CN116256000A - 一种冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法及其系统，其中冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法具体包括以下步骤：进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别；若脉冲常零值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，进行惯性仪表的极大值输出判别；若极大值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，则进行惯性仪表的一致性判别；根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。本申请能结合历史一致性指标所包含的信息以及外插预判的变化规律，灵活的进行故障检测，实时在线检测，并且，本申请的故障检测方法具有良好的容错能力，避免了特殊情况下的误判或漏判。

Description

一种冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法及其 系统

技术领域

本申请涉及火箭领域，具体地，涉及冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测方法及其系统。

背景技术

惯组是运载火箭导航系统核心部组件，为提高导航系统可靠性，常需要对惯组进行冗余配置，且飞行过程中需对惯组进行故障检测与隔离处置。其中故障检测与隔离处置通常采用的方法主要有基于信号处理的诊断法、基于解析冗余的诊断法和基于知识的诊断法等。在上述诊断方法中，其中往往通过选取故障门限的方式来进行判断，若小于该故障门限则诊断为故障，其中故障门限的选取常根据火箭实际的过载与机动选择门限值，但是以上门限选取的方法通常采用固定值，有时为了防止误判或漏判，会根据不同飞行阶段进行分段单独设计，需要对飞行阶段的状态进行反复分析试验，但往往在一些特殊情况下，由于飞行环境的影响及箭体自身结构及状态影响，很难去确定该门限值，例如在某次火箭发射，在发动机点火和级间分离过程中，陀螺输出敏感到了约60Hz的低频振动，约20deg/s角速率对箭体控制造成了不小的干扰，但该输出属于惯组正常状态下的输出。在这种条件下，若采用上述阈值设定方法，不管是固定阈值或者分段阈值设定，均会引入较大的误判或漏判风险。

因此，如何提供一种能够降低误判和漏判风险的惯组中惯性仪表的检测方法，是本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

本申请提出了一种基于惯组冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，具体包括以下步骤：进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别；若脉冲常零值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，进行惯性仪表的极大值输出判别；若极大值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，则进行惯性仪表的一致性判别；根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。

如上的，其中，进行惯性仪表故障检测具体包括以下子步骤：进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表一致性判别。

如上的，其中，其中惯性仪表仪脉冲常零值输出判别方法为，在每个采样周期内检查脉冲增量是否为零，连续若干拍均为零则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别。

如上的，其中，极大值输出判别为，判断惯性仪表中角速度的极大值输出是否超过门限值，若超过门限值，则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表一致性判别。

如上的，其中，在进行惯性仪表一致性判别之前，还包括对惯性仪表仪标度因数转换。

一种冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，具体包括：脉冲常零值输出判别单元、极大值输出判别单元、一致性判别单元以及检测结果获取单元；脉冲常零值输出判别单元，用于进行进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别；极大值输出判别单元，用于脉冲常零值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，进行惯性仪表的极大值输出判别；一致性判别单元，用于若极大值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，则进行惯性仪表的一致性判别；检测结果获取单元，用于根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。

如上的，其中，惯性仪表故障检测单元进行惯性仪表故障检测具体包括以下子步骤：进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表一致性判别。

如上的，其中，惯性仪表故障检测单元中惯性仪表仪脉冲常零值输出判别方法为，在每个采样周期内检查脉冲增量是否为零，连续若干拍均为零则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别。

如上的，其中，惯性仪表故障检测单元中极大值输出判别为，判断惯性仪表中角速度的极大值输出是否超过门限值，若超过门限值，则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表一致性判别。

如上的，其中，惯性仪表故障检测单元中在进行惯性仪表一致性判别之前，还包括对惯性仪表仪标度因数转换。

本申请具有以下有益效果：

本申请能结合历史一致性指标所包含的信息以及外插预判的变化规律，灵活的进行故障检测，实时在线检测；本申请故障检测中的计算量小，具有简捷的递推关系，不会造成系统的额外负担；故障检测方案可移植性强，在不同型号的冗余惯组均可使用，避免了不同精度产品故障门限值选取反复试验验证；并且，本申请提出的故障检测方法具有良好的容错能力，避免了特殊情况下的误判或漏判。另外，若多表冗余惯组在失效后功能恢复，该方法可重新进行递推计算，提高整系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例提供的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法的流程图；

图2是根据本申请实施例提供的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统的内部结构图。

具体实施方式

下面结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域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，都属于本申请保护的范围。

本申请从工程角度出发，基于实际的十表惯组冗余配置进行动态阈值的设计，并对其发生故障的仪表(故障轴)进行了识别。本申请提出的故障检测原理简单，避免了复杂的故障识别流程和计算，能检测出较小的故障，具有较好的故障检测率和灵敏度，能够较好地隔离仪表故障对导航解算的影响。

实施例一

如图1所示，是本申请实施例提供的一种冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，其中惯性仪表包括惯性仪表和加计。本实施例通过以下步骤对惯性仪表和加计的各轴进行故障检测，从而完成惯性仪表的检测，其中惯性仪表检测方法具体包括以下步骤：

步骤S110：进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别。

其中惯性仪表仪脉冲常零值输出判别方法如下：在每个采样周期内检查脉冲增量是否为零，连续若干拍均为零则视为惯性仪表检测结果为故障，不再执行下述步骤。连续若干拍均不为零则视为惯性仪表检测结果正常，则执行步骤S120。

步骤S120：进行惯性仪表的极大值输出判别。

其中极大值输出判别是判断惯性仪表中角速度的极大值输出是否超过门限值，如果超过门限值，则认为惯性仪表检测结果为故障，则不再执行下述步骤。若未超过门限值，则认为惯性仪表检测结果正常，则执行步骤S130。

其中门限值为惯性仪表常规使用的范围，具体数值可按照器件手册上给定的参数进行设置。

步骤S130：进行惯性仪表的一致性判别。

其中一致性判别是通过利用矢量之间的线性相关性质进行的故障检测，该方法可有效地用于冗余配置的惯性导航系统的故障检测方案中，通过奇偶方程式可判定惯性仪表或加速度计故障，通过选择合适的门限值确定奇偶方程的余值从而完成故障检测与识别。

其中在进行惯性仪表一致性判别之前，还包括对惯性仪表仪标度因数转换。

其中对惯性仪表仪标度因数转换具体为，将惯性仪表的输出乘以刻度因子。其中刻度因子是惯性仪表的常用参数，具体数值可参照常规参数设置。

惯性仪表仪标度因数转换是为防止故障信息通过安装误差补偿使故障扩散，不进行安装误差补偿所采取的措施，进行惯性仪表仪标度因数转换后再进行一致性判别。

其中进行惯性仪表一致性判别具体包括以下子步骤：

步骤S1301：进行惯性仪表奇偶方程式的设定。

具体地，其中列写惯性仪表的奇偶方程式，共有5轴惯性仪表，其中X、Y、Z为正交轴，M、N为斜置轴，假设对X、Y、Z、M、N各轴惯性仪表进行编号1～5，S₁～S₅分别代表X、Y、Z、M、N轴故障情况下的仪表组合，指5轴故障情形列写的奇偶方程式，得到一致性指标S1～S5，如下式：

S₄＝|C_b2S_a2m₁+S_b2S_a2m₂+C_a2m₃-m₅|(M轴故障)

S₅＝|C_b1S_a1m₁+S_b1S_a1m₂+C_a1m₃-m₄|(N轴故障)

其中，m_i(i＝1,2…5)为各轴惯性仪表输出角速度值，C_θ＝cos(θ),S_θ＝sin(θ)，θ取a1,b1,a2,b2,a1,b1分别代表斜置轴M分别与Z轴和XZ平面的夹角，a2,b2分别代表斜置轴N分别与Z轴和XZ平面的夹角。

步骤S1302：根据惯性仪表奇偶方程式的设定，进行惯性仪表故障的周期性检测。

通常各轴惯性仪表的性能相近，每周期进行一致性指标S1～S5的统计。具体地，5s内进行1s(200Hz)数据的标准差统计，并对过去5s的标准差S_i,k(i＝1,2…5)，k(k＝1,2,...,5)表示计时周期序号(计时单位：1s)进行循环记录。

进一步地，实时对每秒中计算出的S_i,k进行最大值和外插值计算，计算结果分别为对应的最大值指标Smax_i(i＝1,2…5)及对应的外插值指标Sintep_i,k+1(i＝1,2…5)。

在进一步地，将5s内每秒得到的标准差指标S_i,k分别与最大值指标Smax_i(i＝1,2…5)和外插值指标Sintep_i,k+1(i＝1,2…5)进行比较，获取故障检测结果。

其中若当前计算得到的(例如i＝1,2,...5中的任意一个值时)S_i,k＞K1×Smax_i，同时S_i,k＞K2×S int ep_i,k+1，则判定当前仪表组合中至少一个故障，即至少一个轴的惯性仪表出现故障。并具体根据各轴的判断结果得到该轴是否故障，例如若S_1,k＞K1×Smax₁同时S_1,k＞K2×S int ep_1,k+1，则说明S1对应的N轴故障，若S_2,k＞K1×Smax₂同时S_2,k＞K2×Sint ep_2,k+1，则说明S2对应的M轴故障，以此类推，可以得到判断出具体哪轴出现故障。

其中K1，K2分别为惯性仪表历史阈值系数和外插判别系数，两个系数可根据历史经验给出固定值，可由设计人员进行确定，具体数值在此不进行限定。

对所有仪表组合进行该判断，当一致性指标同时超过历史阈值和外插判别值(即S_i,k＞K1×Smax_i，同时S_i,k＞K2×S int ep_i,k+1)时，代表一致性判别失效，该仪表组合不满足矢量之间的线性相关性质，从而实现故障检测的目的。

步骤S140：根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。

其中惯性仪表故障检测可以根据故障识别真值表进行确定。若把上述奇偶方程式与二进制数联系起来，可以在后续数据处理程序中使用该二进制数对异常惯性仪表数据进行隔离。

具体地，把上述步骤中的第i(i＝1,2...5)个奇偶方程式与二进制数L_i联系起来，当相应奇偶方程式成立，即一致性指标同时满足历史阈值和外插判别值，L_i为0，否则为1，可建立故障识别真值表，如表1所示。

其中表1中的第一列表示哪轴仪表故障，例如“无故障”表示没有故障轴出现，“1”表示X轴出现故障，“2”表示Y轴出现故障，“3”表示Z轴出现故障，“4”表示M轴出现故障，“5”表示N轴出现故障。“2及以上”表示有2个及以上的轴出现故障，此时无法通过自身惯性仪表信息判断故障情况。

进一步地，当N轴出现故障时，将奇偶校验值L₅设为“0”。当M轴出现故障时，将奇偶校验值L₄设为“0”，当Z轴出现故障时，将奇偶校验值L₃设为“0”，当Y轴出现故障时，将奇偶校验值L₂设为“0”，当X轴出现故障时，将奇偶校验值L₁设为“0”，当2个及以上的轴出现故障，将奇偶校验值全部设为0。

表1

在通过计算机检测软件完成对故障轴的识别和检测后，下一步的工作就是通过表1的奇偶校验值从软件中把故障仪表测量值从数据处理程序中去掉或者进行程序重新编排，实现数据的合理使用及整个惯性系统性能重新管理。

实施例二

如图2所示，是本申请实施例提供的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，具体包括：脉冲常零值输出判别单元210、极大值输出判别单元220、一致性判别单元230以及检测结果获取单元240。

其中脉冲常零值输出判别单元210用于进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别。

极大值输出判别单元220用于脉冲常零值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，进行惯性仪表的极大值输出判别。

一致性判别单元230用于若极大值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，则进行惯性仪表的一致性判别。

检测结果获取单元240用于根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。

本申请具有以下有益效果：

本申请能结合历史一致性指标所包含的信息以及外插预判的变化规律，灵活的进行故障检测，实时在线检测；本申请故障检测中的计算量小，具有简捷的递推关系，不会造成系统的额外负担；故障检测方案可移植性强，在不同型号的冗余惯组均可使用，避免了不同精度产品故障门限值选取反复试验验证；并且，本申请提出的故障检测方法具有良好的容错能力，避免了特殊情况下的误判或漏判。另外，若多表冗余惯组在失效后功能恢复，该方法可重新进行递推计算，提高整系统的可靠性。

虽然当前申请参考的示例被描述，其只是为了解释的目的而不是对本申请的限制，对实施方式的改变，增加和/或删除可以被做出而不脱离本申请的范围。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于惯组冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别；

若脉冲常零值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，进行惯性仪表的极大值输出判别；

若极大值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，则进行惯性仪表的一致性判别；

根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。

2.如权利要求1所述的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，其特征在于，进行惯性仪表故障检测具体包括以下子步骤：

进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；

若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；

若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表一致性判别。

3.如权利要求2所述的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，其特征在于，其中惯性仪表仪脉冲常零值输出判别方法为，在每个采样周期内检查脉冲增量是否为零，连续若干拍均为零则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别。

4.如权利要求1所述的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，其特征在于，极大值输出判别为，判断惯性仪表中角速度的极大值输出是否超过门限值，若超过门限值，则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表一致性判别。

5.如权利要求4所述的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表的检测方法，其特征在于，在进行惯性仪表一致性判别之前，还包括对惯性仪表仪标度因数转换。

6.一种冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，其特征在于，具体包括：脉冲常零值输出判别单元、极大值输出判别单元、一致性判别单元以及检测结果获取单元；

脉冲常零值输出判别单元，用于进行进行惯性仪表的脉冲常零值输出判别；

极大值输出判别单元，用于脉冲常零值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，进行惯性仪表的极大值输出判别；

一致性判别单元，用于若极大值输出判别得到的惯性仪表检测结果正常，则进行惯性仪表的一致性判别；

检测结果获取单元，用于根据一致性判别结果确定故障识别真值表，获取惯性仪表故障检测结果。

7.如权利要求6所述的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，其特征在于，惯性仪表故障检测单元进行惯性仪表故障检测具体包括以下子步骤：

进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；

若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别；

若惯性仪表仪脉冲常零值输出判别结果为惯性仪表正常，则进行惯性仪表一致性判别。

8.如权利要求6所述的冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，其特征在于，惯性仪表故障检测单元中惯性仪表仪脉冲常零值输出判别方法为，在每个采样周期内检查脉冲增量是否为零，连续若干拍均为零则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表仪脉冲常零值输出判别。

9.如权利要求6所述的基于惯组冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，其特征在于，惯性仪表故障检测单元中极大值输出判别为，判断惯性仪表中角速度的极大值输出是否超过门限值，若超过门限值，则说明惯性仪表检测结果为故障，则不再进行惯性仪表一致性判别。

10.如权利要求6所述的基于惯组冗余判决中自动设定阈值的惯性仪表检测系统，其特征在于，惯性仪表故障检测单元中在进行惯性仪表一致性判别之前，还包括对惯性仪表仪标度因数转换。

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