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基于双参数的GNSS/SINS故障检测及抗差自适应算法

赵桂玲 王金宝 姜子昊 高帅

赵桂玲,王金宝,姜子昊,等. 基于双参数的GNSS/SINS故障检测及抗差自适应算法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):655-667
引用本文: 赵桂玲,王金宝,姜子昊,等. 基于双参数的GNSS/SINS故障检测及抗差自适应算法[J]. 北京航空航天大学学报,2026,52(3):655-667
ZHAO G L,WANG J B,JIANG Z H,et al. A GNSS/SINS fault detection and robust adaptive algorithm based on two parameters[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):655-667 (in Chinese)
Citation: ZHAO G L,WANG J B,JIANG Z H,et al. A GNSS/SINS fault detection and robust adaptive algorithm based on two parameters[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2026,52(3):655-667 (in Chinese)

基于双参数的GNSS/SINS故障检测及抗差自适应算法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2023.0822
基金项目: 

辽宁省自然科学基金(2020-MS-303);辽宁省教育厅基本科研项目(JYTMS20230807)

详细信息
    通讯作者:

    E-mail:zhaoguiling@lntu.edu.cn

  • 中图分类号: V249.3;P228

A GNSS/SINS fault detection and robust adaptive algorithm based on two parameters

Funds: 

Natural Science Foundation of Liaoning Province (2020-MS-303); Basic Research Projects of the Education Department of Liaoning Province, China (JYTMS20230807)

More Information
  • 摘要:

    全球导航卫星系统(GNSS)信号易受到干扰产生故障,导致滤波器性能降低,影响全球导航卫星系统/捷联惯性导航系统(GNSS/SINS)组合导航系统输出精度。针对该问题,提出一种基于双参数的GNSS/SINS故障检测及抗差自适应算法。算法基于新息残差对系统量测数据进行评估,设计基于平滑有界层宽度的故障检测函数进行故障精确检测;利用故障检测函数值构造抗差协因数矩阵进行误差实时修正,提高状态估计的精度与鲁棒性。阶跃故障和缓变故障2类典型的GNSS故障实验结果表明:基于双参数的GNSS/SINS故障检测及抗差自适应算法与传统的基于残差卡方故障检测的抗差自适应算法相比,速度故障检测率提高7.6%~23.2%,位置故障检测率提高3.2%~12.3%;速度精度提高20.7%~27.1%,位置精度提高22.2%~34.6%。所提算法有效提高了GNSS/SINS组合导航系统的精度与鲁棒性。

     

  • 图 1  本文算法流程

    Figure 1.  Flow chart of the proposed algorithm

    图 2  车载组合导航实验设备运行轨迹

    Figure 2.  Running trajectory of vehicle integrated navigation experimental equipment

    图 3  大阶跃故障下2种算法的故障检测函数

    Figure 3.  Fault detection functions of two algorithms under large step fault

    图 4  大阶跃故障下2种算法速度、位置故障的漏警时长

    Figure 4.  Missed alarm duration of velocity, position fault of two algorithms under large step fault

    图 5  大阶跃故障下2种算法的速度、位置误差曲线

    Figure 5.  Velocity and position error curves of two algorithms under large step fault

    图 6  小阶跃故障下2种算法的故障检测函数

    Figure 6.  Fault detection functions of two algorithms under small step fault

    图 7  小阶跃故障下2种算法速度、位置故障的漏警时长

    Figure 7.  Missed alarm duration of velocity, position fault of two algorithms under small step fault

    图 8  小阶跃故障下2种算法的速度、位置误差曲线

    Figure 8.  Velocity and position error curves of two algorithms under small step fault

    图 9  缓变故障下2种算法的故障检测函数

    Figure 9.  Fault detection functions of two algorithms under slowly-varying fault

    图 10  缓变故障下2种算法速度、位置故障的漏警时长

    Figure 10.  Missed alarm duration of velocity, position fault of two algorithms under slowly-varying fault

    图 11  缓变故障下2种算法的速度、位置误差曲线

    Figure 11.  Velocity and position error curves of two algorithms under slowly-varying fault

    表  1  GNSS和SINS设备参数

    Table  1.   Equipment parameters of GNSS and SINS

    设备 陀螺仪 加速度计
    零偏/((°)·h−1) 频率/Hz 零偏/((°)·h−1) 频率/Hz
    SINS 0.8 200 100 200
    设备 速度 位置
    误差/(m·s−1) 频率/Hz 零偏/(m·s−1) 频率/Hz
    GNSS 0.1 1 [10,10,30] 1
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    表  2  大阶跃故障下2种算法的检测效果对比

    Table  2.   Comparison of two fault detection algorithms under large step fault

    算法 故障时段/s 首次故障检测时间/s 平均漏警时长/s 故障检测率/% 故障检测率提高比例/%
    速度 位置 速度 位置 速度 位置 速度 位置
    残差卡方 301~600 301 301 23.6 10.0 92.1 96.7
    本文算法 301~600 301 301 0.8 0.3 99.7 99.9 7.6 3.2
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    表  3  大阶跃故障下2种算法的速度、位置均方根误差

    Table  3.   Root mean square error of velocity and position of two algorithms under large step fault

    算法类型 速度均方根误差/(m·s−1) 位置均方根误差/m 精度提高比例/%
    北向 东向 天向 北向 东向 天向 速度 位置
    残差卡方 0.5329 0.6069 0.1240 22.1648 25.6196 19.6618
    本文算法 0.4998 0.3840 0.0765 20.3972 16.9431 9.9366 27.1 30.4
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    表  4  小阶跃故障下2种算法的检测效果对比

    Table  4.   Comparison of two fault detection algorithms under small step fault

    算法 故障时段/s 首次故障检测时间/s 平均漏警时长/s 故障检测率/% 故障检测率提高比例/%
    速度 位置 速度 位置 速度 位置 速度 位置
    残差卡方 301~600 301 301 86.2 40.9 71.3 86.4
    本文算法 301~600 301 301 16.6 4.0 94.5 98.7 23.2 12.3
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    表  5  小阶跃故障下2种算法的速度、位置均方根误差

    Table  5.   Root mean square error of velocity and position of two algorithms under small step fault

    算法 速度均方根误差/(m·s−1) 位置均方根误差/m 精度提高比例/%
    北向 东向 天向 北向 东向 天向 速度 位置
    残差卡方 0.2311 0.2581 0.0904 8.6048 4.8072 9.7146
    本文算法 0.2025 0.1454 0.0709 7.7014 2.0342 6.2610 25.9 34.6
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    表  6  缓变故障下2种算法的检测效果对比

    Table  6.   Comparison of two fault detection algorithms under slowly-varying fault

    算法 故障时段/s 首次故障检测时间/s 平均漏警时长/s 故障检测率/% 故障检测率提高比例/%
    速度 位置 速度 位置 速度 位置 速度 位置
    残差卡方 301~600 304 303 80.3 42.2 73.2 85.9
    本文算法 301~600 301 301 37.7 12.4 87.6 95.7 14.4 9.8
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    表  7  缓变故障下2种算法的速度、位置均方根误差

    Table  7.   Root mean square error of velocity and position of two algorithms under slowly-varying fault

    算法 速度均方根误差/(m·s−1) 位置均方根误差/m 精度提高比例/%
    北向 东向 天向 北向 东向 天向 速度 位置
    残差卡方 0.2679 0.2079 0.0817 5.7273 3.2642 8.1844
    本文算法 0.2249 0.1500 0.0669 4.3514 3.0521 5.2217 20.7 22.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-18
  • 录用日期:  2024-02-23
  • 网络出版日期:  2024-03-11
  • 整期出版日期:  2026-03-31

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