临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

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1、航空学报Dea25l裂6⋯Vol-68．3793Nnjlll$-19912-9S9，v8ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaIUUUUNI／15§N‘DbjjI’I了‘了V一一===========================================一http：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．crl临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计吴永亮1，2一，蔡亚男3，宝音贺西2，熊立川1，刘盛川11．成都飞机设计研究所，成都61

2、00912．清华大学航天航空学院，北京1000843．电子科技大学航空航天学院，成都611731摘要：临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全，因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性，为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统，提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求，提出了一种标准的三余度导航系统架构，并设计了采用新型加权平均表决子算法，具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法，构建了适用于临近空间元人

3、飞行器的多余度容错导航系统，通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能，展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。关键词：I

4、缶近空间无人飞行器；导航系统；故障检测；故障隔离；容错重构中图分类号：V249．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)S1一$91—08采用余度技术提高导航系统的可靠性是目前情况下既经济又切实可行的技术手段，余度导航系统的容错技术或余度管理技术是提高可靠性的关键技术，也是导航领域国内外的研究热点。I靥近空间无人飞行

5、器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全，因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性。为达到此目的，一般配备惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成了多源多余度容错导航系统，以提高系统的可靠性，从而在出现故障和异常情况下仍能够连续提供准确的位置、速度和姿态信息用于飞行控制‘1。3

6、。应用于临近空间无人飞行器提供位置、速度、姿态、角速率和过载导航信息的理想导航设备是GPS／INS／ADS组合导航设备n。2]，如目前已经服役的典型无人飞行器——“全球鹰”高空临近空间无人飞行器[4{]。但是单余度的导

7、航设备并不能满足临近空间无人飞行器的飞行可靠性及任务可靠性要求，所以必须采用多余度的多种导航设备组成多源多余度导航系统，以提高系统的可靠性；如果要达到一次故障工作的要求，需要配置3个以上的余度[7]。容错重构或余度管理是多源导航系统最为关键的技术之一。容错重构的目的是剔除故障导航设备或故障导航信息并最大限度地利用可用信息源，使系统产生故障或异常后，系统性能降低最小，并对故障瞬态提供保护，从而提高整个导航系统的可靠性。快速、准确的故障检测和隔离，以及稳定可靠的故障重构是多源导航系统余度管理算法所要解决的

8、关键问题。近年来，导航系统容错重构的研究逐渐由关注敏感器本身转移到惯导级收稿日期：2016—04—22；退修日期：2016—05—13；录用日期：2016—05—27：网络出版时间：2016．07—1216：50网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20160712．1650．002．html*通讯作者．Tel．：028-65503838E-mail：wuyongliang@buaa．edu．cn确角禧武t吴永亮，蔡亚勇，宝音贺西，等，帷近空阚无人飞行器多

9、余度客错导航系统设ifEJ]．航空学报。2016．37(SI)：$91．,398。WUYL，CA／YN，BAOYINHX，eta1．Designofredundantfault-tolerantnavigationsystemfornesrspaceUAVEJ]．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinice，2016，37(S，)：S9I-S98．$92航空学报Dec．252016VoI．37No．s1===================================：

10、一：：一=和导航系统级的容错设计上，即导航系统的余度配置，故障检测、隔离和重构。文献[8—9]研究了天文导航系统等新型传感器在高空临近空间无人飞行器导航系统中的应用，从拓展新型异构传感器方面增加了导航系统的容错能力；王社伟和张洪钺[10]研究了捷联式敏感元件的余度配置与管理技术，提出了冗余惯性器件的结构配置优化策略；宁大军和潘鸿飞[11]研究了捷联惯导系统级余度管理技术，提出采用z2检验法实时确定INS与全球卫星导航系统还是与多普勒导航系统进行组合；金宏