一种五轴冗余捷联惯组系统及其故障检测与重构方法与流程

本发明涉及惯组误差补偿系统及方法，具体涉及一种五轴冗余捷联惯组系统及其故障检测与重构方法。

背景技术：

1、惯性导航组合（简称“惯组”）是一种不依赖于外部信息的高级导航系统，通过加速度计和陀螺仪等惯性敏感器件测量载体的角加速度信息和线加速度信息，经过导航解算得到载体的姿态、速度和位置。在实际工程应用中，系统的可靠性与精度极大程度上取决于内部惯性仪表的性能与工作状态，仪表故障或性能退化会直接导致导航信息失真甚至系统失效。

2、为提高惯性导航系统可靠性，传统做法是选用高可靠性、高精度的惯性仪表器件，从硬件层面降低故障发生概率。然而，提高单元器件的性能面临着技术门槛高、工艺复杂、研发周期长以及成本大幅增加等问题，使其在实际应用中受到很大限制。为此，行业内逐步发展了通过“冗余配置”结合“故障诊断”的技术路线，即在系统中配置多于三轴的惯性仪表，当部分仪表发生故障时，利用剩余正常仪表的信息重构出完整的导航参数，从而维持系统功能。

3、在冗余方案中，四轴冗余系统是较早被广泛研究的一种结构，通常采用三正交一斜置的仪表布局，并借助等价空间法、奇偶向量法等算法进行故障检测。但该类方法在故障隔离能力上存在局限，难以准确识别具体故障仪表。为克服四轴冗余的不足，中国专利cn109813309a公开了一种六陀螺冗余式捷联惯导系统双故障隔离方法，采用正十二面体配置，通过广义似然比和极大似然估计等方法进行双故障隔离。虽然该方案理论上可应对更复杂的故障场景，但随之而来的是系统体积、重量、功耗及成本的显著上升，同时算法复杂度急剧增加，而系统可靠性与导航精度的提升却并不与之成正比，整体性价比不高。

4、综上，现有惯性导航冗余技术仍存以下不足：一是四轴冗余方案受限于冗余度与算法，导致故障隔离能力弱，影响重构精度；二是六轴及以上冗余方案虽提升了容错能力，但硬件资源投入过大，且算法复杂度过高，制约了其工程应用潜力；三是现有故障诊断方法多聚焦于仪表输出数据的软件分析，对电源等关键硬件链路的监测不足，难以覆盖因供电异常等导致的硬件类故障，诊断维度存在盲区。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有的惯导系统中，四轴方案因冗余度不足导致的故障隔离能力弱、六轴及以上方案因硬件资源投入过大且算法复杂度高导致的工程应用性差，以及现有故障诊断方法因缺乏硬件链路监测维度导致的故障覆盖不全的技术问题，而提供一种五轴冗余捷联惯组系统及其故障检测与重构方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明提供一种五轴冗余捷联惯组系统，包括依次连接的供电电源、直流电源滤波电路及直流电源模块；其特殊之处在于：还包括五轴惯性测量单元、惯组计算机和模数转换电路；

4、所述五轴惯性测量单元，包括三个正交安装的x、y和z惯性仪表，及两个斜置安装的s和t惯性仪表；

5、所述x惯性仪表包括gx陀螺仪和ax加速度计；y惯性仪表包括gy陀螺仪和ay加速度计；z惯性仪表包括gz陀螺仪和az加速度计；s惯性仪表包括gs陀螺仪和as加速度计；t惯性仪表包括gt陀螺仪和at加速度计；

6、所述直流电源模块包括mk1、mk2、mk3、mk4、mk5和mk6模块；mk1模块的输出端分别与gx和gs陀螺仪的电源输入端相接；mk2模块的输出端分别与gz和gt陀螺仪的电源输入端相接；mk3模块的输出端与gy陀螺仪的电源输入端相接；mk4模块的输出端分别与ax和as加速度计的电源输入端相接；mk5模块的输出端分别与az和at加速度计的电源输入端相接；mk6模块的输出端与gy加速度计的电源输入端相接；

7、所述mk4、mk5和mk6模块的输出端均与模数转换电路的电源输入端相接；模数转换电路的数据输入端与所述ax、as、az、at和ay加速度计的数据输出端相接；

8、所述mk5和mk6模块的输出端均与惯组计算机的电源输入端相接；惯组计算机的数据输入端分别与gx、gs、gz、gt和gy陀螺仪以及模数转换电路的数据输出端相接，用于根据每个陀螺仪和加速度计的供电电压，以及每个陀螺仪和加速度计发出的脉冲信号，进行故障诊断，然后基于故障诊断结果进行数据重构、误差补偿运算后，输出导航信息。

9、进一步地，所述gx、gs、gz、gt和gy陀螺仪均为光纤陀螺仪；

10、所述ax、as、az、at和ay加速度计均为石英加速度计。

11、同时，本发明还提供一种五轴冗余捷联惯组系统的故障检测与重构方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

12、步骤1、组装上述五轴冗余捷联惯组系统；

13、步骤2、构建惯组测量坐标系

14、以三个正交安装的x、y和z惯性仪表作为正交三轴构建惯性测量坐标系，其中，x、y和z惯性仪表分别处于、、轴；

15、步骤3、参数设定

16、s3.1、分别为各电源模块设定故障电压阈值；

17、s3.2、分别为各仪表设定输出数据饱和阈值；

18、s3.3、预定义多种重构工作模式；

19、步骤4、故障检测

20、s4.1、电源检测

21、通过惯组计算机分别检测各电源模块的输出电压，当任一电源模块的输出电压超过对应的故障电压阈值时，则判定由其供电的所有仪表故障；

22、s4.2、数据饱和检测

23、通过惯组计算机分别对各仪表的输出数据进行饱和检测，当其输出数据超出设定输出数据饱和阈值时，则判定该仪表故障；

24、s4.3、根据步骤s4.1和步骤s4.2的检测结果，生成对应的故障状态字；

25、步骤5、导航信息重构

26、s5.1、根据步骤s4.3生成的故障状态字，选择隔离对应仪表的输出数据；

27、s5.2、根据故障状态字在预定义多种重构工作模式中，选择与之对应的一种重构工作模式；

28、s5.3、惯组计算机利用未被隔离的正常仪表的数据，通过对应的重构算法，计算导航信息，完成五轴冗余捷联惯组的故障检测与导航信息重构。

29、进一步地，步骤s5.3中，重构算法具体为：

30、当三个正交安装的x、y和z惯性仪表中陀螺仪和加速度计均无故障时，直接使用其输出数据进行捷联解算，计算导航信息；

31、当三个正交安装的x、y和z惯性仪表中，任一惯性仪表中陀螺仪或加速度计发生故障时，则利用斜置安装的s惯性仪表和/或t惯性仪表中相应正常陀螺仪和/或加速度计，通过投影合成算法计算出等效于故障部件在惯组测量坐标系正交三轴中对应轴的输出数据。

32、进一步地，步骤s5.3中，投影合成算法具体为：

33、利用斜置安装的s惯性仪表和/或t惯性仪表中相应正常陀螺仪和/或加速度计的输出数据，通过正交分解算法，计算其在惯组测量坐标系正交三轴中对应轴的分量，用以替代故障的陀螺仪和/或加速度计的输出数据，计算导航信息。

34、进一步地，步骤s5.3中，当三个正交安装的ax、ay和az加速度计均无故障时，其捷联解算公式为：

35、；

36、式中，表示惯性测量坐标系下加速度计的冗余配置矩阵，、、为ax、ay、az加速度计沿测量轴的实际输出值；、、为惯组测量坐标系正交三轴的加速度分量；、、、、、为加速度计相对于惯组测量坐标系的安装误差角系数。

37、进一步地，步骤s5.3中，三个正交安装的ax、ay和az加速度计中的一个加速度计故障时，以as和/或at加速度计的输出数据通过投影合成进行捷联解算；具体如下：

38、其中，ax加速度计故障时，以ay、az、as和at加速度计的输出数据进行捷联解算的公式为：

39、；

40、式中，表示惯性测量坐标系下加速度计的冗余配置矩阵；、、、为ay、az、as和at加速度计沿测量轴的实际输出值；、、为惯组测量坐标系正交三轴的加速度分量；、、、为加速度计相对于惯组测量坐标系的安装误差角系数；、、为as加速度计分别与惯组测量坐标系正交三轴的夹角；、、为at加速度计分别与惯组测量坐标系正交三轴的夹角；

41、其中， ax和as加速度计故障时，以ay、az和at加速度计的输出数据进行捷联解算的公式为：

42、；

43、其中，ay加速度计故障时，以ax、az、as和at加速度计的输出数据进行捷联解算的公式为：

44、；

45、式中，为ax加速度计沿测量轴的实际输出值；、为加速度计相对惯组测量坐标系的安装误差角系数；

46、其中，az加速度计故障时，以ax、ay、as和at加速度计的输出数据进行捷联解算的公式为：

47、；

48、其中， az和at加速度计故障时，以ax、ay和as加速度计的输出数据进行捷联解算的公式为：

49、。

50、进一步地，步骤s5.3中，当三个正交安装的gx、gy和gz陀螺仪均无故障时，其捷联解算公式为：

51、；

52、式中，表示惯性测量坐标系下陀螺仪的冗余配置矩阵，、、为gx、gy、gz陀螺仪沿测量轴的实际输出值；、、为惯组测量坐标系正交三轴的陀螺仪的角速度分量；、、、、、为陀螺仪相对于惯组测量坐标系的安装误差角系数。

53、进一步地，步骤s5.3中，三个正交安装的gx、gy和gz陀螺仪中的一个陀螺仪故障时，以gs和/或gt陀螺仪的输出数据通过投影合成进行捷联解算；具体如下：

54、其中，gx陀螺仪故障时，以gy、gz、gs和gt陀螺仪的输出数据进行捷联解算的公式为：

55、；

56、式中，表示惯组测量坐标系下陀螺仪的冗余配置矩阵，、、、为gy、gz、gs和gt陀螺仪沿测量轴的实际输出值；、、为惯组测量坐标系正交三轴陀螺仪的角速度分量；、、、为陀螺仪相对惯组测量坐标系的安装误差角；；、、为gs陀螺仪分别与惯组测量坐标系正交三轴的夹角；、、为gt陀螺仪分别与惯组测量坐标系正交三轴的夹角；

57、其中，gx和gs陀螺仪故障时，以gy、gz和gt陀螺仪的输出数据进行捷联解算的公式为：

58、；

59、其中，gy陀螺仪故障时，以gx、gz、gs和gt陀螺仪的输出数据进行捷联解算的公式为：

60、；

61、式中，为gx陀螺仪沿测量轴的实际输出值；、为陀螺仪相对惯组测量坐标系的安装误差角；

62、其中，gz陀螺仪故障时，以gx、gy、gs和gt陀螺仪的输出数据进行捷联解算的公式为：

63、；

64、其中，gz和gt陀螺仪故障时，以gx、gy和gs陀螺仪的输出数据进行捷联解算的公式为：

65、。

66、与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

67、（1）本发明一种五轴冗余捷联惯组系统，通过采用“三正交+两斜置”的五轴惯性测量单元结构，在四轴冗余和六轴及以上冗余之间取得了最佳平衡，以更低的硬件成本实现了不亚于高阶冗余系统的故障检测与隔离能力；同时通过电源监测与数据饱和检测的同步并行检测，形成了“硬件电源链路监测”与“软件输出数据判断”的双重故障诊断屏障，能有效识别单一检测手段无法发现的隐性故障，显著降低了故障漏判率。基于独特的电源冗余拓扑，当某一电源模块故障时，可直接、准确地定位到其供电的特定仪表组合，实现了从电源异常到具体故障通道的快速、精准映射，简化了故障决策逻辑。

68、（2）本发明一种五轴冗余捷联惯组系统，其中电源监测通过惯组计算机对不同电源路径进行分布式监控，并结合两套检测结果，不仅能判定故障，还能精确定位到是哪一个电源模块或哪一个具体仪表出现故障，为系统维护和健康管理提供了关键信息；同时通过采用高性能的光纤陀螺仪和石英加速度计，并确保斜置仪表与正交坐标系具有相同的夹角，为系统提供了高精度的原始测量数据和对称的冗余结构，这是实现高精度导航解算和有效信息重构的根本保证。

69、（3）本发明一种五轴冗余捷联惯组系统的故障检测与重构方法，从坐标系建立、参数设定，到双通道故障检测、状态字生成，再到最终的模式选择与信息重构，形成了一套逻辑严密、步骤清晰的自动化故障处理流程，保证了该方法在工程上的高度可行性和可重复性。

70、（4）本发明一种五轴冗余捷联惯组系统的故障检测与重构方法，通过重构算法智能区分“正交轴正常”与“正交轴故障”两种情况，前者采用最高精度的直接解算，后者利用基于安装矩阵的投影合成法，最大限度地利用斜置轴信息，从而在各种故障模式下都能为系统提供当前条件下最优的导航精度；同时所采用的基于冗余配置矩阵和安装误差角的解算公式，是一种经过严格数学推导的高精度重构方法，它充分考虑了仪表的具体空间几何关系，能够从剩余的正常仪表信息中最大限度地精确恢复出惯组测量坐标系正交三轴导航参数。