CN115752516A - 一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及惯性导航技术领域，尤其是一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其步骤为：(1)给出激光惯导所有可能故障状态及故障检测内容；(2)设备开机自检；(3)初始对准；(4)纯惯性导航检测；(5)DVL速度组合导航检测；(6)卫星位置组合导航检测，本发明从激光陀螺和加速度计的器件级故障检测到导航设备的系统故障检测，提高设备的自检效率，进一步发挥惯导的性能和导航的可靠性。

Description

一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，具体领域为一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法。

背景技术

激光陀螺与光纤陀螺是新一代惯性传感器，均利用光的Sagnac效应进行角速度测量，但二者的光路有很大差别。激光陀螺的光路是固定玻璃腔，通过测量腔内两束非互易的激光频差得到角速度信号，因其激光光路短，且在真空中运行，敏感环路结构稳定，受温度等外界应力影响较小。光纤陀螺的光路由数千米光纤绕制而成，任意一处由振动、温度、湿度、气压等环境变化引起的光路变化都会引起测量误差；另由于光纤环圈通过环氧树脂胶体粘接而成，在长期使用过程中，由于胶体的老化变形，光纤陀螺的零偏与标度因数发生改变，最终造成系统精度下降。因此，激光陀螺与光纤陀螺虽然原理相同，但前者较后者在长期稳定性、环境适应性上均具有明显优势。

目前，随着激光惯性技术的发展，激光惯导的优势得到进一步发展，目前各种激光惯导分别批量装备海陆空及民用领域。为提高激光惯导的用户体验，降低产品的维护成本，有必要从激光陀螺和加速度计的器件级故障检测到导航设备的系统故障检测，提高设备的自检效率，进一步发挥惯导的性能和导航的可靠性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，(1)对激光陀螺和石英挠性加速度计的监测信息实时进行故障判断，发生故障时，实时上报用户；(2)在对准和导航过程中，利用外部卫导信息和多普勒信息，实时判断卫导信息和多普勒信息的有效性，同时，实时检测惯导系统对准和导航过程中的导航信息和卡尔曼滤波参数，实时上报惯导对准和导航过程中的有效性；(3)实时提供激光惯导工作状态，降低人工维护成本。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其步骤为：

(1)给出激光惯导所有可能故障状态及故障检测内容，根据不同阶段的故障状态检测方法不同，同时给出了不同工作状态下，故障检测内容，后面根据不同故障检测内容，给出具体检测方法；

(2)设备开机自检，主要检测内容包括硬件初始化、参数初始化及惯性器件检测；

(3)初始对准，主要检测内容包括卫导有效性、对准过程有效性及系统误差监测情况；

(4)纯惯性导航检测，主要检测内容包括导航信息有效性及载体实时状态；

(5)DVL速度组合导航检测，主要检测内容包括多普勒测量信息、速度组合导航状态及导航性能估计；

(6)卫星位置组合导航检测，检测内容主要包括卫星测量信息、位置组合导航状态及导航性能估计。

在其中一些实施例中，根据步骤(2)，

在硬件初始化检测中，首先检测导航计算机启动是否正常，其次，检测电源模块、IF转换模块及惯性器件的供电电压及电流是否正常，最后，导航计算机对外接口初始化是否正常；

在参数初始化检测中，首先检测读取硬件保存的系统导航参数是否正常，其次，检测系统温度，完成激光陀螺、加速度计等温度模型相关参数配置，最后，完成初始对准相关参数的初始化，包括对准时间、迭代对准次数、初始化卡尔曼滤波器参数等，是否在规定的范围内；

在惯性器件检测中，实时读取激光陀螺惯性导航设备中的激光陀螺、石英挠性加速度计及温度参数。

在其中一些实施例中，惯性器件检测方式为：

1)数据有效性判断，

首先，计算读取的激光陀螺和加速度计数据大小，其数值应在规定的阈值范围内；然后，计算陀螺和加速度计数据的极差和数据的波动性，也应在对应的阈值范围内；最后，分别计算激光陀螺和加速度计的合成角速度和加速度，静态条件下，应与地球自转角速度和重力加速度基本一致，动态条件下，应在对应的阈值范围内，应用这些评估方法，检测读取的测量值是否正常；

2)监测数据判断，

首先，实时接收激光陀螺的光亚、光强、抖幅、抖频及阴阳极温度，监测激光陀螺工作状态是否正常，不在对应监测阈值内，认为设备工作异常；其次，实时接收加速度计温度，将加速度计温度与激光陀螺温度相互比较，温度差和温度变化率应在对应的阈值范围内；最后，实时检测IF的高精度时钟晶振，与本地计算机晶振应在一定的误差范围内。

在其中一些实施例中，根据步骤(3)，

卫导有效性检测，设备具备初始对准条件后，实时接收卫星导航的导航数据，首先判断数据是否连续，若出现连续大于2秒卫导无效或无连续数据，判断为卫导数据连续性差，若出现1分钟内无效数据30秒以上，上报惯导设备不具备初始对准条件；其次，解包卫导数据包协议内容，包括卫导的有效性、Hdop值，判断卫导是否有效并满足惯导初始对准的应用条件；然后，对接收的卫导经纬度、高度和速度等信息进行判断，利用速度、航迹向和经纬度的关系，判断载体是否静止和运动，在静止或运动条件下，判断经纬度和速度数据的波动性，超出预定阈值范围，认为卫导定位异常；最后，在初始对准过程中，实时判断卫导速度经纬度与惯导初始对准过程中输出的经纬度和速度信息相关特性，判断卫导是否在对应的阈值范围内；

对准过程的有效性检测，首先，连续接收卫导有效数据30秒，设备自动开始进入初始对准流程，前100秒，完成动态解析对准，对准结束后，设备进入卡尔曼滤波组合导航对准；其次，在初始对准的过程中，实时检测卫导有效性，若连续出现1分钟卫导无效数据，在初始对准状态位给出初始对准失败；然后，初始对准要求平台处于静止状态或匀速直线运动状态，利用惯性器件和卫导数据判断平台是处于哪种状态，在解析对准过程中，根据卫导航迹向和速度变化，发现设备速度和航迹向变化同时超过规定阈值，设备停止初始对准，上报初始对准过程异常，对准失败；接着，在初始对准结束前240秒内，检测惯导航向变化，大于45度航向变化，报初始对准机动异常，对准性能下降；最后，实时判断惯导输出的位置、速度、航向及姿态，位置误差应与卫导经纬度误差小于5米以内，速度误差应小于0.1节，在匀速直航对准过程中，航向变化率和航向变化值应分别不超过1度每秒和90度，姿态变化小于10度，在静止对准过程中，航向变化率和航向变化值应分别不超过0.1度每秒和3度，姿态变化小于1度；

系统误差监测，首先，实时判断对准过程中速度和航向误差变化情况，东北向速度误差变化量应小于0.002m/s，航向误差变化量应小于0.001°/s；其次，实时判断初始对准过程中的系统误差估计情况，静态对准过程中，估计的速度误差不应超过2节，航向误差不应超过0.2度，匀速直航对准过程中，估计的速度误差不应超过4节，航向误差不应超过1.0度，若超出对应设置的阈值，上报对准过程系统误差估计异常；然后，实时判断对准过程中估计的惯性器件常值零偏，激光陀螺零偏不应超过0.1度/小时，加速度计常值零偏不应超过500ug，超出对应的阈值，输出惯性器件输出异常；最后，对准结束前30秒，实时检测惯性器件估计零偏，激光陀螺零偏不应超过0.02度/小时，加速度计常值零偏不应超过200ug，超出对应的阈值，输出惯性器件输出异常。

在其中一些实施例中，根据步骤(4)，

导航信息有效性检测，首先，实时判断载体的速度，根据运动载体的最大航行速度V_max，结合惯导速度误差为1m/s,设惯导纯惯性导航时间为t,则定义惯导速度阈值为V＝V_max+1.0t，实时判断载体速度，超过该值发送导航速度精度异常，超过2倍阈值，直接输出导航精度故障；其次，判断载体的摇摆角速度情况，对三个方向角速度进行判断，超出规定阈值，输出载体角速度异常，超出陀螺最大角速度400°/s，输出惯导角速度故障；

载体实时状态，首先，实时判断载体航向姿态信息，姿态信息应在一定范围内，超出规定值输出姿态异常；其次，判断输出的经纬度位置信息，根据载体的运动速度V和惯导速度误差δV，设初始经纬度分别为L₀,λ₀，纯惯性导航时间为t,分别计算载体的经纬度位置范围，超出位置范围发送位置信息异常。

在其中一些实施例中，以纬度计算公式为例，其计算方式为：

L＝L₀+(V_max+δV)t/R

R为地球半径。

在其中一些实施例中，根据步骤(5)，

多普勒测量信息，首先，实时接收多普勒测量信息，计算相邻两组多普勒信息的间隔时间，当多普勒间隔时间超过2秒，认为多普勒测速数据不连续，持续10秒以上，上报测速数据不连续；其次，利用多普勒速度报文的有效性标志，判断多普勒速度是否有效，并将该信息实时发送；然后，实时判断多普勒速度的有效性，决定该速度信息是否可以进行速度组合导航；

速度组合导航状态检测，首先，多普勒对底速度有效，对底深度在多普勒对底深度范围内，惯导与多普勒进行速度组合导航，实时判断多普勒有效性，多普勒无效实时退出速度组合导航，进行卡尔曼滤波预测；其次，实时检测速度组合导航的纯惯导经纬度误差，经纬度误差应满足纯惯导定位精度，当定位误差大于惯性导航误差标称值，小于两倍标称值，发送组合导航警告，导航误差大于两倍惯导定位误差标称值，发送惯导定位精度异常；然后，正常组合导航状态下，连续5分钟多普勒速度无效，上报多普勒组合导航精度下降，超过半小时，上报惯导工作在纯惯性导航模式，再次多普勒速度有效时，上报速度组合有效，需要卫导进行位置校准，以提高组合导航数据的性能；最后，连续组合导航工作5小时，上报组合导航精度需要卫导校准；

导航性能估计，首先，利用速度组合导航估计的经纬度误差，实时计算惯导的纯惯性导航精度，定位误差小于2倍的定位误差标称值，上报导航精度正常，超过该值，上报纯惯导导航性能下降；其次，实时计算纯惯导速度误差，当速度误差大于标称值2倍时，上报惯导需要卫星导航校准，同时实时检测航向及姿态误差；然后，检测惯导惯性器件误差，激光陀螺零偏值与加速度计常值零偏应在规定的阈值范围内，超出阈值范围后，根据组合导航精度，上报惯性器件误差异常。

在其中一些实施例中，判断多普勒速度是否可以进行速度组合导航，其判断方式为：

1)速度范围判断，解包得到的速度应该在多普勒有效测速范围内，速度测量值应该小于载体载体最大航向速度，另外，该速度值应与惯导导航速度在一定误差范围内，认为该速度有效，可以进行速度组合；

2)速度稳定性判断，连续保存3组以上实时连续的速度信息，求其极差，极差应小于规定的极差阈值，认为该速度测量值有效，可以速度组合导航；

3)加速度判断，实时循环保存多普勒的有效速度，利用当前速度与前一个时刻速度做差，得到载体的加速度信息，与惯导组合导航解算的加速度信息比较，误差应小于规定的阈值，否则判断多普勒速度无效；

4)载体机动性判断，实时测量载体的航向角速率和姿态角速度，其测量值应该在对应的阈值范围内，保证多普勒速度测量实时及准确；

满足上述四条准则，多普勒速度可以与惯导进行速度组合导航。

在其中一些实施例中，根据步骤(6)，卫星测量信息，首先，连续接收卫星导航信息，当卫导信息不连续时，上报卫导信息丢包；其次，解包卫星导航的有效性和定位因子，判断卫导导航信息的有效性；然后，利用惯导导航信息判断未定导航信息是否有效；

位置组合导航状态检测，首先，判断卫导信息的有效性，位置信息有效后，惯导与卫星导航信息进行位置组合导航，实时判断卫导有效性，卫导无效时，退出位置组合导航，进行卡尔曼滤波预测；其次，实时检位置度组合导航的纯惯导经纬度误差，经纬度误差应满足纯惯导定位精度，当定位误差大于惯性导航误差标称值，小于两倍标称值，发送纯惯性导航警告，导航误差大于两倍惯导定位误差标称值，发送惯导定位精度超差；然后，正常组合导航状态下，连续5分钟卫星位置无效，上报位置组合导航精度下降，超过半小时，上报惯导工作在纯惯性导航模式，再次卫星导航精度有效时，上报位置组合有效；最后，连续组合导航工作5小时，闭环校准系统误差和惯性器件误差；

导航性能估计，首先，利用速度组合导航估计的经纬度误差，实时计算惯导的纯惯性导航精度，定位误差小于2倍的定位误差标称值，上报导航精度正常，超过该值，上报纯惯导导航性能下降；其次，实时计算纯惯导速度误差，当速度误差大于标称值2倍时，上报惯导需要卫星导航校准，同时实时检测航向及姿态误差；然后，检测惯导惯性器件误差，激光陀螺零偏值与加速度计常值零偏应在规定的阈值范围内，超出阈值范围后，根据组合导航精度，上报惯性器件误差异常。

在其中一些实施例中，利用惯导导航信息判断未定导航信息是否有效的判断方式为：

1)速度和位置范围判断，解包得到的速度应该小于载体载体最大航向速度，另外，该速度值应与惯导导航速度在一定误差范围内，认为该速度有效，同时，应用卫导位置计算得到的惯导位置误差应在一定的阈值范围之内，认为卫导有效；

2)位置的稳定性判断，连续保存3组以上实时连续的位置信息，求其极差，极差应小于规定的极差阈值，认为该位置测量值有效，可以位置组合导航；

3)位置差判断，实时循环保存卫星导航的有效经纬度，利用当前经纬度与前一个时刻经纬度做差，得到载体的速度信息，与惯导组合导航解算的速度信息比较，误差应小于规定的阈值，否则判断卫导位置信息无效；

满足上述三条准则，卫星导航位置信息可以与惯导进行位置组合导航。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明综合使用惯导、卫导、多普勒等多类型导航信息，完成待机、对准、导航等阶段的故障信息判断。待机阶段主要完成惯性器件、惯导设备初始化等信息的自检和故障报警；初始对准阶段，主要完成卫导信息的有效性、惯导初始对准性能及对准失败的故障原因分析；导航阶段，利用载体的固有相关参数，完成纯惯性导航信息、组合导航信息等导航参量数据的故障判断，大幅提高设备的自检能力，降低人工数据的分析，增强平台的应用友好性和用户体验。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂，通过本申请的实施例对本申请进行详尽说明和了解。

附图说明

图1为本发明的惯性导航设备故障检测内容图；

图2为本发明的惯性导航设备故障检测方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

激光陀螺惯性导航设备主要由三个激光陀螺、三个石英挠性加速度计、IF转换模块、导航计算机和电源模块等组成。其中导航计算机为两核处理器，是设备的导航解算模块，采用无操作系统的嵌入式方式，保证数据的实时性，分别为预处理模块和导航解算模块，预处理模块主要完成惯性器件原始数据的采集、处理和输出等功能，导航解算模块主要完成惯性导航设备的初始对准、导航解算及对外接口等功能。在工作状态下，导航计算机的导航解算模块接收卫星(GPS、北斗等)导航信息，进行初始对准和组合导航，输出高精度的位置、速度和航姿信息，导航过程中，卫导信息无效时，与多普勒测速设备进行速度组合导航，在多普勒速度无效时，进行纯惯性导航。在开机自检至导航工作状态，惯性导航设备实时自检，将自检信息通过通信协议发送至外部用户，提高设备信息的可信度，有利于设备的维护和使用。

本发明提供一种技术方案：一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，包括以下步骤：

步骤(1)，给出激光惯导所有可能故障状态及故障检测内容，根据不同阶段的故障状态检测方法不同，同时给出了不同工作状态下，故障检测内容，后面根据不同故障检测内容，给出具体检测方法；

如图1所示，给出激光惯导所有可能故障状态及故障检测内容，根据不同阶段的故障状态检测方法不同，图2给出了不同工作状态下，故障检测内容，后面根据不同故障检测内容，给出具体检测方法。

在硬件初始化检测中，首先检测导航计算机启动是否正常，其次，检测电源模块、IF转换模块及惯性器件的供电电压及电流是否正常，最后，导航计算机对外接口初始化是否正常。

在参数初始化检测中，首先检测读取硬件保存的系统导航参数是否正常，其次，检测系统温度，完成激光陀螺、加速度计等温度模型相关参数配置，最后，完成初始对准相关参数的初始化，包括对准时间、迭代对准次数、初始化卡尔曼滤波器参数等，是否在规定的范围内。

在惯性器件检测中，实时读取三个激光陀螺、三个石英挠性加速度计及温度参数。

第一，数据有效性判断，首先，计算读取的激光陀螺和加速度计数据大小，其数值应在规定的阈值范围内；然后，计算陀螺和加速度计数据的极差(最大值与最小值的差)和数据的波动性(1秒方差)，也应在对应的阈值范围内；最后，分别计算三个陀螺和加速度计的合成角速度和加速度，静态条件下，应与地球自转角速度和重力加速度基本一致，动态条件下，应在对应的阈值范围内(根据载体的应用场景，设置相关阈值参数)，应用这些评估方法，检测读取的测量值是否正常；

第二，监测数据判断，首先，实时接收三个激光陀螺的光亚、光强、抖幅、抖频及阴阳极温度，监测激光陀螺工作状态是否正常，不在对应监测阈值内，认为设备工作异常；其次，实时接收加速度计温度，将加速度计温度与激光陀螺温度相互比较，温度差和温度变化率应在对应的阈值范围内；最后，实时检测IF的高精度时钟晶振，与本地计算机计算机晶振应在一定的误差范围内。

步骤(3)，初始对准，主要检测内容包括卫导有效性、对准过程有效性及系统误差监测情况。

卫导有效性检测，设备具备初始对准条件后，实时接收卫星导航的导航数据，首先判断数据是否连续，若出现连续大于2秒卫导无效或无连续数据，判断为卫导数据连续性差，若出现1分钟内无效数据30秒以上，上报惯导设备不具备初始对准条件；其次，解包卫导数据包协议内容，包括卫导的有效性、Hdop值等，粗略判断卫导是否有效并满足惯导初始对准的应用条件；然后，对接收的卫导经纬度、高度和速度等信息进行判断，利用速度、航迹向和经纬度的关系，判断载体是否静止和运动，在静止或运动条件下，判断经纬度和速度数据的波动性，超出预定阈值范围，认为卫导定位异常；最后，在初始对准过程中，实时判断卫导速度经纬度与惯导初始对准过程中输出的经纬度和速度信息相关特性，判断卫导是否在对应的阈值范围内。

对准过程的有效性检测，首先，连续接收卫导有效数据30秒，设备自动开始进入初始对准流程，前100秒，完成动态解析对准，对准结束后，设备进入卡尔曼滤波组合导航对准；其次，在初始对准的过程中，实时检测卫导有效性，若连续出现1分钟卫导无效数据，在初始对准状态位给出初始对准失败；然后，初始对准要求平台处于静止状态或匀速直线运动状态，利用惯性器件和卫导数据判断平台是处于哪种状态，在解析对准过程中，根据卫导航迹向和速度变化，发现设备速度和航迹向变化同时超过规定阈值，设备停止初始对准，上报初始对准过程异常，对准失败；接着，在初始对准结束前240秒内，检测惯导航向变化，大于45度航向变化，报初始对准机动异常，对准性能下降；最后，实时判断惯导输出的位置、速度、航向及姿态，位置误差应与卫导经纬度误差小于5米以内，速度误差应小于0.1节，在匀速直航对准过程中，航向变化率和航向变化值应分别不超过1度每秒和90度，姿态变化小于10度，在静止对准过程中，航向变化率和航向变化值应分别不超过0.1度每秒和3度，姿态变化小于1度。

系统误差监测，首先，实时判断对准过程中速度和航向误差变化情况，东北向速度误差变化量应小于0.002m/s，航向误差变化量应小于0.001°/s；其次，实时判断初始对准过程中的系统误差估计情况，静态对准过程中，估计的速度误差不应超过2节，航向误差不应超过0.2度，匀速直航对准过程中，估计的速度误差不应超过4节，航向误差不应超过1.0度，若超出对应设置的阈值，上报对准过程系统误差估计异常；然后，实时判断对准过程中估计的惯性器件常值零偏，激光陀螺零偏不应超过0.1度/小时，加速度计常值零偏不应超过500ug，超出对应的阈值，输出惯性器件输出异常；最后，对准结束前30秒，实时检测惯性器件估计零偏，激光陀螺零偏不应超过0.02度/小时，加速度计常值零偏不应超过200ug，超出对应的阈值，输出惯性器件输出异常。

步骤(4)，纯惯性导航检测，主要检测内容包括导航信息有效性及载体实时状态。

导航信息有效性检测，首先，实时判断载体的速度，根据运动载体的最大航行速度Vmax，结合惯导速度误差为1m/s,设惯导纯惯性导航时间为t,则定义惯导速度阈值为V＝V_max+1.0t，实时判断载体速度，超过该值发送导航速度精度异常，超过2倍阈值，直接输出导航精度故障；其次，判断载体的摇摆角速度情况，对三个方向角速度进行判断，超出规定阈值，输出载体角速度异常，超出陀螺最大角速度400°/s，输出惯导角速度故障。

载体实时状态，首先，实时判断载体航向姿态信息，姿态信息应在一定范围内，超出规定值输出姿态异常；其次，判断输出的经纬度位置信息，根据载体的运动速度V和惯导速度误差δV，设初始经纬度分别为L₀,λ₀，纯惯性导航时间为t,分别计算载体的经纬度位置范围，以纬度计算公式为例，L＝L₀+(V_max+δV)t/R(R为地球半径),超出位置范围发送位置信息异常。

步骤(5)，DVL速度组合导航检测，主要检测内容包括多普勒测量信息、速度组合导航状态及导航性能估计。

多普勒测量信息，首先，实时接收多普勒测量信息，计算相邻两组多普勒信息的间隔时间，当多普勒间隔时间超过2秒，认为多普勒测速数据不连续，持续10秒以上，上报测速数据不连续；其次，利用多普勒速度报文的有效性标志，判断多普勒速度是否有效，并将该信息实时发送；然后，实时判断多普勒速度的有效性，决定该速度信息是否可以进行速度组合导航。

第一，速度范围判断，解包得到的速度应该在多普勒有效测速范围内，速度测量值应该小于载体载体最大航向速度，另外，该速度值应与惯导导航速度在一定误差范围内，认为该速度有效，可以进行速度组合；

第二，速度稳定性判断，连续保存3组以上实时连续的速度信息，求其极差，极差应小于规定的极差阈值，认为该速度测量值有效，可以速度组合导航；

第三，加速度判断，实时循环保存多普勒的有效速度，利用当前速度与前一个时刻速度做差，得到载体的加速度信息，与惯导组合导航解算的加速度信息比较，误差应小于规定的阈值，否则判断多普勒速度无效；

第四，载体机动性判断，实时测量载体的航向角速率和姿态角速度，其测量值应该在对应的阈值范围内，保证多普勒速度测量实时及准确。

满足上述四条准则，多普勒速度可以与惯导进行速度组合导航。

速度组合导航状态检测，首先，多普勒对底速度有效，对底深度在多普勒对底深度范围内，惯导与多普勒进行速度组合导航，实时判断多普勒有效性，多普勒无效实时退出速度组合导航，进行卡尔曼滤波预测；其次，实时检测速度组合导航的纯惯导经纬度误差，经纬度误差应满足纯惯导定位精度，当定位误差大于惯性导航误差标称值，小于两倍标称值，发送组合导航警告，导航误差大于两倍惯导定位误差标称值，发送惯导定位精度异常；然后，正常组合导航状态下，连续5分钟多普勒速度无效，上报多普勒组合导航精度下降，超过半小时，上报惯导工作在纯惯性导航模式，再次多普勒速度有效时，上报速度组合有效，需要卫导进行位置校准，以提高组合导航数据的性能；最后，连续组合导航工作5小时，上报组合导航精度需要卫导校准。

导航性能估计，首先，利用速度组合导航估计的经纬度误差，实时计算惯导的纯惯性导航精度，定位误差小于2倍的定位误差标称值，上报导航精度正常，超过该值，上报纯惯导导航性能下降；其次，实时计算纯惯导速度误差，当速度误差大于标称值2倍时，上报惯导需要卫星导航校准，同时实时检测航向及姿态误差；然后，检测惯导惯性器件误差，激光陀螺零偏值与加速度计常值零偏应在规定的阈值范围内，超出阈值范围后，根据组合导航精度，上报惯性器件误差异常。

步骤(6)卫星位置组合导航检测，检测内容主要包括卫星测量信息、位置组合导航状态及导航性能估计。

卫星测量信息，首先，连续接收卫星导航信息，当卫导信息不连续时，上报卫导信息丢包；其次，解包卫星导航的有效性和定位因子，判断卫导导航信息的有效性；然后，利用惯导导航信息判断未定导航信息是否有效，

第一，速度和位置范围判断，解包得到的速度应该小于载体载体最大航向速度，另外，该速度值应与惯导导航速度在一定误差范围内，认为该速度有效，同时，应用卫导位置计算得到的惯导位置误差应在一定的阈值范围之内，认为卫导有效；

第二，位置的稳定性判断，连续保存3组以上实时连续的位置信息，求其极差，极差应小于规定的极差阈值，认为该位置测量值有效，可以位置组合导航；

第三，位置差判断，实时循环保存卫星导航的有效经纬度，利用当前经纬度与前一个时刻经纬度做差，得到载体的速度信息，与惯导组合导航解算的速度信息比较，误差应小于规定的阈值，否则判断卫导位置信息无效；

满足上述三条准则，卫星导航位置信息可以与惯导进行位置组合导航。

位置组合导航状态检测，首先，判断卫导信息的有效性，位置信息有效后，惯导与卫星导航信息进行位置组合导航，实时判断卫导有效性，卫导无效时，退出位置组合导航，进行卡尔曼滤波预测；其次，实时检位置度组合导航的纯惯导经纬度误差，经纬度误差应满足纯惯导定位精度，当定位误差大于惯性导航误差标称值，小于两倍标称值，发送纯惯性导航警告，导航误差大于两倍惯导定位误差标称值，发送惯导定位精度超差；然后，正常组合导航状态下，连续5分钟卫星位置无效，上报位置组合导航精度下降，超过半小时，上报惯导工作在纯惯性导航模式，再次卫星导航精度有效时，上报位置组合有效；最后，连续组合导航工作5小时，闭环校准系统误差和惯性器件误差。

导航性能估计，首先，利用速度组合导航估计的经纬度误差，实时计算惯导的纯惯性导航精度，定位误差小于2倍的定位误差标称值，上报导航精度正常，超过该值，上报纯惯导导航性能下降；其次，实时计算纯惯导速度误差，当速度误差大于标称值2倍时，上报惯导需要卫星导航校准，同时实时检测航向及姿态误差；然后，检测惯导惯性器件误差，激光陀螺零偏值与加速度计常值零偏应在规定的阈值范围内，超出阈值范围后，根据组合导航精度，上报惯性器件误差异常。

通过本技术方案，在现有的惯性/卫星组合导航、惯性/多普勒组合导航等模式的基础上提出一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法。该方法充分利用惯导、卫导、多普勒信息的特点，在惯性器件监测的基础上，分析惯性器件工作状态，利用卫导速度和位置的准确性，判断惯性导航系统中位置、速度及航姿信息的有效性和多普勒信息的有效性，同时，利用惯导导航信息短期稳定性，判断卫导定位数据的有效性，大幅提高卫导的抗干扰和欺骗能力。最终保证惯导输出性能真实有效的导航信息。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：其步骤为：

(1)给出激光惯导所有可能故障状态及故障检测内容，根据不同阶段的故障状态检测方法不同，同时给出了不同工作状态下，故障检测内容，后面根据不同故障检测内容，给出具体检测方法；

(2)设备开机自检，主要检测内容包括硬件初始化、参数初始化及惯性器件检测；

(3)初始对准，主要检测内容包括卫导有效性、对准过程有效性及系统误差监测情况；

(4)纯惯性导航检测，主要检测内容包括导航信息有效性及载体实时状态；

(5)DVL速度组合导航检测，主要检测内容包括多普勒测量信息、速度组合导航状态及导航性能估计；

(6)卫星位置组合导航检测，检测内容主要包括卫星测量信息、位置组合导航状态及导航性能估计。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：根据步骤(2)，

在硬件初始化检测中，首先检测导航计算机启动是否正常，其次，检测电源模块、IF转换模块及惯性器件的供电电压及电流是否正常，最后，导航计算机对外接口初始化是否正常；

在参数初始化检测中，首先检测读取硬件保存的系统导航参数是否正常，其次，检测系统温度，完成激光陀螺、加速度计等温度模型相关参数配置，最后，完成初始对准相关参数的初始化，包括对准时间、迭代对准次数、初始化卡尔曼滤波器参数等，是否在规定的范围内；

在惯性器件检测中，实时读取激光陀螺惯性导航设备中的激光陀螺、石英挠性加速度计及温度参数。

3.根据权利要求2所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：惯性器件检测方式为：

1)数据有效性判断，

首先，计算读取的激光陀螺和加速度计数据大小，其数值应在规定的阈值范围内；然后，计算陀螺和加速度计数据的极差和数据的波动性，也应在对应的阈值范围内；最后，分别计算激光陀螺和加速度计的合成角速度和加速度，静态条件下，应与地球自转角速度和重力加速度基本一致，动态条件下，应在对应的阈值范围内，应用这些评估方法，检测读取的测量值是否正常；

2)监测数据判断，

首先，实时接收激光陀螺的光亚、光强、抖幅、抖频及阴阳极温度，监测激光陀螺工作状态是否正常，不在对应监测阈值内，认为设备工作异常；其次，实时接收加速度计温度，将加速度计温度与激光陀螺温度相互比较，温度差和温度变化率应在对应的阈值范围内；最后，实时检测IF的高精度时钟晶振，与本地计算机晶振应在一定的误差范围内。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：根据步骤(3)，

卫导有效性检测，设备具备初始对准条件后，实时接收卫星导航的导航数据，首先判断数据是否连续，若出现连续大于2秒卫导无效或无连续数据，判断为卫导数据连续性差，若出现1分钟内无效数据30秒以上，上报惯导设备不具备初始对准条件；其次，解包卫导数据包协议内容，包括卫导的有效性、Hdop值，判断卫导是否有效并满足惯导初始对准的应用条件；然后，对接收的卫导经纬度、高度和速度等信息进行判断，利用速度、航迹向和经纬度的关系，判断载体是否静止和运动，在静止或运动条件下，判断经纬度和速度数据的波动性，超出预定阈值范围，认为卫导定位异常；最后，在初始对准过程中，实时判断卫导速度经纬度与惯导初始对准过程中输出的经纬度和速度信息相关特性，判断卫导是否在对应的阈值范围内；

对准过程的有效性检测，首先，连续接收卫导有效数据30秒，设备自动开始进入初始对准流程，前100秒，完成动态解析对准，对准结束后，设备进入卡尔曼滤波组合导航对准；其次，在初始对准的过程中，实时检测卫导有效性，若连续出现1分钟卫导无效数据，在初始对准状态位给出初始对准失败；然后，初始对准要求平台处于静止状态或匀速直线运动状态，利用惯性器件和卫导数据判断平台是处于哪种状态，在解析对准过程中，根据卫导航迹向和速度变化，发现设备速度和航迹向变化同时超过规定阈值，设备停止初始对准，上报初始对准过程异常，对准失败；接着，在初始对准结束前240秒内，检测惯导航向变化，大于45度航向变化，报初始对准机动异常，对准性能下降；最后，实时判断惯导输出的位置、速度、航向及姿态，位置误差应与卫导经纬度误差小于5米以内，速度误差应小于0.1节，在匀速直航对准过程中，航向变化率和航向变化值应分别不超过1度每秒和90度，姿态变化小于10度，在静止对准过程中，航向变化率和航向变化值应分别不超过0.1度每秒和3度，姿态变化小于1度；

系统误差监测，首先，实时判断对准过程中速度和航向误差变化情况，东北向速度误差变化量应小于0.002m/s，航向误差变化量应小于0.001°/s；其次，实时判断初始对准过程中的系统误差估计情况，静态对准过程中，估计的速度误差不应超过2节，航向误差不应超过0.2度，匀速直航对准过程中，估计的速度误差不应超过4节，航向误差不应超过1.0度，若超出对应设置的阈值，上报对准过程系统误差估计异常；然后，实时判断对准过程中估计的惯性器件常值零偏，激光陀螺零偏不应超过0.1度/小时，加速度计常值零偏不应超过500ug，超出对应的阈值，输出惯性器件输出异常；最后，对准结束前30秒，实时检测惯性器件估计零偏，激光陀螺零偏不应超过0.02度/小时，加速度计常值零偏不应超过200ug，超出对应的阈值，输出惯性器件输出异常。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：根据步骤(4)，

导航信息有效性检测，首先，实时判断载体的速度，根据运动载体的最大航行速度V_max，结合惯导速度误差为1m/s,设惯导纯惯性导航时间为t,则定义惯导速度阈值为

实时判断载体速度，超过该值发送导航速度精度异常，超过2倍阈值，直接输出导航精度故障；其次，判断载体的摇摆角速度情况，对三个方向角速度进行判断，超出规定阈值，输出载体角速度异常，超出陀螺最大角速度400°/s，输出惯导角速度故障；

载体实时状态，首先，实时判断载体航向姿态信息，姿态信息应在一定范围内，超出规定值输出姿态异常；其次，判断输出的经纬度位置信息，根据载体的运动速度V和惯导速度误差δV，设初始经纬度分别为L₀,λ₀，纯惯性导航时间为t,分别计算载体的经纬度位置范围，超出位置范围发送位置信息异常。

6.根据权利要求5所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：

以纬度计算公式为例，其计算方式为：

R为地球半径。

7.根据权利要求1所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：根据步骤(5)，

多普勒测量信息，首先，实时接收多普勒测量信息，计算相邻两组多普勒信息的间隔时间，当多普勒间隔时间超过2秒，认为多普勒测速数据不连续，持续10秒以上，上报测速数据不连续；其次，利用多普勒速度报文的有效性标志，判断多普勒速度是否有效，并将该信息实时发送；然后，实时判断多普勒速度的有效性，决定该速度信息是否可以进行速度组合导航；

速度组合导航状态检测，首先，多普勒对底速度有效，对底深度在多普勒对底深度范围内，惯导与多普勒进行速度组合导航，实时判断多普勒有效性，多普勒无效实时退出速度组合导航，进行卡尔曼滤波预测；其次，实时检测速度组合导航的纯惯导经纬度误差，经纬度误差应满足纯惯导定位精度，当定位误差大于惯性导航误差标称值，小于两倍标称值，发送组合导航警告，导航误差大于两倍惯导定位误差标称值，发送惯导定位精度异常；然后，正常组合导航状态下，连续5分钟多普勒速度无效，上报多普勒组合导航精度下降，超过半小时，上报惯导工作在纯惯性导航模式，再次多普勒速度有效时，上报速度组合有效，需要卫导进行位置校准，以提高组合导航数据的性能；最后，连续组合导航工作5小时，上报组合导航精度需要卫导校准；

导航性能估计，首先，利用速度组合导航估计的经纬度误差，实时计算惯导的纯惯性导航精度，定位误差小于2倍的定位误差标称值，上报导航精度正常，超过该值，上报纯惯导导航性能下降；其次，实时计算纯惯导速度误差，当速度误差大于标称值2倍时，上报惯导需要卫星导航校准，同时实时检测航向及姿态误差；然后，检测惯导惯性器件误差，激光陀螺零偏值与加速度计常值零偏应在规定的阈值范围内，超出阈值范围后，根据组合导航精度，上报惯性器件误差异常。

8.根据权利要求7所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：判断多普勒速度是否可以进行速度组合导航，其判断方式为：

1)速度范围判断，解包得到的速度应该在多普勒有效测速范围内，速度测量值应该小于载体载体最大航向速度，另外，该速度值应与惯导导航速度在一定误差范围内，认为该速度有效，可以进行速度组合；

2)速度稳定性判断，连续保存3组以上实时连续的速度信息，求其极差，极差应小于规定的极差阈值，认为该速度测量值有效，可以速度组合导航；

3)加速度判断，实时循环保存多普勒的有效速度，利用当前速度与前一个时刻速度做差，得到载体的加速度信息，与惯导组合导航解算的加速度信息比较，误差应小于规定的阈值，否则判断多普勒速度无效；

4)载体机动性判断，实时测量载体的航向角速率和姿态角速度，其测量值应该在对应的阈值范围内，保证多普勒速度测量实时及准确；

满足上述四条准则，多普勒速度可以与惯导进行速度组合导航。

9.根据权利要求1所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：根据步骤(6)，卫星测量信息，首先，连续接收卫星导航信息，当卫导信息不连续时，上报卫导信息丢包；其次，解包卫星导航的有效性和定位因子，判断卫导导航信息的有效性；然后，利用惯导导航信息判断未定导航信息是否有效；

位置组合导航状态检测，首先，判断卫导信息的有效性，位置信息有效后，惯导与卫星导航信息进行位置组合导航，实时判断卫导有效性，卫导无效时，退出位置组合导航，进行卡尔曼滤波预测；其次，实时检位置度组合导航的纯惯导经纬度误差，经纬度误差应满足纯惯导定位精度，当定位误差大于惯性导航误差标称值，小于两倍标称值，发送纯惯性导航警告，导航误差大于两倍惯导定位误差标称值，发送惯导定位精度超差；然后，正常组合导航状态下，连续5分钟卫星位置无效，上报位置组合导航精度下降，超过半小时，上报惯导工作在纯惯性导航模式，再次卫星导航精度有效时，上报位置组合有效；最后，连续组合导航工作5小时，闭环校准系统误差和惯性器件误差；

导航性能估计，首先，利用速度组合导航估计的经纬度误差，实时计算惯导的纯惯性导航精度，定位误差小于2倍的定位误差标称值，上报导航精度正常，超过该值，上报纯惯导导航性能下降；其次，实时计算纯惯导速度误差，当速度误差大于标称值2倍时，上报惯导需要卫星导航校准，同时实时检测航向及姿态误差；然后，检测惯导惯性器件误差，激光陀螺零偏值与加速度计常值零偏应在规定的阈值范围内，超出阈值范围后，根据组合导航精度，上报惯性器件误差异常。

10.根据权利要求9所述的一种基于激光陀螺的惯性导航设备故障检测方法，其特征在于：利用惯导导航信息判断未定导航信息是否有效的判断方式为：

1)速度和位置范围判断，解包得到的速度应该小于载体载体最大航向速度，另外，该速度值应与惯导导航速度在一定误差范围内，认为该速度有效，同时，应用卫导位置计算得到的惯导位置误差应在一定的阈值范围之内，认为卫导有效；

2)位置的稳定性判断，连续保存3组以上实时连续的位置信息，求其极差，极差应小于规定的极差阈值，认为该位置测量值有效，可以位置组合导航；

3)位置差判断，实时循环保存卫星导航的有效经纬度，利用当前经纬度与前一个时刻经纬度做差，得到载体的速度信息，与惯导组合导航解算的速度信息比较，误差应小于规定的阈值，否则判断卫导位置信息无效；

满足上述三条准则，卫星导航位置信息可以与惯导进行位置组合导航。

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