惯性基智能容错组合导航设计理论关键问题研究

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组合导航系统是提高导航系统性能价格比的有效途径。如果组合导航系统按传统的方法设计成维数庞大的单个集中式滤波器,则将产生两个缺点:其一,实时计算困难,计算量以维数的三次方剧增;其二,容错能力极差,一旦某一子系统出现故障,所有正常工作的子系统都会受到污染。而用联邦滤波理论可以灵活地设计出精度最优或容错能力最强的组合导航系统,所以联邦滤波理论已受到导航界的高度重视。 本论文全面介绍了联邦滤波的理论和算法,详细证明了其估计结果的最优性。同时,以Carlson提出的联邦滤波方法作为理论基础,针对某型飞机装备的SINS、GPS、DVS、ADS、MG、VG多种导航设备设计了具有容错性能的联邦滤波组合导航系统。本论文从实际出发,对设计过程中必须考虑和解决的以下几个问题作了仿真研究:1)比较了所设计的联邦滤波器与集中滤波器的滤波性能;2)作了联邦滤波器系统级故障检测研究,介绍了新息法和状态差异法,以及在这两种方法的基础上衍生的另两种方法:同时采用新息法和状态差异法作故障检测的方法与加安全期检查的新息法;3)提出了系统级故障检测的新思路:利用自适应滤波的方法估计出故障向量的值,从而与量测噪声方差构造成的门限值进行比较,如果超出允许值则检测出故障。并且针对SINS/GPS系统采用该方法进行了故障检测的仿真,达到了较好的效果。该方法采用并行计算的方式,运算速度快易于工程实现。4)研究了确保公共参考系统绝对可靠工作的措施——惯导系统元件级故障检测问题,介绍了广义似然比检测方案,并给出了一个陀螺出故障时的检测方法和仿真结果。5)本文还提出了采用自适应滤波方法进行奇偶向量补偿,并就自适应滤波方法在元件级故障检测中的应用方案进行了讨论和算法推导。
前言第8-12页
第一章 联邦滤波的基本理论及性质第12-22页
    1.1 联邦滤波的结构第12-14页
        1.1.1 系统描述第12页
        1.1.2 集中卡尔曼滤波器的结构第12-14页
        1.1.3 联邦卡尔曼滤波器的结构第14页
    1.2 联邦滤波算法的数学推导第14-18页
        1.2.1 联邦滤波算法最优性的含义第14-15页
        1.2.2 联邦滤波算法的数学描述第15-16页
        1.2.3 联邦滤波算法最优性的数学证明第16-18页
    1.3 联邦滤波的各种配置方案第18-21页
        1.3.1 四种典型的配置方案第18-20页
        1.3.2 四种结构的比较第20-21页
    1.4 联邦滤波的特点第21-22页
第二章 联邦滤波器的设计与实现第22-39页
    2.1 坐标系及其转换关系第22-24页
        2.1.1 各坐标系的定义第22页
        2.2.2 各坐标系之间的转换关系第22-24页
    2.2 子系统误差模型的推导第24-31页
        2.2.1 惯性导航系统(INS)第24-27页
        2.2.2 GPS系统第27-28页
        2.2.3 多普勒测速导航系统(DVS)第28-29页
        2.2.4 大气数据系统(ADS)第29-30页
        2.2.5 磁航向仪(MG)第30页
        2.2.6 垂直陀螺(VG)第30-31页
    2.3 联邦滤波器的实现第31-39页
        2.3.1 系统结构第31页
        2.3.2 公共参考系统SINS的状态方程第31-35页
        2.3.4 各子系统的状态方程和量测方程第35-38页
        2.3.4 联邦滤波器实现第38-39页
第三章 联邦滤波器的滤波性能仿真第39-52页
    3.1 飞行轨迹的设计第39-44页
        3.1.1 飞机的机动飞行过程第39-42页
        3.1.2 飞机的轨迹参数的求取第42-43页
        3.1.3 飞行轨迹的设计和描述第43-44页
    3.2 联邦滤波结果与集中滤波结果的比较第44-52页
        3.2.1 集中卡尔曼滤波器的设计第44-45页
        3.2.2 仿真初始条件及仿真结果的处理第45-47页
        3.2.3 联邦滤波与集中滤波仿真结果的比较第47-52页
第四章 系统级故障检测第52-68页
    4.1 系统级故障检测的理论第52-64页
        4.1.1 状态χ~2检验法第52-54页
        4.1.2 残差χ~2检验法(新息法)第54-55页
        4.1.3 自适应滤波方法第55-62页
        4.1.4 虚警和漏警分析第62-63页
        4.1.5 系统级故障检测的五种方案第63-64页
    4.2 系统级故障检测的五种方案的仿真结果比较第64-68页
        4.2.1 方案1与方案2对故障告警效果的仿真结果比较第64-66页
        4.2.2 方案5对故障告警效果的仿真结果第66页
        4.2.3 五种方案的比较结论第66-68页
第五章 陀螺元件级故障检测第68-89页
    5.1 余度敏感器的配置第68-70页
        5.1.1 余度技术概述第68页
        5.1.2 余度敏感器的配置第68-70页
    5.2 广义似然比检测方案第70-78页
        5.2.1 阈值法故障检测第70-73页
        5.2.2 广义似然检测法故障隔离第73-75页
        5.2.3 V阵的求法第75-76页
        5.2.4 两个陀螺发生故障时的检测方法第76-78页
    5.3 单个陀螺发生故障时的检测方法及仿真结果第78-83页
        5.3.1 飞行轨迹设计第78-81页
        5.3.2 单个陀螺发生故障时的检测方法第81页
        5.3.3 单个陀螺发生故障时的仿真结果第81-83页
    5.4 奇偶向量P的补偿第83-89页
        5.4.1 偏差分离法第83-87页
        5.4.2 自适应滤波方法在奇偶向量P的补偿中的应用第87-88页
        5.4.3 自适应滤波方法进行陀螺元件级故障检测和隔离第88页
        5.4.4 小结第88-89页
第六章 全文总结第89-91页
致谢第91-92页
参考文献第92-96页
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