[發(fā)明專利]一種應(yīng)用在飛行測試數(shù)據(jù)分析的容錯(cuò)CKF濾波融合方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010212538.4
• 申請日: 2020-03-24
• 公開（公告）號: CN111444475B
• 公開（公告）日: 2023-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬中騁;付東洋;葛泉波;申興發(fā);劉洺辛
• 申請（專利權(quán)）人: 廣東海洋大學(xué)深圳研究院
• 主分類號: G06F17/18
• 分類號: G06F17/18;B64F5/60;G01M99/00
• 代理公司: 杭州奧創(chuàng)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33272
• 代理人: 王佳健

1.一種應(yīng)用在飛行測試數(shù)據(jù)分析的容錯(cuò)CKF濾波融合方法，其特征在于該方法包括以下步驟：

步驟1.系統(tǒng)建模

假設(shè)系統(tǒng)有N個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器構(gòu)成一個(gè)子濾波器，且子濾波器與主濾波器的狀態(tài)變量相同，考慮如下具有乘性噪聲相關(guān)的離散時(shí)間非線性系統(tǒng)，其狀態(tài)方程和第i個(gè)傳感器的量測方程分別如下：

式中，是k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量，其是由x方向位移和速度以及y方向位移和速度構(gòu)成，f為已知非線性過程函數(shù)，過程噪聲w_k-1是零均值方差為Q_k-1的高斯白噪聲向量；

是k時(shí)刻第i個(gè)子濾波器的量測向量，i＝1,2,…,N，h_i為第i個(gè)子濾波器非線性量測函數(shù)，A_i,k＝diag{1+u_i,k,…,1+u_i,k}＝(1+u_i,k)I，u_i,k和v_i,k分別是第i個(gè)子濾波器k時(shí)刻乘性和加性高斯白噪聲，且具有相關(guān)性，v_i,k＝[v_1,k,…,v_m,k]^T，且E{v_i,k}＝μ_i,v1＝μ_i,v[1,…,1]^T，w_k-1和v_i,k互不相關(guān)，σ_i為隨機(jī)向量，用來描述野值大小，當(dāng)ρ_k＝0時(shí)表示無故障，當(dāng)ρ_k＝1時(shí)，表示發(fā)生故障；

式中，δ_kj為Kronecher-δ函數(shù)，μ_i,u和分別為第i個(gè)子濾波器乘性量測噪聲均值和方差，μ_i,v和分別為第i個(gè)子濾波器加性量測噪聲均值和方差，d_i,k為第i個(gè)子系統(tǒng)噪聲相關(guān)系數(shù)；

步驟2.模型轉(zhuǎn)換

將量測方程表示為非線性量測和虛擬量測噪聲的總和：

式中，為第i個(gè)子濾波器k時(shí)刻的虛擬量測噪聲，其相對應(yīng)的均值為方差為

步驟3.給出子濾波器的乘性噪聲相關(guān)的容錯(cuò)CKF濾波算法，具體如下：

步驟3.1時(shí)間更新階段，已知上一時(shí)刻子濾波器的狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣P_i,k-1，則時(shí)間更新如下：

式中，S_k-1為由估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣P_i,k-1經(jīng)過cholesky分解得到，ξ_j為提前確定的cubature點(diǎn)，和為經(jīng)計(jì)算和傳播后的第j個(gè)cubature點(diǎn)，為狀態(tài)預(yù)測值，P_k|k-1為預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣；

步驟3.2計(jì)算E{h_i(x_k)}、Var{h_i(x_k)}和Cov{x_k,h_i(x_k)}：

式中，S_k|k-1為由預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣P_k+1|k經(jīng)過cholesky分解得到，和都為k時(shí)刻第j個(gè)cubature點(diǎn)，E{h_i(x_k)}和Var{h_i(x_k)}分別為h_i(x_k)的均值和方差，Cov{x_k,h_i(x_k)}為x_k和h_i(x_k)的互協(xié)方差；

步驟3.3計(jì)算虛擬量測噪聲均值和虛擬量測噪聲方差

步驟3.4計(jì)算量測預(yù)測值新息協(xié)方差矩陣P_zz,k|k-1和互協(xié)方差矩陣P_xz,k|k-1的：

P_xz,k|k-1＝(1+μ_i,u)Cov{x_k,h_i(x_k)}?????????????????(19)

步驟3.5給出故障檢測以及容錯(cuò)策略，根據(jù)子濾波器當(dāng)前濾波新息與理論新息協(xié)方差的不一致程度判斷子濾波器是否發(fā)生故障：

式中，ε_i,k為濾波新息，α_i,k為故障檢測函數(shù)，T_i,D為故障檢測閾值，λ_i,k為調(diào)節(jié)因子；

將調(diào)節(jié)因子λ_i,k引入到濾波增益矩陣K_k中，其公式如下：

K_k＝λ_i,kP_xz,k|k-1(P_zz,k|k-1)^-1????????????????????(24)

步驟3.6計(jì)算狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)誤差協(xié)方差P_i,k：

P_i,k＝P_k|k-1-K_kP_zz,k|k-1(K_k)^T???????????????????(26)

步驟4.給出濾波融合算法：

步驟4.1信息分配，只在初始時(shí)刻進(jìn)行一次信息分配，具體如下：

式中，為全局狀態(tài)估計(jì)值，P_g,0為其對應(yīng)的估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣，Q_i,0為第i個(gè)子濾波器的噪聲方差矩陣，Q_g,0為主濾波器的噪聲方差矩陣，信息分配系數(shù)β_i為：

步驟4.2給出時(shí)間更新和量測更新，按照步驟3對每一個(gè)子濾波器各自獨(dú)立地進(jìn)行時(shí)間更新和量測更新的各個(gè)環(huán)節(jié)，得到各個(gè)子濾波器的狀態(tài)估計(jì)值和估計(jì)誤差協(xié)方差矩陣P_i,k；

步驟4.3給出主濾波器的融合算法：

P_g,k＝[(P_1,k)^-1+(P_2,k)^-1+…+(P_N,k)^-1]^-1??????????????(31)

步驟4.4給出信息反饋策略：

主濾波器完成當(dāng)前時(shí)刻的信息融合后，將全局融合信息反饋給發(fā)生故障的子濾波器，直到該子濾波器恢復(fù)正常以后，則不再進(jìn)行信息反饋；

P_i,k＝P_g,k???????????????????????????(34)

對于沒發(fā)生故障的子濾波器，主濾波器不對其進(jìn)行信息反饋。