基于捷联航姿系统挠性陀螺故障诊断方法的研究

基于捷联航姿系统挠性陀螺故障诊断方法的研究摘要:本文针对传统BITE不能对捷联航姿系统挠性陀螺软故障进行检测的不足，提出了一种改进的Wald的序惯概率比法。改进的Wald的序惯概率比法是通过补偿方法对Wald的序惯概率比法进行创新，应用改进的Wald的序惯概率比法，能成功地解决捷联航姿系统挠性陀螺的软故障无法检测的难题，使陀螺的误警率PFA从原来的6％下降到1％。

关键词:改进的Wald的序惯概率比法故障检测捷联航姿系统软故障

1引言

捷联航姿系统具有“磁修正（MAG）”和“半罗盘（DG）”两种工作模式，向综合显示系统、自动驾驶仪、气象雷达等机载设备提供所需的信息；同时还具有备份导航功能，向载机其他设备提供所需的即时位置经纬度、地速、真航向、机体三轴加速度等导航参数。该系统导航精度好坏将主要取决于其核心部件挠性陀螺。

一般来说，该设备出现故障具有三种情况：一是硬故障，即影响程度最高，将直接导致仪表无法正常工作，但这种故障较易诊断；二是软故障，该故障主要导致设备工作的稳定性及精度，诊断困难；三是中等故障，故障特点及诊断难易程度均介于前两者之间。比较而言，第一和第三种故障可通过BITE（Built-In Test Equipment）检测出来，

第二种故障较难实现检测，但是全姿态组合陀螺的软故障对于捷联航姿系统，能够引起位置和速度精度的缓慢下降，增大整个系统误差，因此有必要找出高效的系统软故障检测方法。

目前采用比较法对捷联航姿系统挠性陀螺的硬故障和中故障进行检测，这种方法使系统误警率高，为了解决系统误警率、漏检率和误隔离率等过高以及检测系统的软故障系列问题，本文提出了一种改进的的序贯概率比法[1，2]，进行系统的软故障检测。

2 改进的序贯概率比检测法

由于系统设备进行检测时无法完全避免噪声影响，因而系统的FDI (Fault Detection and Isolation,即故障检测和故障隔离)存在错误检验概率，如误警率、漏检率和误隔离率等。如系统误警率若过大，将使得无故障部件被系统隔离，从而降低系统的可靠性，严重时会导致系统失效。改进的的序贯概率比法正好可以有效降低故障检测的影响因素。

序贯概率比检验方法并不预先规定观测样本的数目（对应于观测时间），而是在检验过程中不断增加观测数据，一直到满足要求的误警率和漏检率为止。

假定和是一系列随机变量的两个备择假设。用代表共m个序贯的观测值在和之下的概率，根据该m个序贯的观测值所得的似然比为wald定义两种备择假设和之间的取舍的序贯概率比检验如下：

首先，取定两个常数，，使得。再顺次一个一个观察随机变量，并在每一步上计算似然比。

若具有错误概率(α,β)与边界点(A,B)的序贯概率比检验以概率1终止，在系统FDI中采用对数似然比函数λm

将λm同两个门限值Tdo和Tdi进行比较（和又可以称为wald 门限），其中显然Tdo<0，Tdi>0。如果λm<Tdo，系统正常；如果λm>Tdi，系统部件发生故障。

如果序贯观测值｛rm｝的测量噪声服从均值为0，方差为σ2的高斯白噪声，敏感器的故障幅值为a0，则对数似然比函数λm可由下式推得

其中，λm=0。

在实际容错导航系统中，敏感器的故障幅值有时可能为正，有时也可能为负，因此当敏感器的幅值为负时，将-代入(5)式即可。

整个故障检测过程。该图说明该系统在没有部件发生故障的时候，<TD0；如果系统发生部件故障，则由到需要一个比较长的延迟时间，这将对系统的性能产生影响。

为了解决以上问题，及时处理部件故障，一般可以采用补偿的方法，将似然比中负的累加项补偿至零，也就是当<0时，令=0。

3 改进方法的实验验证

3.1仅有噪声的情况实验

在捷联航姿系统挠性陀螺只有噪声的情况下，应用改进检验法对其软故障进行诊断。给定飞机捷联航姿系统的标准航向角为，误差给定值为,系统在只有噪声情况下的残差曲线。显然，由于噪声存在，即使系统设备没有出现故障，其测量值也有可能超过误差规定值，导致误警现象出现。

当故障的幅值15°。根据残差rm计算对数似然比λm。

……

最后利用仿真编程软件即可绘出的曲线。

通过分析曲线数据可知，当λm=13.96时，λm>Tdi。说明即使捷联航姿系统挠性陀螺故障幅值为1°，没有超过规定误差值1.5°，但在噪声影响下，捷联航姿系统挠性陀螺将产生故障。如每0.1秒采样一次，在3.41秒时，捷联航姿系统挠性陀螺出现软故障。

4 结论

对的序贯概率比检验法采用补偿法进行改进，使其在检测过程中更为完善，为检测航姿系统故障提供更有利的方法和实践依据。本文

所提方法经过实验证明，可以解决捷联航姿系统挠性陀螺的故障检测问题，同时系统故障误警率从原来的下降到。

参考文献

[1] 王沛，姚恒，李莉.综合图像空间域和小波域特性的自适应盲水印算法[J].光学精密工程，2006，12(6): 1057-1062.

[2] POTTER J E，SUMAN M C. Thresholdless redundancy management with arrays of skewed instrument. In:AGARDOGRAPH-244,Integrity in Electronic Flight Control Systems, 1997:276-281.