CN105716623A - 用于姿态错误检测的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于姿态错误检测的系统和方法。提供了用于基于集成的GNSS/惯性混合滤波器残差进行姿态错误检测的系统和方法。在一个实施例中，用于飞行器姿态测量系统的错误检测系统包括：耦合到第一惯性测量单元的传感器监视器，该传感器监视器包括：用于第一惯性测量单元的导航误差模型，所述模型被配置成模拟多个误差状态，其至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及传播器-估计器，其被配置成基于GNSS数据传播和更新误差状态；以及残差评估器，其被配置成输入由传播器-估计器生成的测量误差残留值，其中当测量误差残留值超过阈值时，残差评估器输出警报信号。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年10月8日提交的、题为“SYSTEMSANDMETHODSFORATTITUDEFAULTDETECTIONBASEDONINTEGRATEDGNSS/INERTIALHYBRIDFILTERRESIDUALS”的美国临时申请号62/061,413的优先权和权益，并且其通过引用被整体地并入本文。
背景技术
引出当前商用飞行器设计以消除对具有用于获得飞行器姿态测量的三个可操作高级别(即，导航级别)飞行数据惯性测量单元的需要。期望具有仅包括两个高级别惯性测量单元的飞行器，并具有可以是低级别惯性传感器的第三单元，例如微机电(MEMS)惯性传感器。同时，存在对甚至在两个高级别惯性测量单元中的一个不工作(例如，由于惯性传感器故障)时也保持飞行器起飞的能力的期望。具有用于姿态测量的两个可靠源的飞行器的起飞和操作本身是没问题的，但是可能发展其中两个剩余的工作中的惯性传感器中的一个在飞行期间降级并且开始输出包括某些级别的偏移误差的姿态数据的情形。在那个情况下，当飞行人员观察到两个工作中的惯性传感器正产生不同的滚动和/或俯仰数据时，他门需要能够确定传感器中的哪个正在提供准确的姿态测量，以及哪个不在。
因为上面阐明的原因，并且因为下面阐明的其它原因(在阅读和理解说明书时，其将对于本领域的技术人员而言变得显而易见)，在本领域中存在对用于基于集成GNSS/惯性混合滤波器残差进行姿态错误检测的替换系统和方法的需要。
附图说明
当鉴于优选实施例的描述和下面的附图考虑时，本发明的实施例可以被更加容易地理解，并且其更多优点和使用更加容易地显而易见，其中：
图1是图示出用于提供本公开的一个实施例的飞行器姿态测量的航空电子系统的图；
图2是图示出由本公开的一个实施例的传感器监视器所利用的导航误差模型的图；
图3是进一步图示出本公开的一个实施例的传感器监视器的图；以及
图4是图示出本公开的一个实施例的方法的流程图。
根据惯例，各种所描述的特征并非按比例绘制，而是被绘制成强调与本发明相关的特征。贯穿整个附图和文本，参考字符表示相似的元件。
发明内容
本发明的实施例提供了用于提供姿态错误检测的系统和方法，并且将通过阅读和学习下面的说明书被理解。
提供了用于基于集成GNSS/惯性混合滤波器残差进行姿态错误检测的系统和方法。在一个实施例中，用于飞行器姿态测量系统的错误检测系统包括：耦合到飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元的传感器监视器，所述传感器监视器包括：用于第一惯性测量单元的导航误差模型，所述导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，所述误差状态至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及传播器-估计器，其被配置成基于GNSS数据传播和更新来自导航误差模型的多个误差状态；以及残差评估器，其被配置成输入由传播器-估计器生成的测量误差残留值，其中当测量误差残留值超过预定统计阈值时，残差评估器输出警报信号。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过本发明可以在其中实施的特定说明性实施例示出。这些实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，并且应当理解的是，可以利用其它实施例并且可以在不脱离本发明范围的情况下进行逻辑的、机械的和电气的改变。因此，下面的详细描述不应以限制性的意义进行。
本文所描述的提议的实施例确定在提供纯惯性和GNSS/惯性混和(blended)两者的解(solution)的惯性测量单元的姿态输出中何时存在俯仰或滚动误差。混和解或混合(hybrid)解通过实施卡尔曼滤波器或称为混合滤波器的卡尔曼滤波器等价传播器-估计器来获得。混合滤波器函数间接检查输出导航参数(例如滚动和俯仰)的一致性。这通过基于预期噪声水平针对所有使用的GNSS测量对比阈值集合来不断地评估滤波器残差而被实现。使用本公开的实施例，利用这个类型的残差筛选(screening)来检测在惯性系统输出中的错误。在一些实施例中，在5-10度范围内的滚动和俯仰角度引起在滚动或俯仰超过允许的范围之前，这些残差测试超过它们的阈值，这意味着相似的(但不相等的)方案也可以被用作俯仰和滚动误差检测器。冲突表现为混合传播器-估计器测量残差中的系统偏移，以便它们达到超过测量参数的不确定性的水平。阈值可以被应用到残差以便超过预定水平的姿态误差触发警报。例如，在一个实施例中，评估来自惯性测量单元的残差的部件可以确定对于导航设备而言，是滚动离开(例如，超过10度)，还是俯仰离开(例如，超过5度)，或者是否俯仰和滚动两者都离开。此外，当两个独立的惯性测量单元开始输出不同的姿态解时，提议的实施例能够为可用惯性传感器单元中的每个查看残差水平，并且指示哪个系统正在生成错误的姿态解。
图1是图示出用于向飞行器的飞行人员提供飞行器姿态测量(即，飞行器俯仰和滚动测量)的航空电子系统100的图。系统包括三个惯性测量单元110、120和130。在图1中所示的特定实施例中，系统100包括第一高级别惯性测量单元(110)和第二高级别惯性测量单元(120)，并进一步包括低级别惯性测量单元(130)，其可以例如使用MEMS惯性传感器来实现。然而，系统100不需要被限制到此特定配置。在其它实施例中，惯性测量单元可以是全部高级别的、全部低级别的、全部不同级别的，或者其任何组合。进一步地，在替代实施例中，系统100可以包括多于、或少于三个惯性测量单元。该三个惯性测量单元110、120和130每个将数据输出至一个或多个座舱姿态显示器140，其向飞行人员提供飞行器姿态测量信息。
如图1中所示，使用本公开的实施例，惯性测量单元110、120和130中的每个具有相关联的传感器监视器(在115、125和135处示出)，其识别来自它的惯性传感器的姿态数据何时有疑问或失败。此确定由每个相应的传感器监视器基于来自混合滤波器(最优的或次优的传播器-估计器)的残差进行，其输入来自它的相关联惯性测量单元的惯性数据和全球导航卫星系统(GNSS)数据。GNSS数据可以例如从由飞行器的GNSS接收器160接收的卫星导航信号导出。在一个实施例中，GNSS接收器160包括全球定位系统(GPS)接收器。惯性数据包括姿态、速度和位置数据以及加速度和角速率。从卫星导航信号中导出的GNSS数据可以是伪距(其是测量的到与接收器中的时钟偏移相结合的卫星的距离(乘以光的速度))、基于GNSS的位置数据、或者基于GNSS的速度数据。
使用来自传感器监视器115、125和135的输出，残差评估器145在它确定已经发生错误时生成在仪表状态显示器150上显示的警报。传感器监视器115、125和135可以集成到如图1中所示的惯性测量单元110、120和130。替代地，在其它实施例中，传感器监视器115、125和135可以从惯性测量单元110、120和130在外部地实现。例如，在一个实施例中，传感器监视器115、125和135可以被实现在负责座舱姿态显示器140，或者负责仪表状态显示器150的航空电子设备内。在其它实施例中，传感器监视器115、125和135可以与残差评估器145一起被集成到共同的航空电子部件中。
图2是图示出由传感器监视器115、125或135中的一个中的混合滤波器所利用的导航误差模型状态200的图，其被用于以数学方式模拟与姿态确定相关的导航误差(在210处示出)。如图2中所示，姿态的误差由第一误差状态矢量“姿态误差”模拟。姿态误差包括俯仰和滚动误差分量两者。第二误差状态矢量“速度误差”表示由惯性导航数据提供的速度的误差。被称为“位置误差”的第三误差状态矢量表示由惯性导航数据所提供的位置的误差，例如经度、纬度和海拔误差。第四误差状态矢量“时钟误差”表示GNSS接收器160的时钟的误差，并且被对于处理伪距所需。在混合滤波器中可以存在另外的状态，例如传感器偏移误差、比例因子误差等。
图3是进一步图示出可以被用来实现图1中所示的传感器监视器115、125和135中的任何一个的传感器监视器300的图。在传感器监视器300内，导航误差模型200将误差状态210作为输入供应到预测器-估计器320中，其在某些实施例中可以使用卡尔曼滤波器或其某些变型来实现。预测器-估计器320实现状态预测器和状态更新算法。也就是说，预测器-估计器320基于状态210的当前值预测状态210的将来集合应该是什么值，同时考虑由于噪声或设备公差引起的那个数据中通常可以预期的任何误差。预测器-估计器320然后基于那个预测更新误差状态，并将那些状态与由接收器160提供的GNSS数据的下一个集合进行比较。基于预测器-估计器320的更新的误差状态的测量的GNSS数据和测量预测的任何差异表示称为残留误差的偏差。如果残差是小的，则预测器-估计器320将通过将残留误差(或者至少其一些部分)应用至状态210的预测值的其下一个迭代中来尝试修正误差。如果那个初始残留误差的源与误差模型一致，则根据预测值的随后迭代来计算的将来的残留误差应比初始残留误差更小。
然而，如果由那个传感器监视器300正在监视的惯性测量单元所生成的惯性数据并且尤其是俯仰或滚动存在系统性问题，则大的残差将继续出现并且超过否则可能归因于数据中的噪声的任何预期偏差，并且它们将因此落在误差分布的预期边界之外。因此，来自传感器监视器115、125和135中的每个的反映预期误差分布的残差输出和其相关联的统计参数(例如正态分布中的均值和标准差(sigma))被提供到残差评估器145。
在其中存在两个工作中的惯性测量单元的情况下，如果残差评估器145确定来自用于那些工作中的惯性测量单元的传感器监视器(例如，115、125和135)中的一个的残留误差输出超出某个预定统计阈值(例如，对于预定的K，大于某个Kσ)，则存在相对于用于那个特定惯性测量单元的误差模型200和已处理GNSS数据的不一致性，其指示提供姿态值到那个导航模型200的惯性测量单元可能已经降级或失败。为了对由导航模型200所使用的GNSS卫星导航数据中的误差的可能性进行折扣，残差评估器145确定跨工作中的惯性导航单元的残留值是否类似地增加。也就是说，GNSS卫星导航数据中的误差将类似地出现在由使用那个数据的每个导航模型200所产生的残差中。跨多个传感器监视器的残差的此类增加将不指示惯性传感器单元降级。然而，如果仅其中一个工作中的惯性导航单元经历了残留误差的增加超过了预定统计阈值，则那个确实指示提供姿态值到那个导航模型200的惯性测量单元已经降级或失败。在那点上，残差评估器145输出信号，其在仪表状态显示器150上生成警报。例如，如果用于(高级别的)惯性测量单元#1110的传感器监视器115生成高的残差，则残差评估器145在仪表状态显示器150上输出警报，例如“惯性#1姿态错误”。如果用于(高级别的)惯性测量单元#2120的传感器监视器125生成高的残差，则残差评估器145在仪表状态显示器150上输出警报，例如“惯性#2姿态错误”。类似地，如果用于(低级别的)惯性测量单元#3130的传感器监视器135检测生成高的残差，则残差评估器145在仪表状态显示器150上输出警报，例如“惯性#3姿态错误”。飞行人员因而被通知(多个)有故障的惯性测量单元的降级条件，并且针对飞行的平衡而依赖来自剩余单元的姿态测量。应注意到，来自滚动或俯仰分量的错误姿态数据可以被用作忽视来自受影响的惯性测量单元的所有姿态数据的基础。在较长的时间帧期间还存在其中发展故障的平常的情况，使得混合姿态明显地不同于在测量残差上不具有显著影响的纯的惯性姿态。在那个情况下，与其自身不一致的单元出错。本文所描述的实施例集中在其中混合和纯惯性姿态在预期范围内的不平常的情况。然而，如果姿态作为测量被添加到传播器-估计器，并且相应的残差被添加到向残差评估器提供的测量残差，则针对此情况保持残差监视方案也是可能的。
图4是图示出本发明的一个实施例的方法400的图。在某些实施例中，方法400可以被用来实现关于图1至3所描述的实施例中的任何实施例。方法在410开始，其中监视由飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元生成的姿态解数据。在一个实施例中，飞行器姿态测量系统可以包括一组惯性测量单元，例如图1中所示的惯性测量单元110、120和130。在一个实施例中，系统包括第一高级别惯性测量单元和第二高级别惯性测量单元，并且进一步包括可以使用例如MEMS惯性传感器实现的低级别惯性测量单元。然而，飞行器姿态测量系统不需要被限制到此特定配置。在其它实施例中，惯性测量单元可以是全部高级别的、全部低级别的，全部不同级别的，或者其任何组合。进一步地，在替代实施例中，方法400可以在包括多于或少于3个惯性测量单元的系统内实现。惯性测量单元每个被配置成将数据输出到一个或多个座舱姿态显示器，其将飞行器姿态测量信息提供给飞行人员。
方法进行到420，其中执行用于第一惯性测量单元的导航误差模型，该导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，其至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量和位置误差状态矢量，并且进行到430，其中使用传播器-估计器来生成测量误差残留值，其中传播器-估计器被配置成基于GNSS数据迭代地更新来自导航误差模型的多个误差状态。如图2中所示，姿态的误差由第一误差状态矢量“姿态误差”在导航误差模型内模拟。姿态误差包括俯仰和滚动误差分量两者。第二误差状态矢量“速度误差”表示由惯性导航数据提供的速度的误差。被称为“位置误差”的第三误差状态矢量表示由惯性导航数据提供的位置的误差，例如经度、纬度和海拔误差。第四误差状态矢量“时钟误差”表示GNSS接收器160的时钟的误差，并且对于处理伪距而被需要。在混合滤波器中可以存在另外的状态，例如传感器偏移误差，比例因子误差等。可以使用卡尔曼滤波器来实现传播器-估计器。在一个实施例中，从第一惯性测量单元输出的纯的惯性姿态作为测量被添加到传播器-估计器。此外，测量误差残留值可以包括用于由第一惯性测量单元生成的俯仰测量和滚动测量之一或两者的测量误差。
方法进行到440，其中针对预定统计阈值来比较测量误差残留值，并且当测量误差残留值超过预定统计阈值时生成警报信号。如果被监视的第一惯性测量单元所生成的惯性数据并且尤其是俯仰或滚动存在系统性问题，则大的残差将出现，并超过否则可归因于数据中的噪声的任何预期偏差。测量误差残留值将因此落在误差分布的预期边界之外。在其中存在两个工作中的惯性测量单元的情况下，如果用于第一惯性测量单元的残留误差或测量误差残留值超过某个预定的统计阈值(例如，对于预定的K，大于某个Kσ)，则存在相对于用于那个特定的惯性测量单元的误差模型和已处理GNSS数据的不一致性，其指示向导航模型提供姿态值的惯性测量单元可能已经降级或失败。在一个实施例中，警报信号在显示器上产生指示第一惯性测量单元有故障的警报。在某些实施例中，当来自相关联的传播器-估计器的测量误差残留值超过预定统计阈值，但是来自与第二惯性测量单元相关联的第二传播器-估计器的测量误差残留值未超过预定统计阈值时，在块440处生成警报信号进一步包括产生警报信号。
示例实施例
示例1包括用于飞行器姿态测量系统的错误检测系统，错误检测系统包括：耦合到飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元的传感器监视器，所述传感器监视器包括：用于第一惯性测量单元的导航误差模型，导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，其至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及传播器-估计器，其被配置成基于GNSS数据来传播和更新来自导航误差模型的多个误差状态；以及残差评估器，其被配置成输入由传播器-估计器生成的测量误差残留值，其中当测量误差残留值超过预定统计阈值时，残差评估器输出警报信号。
示例2包括示例1的错误检测系统，其中GNSS数据是伪距、GNSS位置数据或GNSS速度数据。
示例3包括示例1-2的任何一个的错误检测系统，其中传播器-估计器是卡尔曼滤波器。
示例4包括示例1-3的任何一个的错误检测系统，其中来自第一惯性测量单元的纯的惯性姿态输出作为测量被添加到传播器-估计器。
示例5包括示例1-4的任何一个的错误检测系统，进一步包括显示器；其中警报信号在显示器上产生指示第一惯性测量单元有故障的警报。
示例6包括示例1-5的任何一个的错误检测系统，进一步包括：耦合到飞行器姿态测量系统的第二惯性测量单元的第二传感器监视器，第二传感器监视器包括：用于第二惯性测量单元的第二导航误差模型，该导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，其至少包括根据由第二惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、位置误差状态矢量；以及第二传播器-估计器，其被配置成基于GNSS数据传播和更新来自第二导航误差模型的多个误差状态。
示例7包括示例6的错误检测系统，其中当来自与第一惯性测量单元相关联的传播器-估计器的残留误差值超过预定统计阈值、但是来自与第二惯性测量单元相关联的第二传播器-估计器的残留误差值未超过预定统计阈值时，残差评估器输出警报信号。
示例8包括示例1-7的任何一个的错误检测系统，其中测量误差残留值包括用于由第一惯性测量单元生成的俯仰测量和滚动测量之一或两者的测量误差。
示例9包括示例1-8的任何一个的错误检测系统，其中传感器监视器集成到第一惯性测量单元。
示例10包括惯性测量系统，该系统包括：飞行器机上的惯性测量单元，该惯性测量单元被配置成输出飞行器的姿态测量；耦合到惯性测量单元的传感器监视器，传感器监视器包括：用于惯性测量单元的导航误差模型，导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，其至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及传播器-估计器，其被配置成基于GNSS数据传播和更新来自导航误差模型的多个误差状态；以及残差评估器，其被配置成输入由传播器-估计器生成的测量误差残留值，其中当测量误差残留值超过预定统计阈值时，残差评估器输出警报信号。
示例11包括示例10的系统，进一步包括显示器；其中警报信号在显示器上产生指示第一惯性测量单元有故障的警报。
示例12包括示例10-11的任何一个的系统，其中当来自相关联的传播器-估计器的残留误差值超过预定统计阈值、但是来自与第二惯性测量单元相关联的第二传播器-估计器的残留误差值未超过预定统计阈值时，残差评估器输出警报信号。
示例13包括示例10-12的任何一个的系统，其中传感器监视器集成到惯性测量单元。
示例14包括用于飞行器姿态测量系统的错误检测方法，方法包括：监视由飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元生成的姿态解数据；执行用于第一惯性测量单元的导航误差模型，所述导航误差模型被配置成模拟多个误差状态，其至少包括根据由第一惯性测量单元生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；使用传播器-估计器生成测量误差残留值，其中该传播器-估计器被配置成基于GNSS数据迭代地更新来自导航误差模型的多个误差状态；以及针对预定统计阈值来比较测量误差残留值，并且当测量误差残留值超过预定统计阈值时生成警报信号。
示例15包括示例14的方法，其中GNSS数据是伪距、GNSS位置数据或GNSS速度数据。
示例16包括示例14-15的任何一个的方法，其中传播器-估计器是卡尔曼滤波器。
示例17包括示例14-16的任何一个的方法，其中来自第一惯性测量单元的纯的惯性姿态输出作为测量被添加到传播器-估计器。
示例18包括示例14-17的任何一个的方法，其中警报信号在显示器上产生指示第一惯性测量单元有故障的警报。
示例19包括示例14-18的任何一个的方法，其中测量误差残留值包括用于由第一惯性测量单元生成的俯仰测量和滚动测量之一或两者的测量误差。
示例20包括示例14-19的任何一个的方法，进一步包括：当来自相关联的传播器-估计器的测量误差残留值超过预定统计阈值、但是来自与第二惯性测量单元相关联的第二传播器-估计器的测量误差残留值未超过预定统计阈值时，产生警报信号。
虽然已经在本文中图示和描述了特定实施例，但是本领域普通技术人员将认识到的是，被计算成实现相同目的的任何布置可以替代示出的特定实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何修改或变化。因此，显然旨在本发明仅被权利要求及其等同物来限制。
Claims (3)
1.一种用于飞行器姿态测量系统的错误检测系统(100)，该错误检测系统(100)包括：
传感器监视器(115，125，135)，其耦合到飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元(110，120，130)，该传感器监视器(115，125，135)包括：
用于第一惯性测量单元(110，120，130)的导航误差模型(200)，导航误差模型(200)被配置成模拟多个误差状态(210)，其至少包括根据由第一惯性测量单元(110，120，130)生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及
传播器-估计器(320)，其被配置成基于GNSS数据来传播和更新来自导航误差模型(200)的多个误差状态(210)；以及
残差评估器(145)，其被配置成输入由传播器-估计器(320)生成的测量误差残留值，其中当测量误差残留值超过预定统计阈值时，残差评估器(145)输出警报信号。
2.权利要求1所述的错误检测系统(100)，进一步包括：
第二传感器监视器(115，125，135)，其耦合到飞行器姿态测量系统的第二惯性测量单元(110，120，130)，所述第二传感器监视器(115，125，135)包括：
用于第二惯性测量单元(110，120，130)的第二导航误差模型(200)，该导航误差模型(200)被配置成模拟多个误差状态(210)，其至少包括根据由第二惯性测量单元(110，120，130)生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；以及
第二传播器-估计器(320)，其被配置成基于GNSS数据传播和更新来自第二导航误差模型(200)的多个误差状态(210)；
其中当来自与第一惯性测量单元(110，120，130)相关联的传播器-估计器(320)的残留误差值超过预定统计阈值，但是来自与第二惯性测量单元(110，120，130)相关联的第二传播器-估计器(320)的残留误差值未超过预定统计阈值时，残差评估器(145)输出警报信号。
3.一种用于飞行器姿态测量系统的错误检测方法(400)，方法包括：
监视(410)由飞行器姿态测量系统的第一惯性测量单元(110，120，130)生成的姿态解数据；
执行(420)用于第一惯性测量单元(110，120，130)的导航误差模型(200)，所述导航误差模型(200)被配置成模拟多个误差状态(210)，其至少包括根据由第一惯性测量单元(110，120，130)生成的数据确定的姿态误差状态矢量、速度误差状态矢量、和位置误差状态矢量；
使用传播器-估计器(320)生成(430)测量误差残留值，其中所述传播器-估计器(320)被配置成基于GNSS数据迭代地更新来自导航误差模型(200)的多个误差状态(210)；以及
针对预定统计阈值来比较(440)测量误差残留值，并且当测量误差残留值超过预定统计阈值时生成警报信号；
其中警报信号在显示器上产生指示第一惯性测量单元(110，120，130)有故障的警报。
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