基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞行器控制技术领域，特别提供一种采用解析重构技术识别角速率传 感器故障及重构角速率信号的方法。具体地说，是指一种基于解析重构信号的飞控系统传 感器混合余度方法，是将解析重构信号与硬件余度系统组成为混合余度系统以提高传感器 系统可靠性的方法。
【背景技术】
[0002] 为了提高飞行器测量系统的可靠性，现代飞行器的测量系统通常采用具有相同功 能的多余度传感器用以测量同一被测量量。即在某一通道发生了测量故障后，余下通道的 测量信号仍能正常工作，确保系统有可以使用的有效信号为飞行控制系统提供用以控制律 解算的测量信号，保证飞行器的飞行性能或任务执行力基本不变（或在一定程度上有所降 低，但可接受）。
[0003] 当前采用多硬件通道构成余度系统时，为了避免相同的硬件和软件造成的共点故 障，余度系统往往使用完全不同的硬件和软件组成非相似余度。但无论是相似余度还是非 相似余度，这种多套硬余度有一个本质弱点，即其基本平均无故障时间会随着硬件余度的 增加而成倍下降。
[0004] 解析余度不需要增加硬件而是用解析的方法为飞行器传感器提供余度。通常使用 现代控制理论中的最优估计或人工智能的方法将传感器的测量值估计出来。当某个传感器 发生故障后，就用这个估计值代替测量值，使飞行控制律能够正常解算，以保证飞行器的安 全飞行和任务可靠执行。
[0005] 目前飞行器控制系统中直接参与控制律解算的传感器通常采用硬件三余度或四 余度结构。当某一通道传感器发生故障时，对于三余度或四余度传感器系统，监控表决器通 过少数服从多数原则，判断故障通道，从而可以进一步隔离故障通道，此时原设计余度系统 余度等级降低。
[0006] 对于三余度监控表决系统，当出现一次故障时，降为双余度，如果再发生一次故 障，则出现1:1的情况，此时监控表决系统无法判断故障通道，飞控系统会切断所有通道， 控制律失效，如图1。因此，三余度监控表决系统实际上只能实现一次故障/工作等级。对 于四余度系统，如果是故障单独出现，可以实现二次故障/工作等级；而如果是两个通道同 时故障，即出现2:2情况，监控表决系统无法判断故障通道，飞控系统会切断所有通道，控 制律失效。因此，四余度系统实际上只能实现二次故障/工作等级或无故障/工作等级。由 此可知，单纯硬件余度系统的故障/工作等级实际上是比较低的。
[0007] 采用进一步增加传感器硬件余度的方法可以提高传感器测量的可靠性，但这也直 接带来一些不可忽视的缺点：
[0008] 1.增加了飞控系统和表决监控系统的复杂性；
[0009] 2.增加传感器硬件余度降低了飞控系统的平均无故障时间，并使得系统加工、装 配、生产、维护的工作难度和工件量大大增加；
[0010] 3.增加了飞机的起飞重量和开发成本。
[0011] 因而，在这种情况下，如果有一个不增加飞行器开发费用、不增加飞行器后期维护 难度的解析余度信号作为传感器系统的备份信号，在传感器出现上述故障或在传感器监控 表决系统出现1:1或2:2的状态下，这个备份信号能够为飞行控制系统提供控制律解算所 需要的关键传感器信息，保证解算出的控制律具有较高的准确性和可行性，从而使得飞行 器能够安全飞行且具有一定程度的任务执行力。
【发明内容】
[0012] 本发明提出一种基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，所述的混合 余度方法设计了解析重构信号，在当前传感器系统正常工作情况下，解析重构信号仅作为 热备份信号，不参与监控表决系统的表决策略；一旦出现监控表决系统的表决结果异常时， 启动热备份信号参与表决，监控表决系统将各个传感器测量值与这个解析重构信号进行比 较，并给出正确的测量值输出。这样，当硬件传感器余度系统出现1:1或2:2情况时可以利 用解析重构信号协助判断和隔离故障传感器通道，在硬件传感器余度系统全部故障时可以 提供一个近似正确的传感器信号用于控制律解算，仍可以保证飞行器安全飞行。本发明提 供的混合余度方法可以使三余度或四余度系统都提高两个故障/工作等级。
[0013] 本发明提供的所述的混合余度方法包括如下步骤：
[0014] 第一步，采集三余度传感器系统的测量值。
[0015] 每个传感器的测量值分别记为WX3，通过监控表决系统，分为如下几种情况进 行表决：
[0016](I)IX1-X2I<e，IX1-X3I<e，Ix2-X3I<e，同时成立，转第二步；
[0017](2) |X「X2|彡e，|X「X3|彡e，IX2-X3I<e，测量值为X1的第一传感器为故障 传感器；出现一次传感器故障，转第三步；
[0018](3)IX1-X2I彡e，IX1-X3I<e，Ix2-X3I彡e，测量值为X2的第二传感器为故障 传感器；出现一次传感器故障，转第三步；
[0019](4)IX1-X2I<e，IX1-X3I彡e，Ix2-X3I彡e，测量值为X3的第三传感器为故障 传感器；出现一次传感器故障，转第三步；
[0020] 如果上述四种情况均不满足，转第四步；
[0021] 其中，e为传感器容许阈值。
[0022] 第二步，监控表决系统输出三个测量值的中间值作为表决结果，传感器状态为无 故障传感器；
[0023] 第三步，在当前传感器系统发生一次传感器故障后，监控表决系统对故障传感器 的故障通道进行隔离，解析重构信号与剩余通道信号组成混合三余度系统；
[0024] 假设测量值为X3的第三传感器为故障传感器（即第（4)中情况），故障通道隔离 后，监控表决系统出现1:1的表决结果，因此此时需要引入第三个值即解析重构信号X3'， 参与到监控表决系统，具体表决过程为：
[0025] 解析重构信号X3'与两个正常的传感器的测量值XJPX2组成混合三余度系统，分 如下几种情况进行表决：
[0026] (a)IX1-X3/I<e且IX2-X3'I<e，则认为无故障传感器，监控表决系统输出 X3'、XpX2中的中间值；
[0027] (b)IX1-X3/I彡￡且IX2-X3'I<e，测量值为&的第一传感器为故障传感器， 即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第二传感器的测量值X2;
[0028] (c)IX1-X3'I< ￡且IX2-X3'I彡e，测量值为&的第二传感器为故障传感器， 即出现二次传感器故障，监控表决系统输出第一传感器的测量值X1;
[0029] 如果上述三种情况均不满足，则转第四步；
[0030] 第四步，三个传感器均为故障传感器，输出解析重构信号X3'。
[0031] 本发明的优点在于：
[0032] 本发明所述的采用解析余度处理飞控系统传感器故障的方法，提高了单纯依赖硬 件余度处理传感器故障的能力，提高了传感器系统的余度等级和故障/工作水平。本方法 在提高余度等级的同时没有改变传感器余度系统的平均无故障时间，由于采用解析余度， 后期的硬件维护难度也大大降低，如果可以保证解析信号的正确性，还可以适当降低传感 器系统的硬件余度配置。
【附图说明】
[0033] 图1当前主流三余度监控表决系统实现原理框图；
[0034] 图2为本发明提供的基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法原理框 图；
[0035] 图3为本发明中混合余度算法流程图；
[0036] 图3a为本发明中混合余度方法中三余度传感器系统无故障及发生一次故障时的 表决算法流程图；
[0037] 图3b为本发明中三余度传感器系统一次故障后与解析重构信号组成混合三余度 系统的表决算法流程图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细地说明。
[0039] 本发明提供了一种基于解析重构信号的飞控系统传感器混合余度方法，如图2和 图3所示，当传感器系统无故障传感器时，直接通过监控表决系统（包括比较器和表决器） 输出传感器状态和表决结果；对于三余度传感器系统，当出现一次传感器故障，监控表决系 统可以实现对传感器故障隔离，当三余度传感器发生二次故障时，监控表决系统的表决结 果为1:1，此时仅仅通过原有的监控表决系统不能识别出故障传感器，因此采用本发明提供 的混合余度方法，利用解析重构信号，组成三余度系统实现表决结果和传感器状态的输出； 当四余度传感器系统出现2:2的表决结果时，也要采用本发明提供的混合余度方法提供解 析重构信号辅助表决结果。下面以三余度传感器系统为例详细给出本发明提供的混合余度 方法，