Ідентифікація відмови сенсора і визначення орієнтації в мінімально надлишкових конфігураціях датчиків кутової швидкості в БІНС

Abstract

Стаття присвячена проблемі підвищення відмовостійкості блоку інерціальних датчиків в безплатформених системах орієнтування. Розв’язання проблеми засновано на використанні надлишкової кількості датчиків з незалежними напрямками осей чутливості. Розглянуто три мінімально надлишкові конфігурації розташування осей чутливості сенсорів: «3 ортогональні +1», «конус-4» та «конус-3 з віссю». Наведені геометричні схеми і представлені необхідні співвідношення між ортами осей чутливості датчиків і ортами зв’язаної (приладової) системи координат для формування матриці вимірювань. В умовах, коли всі датчики функціонують в штатному режимі, отримані формули перерахунку кутових квазікоординат повного складу сенсорів до зв’язаної системи координат. У випадку, коли ідентифіковано несправність сенсора, наведені формули приведення значень кутових квазікоординат з тріад сенсорів до зв’язаних осей з метою подальшого використання в алгоритмі орієнтації. В якості еталонного вектора для ідентифікації відмови датчика і виключення його інформації з матриці вимірювань запропоновано використовувати фіктивний вектор позірного повороту, сформований з кутових квазікоординат датчиків. Для цього проводиться експоненціальна апроксимація модуля вектору позірного повороту на обмеженому інтервалі знімання інерціальної інформації з датчиків і формується дискретна модель модуля вектору позірного повороту в залежності від значень цього модуля на попередніх чотирьох тактах знімання інерціальної інформації.

The paper addresses the problem of improving the fault tolerance of the inertial sensor block in strapdown attitude systems. The proposed solution is based on the use of a redundant number of sensors with independent sensitivity-axis orientations. Three minimally redundant configurations of sensor sensitivity axes are considered: “3 orthogonal + 1”, “cone-4”, and “cone-3 with axis”.Geometric schemes are presented, along with the necessary relationships between the unit vectors of sensor sensitivity axes and those of the body-fixed (instrument) coordinate system for forming the measurement matrix. Under normal operation of all sensors, formulas are derived for transforming the angular quasi-coordinates of the complete sensor set into the body-fixed coordinate frame. In the case when a faulty sensor is identified, transformation equations are given for converting the angular quasicoordinates obtained from sensor triads into the body-fixed axes for subsequent use in the attitude determination algorithm. As a reference vector for fault identification and exclusion of the faulty sensor’s data from the measurement matrix, a fictitious apparent rotation vector, formed from the sensors’ angular quasi-coordinates, is proposed. An exponential approximation of the apparent rotation vector modulus is performed over a limited interval of inertial data sampling, and a discrete model of this modulus is constructed based on its values over the previous four sampling intervals.