CN112033441B - 用于bds/mems组合导航下的联动编队完好性监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,对BDS/MEMS组合导航下的联动目标相对定位进行自主完好性监测。首先,本方法考虑所有导致联动目标导航中断和误导的风险,将连续性风险和完好性风险进行合理分配;然后,根据连续性风险对联动目标的相对定位进行故障检测和排除;最后,根据完好性风险严密计算相对定位的保护水平,当相对定位保护水平不能满足安全距离限值时,实时向用户报警。本发明可为联动目标相对定位提供可信监测,避免联动目标在作业时发生相互碰撞,从而为联动目标编队的作业提供了安全保障。
Description
技术领域
本发明涉及北斗导航系统(BDS)领域以及北斗卫星导航和惯性导航系统(INS)的组合定位领域,提出一种用于联动目标编队相对定位的自主完好性监测方法。
背景技术
联动目标编队是由数十个、甚至数百个无人机、车辆或舰船等移动目标组成,编队中的移动目标像蜜蜂一样分工协同运行。移动目标以自身位置为中心,按照预定的路线行驶,与其它目标之间通过无线通信网络进行连接,自主解算与其它目标之间的相对位置,并自动调整相互之间的安全距离。联动目标编队不仅用于军事领域的无人机蜂群、舰船编队和车辆编队的协同侦查和作战,在国民生活领域中也有广泛的应用前景,如用于营救、环境监测和智能交通系统车辆队列的安全行驶和管理等领域。
在联动目标编队作业时,目标间精确、可信的实时相对位置是安全有效且协同工作的前提。在相对定位技术中,由于BDS导航系统不仅可以全天候高效作业,而且可获得厘米级的相对定位结果,在国民生活和生产建设领域有着广泛的应用。将BDS与INS组合,可以有效地克服BDS易受环境影响和INS误差随时间积累的缺陷,为联动目标提供更稳定可靠的高精度相对定位结果。随着多频多系统BDS的发展,BDS/INS组合导航研究取得了丰硕的成果,并得到了广泛的应用,但在人们普遍关注定位精度的同时却忽视了其完好性能。目前虽然有研究人员对定位结果进行故障检测、剔除和可靠性分析,但却没有考虑用户定位结果的完好性风险,也没有实施严密的完好性监测,因此用户对导航定位结果的可信程度一无所知。由于缺乏系统和成熟的完好性监测技术,联动目标间的安全距离无法保障,这给联动目标编队作业,尤其在复杂环境下作业带来了安全隐患。
发明内容
本发明将为BDS/MEMS组合导航的联动目标提供自主完好性监测,监测内容包括检测和剔除BDS/MEMS组合导航系统中的故障;根据完好性风险和连续性风险计算联动目标之间的平面和高程方向的保护水平;当故障不能排除或者保护水平不能满足告警限值的要求时,实时向用户报警。本发明为联动目标相对定位提供可信监测,避免联动目标相互碰撞的发生,从而为联动目标编队的安全作业提供了保障。
本发明提供一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,包括以下步骤:
步骤1,将连续性风险和完好性风险指标在导航系统和非导航系统间分配,非导航系统风险指由导航和通讯硬件设备故障、信号被干扰和通讯中断带来的风险。
步骤2,利用基于BDS/MEMS组合导航的联动目标相对定位解算结果构建用于完好性监测的数学模型;
步骤3,根据多故障假设,考虑所有可能存在的导航风险,构建联动目标相对定位多故障假设Hi(k=0,1,2…);根据先验完好性信息,确定需要被完好性监测的故障状态;
步骤5,根据连续性风险对BDS/MEMS相对定位观测值进行故障检测和排除;
步骤6,根据完好性风险计算联动目标相对定位在平面和高程方向的保护水平;
步骤7,将平面和高程方向的保护水平与安全限值比较,判断保护水平是否能够满足安全限值要求,并向用户发出安全或告警的指令。
在上述的自主完好性监测中,所述步骤1的风险分配具体如下:
步骤1.1,首先将连续性风险PCONT在导航系统和非导航系统间分配,分配于导航系统和非导航系统的连续性风险分别为PFA和PCONT_facility;
步骤1.2,将完好性风险在导航系统和非导航系统间分配,分配于导航系统和非导航系统的完好性风险分别为PHMI_NAV和PHMI_facility;
步骤1.3,将分配于导航系统的完好性风险PHMI_NAV在被监测的故障状态和不被监测的故障假设状态间分配,分别为PHMI_M和PHMI_UnM;
步骤1.4,将完好性风险PHMI_NAV在联动目标相对定位结果的东、北和天(E、N和U)方向上分配,分别为PHMI_E、PHMI_N和PHMI_U。
在一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法中,步骤2的具体实现方法如下:
步骤2.1,利用BDS/MEMS组合导航联动目标相对定位结果重建观测方程
其中
步骤2.3综合考虑BDS空间信号故障、两动点的信号在传播过程中被干扰、基线解算中整周模糊的固定错误等因素造成的故障,确定联动目标基线观测值的先验故障概率PBDSi;MEMS工作相对稳定,不受环境影响,这里PMEMS取经验值。
在一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法中,步骤3的具体实现方法如下:
步骤3.1,建立基线观测值无故障假设H0,任意一个基线观测值故障假设和任意两个观测值故障假设状态等Hi(1,2…),确定相应的故障假设中健康观测值集合idxi;
步骤3.2,根据BDS/MEMS先验故障概率确定P(Hk),P(Hk)的计算方法如下:
无故障假设状态H0发生的概率为
其中n为观测值的个数,Pi为在步骤2.3中确定的观测值先验故障概率;任意一个传感器s发生故障且其它传感器无故障的假设为Hk,Hk发生的概率概率为
其中Pi为在步骤2.3中确定的基线先验故障概率;
步骤3.3;将故障状态概率P(Hk)从大到小排序,并从大概率开始累加故障假设状态概率,当
即停止累加,被累加的Hi(i=0,1,2…k)即为需要被监测的故障假设状态;
在一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法中,步骤4的具体实现方法如下:
在一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法中,步骤5的具体实现方法如下:
步骤5.1,对故障进行检测,如果
F-1表示χ2分布的反函数;PFA为在步骤1.1中分配的连续性风险;n为观测值的个数;m为基线解算中的为未知参数的个数。
步骤5.3,在步骤5.2中,若故障无法被识别,这时的保护水平标记为HPL=999,VPL=999,表示系统不能满足完好性要求。
在一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法中,步骤6的具体实现方法如下:
步骤6.1,计算每一个被监测的故障假设Hi(i=0,1,2…k)的保护水平,如在故障假设下U方向的保护水平计算如下
其中
步骤6.2,E和N方向的保护水平EPLi和NPLi的计算与U方向的计算方法类同;平面方向的保护水平计算方法为
步骤6.3按照6.1和6.2的方法依次计算UPLi(i=0,1,2…k)和HPLi,最后联动目标的保护水平为
HPL=max(HPLi)
UPL=max(UPLi)
本发明具有以下的创新点:1、传统的高精度相对定位技术中,一般多关注相对定位的精度,即使有对观测值故障进行检测和排除,也多基于可靠性层面的方法,未量化导航系统的完好性风险,也未计算完好性风险要求下的保护水平。本方法考虑来自导航系统所有潜在完好性风险,根据完好性风险指标计算高精度相对定位的保护水平,实现了真正意义上的完好性监测。2、本方法对BDS/MEMS组合导航的联动目标进行自主完好性监测,无需在联动目标附近布设基站,不受监测区域的影响,作业自由灵活;可在开阔环境下和复杂环境下作业,可为无人机蜂群、地面车辆编队、舰船编队作业提供安全保障。3、本方法基于多故障假设理论,算法严密,量化了所有来自导航系统的导航风险,考虑了BDS/MEMS多传感器同时发生故障带来的风险,不仅适用于BDS/MEMS组合导航,同样也适用于其它多种不同类传感器组合导航的自主完好性监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明做进一步说明,附图中:
图1为本发明用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法中的整体工作流程;
图2为本发明完好性风险和连续性风险的分配方案示意图;
图3为本发明确定被监测故障假设的工作流程;
图4为故障检测、剔除、保护水平计算和可用性判定之间的关系和流程;
图5为保护水平计算的工作流程;
图6为用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明为多传感器组合导航下的联动目标编队提供了一种完好性监测方法,本发明针对高精度相对定位实施完好性监测,其算法严密,并且无需布设监测基准站,作业灵活自由,可为联动目标提供可信的和稳定的完好性监测。图1显示了基于BDS/MEMS组合导航下的联动目标编队完好性监测方法的整体工作流程,图2显示了完好性风险和连续风险的分配方案示意图,图3显示了在自主完好性监测中,确定被监测的故障假设的工作流程,图4显示了故障检测、剔除、保护水平计算和可用性判定之间的关系和流程,图5显示了保护水平计算的工作流程。
为了使本发明的方法和工作流程更加清晰明确,下面结果附图对本发明进行详细说明。
图1为用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法的整体工作流程。该发明包括以下步骤:
步骤101:根据图2所示的分配方案将完好性风险指标和连续性风险在导航系统和非导航系统间分配,被监测故障状态的完好性风险上限值PHMI_M,然后将分配于导航系统的完好性风险PHMI_NAV在东、北、天(E、N和U)方向上分配。
步骤102:根据BDS/MEMS紧组合解算的联动目标间的相对定位结果,重建基线观测方程。
步骤103:根据重建的基线观测方程、先验故障概率和被监测故障的完好性风险上限值确定被监测的故障假设状态,具体确定方法见图3。
步骤105:根据连续性风险对基线观测值进行故障检测,若检测到故障,对各故障假设状态进行故障识别,并排除识别出的故障。故障检测和识别计算流程和相互之间的关系见图4所示。
步骤106:根据分配的完好性风险,利用图5所示的流程计算高程方向和水平方向的保护水平。
步骤107:根据计算出的保护水平和安全距离限值判断联动目标相对定位结果是否满足完好性要求。步骤105、步骤106和步骤107之间的关系和工作流程见图4。
图2为完好性风险指标和连续性风险指标的分配方案。导致联动目标导航误导和导航中断的风险不仅来自于导航系统服务,还来自于导航设备和通讯设备故障等,所以首先将风险在导航系统和非导航系统间分配,然后将分配于导航系统的风险再进一步在不被监测的故障假设状态和被监测故障状态间分配。图2中的具体步骤如下:
步骤201:将完好性风险指标分配于设备和通讯异常带来的误导风险PHMI_facility和导航定位服务自身带来的误导风险PHMI_NAV;
步骤202:将分配于导航定位服务风险PHMI_NAV分配为不被监测的故障假设状态导致的风险PHMI_UnM和被监测的故障假设状态导致的风险PHMI_M。
步骤203:将完好性风险PHMI_M分在基线E、N和U方向上分配,分别为PHMI_E、PHMI_N和PHMI_U。
步骤204:将连续性风险PCONT分配于设备和通讯异常导致的导航中断和导航系统服务故障导致的导航中断,在两者之间分配的连续性风险分别为PCONT_facilit和PFA。
图3为确定被监测故障假设的工作流程,具体步骤和说明如下:
步骤301:综合考虑BDS空间信号故障、两动点的信号在传播过程中被干扰、基线解算中整周模糊的固定错误等因素造成的故障,确定联动目标基线观测值的先验故障概率PBDSi;MEMS观测值故障概率取经验值PMEMS。
步骤302:建立基线观测值无故障假设H0,任意一条基线观测值故障假设状态和任意两个观测值故障假设状态等Hi(1,2…),确定相应的故障假设中健康观测值集合idxi;
步骤303:根据BDS/MEMS的先验故障概率确定P(Hi)。
步骤304:将故障概率P(Hi)从大到小排序,并累加故障状态概率。
步骤305:当累加的故障假设状态概率大于PHMI_M即停止累加,被累加的故障状态即为需要被监测的故障假设状态。
步骤306:输出被监测故障假设状态,输出的故障假设状态用于下一步的保护水平计算。
图4为故障故障检测、剔除、保护水平计算与可用性判定之间的关系和流程图,具体步骤和说明如下:
步骤404:对故障进行识别:满足步骤403并且观测值最多的故障假设状态即为被识别的故,即
步骤405:计算排除故障后的高程和平面方向的保护水平;
步骤406:若步骤403中没有搜索到小于检测限值的故障假设状态,将高程和水平方向的保护水平均标记为“999”;
步骤407:判断联动目标相对定位结果是否满足完好性要求:若高程和平面方向的保护水平同时满足各自的告警限值,联动目标相对定位结果可用;否则不可用。
图5为高程和平面方向保护水平的计算流程示意图,具体步骤如下:
步骤5.2:根据5.1计算的方差和分配于E、N和U方向的完好性风险计算保护水平,高程方向的保护水平的计算如下:
步骤5.3:计算各个故障假设状态下的水平方向保护水平,计算方法如下
步骤504:确定联动目标相对定位保护水平,水平方向的保护水平为
HPL=max(HPLi)(i=0,1,2…k);
高程方向的保护水平为
UPL=max(UPLi)(i=0,1,2…k)。
为了实现上述用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,如图6所示,本发明实施例用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测系统包括:
风险指标分配模块,用于将连续性风险和完好性风险指标在导航系统和非导航系统间分配,非导航系统风险指由导航和通讯硬件设备故障、信号被干扰和通讯中断带来的风险;
完好性监测模型构建模块,用于利用基于BDS/MEMS组合导航的联动目标相对定位解算结果构建用于完好性监测的数学模型;
故障状态确定模块,用于根据多故障假设,考虑所有可能存在的导航风险,构建联动目标相对定位多故障假设Hi(k=0,1,2…);根据先验完好性信息,确定需要被完好性监测的故障状态;
故障检测排除模块,用于根据连续性风险对BDS/MEMS相对定位观测值进行故障检测和排除;
保护水平计算模块,用于根据完好性风险计算联动目标相对定位在平面和高程方向的保护水平;
告警模块,用于将平面和高程方向的保护水平与安全限值比较,判断保护水平是否能够满足安全限值要求,并向用户发出安全或告警的指令。
各个模块的具体实现详见上文实施例的用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,在此不赘述。
本发明实施例计算机存储介质,其内存储有可被处理器执行的计算机程序,该计算机程序执行上述实施例的用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,具体方法步骤在此不赘述。
应当理解的是,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,将连续性风险PCONT在导航系统和非导航系统间分配,分别为PFA和PCONT_facility;将完好性风险在导航系统和非导航系统间分配,分别为PHMI_NAV和PHMI_facility;将分配于导航系统的完好性风险PHMI_NAV在被监测的故障状态和不被监测的故障假设状态间分配,分别为PHMI_M和PHMI_UnM;将完好性风险PHMI_NAV在联动目标相对定位结果的东E、北N和天U方向上分配,分别为PHMI_E、PHMI_N和PHMI_U;非导航系统风险指由导航和通讯硬件设备故障、信号被干扰和通讯中断带来的风险;
步骤2,利用基于BDS/MEMS组合导航的联动目标相对定位解算结果构建用于完好性监测的数学模型;
步骤3,根据多故障假设,考虑所有可能存在的导航风险,构建联动目标相对定位多故障假设;根据先验完好性信息,确定需要被完好性监测的故障状态;
步骤5,根据连续性风险对BDS/MEMS相对定位观测值进行故障检测和排除;
步骤6,根据完好性风险计算联动目标相对定位在平面和高程方向的保护水平;
步骤7,将平面和高程方向的保护水平与安全限值比较,判断保护水平是否能够满足安全限值要求,并向用户发出安全或告警的指令。
2.根据权利要求1所述的一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,其特征在于,所述的步骤2中,建立完好性监测数学模型的具体方法如下:
步骤2.1,利用BDS/MEMS组合导航联动目标相对定位结果重建观测方程
其中
步骤2.3,综合考虑BDS空间信号故障、两动点的信号在传播过程中被干扰、基线解算中整周模糊的固定错误因素造成的故障,确定联动目标基线观测值的先验故障概率Pi;MEMS工作相对稳定,不受环境影响,MEMS的经验故障概率PMEMS取经验值。
3.根据权利要求2所述的一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,其特征在于,所述的步骤3中,确定需要被完好性监测故障状态的具体方法如下:
步骤3.1,建立联动目标相对定位多故障假设Hi,i=0,1,2…k,故障假设包括无故障假设状态H0,任意一个基线观测值故障假设状态和任意两个观测值故障假设状态,确定相应的故障假设中健康观测值集合idxi;
步骤3.2,根据BDS/MEMS先验故障概率确定P(Hi),P(Hi)的计算方法如下:
无故障假设状态H0发生的概率为
其中n为观测值的个数,Pi为在步骤2.3中确定的观测值先验故障概率;任意一个传感器s发生故障且其它传感器无故障的假设为Hs,Hs发生的概率为
步骤3.3;将故障状态概率P(Hi)从大到小排序,并从大概率开始累加故障假设状态概率,当
即停止累加,被累加的Hi,i=0,1,2…k为需要被监测的故障假设状态。
5.根据权利要求1所述的一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法,其特征在于,所述的步骤5中,故障检测和排除具体操作方法如下:
步骤5.1,对故障进行检测,如果
F-1表示χ2分布的反函数;PFA为在步骤1中分配的连续性风险;n为观测值的个数;m为基线解算中的为未知参数的个数;
步骤5.3,在步骤5.2中,若故障无法被识别,这时的保护水平标记为HPL=999,VPL=999,表示系统不能满足完好性要求。
7.一种用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测系统,其特征在于,该系统包括:
风险指标分配模块,用于将连续性风险和完好性风险指标在导航系统和非导航系统间分配,非导航系统风险指由导航和通讯硬件设备故障、信号被干扰和通讯中断带来的风险;
完好性监测模型构建模块,用于利用基于BDS/MEMS组合导航的联动目标相对定位解算结果构建完好性监测的数学模型;
故障状态确定模块,用于根据多故障假设,考虑所有可能存在的导航风险,构建联动目标相对定位多故障假设Hi,i=0,1,2…k;根据先验完好性信息,确定需要被完好性监测的故障状态;
故障检测排除模块,用于根据连续性风险对BDS/MEMS相对定位观测值进行故障检测和排除;
保护水平计算模块,用于根据完好性风险计算联动目标相对定位在平面和高程方向的保护水平;
告警模块,用于将平面和高程方向的保护水平与安全限值比较,判断保护水平是否能够满足安全限值要求,并向用户发出安全或告警的指令。
8.一种计算机存储介质,其特征在于,其内存储有可被处理器执行的计算机程序,该计算机程序执行如权利要求1-6中任一项所述的用于BDS/MEMS组合导航下的联动编队完好性监测方法。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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