隔离方法能够在基于MLE的双故障隔离方法不适用时隔离六陀螺冗余系统中的双故障。
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