高密度集成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在微小型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、下一代巡航彈、芯片衛(wèi)星、微小型飛行器、航空彈射座椅及智能頭盔、單兵裝備等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，成為各種制導(dǎo)武器及武器平臺必備的關(guān)鍵單機(jī)產(chǎn)品。高密度集成微慣性導(dǎo)航中衛(wèi)導(dǎo)與慣導(dǎo)信息融合解算涉及到慣導(dǎo)系統(tǒng)IMU陀螺儀和加速度計測量值處理、測量誤差估計、姿態(tài)、速度和位置更新以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信息解算過程中的導(dǎo)航電文提取、可見衛(wèi)星空間位置速度計算、偽距率提取以及組合導(dǎo)航擴(kuò)展卡爾曼濾波主濾波器設(shè)計、量測方程設(shè)計、過程噪聲和量測噪聲矩陣估計等內(nèi)容。然而微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完好性監(jiān)測算法中多差錯和小差錯故障信息檢測較為困難，甚至遇到“完好性黑洞”等特殊情形，因此，針對高密度集成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行自主完好性監(jiān)測技術(shù)研究具有重要意義。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北京航天控制儀器研究所、中國航天科技集團(tuán)有限公司的研究人員針對多平臺、小型化、集群化等未來微小型空天飛行器故障信息自主監(jiān)測等技術(shù)需求，提出一種高密度集成微慣性導(dǎo)航自主完好性監(jiān)測算法——快速最優(yōu)子集甄選完好性監(jiān)測算法（Fast Optimal Subset Selection Integrity Monitoring，F(xiàn)OIM）。該算法能夠顯著降低系統(tǒng)的計算復(fù)雜度，并可有效檢測小差錯和多差錯故障觀測量，具有較高的故障信息源檢測識別概率，增強(qiáng)了高密度集成微慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)系統(tǒng)魯棒性和完備性。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《中國空間科學(xué)技術(shù)》期刊。

該項工作中，研究人員將傳感、處理、通信等功能器組件進(jìn)行系統(tǒng)級微尺度集成，按照物理功能及其實現(xiàn)方式對傳統(tǒng)慣性微系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化組合，以高性能低功耗處理器為核心，將微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器、存儲器、通信模塊等有機(jī)地整合一體，構(gòu)建出一種開放式、通用化、高密度的微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。該高密度集成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過測量運動載體相對慣性空間的角運動和線運動，經(jīng)過積分等運算可實時得到載體的姿態(tài)、速度、位置信息，同時結(jié)合多模衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行松組合導(dǎo)航及慣導(dǎo)誤差在線修正，不僅可以建立運載體的運動基準(zhǔn)坐標(biāo)系，還可精確地測量運載體的給類運動參數(shù)，同時具有安全自主、高度隱蔽、信息實時與連續(xù)、不受時間與地域限制等重要特性。

高密度集成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

高密度集成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組成框圖

針對高密度集成微慣性導(dǎo)航中多差錯和小差錯故障信息監(jiān)測等自主完好性問題，研究人員提出了一種FOIM算法。該算法通過分析微慣性導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航中可能出現(xiàn)的故障信息源，通過優(yōu)選子集數(shù)目進(jìn)行算法預(yù)檢驗甄選，排除可見導(dǎo)航衛(wèi)星空間幾何分布較差以及對完好性監(jiān)測意義不大的組合，最終達(dá)到故障檢測與排除的目的。與傳統(tǒng)MHSS算法相比，該算法能夠顯著降低系統(tǒng)的計算復(fù)雜度，同時具有較高的故障信息源檢測識別概率，有效避免了完好性黑洞等問題，提高了微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)魯棒性和完備性。

FOIM算法原理框圖

運動場景下微慣性導(dǎo)航終端性能示意圖

MHSS算法故障檢測示意圖

量測誤差下FOIM算法故障檢測示意圖

隨著MEMS及微慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，小型化、低功耗、高性能的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)將越來越多地應(yīng)用于微小型空天飛行器、無人作戰(zhàn)系統(tǒng)以及精確制導(dǎo)彈藥等領(lǐng)域。展望未來，高密度集成微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將會進(jìn)一步綜合應(yīng)用所有可用傳感器觀測信息，如何更好地滿足用戶定位性能需求以及最大限度地保證定位結(jié)果的可靠性，將成為未來微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)研究的重點。

研究人員稱，后續(xù)將針對如何兼顧衛(wèi)導(dǎo)、慣導(dǎo)以及其他外源傳感器導(dǎo)航完好性算法中的階躍故障和斜坡故障等問題繼續(xù)進(jìn)行深入研究。

審核編輯：郭婷