多余度导航系统容错重构管理算法研究

摘要

导航系统是无人飞行器最为关键的系统之一，其精度和可靠性关系到控制指令的执行和飞行的安全，因此一般高可靠性要求的无人机都配置多余度导航系统。而在多余度导航系统中，同一导航信号存在着多个信号来源，为了确保导航信号的唯一性和高可靠性，必须对各余度信号进行容错重构管理，以提高导航信息的可靠性和准确性，故多余度导航系统的容错重构管理算法是无人机的关键技术之一。本文针对无人机多余度导航系统的构建、导航系统的容错重构管理算法以及系统容错重构方案等方面的工作主要包括以下几个方面：
　　(1)阐述了以SINS/GNSS/ADS(捷联惯性导航系统/全球定位系统/大气数据系统)为核心的组合导航系统及其相关理论，对各个导航子系统进行了系统的分析，针对SINS惯性导航系统、GNSS卫星导航系统进行了建模仿真，并在各子系统的基础上，对SINS/GNSS/ADS组合导航子系统进行了建模仿真。
　　(2)针对硬件余度成本高的问题，提出导航系统的解析余度。从飞行器运动学方程入手，利用解析余度技术，构造导航传感器信号进行导航解算，构建和真实导航设备平行的解析余度。解析信号和硬件设备信号一起参与容错重构管理，不仅为故障检测提供了参照依据，还可以间接延长系统工作时间。
　　(3)研究了导航系统中常用的容错重构算法。从故障检测和多余度信号表决两个方向对容错重构算法进行分析；并在前人研究的基础上，基于奇偶检测法和导航信号的统计特性，提出一种改进的容错重构算法。利用多余度导航信号间差值的统计信息，结合自检测和互检测实现信号的故障检测，进而隔离故障信号，并采用基于统计信息的加权平均表决法完成表决值信号的优选和重构。
　　(4)结合硬件余度和解析余度，对多余度导航系统的结构进行了部署；并利用改进的容错重构算法进行多余度导航信号的管理。最后，对多余度导航系统进行了建模仿真。
　　最终的仿真结果证明了本文的多余度导航系统具有很好的容错重构能力。其中的容错重构管理算法能够很好的检测出三余度系统的一次故障和二次故障，改进的多余度表决方法也能够极大地使重构信号逼近真值，提高了整个系统的安全性和可靠性。

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第一章 绪 论

1.1研究背景及意义

1.2导航技术发展现状

1.3余度技术发展现状

1.4容错重构技术发展现状

1.5本文主要内容和安排

第二章 多余度导航系统原理

2.1常用坐标系及其转换

2.2卫星导航系统

2.3惯性导航系统

2.4大气数据系统

2.5惯性/卫星/大气数据组合导航系统

2.6本章小结

第三章 导航系统的解析余度

3.1基于解析余度的故障检测

3.2导航信号的解析构建

3.3解析余度建模仿真

3.4本章小节

第四章 容错重构算法研究

4.1容错重构技术

4.2容错算法

4.3重构表决算法

4.4容错重构管理算法

4.5本章小节

第五章 系统实现及仿真

5.1总体方案

5.2系统仿真

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果