[發明專利]一種基于廣義相對熵的容錯濾波方法

有效

• 申請號: 202010431864.4
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111854728B
• 公開（公告）日: 2022-12-13
• 發明（設計）人: 王偉;叢寧;楊麗娜;史高峰
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: G01C21/00
• 分類號: G01C21/00;G01C21/20;G01C21/16;G01S19/39;G01S19/48
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• 代理人: 暫無信息

本發明的目的在于提供一種基于廣義相對熵的容錯濾波方法，建立SINS/GPS、SINS/地磁匹配和SINS/重力輔助系統的狀態空間模型，利用聯邦濾波方法和改進故障檢測方法對故障進行容錯處理。改進的故障檢測方法利用了廣義相對熵(也稱KL散度)原理，使用預測信息和更新信息對KL散度和馬氏距離的計算結果進行權值分配，將兩者的加權和作為傳感器故障檢測指標。經判斷無故障的狀態估計正常進入主濾波器進行信息融合，而有故障的狀態估計所在子濾波器通道會關閉以避免故障信息污染其他子系統。本發明有更好的故障檢測精度和更高的運算效率，對進一步提高復雜條件下多源信息融合系統的容錯能力具有一定的參考意義。

技術領域

本發明涉及的是一種組合導航故障檢測方法，具體地說是容錯濾波方法。

背景技術

捷聯式慣性導航系統(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)定位過程不依賴外界信息，具有高隱蔽性，可自主導航，但導航定位誤差會隨時間累積。衛星導航系統定位精度高，長期穩定性好，但容易受到干擾、屏蔽。地磁匹配導航可以全天候工作，導航誤差不累積，但其導航精度受載體高度限制，僅在低軌道衛星高度以下有較高精度。重力輔助導航不受時間限制，對外無輻射，但其導航精度受地形起伏度影響，在海洋、沙漠等平坦地形區精度較差。根據SINS、衛星導航、地磁匹配導航和重力輔助導航特點，將各系統進行組合，可以在很大程度上提高組合導航性能。聯邦濾波由于設計靈活、計算量小、容錯性能好而得到了廣泛的應用。系統的結構特點決定了故障概率必然增加，一旦發生故障，就會影響系統性能，甚至會對系統造成不可估量的后果。聯邦濾波的故障檢測一般使用χ²檢測法，而狀態χ²檢測雖然檢測精度較高，但需要計算兩個狀態估計值，計算量較大，殘差χ²檢測計算量雖有顯著減小，但對軟故障情況檢測精度低。

在已發表文章中，楊春等人(楊春,張磊,郭健,等.采用雙狀態傳播卡方檢驗和模糊自適應濾波的容錯組合導航算法[J].控制理論與應用,2016,33(04):500-511.)提出利用模糊自適應濾波輸出的導航信息與雙狀態遞推器進行定期交替校正，從而達到故障檢測的目的。狀態遞推器校正時間間隔的確定非常重要，如果過小，則故障時，經過狀態遞推器兩次重置肯仍未被檢測出來；如果過大，會影響全局檢測精度，但該方法只是采用經驗值，沒有具體方法。張華強等人(張華強,李東興,張國強.混合χ²檢測法在組合導航系統故障檢測中的應用[J].中國慣性技術學報,2016,24(05):696-700.)在前一種方法的基礎上進行了進一步研究，將殘差卡方檢測方法與雙狀態卡方檢測結合，用殘差卡方檢測結果決定雙狀態卡方檢測的遞推操作。該方法雖然改善了卡方檢測的性能，但一方面該方法計算量較大，另一方面殘差卡方檢測自身對軟故障檢測精度較低，由其決定雙狀態卡方檢測的更新操作必會引入誤差，兩個狀態遞推值偏離實際值，從而對全局精度造成影響。

發明內容

本發明的目的在于提供對故障進行容錯處理以提高導航系統穩定性的一種基于廣義相對熵的容錯濾波方法。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明一種基于廣義相對熵的容錯濾波方法，其特征是：

(1)獲取SINS系統與衛星導航、地磁匹配導航和重力輔助導航輸出的數據；

(2)分別建立SINS/GPS、SINS/地磁匹配和SINS/重力輔助系統的狀態空間模型，選擇狀態量和觀測量；

(3)系統初始化；

(4)根據輸入子濾波器的k時刻的數據估計k+1時刻狀態，求解子系統的狀態一步預測X_i,k+1|k和一步預測協方差矩陣P_i,k+1|k，進行時間更新和量測更新；