艦船全天時高精度容錯組合導航系統(tǒng)設計與驗證

(中國人民解放軍92941部隊95分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

艦船全天時高精度容錯組合導航系統(tǒng)設計與驗證

查月

(中國人民解放軍92941部隊95分隊，遼寧葫蘆島125001)

針對單一導航系統(tǒng)的性能不能滿足全天候、全天時、高精度、高可靠性的艦船導航信息測量要求，提出了一種基于多傳感器信息融合(MSF，Multi-SensorFusion)的容錯組合導航系統(tǒng)方案；方案中增加了子濾波器故障隔離檢測模塊，對系統(tǒng)狀態(tài)進行全參量最優(yōu)估計和容錯處理；對融合后的系統(tǒng)精度和故障隔離能力進行了試驗仿真驗證，結果表明所設計方案能夠提高系統(tǒng)的精度和可靠性。

多傳感器信息融合；聯(lián)邦濾波；全天時測量；容錯；故障檢測；仿真驗證

0 前言

慣性導航系統(tǒng)（ＩＮＳ）是自主式的導航系統(tǒng)，利用慣性器 件對載體的運動測量，不依賴外信息工作，具有自主性強、輸出信息連續(xù)，短時精度高、但誤差隨時間積累，因而難以長時間的獨立工作。衛(wèi)星導航系統(tǒng)定位和測速精度高、誤差不隨時間積累，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，應用易受外界環(huán)境及美國ＧＰＳ政策等多方面的限制。因此，ＧＰＳ 不宜單獨作為唯一的導航設備，尤其是用于軍事的導航設備，而只能作為輔助的導航設備。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（ＢＤＳ）為我國自主研發(fā)的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，除能夠提供高精度、高可靠性定位測速授時服務外，還具有短報文通信能力。多普勒導航系統(tǒng)（ＤＯＰＰＬＥＲ） 能夠在艦船上自主的測量艦船對地的絕對速度，反應速度快，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，測速度精度高且誤差不隨時間發(fā)散，但由于作用距離有限，超過作用距離的海深處只能測量相對水的速度[1-2]。

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

1 艦船全天時高精度容錯組合導航系統(tǒng)方案設計

1.1 INS誤差模型

1.1.1 平臺誤差角方程

(1)

(2)

(3)

其中:α,β和γ分別為沿東向軸、北向軸和方位軸轉過的誤差角；λ，φ分別為經度、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、東向加速度計零位。

1.1.3 位置誤差方程

(6)

(7)

其中:δλ，δφ分別為經度、緯度誤差。

1.1.4 陀螺漂移誤差模型

慣性導航系統(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漂移，隨機漂移為一階馬爾科夫過程，則:

(8)

1.2 INS/BDS/GPS/DOPPLER組合導航系統(tǒng)結構設計

艦船導航系統(tǒng)的慣性導航系統(tǒng)、衛(wèi)星導航系統(tǒng)、多普勒導航系統(tǒng)各自工作，互不相關，且信息隨時可能中斷，需要慣性導航系統(tǒng)將獲得的各導航信息進行信息融合，將融合后的信息作為準確的外信息對性導航系統(tǒng)的主要誤差和誤差源進行估計 和補償[4-5]。因此，設計的INS/BDS/GPS/DOPPLER聯(lián)邦濾波器結構以平臺式慣導作為公共參考系統(tǒng)，以BDS、GPS、多普勒測速儀作為輔助導航系統(tǒng)。即由一個主濾波器(MF)和3個子濾波器(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)邦濾波器結構如圖1所示。

圖1 INS/BDS/GPS/DOPPLER聯(lián)邦濾波器結構

LF1、LF2、LF3均為常規(guī)卡爾曼濾波器，子濾波器處理過的信息送入故障檢測器，故障檢測能夠保證觀測信息短時間丟失或出現(xiàn)較大偏差時將隔離相應子濾波器信息，從而錯誤信息不會污染主濾波器。信息的重構是以各個分系統(tǒng)的狀態(tài)評估為基礎，目的是保證系統(tǒng)有較強的容錯能力[5-6]。

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

1.2.1 容錯組合導航系統(tǒng)狀態(tài)方程

以INS誤差方程為基礎，將陀螺常值漂移和隨機漂移擴充為系統(tǒng)的狀態(tài)，由于通常加速度計誤差較小，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 容錯組合導航系統(tǒng)觀測方程

1.2.2.1 子濾波器LF1的觀測方程

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

(10)

其中:φI，λI為INS的緯度、經度，φG，λG為GPS的緯度、經度，H1為2×15維觀測矩陣，

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

1.2.2.2 子濾波器LF2的系統(tǒng)的觀測方程

(1)空氣濾清器阻塞清洗空氣濾清器芯子或清除指質濾芯上的灰塵，必要時應更換，以及檢查機油平面是否正常。(2)排氣管阻塞或接管過長，轉彎半徑太小、彎頭過多清除排氣管內積碳，重新排氣接管，彎頭不能多余三個，并有足夠大的排氣截面。

由于BDS為我國自主導航定位系統(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量，觀測周期為10 s。子濾波器LF2的系統(tǒng)觀測方程為：

(11)

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

1.2.2.3 子濾波器LF3的觀測方程為

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

(12)

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

2 系統(tǒng)仿真驗證與分析

2.1 仿真條件

容錯組合導航系統(tǒng)初始條件設定位置為北緯40°40′，東經121°00′，陀螺漂移為常值是εcx=0.005°/h，εcy=0.01°/h，εcz=0.01°/h，隨機漂移為一階markov過程，相關時間為1小時，σrx=0.001°/h，σry=0.001°/h，σrz=0.001°/h； 兩個水平加速度計零位常值為5×10-5g，隨機部分為白噪聲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水平測速精度為0.25 kn(1 σ)。系統(tǒng)時間更新為1 s，觀測更新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，根據慣導的誤差方程建立仿真模型，分別按照設置的仿真條件和以下兩種方式進行仿真；

2.2.1 傳統(tǒng)的位置綜合校準方式仿真

慣導系統(tǒng)自主工作2小時后，每4h利用外部輔助位置信息對慣導系統(tǒng)進行綜合校正。系統(tǒng)仿真試驗時間為12小時，其間BDS系統(tǒng)一直保持正常工作。

2.2.2 容錯組合導航系統(tǒng)濾波方式仿真

首先慣導系統(tǒng)獨立自主工作2小時，然后容錯組合導航系統(tǒng)開始進入組合濾波工作模式，3個子濾波器同時工作，系統(tǒng)每4小時系統(tǒng)進行一次綜合校正。仿真試驗第2～3小時人為中斷GPS信息，仿真試驗第3～4小時人為中斷多普勒導航系統(tǒng)信息，仿真試驗第5小時人為將多普勒導航系統(tǒng)誤差增大到10kn，持續(xù)5分鐘后恢復正常，仿真試驗第9小時，人為增大GPS經緯度、航向誤差均到10′，持續(xù)5分鐘后恢復正常。試驗中檢查系統(tǒng)在組合工作模式下的精度和子濾波器有持續(xù)非正常觀測信息輸入時或信息中斷時的容錯性能。檢查組合導航系統(tǒng)精度與故障隔離效果。系統(tǒng)仿真流程圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)仿真流程圖

3 試驗結果與分析

組合導航系統(tǒng)仿真時間為12小時，組合濾波過程中只修正系統(tǒng)顯示量，綜合校正時校正系統(tǒng)值，仿真結果見圖3。由兩種仿真方式對比可以得出：

圖3 組合導航系統(tǒng)誤差曲線

1)兩種工作方式下，系統(tǒng)經度誤差和緯度誤差估計比較準確，系統(tǒng)位置精度提高；

2)組合濾波方式下，由于組合濾波過程中，GPS和多普勒導航系統(tǒng)時而中斷，時而突跳，，使得速度誤差估計有小量波動，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，航向誤差估計比較準確，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航系統(tǒng)誤差引入并未對組合系統(tǒng)造成影響，子濾波器的故障得到了理想的檢測與隔離，系統(tǒng)達到了能夠全天時工作并具有很好的精度和容錯性能。

4 結論

針對艦船單一導航系統(tǒng)測量精度低、可靠性差、測量不連續(xù)等問題，設計了全天時高精度容錯組合導航系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的結構、誤差模型、濾波算法、仿真流程進行了詳細的介紹，并通過兩種不同的組合導航方式方法進行仿真，驗證了多傳感 器組合導航系統(tǒng)方案的有效性。仿真試驗結果表明，多傳感器組合導航系統(tǒng)能夠抑制慣導系統(tǒng)誤差發(fā)散，提高組合導航系統(tǒng)精度，通過引入輔助導航系統(tǒng)不可靠信息，驗證了組合導航系統(tǒng)故障檢測效果及容錯性能，有效提高了系統(tǒng)的可靠性。

[1] 付夢印,鄧志紅,等. Kalman濾波理論及其在導航系統(tǒng)中的應用[M].北京：科學出版社，2003.

[2] 王光鼎，張升康，楊汝良.一種基于卡爾曼濾波處理的北斗衛(wèi)星天文組合導航自適應野值剔除方法[J].電子與信息學報，2008,30(8) :1981-1984.

[3] 郝順義， 柴竹琴. 某導航系統(tǒng)解析冗余與容錯技術研究[J]. 彈箭與制導學報，2002,22(4):25-27.

[4] 舒東亮.慣性基容錯組合導航系統(tǒng)設計理論研究[D].西安:西北工業(yè)大學，2007.

[5] 丁宏升，劉 峰.基于聯(lián)邦濾波的容錯組合導航系統(tǒng)仿真分析[J].航空計算技術，2013,43(5):132-134.

[6] 熊 智，邵 慧，華 冰,等.改進故障隔離的容錯聯(lián)邦濾波[J].航空學報，2015,36(3):929-938.

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，高級工程師，主要從事導航系統(tǒng)試驗方向的研究。

1671-4598(2017)11-0280-04

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

U666.1

A