雷江濤
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隨著國內(nèi)外關(guān)于組合導(dǎo)航的容錯(cuò)技術(shù)研究的開展,為進(jìn)一步提高和改善分散濾波的性能,1988年Carlson提出了聯(lián)邦濾波器理論。它對(duì)子濾波器的估計(jì)信息進(jìn)行合成,子濾波器是平行結(jié)構(gòu)形式,各子濾波器算法采用Kalman濾波算法,處理自己傳感器的測量信息。聯(lián)邦濾波方法由于計(jì)算量小,實(shí)現(xiàn)簡單,信息分配方式靈活,具有良好的容錯(cuò)結(jié)構(gòu),受到許多研究者的關(guān)注,美國空軍已將聯(lián)邦濾波器列為新一代導(dǎo)航系統(tǒng)通用的濾波器[1]。
Calson提出的聯(lián)邦濾波器是一種兩級(jí)濾波。對(duì)于組合導(dǎo)航系統(tǒng),捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)一般是公共參考系統(tǒng),它的輸出一方面直接給主濾波器,另一方面給各子濾波器(即局部濾波器)作為公共狀態(tài)變量值。各子濾波器的局部估計(jì)值(公共狀態(tài))及其協(xié)方差陣。送入主濾波器,和主濾波器的估計(jì)值一起進(jìn)行融合以得到全局最優(yōu)估計(jì)。此外,由子濾波器與主濾波器合成的全局估計(jì)值及其相應(yīng)的協(xié)方差陣放大為后再反饋到各子濾波器以重置各子濾波器的估計(jì)值,即:
聯(lián)邦濾波器可以有多種實(shí)現(xiàn)形式,各種實(shí)現(xiàn)形式由于信息分配系數(shù)和信息反饋過程不同而有不同的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)。根據(jù)主濾波器和子濾波器信息處理方式的不同,聯(lián)邦濾可以分為以下四種基本結(jié)構(gòu):
1)融合-重置式(fusion-reset mode,F(xiàn)R)結(jié)構(gòu);
2)零重置式(zero-reset mode,ZR)結(jié)構(gòu);
3)無重置式(no-reset mode,NR)結(jié)構(gòu);
4)重調(diào)式(rescale mode,RS)結(jié)構(gòu)。
聯(lián)邦濾波器是一種嶄新的分散化濾波方法,甚至可以把它從分散化濾波中獨(dú)立出來[2],聯(lián)邦濾波器致力于解決以下幾個(gè)問題:濾波器的容錯(cuò)性能要好;濾波精度要高;全局濾波的融合算法要簡單,計(jì)算量小,數(shù)據(jù)通訊少,利于實(shí)時(shí)執(zhí)行。
但上述幾個(gè)性能要求相互有矛盾,如要容錯(cuò)性能好,有時(shí)就要犧牲一些精度。聯(lián)邦濾波器中用了信息分配原則,通過將系統(tǒng)中的信息進(jìn)行不同的分配,獲得最佳的折中,以滿足不同的使用要求。
聯(lián)邦濾波器與集中式融合相比,最大的優(yōu)越性在速度和容錯(cuò)方面[3]。
1)容錯(cuò)
聯(lián)邦濾波器中,各子濾波器相對(duì)獨(dú)立,尤其是NR結(jié)構(gòu),各子濾波器之間沒有交叉污染,一旦某一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障,故障限制在一個(gè)子濾波器內(nèi)。當(dāng)檢測出故障后,隔離故障子濾波器,保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。聯(lián)邦濾波在上述諸方面的優(yōu)越性使它成為智能容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的首選方案。
2)速度
聯(lián)邦濾波器各子濾波器的濾波運(yùn)算是并行的,這使得運(yùn)算速度大大提高。如果主濾波器在子濾波器進(jìn)行多步后再作融合,運(yùn)算速度將進(jìn)一步加快。聯(lián)邦濾波器的運(yùn)算時(shí)間僅為集中式融合的幾分之一,實(shí)時(shí)性較好。
3)靈活性
每步都作融合并對(duì)子濾波器進(jìn)行重置的FR結(jié)構(gòu)能夠獲得總體最優(yōu)的精度,多步后再作融合并對(duì)子濾波器重置的結(jié)構(gòu)可以獲得總體的次優(yōu)精度。后者的優(yōu)點(diǎn)是使主濾波器的計(jì)算量大大降低,可降為最大。
容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是在現(xiàn)有導(dǎo)航設(shè)備的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上來提高導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性,而不是提高各子導(dǎo)航設(shè)備的基本可靠性[4]。在聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)中,無重置式(NR)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。首先,各子濾波器獨(dú)立工作;其次,由于沒有主濾波器到子濾波器的信息重置,使它們相互之間沒有污染能力,互不干擾,最適于故障檢測;另外,主濾波器對(duì)局部濾波器有很強(qiáng)的故障檢測、隔離和恢復(fù)能力。當(dāng)故障濾波器被檢測到后,主濾波器可以很快地拒絕接納它的信息,而融合剩余子濾波器的信息,得到系統(tǒng)的最優(yōu)估計(jì),如圖1所示。
圖1 聯(lián)邦濾波器的故障診斷與隔離
在容錯(cuò)組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,聯(lián)邦濾波器起到了關(guān)鍵作用,有必要對(duì)它的各種結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性能作深入分析,并與集中式融合結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)性能進(jìn)行比較。
3.2.1 集中式融合結(jié)構(gòu)容錯(cuò)性能分析
集中式融合結(jié)構(gòu)用一個(gè)濾波器來處理所有子系統(tǒng)的量測信息,其容錯(cuò)性能分析如下:
可以較好地檢測和隔離某些子系統(tǒng)的突變故障。故障開始就很小,不易檢測,被軟故障污染了的輸出將影響預(yù)報(bào)值,使它跟蹤故障輸出,殘差即新息rk一直保持比較小,因此難以發(fā)現(xiàn)軟故障。因而軟殘差檢驗(yàn)法對(duì)軟故障的檢測不是很有效。故障子系統(tǒng)被隔離后,已被故障污染的濾波解必須重新恢復(fù)正常。這需要重新初始化已經(jīng)隔離了故障子系統(tǒng)的集中濾波器,重新利用無故障子系統(tǒng)的新的信息,所以必須經(jīng)過一段過渡過程后,系統(tǒng)的濾波解才恢復(fù)正常。因此其故障恢復(fù)能力不強(qiáng)。
3.2.2 聯(lián)邦濾波器容錯(cuò)性能分析
相對(duì)集中式融合結(jié)構(gòu)來講,聯(lián)邦濾波器的容錯(cuò)性能要強(qiáng)許多,它具有以下優(yōu)點(diǎn):
1)主濾波器可以使用一個(gè)比子濾波器甚至比集中濾波器更精確的慣導(dǎo)模型,這樣檢測慣導(dǎo)系統(tǒng)故障的能力就提高了。
2)子濾波器自身子系統(tǒng)誤差狀態(tài)是分開估計(jì)的。這些子系統(tǒng)誤差狀態(tài)在子濾波周期內(nèi)不會(huì)受其它子系統(tǒng)的故障影響,只有在較長的融合周期后才會(huì)有影響。
3)當(dāng)故障被檢測和隔離后,只要沒有重置,其它正常的子濾波器的解仍存在,于是利用這些正常的子濾波器的解經(jīng)過融合算法可以立即得到全局解,所以故障恢復(fù)能力很強(qiáng)。
因?yàn)槿诤现芷诳梢蚤L于子濾波的周期,于是在融合之前,軟故障可以有較長的時(shí)間去發(fā)展到可被主濾波器檢測的程度。
3.2.3 聯(lián)邦濾波器四種結(jié)構(gòu)的比較
從運(yùn)算速度方面來看,NR結(jié)構(gòu)不需要重置,ZR和RS結(jié)構(gòu)需要重置,但可以在子濾波器向主濾波器發(fā)送完?duì)顟B(tài)估計(jì)值和方差信息后立即進(jìn)行,F(xiàn)R方式則必須等到主濾波器的融合結(jié)束之后各子濾波器才能得到自己的重置值。因此,從運(yùn)算速度上來看,NR最快,ZR和RS居中,F(xiàn)R最慢。從計(jì)算量的大小來考慮,NR最小,ZR和RS居中,F(xiàn)R最大。
總而言之,NR結(jié)構(gòu)在運(yùn)算速度和容錯(cuò)能力方面均較好,它的缺點(diǎn)是精度有點(diǎn)低,并需要各子濾波器在同一時(shí)刻把自己的估計(jì)結(jié)果送入主濾波器。ZR和RS結(jié)構(gòu)允許子濾波器的估計(jì)值在不同時(shí)刻送入主濾波器,但容錯(cuò)性能較差。FR方式具有最好的精度,但容錯(cuò)性能不理想,實(shí)現(xiàn)起來也較為復(fù)雜。
目前在組合導(dǎo)航中,傳感器的數(shù)量和種類越來越多,雖然隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算負(fù)擔(dān)重的困難將越來越降為次要矛盾,但對(duì)容錯(cuò)性和估計(jì)精度的要求卻越來越高。采用聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)不僅分散和減少了卡爾曼濾波的計(jì)算量,保證了系統(tǒng)實(shí)時(shí)工作,很方便地對(duì)各子系統(tǒng)作故障檢測、診斷和隔離,并能對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行重構(gòu),確保系統(tǒng)可靠的工作,因此聯(lián)邦濾波器經(jīng)常被應(yīng)用于組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。文獻(xiàn)[6]對(duì)聯(lián)邦濾波器在INS/DVL/SAR組合導(dǎo)航信息融合中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,文獻(xiàn)[8]對(duì)INS/GPS/DVL組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的容錯(cuò)設(shè)計(jì)的應(yīng)用進(jìn)行了分析,文獻(xiàn)[9~11]對(duì)其在船舶系統(tǒng)工程等中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,文獻(xiàn)[13]提出了基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合導(dǎo)航容錯(cuò)算法。
隨著傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、人工智能技術(shù)、并行處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,多傳感器信息融合將成為未來大量軍用和民用高科技系統(tǒng)的重要技術(shù)手段。聯(lián)邦濾波器以良好的容錯(cuò)性、實(shí)時(shí)性和靈活的信息分配方式等特點(diǎn),必將受到重視,應(yīng)用范圍將進(jìn)一步擴(kuò)大,在提高多傳感器信息融合系統(tǒng)精度和可靠性方面發(fā)揮重要的作用。
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