專利名稱：故障檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及故障檢測的方法，尤其涉及將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)用在位置測量設(shè)備(PME)中對故障進(jìn)行檢測的方法，該位置測量設(shè)備可提供位置測量值和/或速度測量值。該P(yáng)ME可用于船舶的動(dòng)態(tài)定位(DP)，S卩，利用推進(jìn)器抵抗如風(fēng)力和水流的環(huán)境力，使船舶在一參考點(diǎn)的鄰近范圍內(nèi)保持位置和穩(wěn)固航向。術(shù)語“慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)”包括具有一慣性測量單元(IMU)的系統(tǒng)，該慣性測量單元通常為一具有內(nèi)部或外部數(shù)據(jù)融合算法的低水平的測量系統(tǒng)。術(shù)語“動(dòng)態(tài)定位(DP)系統(tǒng)”包括其它用于船舶的定位系統(tǒng)，例如將DP系統(tǒng)的特性與錨泊系統(tǒng)結(jié)合起來的錨泊輔助動(dòng)力定位系統(tǒng)和推進(jìn)器輔助錨泊系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一動(dòng)態(tài)定位(DP)系統(tǒng)的基本組成要素為一個(gè)或多個(gè)用于測量船舶位置和航向的位置參考系統(tǒng)；用于提供控制動(dòng)作的推進(jìn)器；以及一用于決定所需的推進(jìn)器的控制器。DP系統(tǒng)的目的不是保持船舶絕對靜止不動(dòng)，而是令其在一可接受的界限內(nèi)保持其位置點(diǎn)。允許的位置變化量取決于應(yīng)用和實(shí)施條件。在許多應(yīng)用下，超過可接受的界限內(nèi)的位置喪失可能會對員工安全或設(shè)備或環(huán)境造成嚴(yán)重的影響。因此，至關(guān)重要的是，只要是在合理可能的情況下，就要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣肀３諨P系統(tǒng)的完整性。DP中的安全操作依靠的是對船舶位置和航向的全程精確測量。為了保證即便在發(fā) 生了故障的情況下的全程精確測量，所有測量系統(tǒng)都包括了冗余。物理冗余有賴于設(shè)備的備份，以保證設(shè)備的任意單一零件的故障不會造成整個(gè)系統(tǒng)的故障，且該物理冗余允許發(fā)生故障的設(shè)備使用冗余硬件分路。并行的冗余系統(tǒng)必須是獨(dú)立的，即單一的故障模式不會使整個(gè)系統(tǒng)故障。所述DP系統(tǒng)使所有推導(dǎo)自任意來源的可用的位置測量值結(jié)合成為一單一的船舶位置估計(jì)值。結(jié)合所述位置測量值的算法可基于卡爾曼濾波器。所述位置測量值的來源可包括多種位置測量設(shè)備(PME)，例如陀螺羅盤(其獨(dú)立于外部干擾，可提供船舶航向(航線)的緊湊的，可靠的且精確的測量值)，緊基線測距儀，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(其包括全球定位系統(tǒng)(GPS)和差分全球定位系統(tǒng)(DGPS))，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，和水聲定位系統(tǒng)。所述PME也可為一例如多普勒計(jì)程儀(DVL)的可用于提供速度測量值的系統(tǒng)。INS在一慣性參考框架中使用加速度測量值估計(jì)船舶的運(yùn)動(dòng)。一典型的INS包括一具有一組傳感器的慣性測量單元(IMU),所述傳感器例如為分別檢測線加速度(通常是正交的三個(gè)方向)和轉(zhuǎn)動(dòng)速率的加速度計(jì)和陀螺儀。由該IMU提供的加速度測量值通常用于對傳感器誤差和重力進(jìn)行補(bǔ)償，然后該加速度測量值經(jīng)兩次積分以提供速度和位置的估計(jì)值。在加速度測量中固有的噪聲和其它不精確的結(jié)果均會導(dǎo)致不可避免的由INS提供的位置估計(jì)值的漂移。由于所述不可避免的漂移量，僅基于INS的位置估計(jì)值有時(shí)被指稱為“獨(dú)立”位置估計(jì)值。
因此，所述漂移量通常由INS位置估計(jì)值結(jié)合獨(dú)立的由另一 PME單元提供的位置測量值進(jìn)行補(bǔ)償。通常，一卡爾曼濾波器用于結(jié)合源于INS的位置估計(jì)值以及源于所述另一 PME的位置測量值，以識別和保持加速度計(jì)和陀螺儀中的偏移量或漂移量的估計(jì)值。這樣的設(shè)置常被指稱為“PME輔助的INS”，因?yàn)槠涮峁┑囊粋€(gè)“經(jīng)輔助的”位置估計(jì)值，該在位置估計(jì)值中至少可以部分補(bǔ)償所述漂移量。所述卡爾曼濾波器保持一船舶狀態(tài)估計(jì)值，該估計(jì)值至少包括所述船舶位置和速度，也可能包括其他數(shù)據(jù)，例如在IMU中的加速度計(jì)和陀螺儀的偏移量或漂移量。在由INS提供的位置估計(jì)值不被補(bǔ)償?shù)钠陂g(例如由于PME斷供或故障)，可能的位置估計(jì)值的漂移量可實(shí)驗(yàn)性地由“慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和DP的整合”(“Integration ofan inertial Navigation system and DP，，)一文中確定，該文由作者 Stephens, R. I,Cretollier,F. ,Morvan, P. Y.，和 Chamberlain,A. G.，在 2008 年 10 月 7-8 日在美國德克薩斯州休斯敦市舉行的動(dòng)態(tài)定位會議上發(fā)表。大約60秒后的漂移量大致小于2米，且120秒 后的偏移量大致小于大約5米。上述內(nèi)容暗示了 INS在無需任何偏移量補(bǔ)償方式的情況下可用于提供短時(shí)段內(nèi)的獨(dú)立位置估計(jì)值。對于在PME中的故障的檢測是困難的。已知的多種不同的方法包括中值檢查、步驟檢測和噪聲檢測等。然而，用于故障檢測的最可靠的方法為對多個(gè)PME單元產(chǎn)生的不同位置測量值進(jìn)行比較。當(dāng)DP系統(tǒng)僅使用一個(gè)或兩個(gè)PME單元時(shí)，故障檢測的方法則是有限的。例如，當(dāng)僅有兩個(gè)PME單元可用時(shí)，盡管可檢測到漂移量，但在缺少進(jìn)一步的信息的情況下是不能識別到故障的PME的。因此，對于PME單元來說需要提供一改進(jìn)的故障檢測系統(tǒng)。該改進(jìn)的故障檢測系統(tǒng)可用于例如鉆探船、穿梭輸油船和補(bǔ)給船等可靠性是至關(guān)重要的DP系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對一種使用來自慣性測量單元(IMU)的慣性測量值對在通常形成定位(DP)系統(tǒng)的一部分的一個(gè)或多個(gè)位置測量設(shè)備(PME)中出現(xiàn)的的故障進(jìn)行檢測的方法所述IMU可形成一慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)中的一部分。在一優(yōu)選的故障檢測方法中,基于在某些先前的時(shí)刻PME運(yùn)行正常且獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的短時(shí)段的漂移量比檢測到的誤差或差異小的情況下，來自IMU的慣性測量值被緩存起來且用于推導(dǎo)出獨(dú)立的“獨(dú)立”船舶狀態(tài)估計(jì)值。這里所使用的術(shù)語“船舶狀態(tài)估計(jì)值”指的是船舶的物理狀態(tài)的估計(jì)值，且該“船舶狀態(tài)估計(jì)值”至少包括船舶的位置和速度，以及例如在MU中的加速度計(jì)和陀螺儀的偏移量和漂移量等可選的數(shù)據(jù)。更特別的是，本發(fā)明提供了一種使用由一 IMU提供的慣性測量值來檢測與船舶相關(guān)聯(lián)的PME中的故障，以及提供位置測量值和/或速度測量值的方法，該方法包括的步驟有使用一較早的速度測量值，以及一較早的位置測量值中和一較早的速度測量值兩者或之一，以推導(dǎo)出一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值；使用至少一慣性測量值和所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值作為一起始狀態(tài)，以推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值；以及將該至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值與由所述PME提供的至少一位置測量值和/或至少一速度測量值進(jìn)行比較，以確定PME中是否有故障。所述輔助和獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值通常為向量的形式，該向量具有至少一代表船舶位置估計(jì)值的位置分量和一代表船舶速度或速率估計(jì)值的速度分量。輕易可知的是，卡爾曼濾波器或其它狀態(tài)觀察器都會自然地提供這樣的一個(gè)具有位置分量和速度分量的向量，不論其接收到的測量值是來自PME和/或IMU。所述位置分量通常至少包含向量中的兩要素或條目，一北向位置和一東向位置，雖然該位置分量可能會被按照任意其它適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)系存儲和/或測量。相似地，所述速度分量通常至少包含向量中的兩要素或條目，一北向速度和一東向速度，但是以浪涌速度或搖擺速度(即，按照航體坐標(biāo))的形式測量的。獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值與由PME提供的且用于確定在該P(yáng)ME中是否有故障的至少一位置測量值和/或至少一速度測量值之間的任意比較都可能由此涉及某種由一坐標(biāo)系向另一坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)變或轉(zhuǎn)換。更多關(guān)于卡爾曼濾波器正常運(yùn)行以得到位置和速度估計(jì)值的方法可從Gelb，A.，實(shí)用的最佳估計(jì)(Applied Optimal Estimation), MIT 出版社，1974 以及 Astrom, K. J.和ffittenmark, B.,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)理論與設(shè)計(jì)，第二版，Prentice-Hall, 1990中得到。若PME中存在故障則會導(dǎo)致至少一位置測量值和/或至少一速度測量值與至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的相應(yīng)的分量之間的誤差或差異。因此對誤差或差異的檢測可用于檢查該P(yáng)ME是否正常運(yùn)行。所述故障檢測方法假設(shè)(i)在某先前的時(shí)刻(例如N+1秒之前)對PME運(yùn)行正常，因此在該先前的時(shí)刻(例如在t-(N+l)秒時(shí))由PME提供的位置測量值和/或速度測量值是無誤差的，以及(ii)自從所述先前的時(shí)刻(例如最后的N+1秒)由MU提供的慣性測量值的漂移量比檢測到的誤差或差異要小。N值越大，對例如是漂移量的故障的識別越好。例如，在線性漂移率為r米每秒的情況下，剩余量為N. r米，因此使N值變大，可增強(qiáng)噪聲抑制?？墒褂玫腘的實(shí)際值取決于IMU的質(zhì)量，所需的故障檢測率等等。對于一典型的IMU來說，N=60秒的值有望用于檢測大概6米或更大的誤差。由MU提供的慣性測量值通常包括線性加速度(通常在三個(gè)正交方向上)和轉(zhuǎn)動(dòng)速率。這些量可結(jié)合起來形成一加速度向量a(t)。由PME提供的位置測量值p (T)可以為例如空間坐標(biāo)或地球上的絕對位置的形式。由PME提供的速度測量值p (t)可以為例如多普勒計(jì)程儀(DVL)的形式。所述MU和PME將以任意適當(dāng)?shù)母侣侍峁y量值，例如每秒一次。由IMU和PME提供的測量值優(yōu)選地存儲于不同的緩存器內(nèi)。若使用多于一個(gè)PME則各PME通常具有各自的用于存儲各自測量值的緩存器。在一典型示例中，每秒會有一加速度向量加入到加速度緩存器內(nèi)，則在N+1之后該加速度緩存器將包括N+1個(gè)加速度向量。若該P(yáng)ME提供位置測量值，則在N+1之后該位置緩存器將包括N+1個(gè)位置測量值。若該P(yáng)ME提供速度測量值(或者除了該位置測量值之夕卜，或者代替該位置測量值)，則在N+1之后一速度緩存器將包括N+1個(gè)速度測量值。各緩存器通過會容納最多N+1個(gè)加速度向量或PME測量值。在通常不會進(jìn)行故障檢測的準(zhǔn)備或初始過程中對所述緩存器會被填充，或?qū)⒁蝗我獬跏贾?例如0)預(yù)設(shè)至每個(gè)緩存器。一但緩存器滿了，則隨著分別由IMU2和PME4提供的加速度向量和測量值的到來，最早的加速度向量和測量值被簡單地從緩存器中丟棄。在故障檢測方法正常運(yùn)行的過程中，各緩存器因此通常包含最新的形式為a (t- (N+1))，a (t-N) a (t_l)，a (t)的加速度向量和測量值，在例如位置測量值的情況下，其形式為P (t- (N+1))，p (t-N)... p (t-1)，p (t)。
由慣性測量單元提供的較早的慣性測量值(例如在t_(N+l))時(shí)刻)與由PME提供的較早的位置測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)和一較早的速度測量值(例如在t-(N+l))時(shí)刻)相結(jié)合，以推導(dǎo)出“輔助”船舶狀態(tài)估計(jì)值。然后該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值用于作為一個(gè)推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的起始狀態(tài)，該獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的推導(dǎo)過程將在下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。輕易可知的是，較早的位置測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)和較早的速度測量值的使用取決于何種PME測量值是可用的，以及特定的故障檢測系統(tǒng)的配置。對于故障檢測方法中的每次迭代(通常為每秒一次)，對于一時(shí)刻t優(yōu)選地執(zhí)行下 面的步驟I.由t_(N+l)時(shí)刻的慣性測量值(例如加速度測量值a(t-(N+1)))結(jié)合t_(N+l)時(shí)刻的位置測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)以及一速度測量值(例如位置測量值P(t_(N+l)))推導(dǎo)出迭代所針對的t-(N+l)時(shí)刻的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(例如x’(t-(N+l)))。2.所述t_(N+l)時(shí)刻的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(例如x’(t_(N+l)))作為一個(gè)過程的起始狀態(tài)，該過程為由從t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的存儲的慣性測量值(例如所述經(jīng)緩存的加速度向量a (t-N)…a (t-1)，a (t))得到至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值。例如，使用所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-(N+l))作為一起始狀態(tài)，該過程由加速度向量a(t-N)得到一第一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X(t-N);由加速度向量a(t-(N_l))得到一第二獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t_(N-I));由加速度向量a(t-(N_2))得到一第三獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t-(N_2));以此類推直到由加速度向量a (t)得到一最終獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)。換句話說，對于每次迭代所述經(jīng)緩存的加速度向量a(t-N)-a(t_l)，a(t)可用來推導(dǎo)出t-N時(shí)刻與t時(shí)刻之間的所有時(shí)間步長的一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X(t-N)…x(t-l)，x(t)。作為起始狀態(tài)的所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值是從由PME提供的較早的位置測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)以及一較早的速度測量值(例如對于t-(N+l)時(shí)刻)推導(dǎo)出的。因此輕易可知的是，對于故障檢測方法中的每次迭代，所述經(jīng)緩存的位置測量值和/或速度測量值以及t-(N+l)時(shí)刻的加速度向量用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值，而剩余經(jīng)緩存的t-N時(shí)刻與t時(shí)刻之間的所有時(shí)間步長的加速度向量用于推導(dǎo)出該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值
X(t-N)…x(t-l)，x(t)。由經(jīng)緩存的測量值和加速度向量推導(dǎo)出該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的過程在小于故障檢測方法的迭代率的時(shí)段中完成。所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-(N+l))優(yōu)選地作為起始狀態(tài)，以推導(dǎo)出所述第一船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-N)，并且推導(dǎo)出隨后的各獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的過程會利用先前得到的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值。所述故障檢測方法會利用全部或部分該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值，或僅會利用該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值中的一個(gè)(例如X (t))。至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值與由PME提供的至少一位置測量值和/或至少一速度測量值之間的用于決定PME中是否有故障的比較步驟可以以多種方式實(shí)施，且會利用全部或部分經(jīng)緩存的測量值(例如經(jīng)緩存的位置測量值P (t-N)(t-1)，p (t)，或僅會利用所述經(jīng)緩存的測量值中的一個(gè)(例如經(jīng)緩存的位置測量值P(t)。例如，若故障檢測方法在每次迭代中提供一 t時(shí)刻的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(例如x(t))，則該獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值可直接與至少一由PME提供的t時(shí)刻的測量值(例如位置測量值p (t)進(jìn)行比較。如果所述獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)與至少一由PME提供的測量值的相應(yīng)的分量之間的誤差超過了特定的閾值，則該特定的迭代會被標(biāo)示出來，以指示有可能具有一故障。例如，如果PME提供位置測量值，則獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)的位置分量可與位置測量值p (t)相比較，且如果誤差超過了例如一 m米的特定的閾值，特定的迭代會被標(biāo)示出來。類似的，如果PME僅提供例如為多普勒計(jì)程儀(DVL)的形式的速度測量值，則獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)的速度分量可與速度測量值相比較，且如果誤差超過了例如一 P米/秒的特定的閾值，特定的迭代會被標(biāo)示出來。被標(biāo)示出來的迭代會使用一適當(dāng)?shù)乃惴ūO(jiān)測，以盡量避免虛假誤差的產(chǎn)生。例如，故障檢測方法會在判定故障最終產(chǎn)生之前尋找一定數(shù)量的連續(xù)的帶標(biāo)示的迭代，或者在一特定時(shí)段內(nèi)尋找一定數(shù)量的帶標(biāo)示的迭代?？蛇x擇地，可使用某種數(shù)學(xué)算法進(jìn)行從t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值中的全部或部分(例如X (t-N)…X (t-1), x(t))與從t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的一組位置測量值和/或速度測量值(例如經(jīng)緩存的位置測量值p (t-N)…P(t-l)，p(t)之間的比較。因此，在先前的N秒內(nèi)各次迭代會利用全部或部分位置測量值和/或速度測量值。其它可能的故障檢測技術(shù)會隨著時(shí)間的流逝在一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值中的全部或部分與一組位置測量值和/或速度測量值中的全部或部分之間尋找誤差分布中的不連續(xù)的或特定的變化(例如步長變化)。由故障檢測方法的各次迭代中提供的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值也可在被用于確定在PME中是否有故障之前被存儲或緩存起來，并且可使用任意適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)算法結(jié)合起來。所述輔助和獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值優(yōu)選地利用一例如卡爾曼濾波器等遞歸算法得至IJ。對于輔助和獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值兩者來說，注意以下的情況是重要的，所述遞歸算法使用由IMU提供的慣性測量值(例如，可結(jié)合線性加速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速率以形成一加速度向量a(t))得到一位置的估計(jì)值。因此初始的步驟可包括從慣性測量值中推導(dǎo)出一以位置和速度估計(jì)值的形式的慣性解。若PME僅提供速度估計(jì)值，則在切換至故障檢測系統(tǒng)之后且在開始故障檢測方法之前的某點(diǎn)，所述卡爾曼濾波器或其它狀態(tài)觀察器需要至少一個(gè)位置測量值以設(shè)定或初始化其位置估計(jì)值。該位置估計(jì)值也有可能來自例如另一個(gè)PME或一將其錄入的操作者。輕易可知的是，一旦卡爾曼濾波器初始化完畢就不需要更多的位置測量值，因?yàn)橐晃恢霉烙?jì)值(即向量的位置分量)可通過由PME提供的速度測量值和/或由IMU提供的慣性測量值推導(dǎo)得出。所述至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值可與由單一的PME提供的至少一位置測量值和/或速度測量值進(jìn)行比較。例如，故障檢測方法可依靠來自單一的例如衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(例如GPS和差分GPS (DGPS))的PME的位置測量值和/或速度測量值。然而，也有可能提供一可選擇的帶有兩個(gè)或更多的并行設(shè)置的且與船舶相關(guān)聯(lián)的慣性導(dǎo)航結(jié)構(gòu)。在這種情況下，所述故障檢測系統(tǒng)可按照上述方式針對各PME得到各自的輔助和獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值。可替換的是，對于故障檢測方法中的各次迭代，所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值可使用由一個(gè)或更多個(gè)PME提供的較早的位置測量值和/或較早的速度測量值推導(dǎo)得出。通過使用一開關(guān)陣列和開關(guān)控制器在位置和速度測量值中進(jìn)行適當(dāng)切換的方式，選擇PME的不同組合方式，推導(dǎo)出所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值。各次迭代中的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值也可源于由兩個(gè)或更多個(gè)由PME提供的較早的位置測量值和/或較早的速度測量值的組合(例如，加權(quán)組合或加權(quán)平均)。故障檢測可應(yīng)用于一個(gè)或多個(gè)PME，且任何需要故障檢測的PME不必為這樣一個(gè)PME, S卩，該P(yáng)ME的較早的位置測量值和/或較早的速度測量值用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值。換句話說，在故障檢測方法的各次迭代中，一第一 PME可提供用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值的較早的位置量值和/或較早的速度測量值，而一第二 PME可提供至少一位置量值和/或速度測量值，該位置量值和/或速度測量值將與該至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行比較，以確定在第二 PME中是否存在故障。該故障檢測方法可用作船舶的DP系統(tǒng)的一部分。在這種情況下，由IMU提供的慣性測量值(或由包括IMU的INS提供的位置和/或速度估計(jì)值)和由PME提供的位置和/或速度測量值也可以在不同的過程中結(jié)合，以推導(dǎo)出船舶位置或速率的估計(jì)值。本發(fā)明進(jìn)一步提供的一故障檢測系統(tǒng)(或慣性導(dǎo)航結(jié)構(gòu))包括一用于提供慣性測量值的IMU ;至少一與船舶相關(guān)聯(lián)的且用于提供位置測量值和/或速度測量值的PME ;用于通過使用較早的慣性測量值與較早的位置測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)和一較早的速度測量值的方式推導(dǎo)出一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值的裝置；用于通過使用至少一慣性測量值和輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值作為起始狀態(tài)的方式推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的裝置；以及用于對至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值與由PMU提供的至少一位置測量值和/或至少一速度測量值進(jìn)行比較，以確定該P(yáng)MU中是否存在故障的裝置。 可提供不同的緩存器用于存儲由IMU提供的慣性測量值和由PME提供的位置測量值和/或速度測量值。用于推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值和輔助船舶狀態(tài)值的裝置優(yōu)選為一卡爾曼濾波器。更特別的是，所述獨(dú)立和輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值可推導(dǎo)自一單一的卡爾曼濾波器，也可推導(dǎo)自并行設(shè)置的不同的卡爾曼濾波器。所述故障檢測系統(tǒng)可進(jìn)行改寫或配置，以實(shí)施上面更加詳細(xì)描述的故障檢測方法。


圖I為根據(jù)具有單一位置測量值的本發(fā)明所記載的第一故障檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖；圖2為展示圖I中輔助解功能塊的內(nèi)容的示意圖；圖3為展示對于故障檢測方法的各次迭代如何順序確定針對t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的各獨(dú)立解的不意圖；圖4為展示圖3中的一個(gè)獨(dú)立解功能塊中的內(nèi)容的示意圖；圖5示出了標(biāo)繪有一個(gè)時(shí)間段內(nèi)獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值和各自的位置測量值之間的誤差的圖表；圖6為根據(jù)具有第一和第二位置測量設(shè)備(PME)單元的本發(fā)明所記載的第二故障檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，該第一和第二 PME并行地提供位置測量值以分別推導(dǎo)出用于各次迭代的和用于故障檢測的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值；圖7為根據(jù)具有第一和第二 PME單元的本發(fā)明所載的第三故障檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，由該第一和第二 PME提供的位置測量值結(jié)合起來，以得到用于各次迭代的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值，且在所述位置測量值中僅第一 PME提供的位置測量值用于故障檢測；圖8為根據(jù)具有第一和第二 PME單元的本發(fā)明所記載的第四故障檢測系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖，由該第一 PME提供的位置測量值用于推導(dǎo)出各次迭代中的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值，由第二 PME提供的位置測量值用于故障檢測。
具體實(shí)施例方式參照圖1，一第一故障檢測系統(tǒng)包括一可組成部分慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的慣性導(dǎo)航單元(IMU)2。該慣性導(dǎo)航單元2包含一組例如為分別檢測線加速度(通常在三個(gè)正交方向上)和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的加速度計(jì)和陀螺儀的傳感器。將由MU2提供的t時(shí)刻的慣性測量值結(jié)合起來以形成加速度向量a(t)。位置測量值可由任意合適的位置測量設(shè)備(PME) 4提供，該位置測量設(shè)備例如是一個(gè)GPS接收機(jī)。由該P(yáng)ME4提供的t時(shí)刻的位置測量值p⑴可以為例如空間坐標(biāo)或地球上的絕對坐標(biāo)的形式。雖然接下來的描述中僅涉及位置測量值，但輕易可知的是，作為該位置測量值的替代或者在該位置測量值的基礎(chǔ)上，所述PME還可提供速度測量值(例如以多普勒計(jì)程儀(DVL)的形式)。這樣，所述故障檢測系統(tǒng)就可配置為將速度測量值與獨(dú)立船舶 狀態(tài)估計(jì)值的速度分量進(jìn)行對比。還有可能需要向卡爾曼濾波器16 (見下文)提供至少一個(gè)位置測量值，以設(shè)置或初始化其位置估計(jì)。若該位置測量值不能由另一個(gè)PME提供，則該位置測量值由操縱人員輸入。所述IMU2和PME4形成了船舶的部分動(dòng)態(tài)定位(DP)系統(tǒng)。IMU2和PME4每秒鐘提供一加速度向量和一位置測量值并均存儲于緩存器內(nèi)。更特別的是，從t-(N+l)時(shí)刻至t時(shí)刻的加速度向量存儲于一 IMU緩存器6中，且從t-(N+l)時(shí)刻至t時(shí)刻的位置測量值存儲于一 PME緩存器8中。換句話說，若N = 60秒，則每個(gè)緩存器內(nèi)會分別存儲各總計(jì)61個(gè)由IMU2和PME4提供的在前面的61秒內(nèi)的加速度向量和位置測量值。實(shí)際上由MU2和PME4提供的加速度向量和位置測量值可能以不同的速率到達(dá)，因此所述故障檢測系統(tǒng)通常有一些用于對測量值進(jìn)行同步的方法。這可能涉及忽略一些額外的測量值或者在某一特定時(shí)段取測量值的平均值。通常還會有一些處理源于MU2或PME4的丟失測量值的方法，例如可以通過假設(shè)任意丟失測量值與上一個(gè)丟失測量值是相同的。在準(zhǔn)備或初始過程中，所述緩存器6，8會被順序填充加速度向量和位置測量值，在該過程中，通常不會進(jìn)行故障檢測?？蛇x擇地，可為緩存器預(yù)設(shè)一任意值(例如O)。一但緩存器6，8滿了，且IMU2和PME4又在每秒鐘提供新的加速度向量和位置測量值時(shí)，則力口速度向量和位置測量值中最早的加速度向量和位置測量值被簡單地從緩存器中丟棄。因此，在故障檢測方法的正常運(yùn)行過程中，從t-(N+l)時(shí)刻至t時(shí)刻，各緩存器6，8中包含將是最新的形式為a(t-(N+l)), a (t-N)…a(t_l), a(t)的加速度向量和形式為p(t_(N+l)),p (t-N)…p (t-1), p (t)的位置測量值。所述故障檢測方法以多次迭代的方式運(yùn)行。在本示例中每秒鐘發(fā)生一次迭代，但輕易可知的是，也可以使用其它迭代速率。對于t時(shí)刻的迭代，執(zhí)行下列步驟I.至少包括一個(gè)船舶的位置和速度的估計(jì)值(S卩，具有一位置和一速度分量)的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-(N+l))可從輔助解功能塊10中推導(dǎo)出；2. 一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X(t-N)-X(t-1)，X(t)中的每個(gè)至少包括一船舶的位置和速度的估計(jì)值(即，具有一位置和一速度分量)，該系列獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值可從獨(dú)立解功能塊12中推導(dǎo)出；
3.所述獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)的位置分量在故障檢測功能塊14中與位置測量值P(t)進(jìn)行比較，以決定PME4是否運(yùn)行正常。所述輔助和獨(dú)立解功能塊組成了部分卡爾曼濾波器16。下面參考附圖2至5，給出上述每一步驟更加詳細(xì)的解釋。圖2示出了所述輔助解功能塊10的內(nèi)容。本質(zhì)上講，該輔助解功能塊10通過將前一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-1)、以及由IMU2提供的加速度向量a (t)和由PME4提供的位置測量值P (t)結(jié)合起來，以推導(dǎo)出一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t)(以一至少具有一位置分量和一速度分量的向量的形式)。輕松可知的是，在故障檢測方法的t時(shí)刻的迭代中，所使用的加速度向量為經(jīng)緩存的加速度向量a (t-(N+1))，且所使用的位置測量值為經(jīng)緩存的位置測量值P(t-(N+1))。所述輔助解功能塊10的第一輸入為前一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-1)。一數(shù)學(xué)模型用于將此向量向前外推至t時(shí)刻，產(chǎn)生一未經(jīng)修正的，經(jīng)外推的向量x*(t)。H1W是 一數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型提取出船舶加速度和旋轉(zhuǎn)的預(yù)測值，用于與IMU2提供的加速度向量a(t)進(jìn)行比較。該預(yù)測的加速度和旋轉(zhuǎn)值與加速度向量a(t)之間的誤差ei(t)乘以一增益矩陣K1U)(通常指的是卡爾曼增益矩陣)得到一修正向量，該修正向量加上所述外推的向量x*(t)得到獨(dú)立的船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t)。H2 (t)是一數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型提取出船舶位置的預(yù)測值，用于與PME4提供的位置測量值p(t)進(jìn)行比較。該預(yù)測的位置值與位置測量值P(t)之間的誤差e2(t)乘以一增益矩陣1(2(0得到一附加修正向量，該附加修正向量加上獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)得到輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’(t)。圖3示出了獨(dú)立解功能塊12的內(nèi)容。本質(zhì)上講,該獨(dú)立解功能塊12通過經(jīng)緩存的加速度向量a (t-N)…a (t-1)，a(t)和前一獨(dú)立(或輔助)船舶狀態(tài)估計(jì)值推導(dǎo)出一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-N)…X (t-1)，X (t)(以一至少具有位置分量和速度分量的向量組的形式)。推導(dǎo)出的所有獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X(t-N)-X(t-1)，x(t)均用于故障檢測方法中各次迭代中。換句話說，獨(dú)立解功能塊12在故障檢測方法中的各次迭代中使用所有經(jīng)緩存的由t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的加速度向量，并且推導(dǎo)出t+1時(shí)刻迭代的該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-N)…X (t-1)，X (t)的所有過程都在t+1時(shí)刻的下一迭代之前完成。為清楚起見，圖3示出了 N = 3秒時(shí)的情況。由輔助解功能塊10得出的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-4)用作一第一功能塊18a的起始狀態(tài)。該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-4)與所述第一功能塊18a中的一經(jīng)緩存的加速度向量a(t-3)結(jié)合得到一第一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t_3)。該第一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-3)與第二功能塊18b中的一經(jīng)緩存的加速度向量a(t_2)結(jié)合得到一第一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t_2)，以此類推得到一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-3)…X (t-1), X (t)?，F(xiàn)在參考圖4，對所述功能塊18a至18d進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。本質(zhì)上講，各功能塊18a至18d通過將前一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-1)(或者如是第一功能塊18a，則該前一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值為x’(t-1))與一由MU2提供的加速度向量a(t)結(jié)合，推導(dǎo)出一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t)。輕易可知的是，對于故障檢測方法中的t時(shí)刻的一次迭代，用于功能塊18a的加速度向量將是經(jīng)緩存的加速度向量a (t-N)，在功能塊18b中使用的加速度向量將是經(jīng)緩存的加速度向量a (t-(N-I))，以此類推。所述功能塊18a將使用由輔助解功能塊10提供的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’ (t-(N+l))作為其起始狀態(tài)，相應(yīng)地，則使用上述的經(jīng)緩存的加速度向量a(t-(N+l))和經(jīng)緩存的位置測量值p(t_(N+l))，以推導(dǎo)出故障檢測方法中t時(shí)刻的相同迭代中的所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值。所述功能塊18a的第一輸入為前一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值x’(t_l)，且各隨后的功能塊18b至18b的第一輸入順次為由前一功能塊推導(dǎo)出的前一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t-l)。一數(shù)學(xué)模型用于將此向量向前外推至t時(shí)刻，得到一未經(jīng)修正的，經(jīng)外推的向量x*(t)。H1 (t)是一數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型提取出船舶加速度和旋轉(zhuǎn)的預(yù)測值，用于與IMU2提供的加速度向量a (t)進(jìn)行比較。該預(yù)測的加速度和旋轉(zhuǎn)值與加速度向量a (t)之間的誤差％(0乘以一增益矩陣K1U)得到一修正向量，該修正向量加上所述經(jīng)外推的向量x*(t)得到獨(dú)立的船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t)。所述故障檢測方法會使用全部或部分該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值，或者僅使用該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值中的一個(gè)。圖5示出了檢測PME漂移量的示例。標(biāo)記有的點(diǎn)代表60秒
的時(shí)段內(nèi)由PME4提供的位置測量值和由相應(yīng)的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的位置分量之間的誤差。在此示例中，PME4在t=150秒的時(shí)刻發(fā)生故障，該故障導(dǎo)致所述位置測量值產(chǎn)生漂移。在此示例中，僅有一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t)用于故障檢測方法的各次迭代中。換句話說，對于t=120秒的時(shí)刻，該故障檢測系統(tǒng)將在前60秒(即，從t=61時(shí)刻至t=120時(shí)刻)使用經(jīng)緩存的加速度數(shù)據(jù)，以推導(dǎo)出一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t=61)…x(t=119)，x(t=120)，但僅使用最后的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t=120)的位置分量，確定圖中所示的x(t=120)與位置測量值P(t=120)之間的誤差。剩下的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t=61)…x(t=119)則不被使用，但它們當(dāng)然的會影響最后的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t=120)，因?yàn)?，隨后的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值的推導(dǎo)方式是以功能塊18中的前一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值為參考的。圖5中示出的最后的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t=121)…x(t=180)的位置分量與相應(yīng)的位置測量值p(t=121)-p(t = 180)之間的誤差也是以同樣的方式推導(dǎo)出的。水平短劃線代表故障檢測方法的誤差閾值(S卩，m=5米)。從t = 130秒時(shí)刻可以看出由PME2提供的位置測量值p (t=130)和源于獨(dú)立解功能塊12的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t=130)的位置分量之間的誤差超過了所述誤差閾值，但沒有檢測到一個(gè)故障。位于t = 169秒時(shí)刻的豎直虛線代表一檢測到的故障，在該故障處由PME2提供的三個(gè)連續(xù)的誤差已超出了所述誤差閾值。如果一故障被檢測到了則該P(yáng)ME可能會被DP系統(tǒng)隔離，直到該P(yáng)ME經(jīng)過了檢查和修理。應(yīng)當(dāng)知道的是，其它技術(shù)和算法也可用于故障檢測。現(xiàn)在參照圖6，描述一第二故障檢測系統(tǒng)。該第二故障檢測系統(tǒng)大體上與第一故障檢測系統(tǒng)相似，但其包括兩并行的獨(dú)立的PME。位置測量值由一第一 PME4和一第二 PME20提供。由所述第一 PME4提供的位置測量值Pl(t)存儲于一第一 PME緩存器8內(nèi)，而由所述第二 PME20提供的位置測量值p2(t)存儲于一第二 PME緩存器22內(nèi)。如上面所述地，由所述第一 PME4提供的位置測量值P1 (t)與t時(shí)刻的一次迭代中的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值一同使用，該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值由第一卡爾曼濾波器16中的位置測量值P1 (t- (N+1))推導(dǎo)出，該組位置測量值P1 (t-N)…P1 (t-1)，Pi (t)中的全部或部分與一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X1 (t-N)…X1 (t-1), xjt)的全部或部分將在第一故障檢測功能塊14中進(jìn)行比較。
由所述第二 PME20提供的位置測量值p2(t)在t時(shí)刻與輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值并行使用進(jìn)行迭代，該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值是在第二卡爾曼濾波器24中由位置測量值P2(t-(N+1))推導(dǎo)出的，并且一組位置測量值？2(卜*12(卜1)，p2(t)中的全部或部分與一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X2 (t-N)(t-1)，X2 (t)的全部或部分將在第二故障檢測功能塊26中進(jìn)行比較。這樣的故障檢測系統(tǒng)可使用相同的源于IMU2的慣性測量值并行得到針對各PME的各自的輔助和獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值，因此能夠獨(dú)立地在各PME中識別故障。雖然圖6示出了兩個(gè)PME，但應(yīng)該可知的是，可將任意數(shù)量的PME并行結(jié)合起來，并與一相關(guān)聯(lián)的PME緩存器、卡爾曼濾波器和故障檢測功能塊連接在一起?，F(xiàn)在參照圖7，描述一第三故障檢測系統(tǒng)。該第三故障檢測系統(tǒng)大體上與第一故障檢測系統(tǒng)相似，但其包括兩獨(dú)立的PME，兩PME均提供用于得到輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值的位置測量值。由所述第一 PME4提供的位置測量值P1 (t)在t時(shí)刻以如上面所述地的方式與輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值作迭代一同使用，該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值是由在卡爾曼濾波器28中的位置測量值Pl(t-(N+1))推導(dǎo)出的，該位置測量值？1(0與一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值
X1(t-N)…X1 (t-1)，X1⑴的全部或部分將在故障檢測功能塊14中進(jìn)行比較。然而，t時(shí)刻的一次迭代中的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值也由第二 PME20提供的位置測量值p2(t-(N+l))推導(dǎo)出。隨后的位置測量值P2 (t-N)-P2 (t-1)，p2 (t)被緩存起來但不被所述故障檢測方法所使用。因此，僅在第一 PME4中的一個(gè)故障可被所述第三故障檢測系統(tǒng)檢測到。經(jīng)緩存的位置測量值P2 (t-N) ...p2 (t-1)，p2 (t)可能會被例如DP系統(tǒng)所使用。參考圖2，由第一和第二 PME提供的位置測量值P1 (t)和p2 (t)可結(jié)合起來(例如，用于提供一加權(quán)組合或一加權(quán)平均)，然后用于推導(dǎo)誤差e2(t)。在一可選的設(shè)置中，可使用一開關(guān)陣列選擇所述位置測量值Pl(t)和？2(0中的一個(gè)或全部兩個(gè)，以推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值。雖然圖7示出了兩個(gè)PME，但輕易可知的是，可用源于任意多個(gè)PME的位置測量值來推導(dǎo)出各自的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值。一開關(guān)陣列(未示出)可用于選擇一個(gè)或多個(gè)可用的位置測量值，以在卡爾曼濾波器28中推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值。如果兩個(gè)或更多個(gè)位置測量值被選擇，則這些位置測量值可如上面所描述的那樣結(jié)合起來(例如，用于提供一加權(quán)組合或一加權(quán)平均)?，F(xiàn)在參照圖8，描述一第四故障檢測系統(tǒng)。該第四故障檢測系統(tǒng)大體上與第三故障檢測系統(tǒng)相似，但由一個(gè)PME提供的位置測量值用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值，而由另一 PME提供的位置測量值用于故障檢測。換句話說，在第三故障檢測系統(tǒng)中，至少一 PME提供的位置測量值既用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值又用于故障檢測，但是在第四故障檢測系統(tǒng)中，用于檢查故障的PME不提供用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值的位置測量值。由第一 PME4提供的位置測量值P1⑴在t時(shí)刻以如上面所述的方式，與輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值進(jìn)行迭代，該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值是由位置測量值P1 (t-(N+l))在卡爾曼濾波器16中推導(dǎo)出的。然而，并沒有向故障檢測功能塊14提供位置測量值P1 (t)。隨后的位置測量值Pl(t_N)被緩存起來但不用于故障檢測方法中。該經(jīng)緩存的位置測量值P1 (t-N)…P1 (t-1)，P1 (t)可被例如DP系統(tǒng)所使用。由第二 PME20提供的位置測量值P2 (t)存儲于PME緩存器22中。然后一組位置測量值P2 (t-N)…p2 (t-1)，p2 (t)中的全部或部分提供給故障檢測功能塊14且與一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-N)-X (t-1)，x(t)的全部或部分相比較，所述獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值X (t-N)…X (t-1)，X (t)由輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值和由IMU2提供的一組加速度向量a (t-N)…a (t-1), a (t)推導(dǎo)得到。因此，僅在第二 PME20中的一個(gè)故障可被第四故障檢測系統(tǒng)檢測到。所述第二、第三和第四故障檢測系統(tǒng)可與源于一個(gè)或更多個(gè)PME的位置測量值相結(jié)合使用，所述一個(gè)或更多個(gè)PME用于推導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值，但在一個(gè)或多個(gè)PME中進(jìn)行故障檢測是可選的。這樣，一個(gè)或多個(gè)開關(guān)陣列也可用于決定哪些位置測量值用于推 導(dǎo)出輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值，以及哪些經(jīng)緩存的位置測量值是提供給故障檢測功能塊用于故障檢測的。
權(quán)利要求
1.一種使用由一慣性測量單元(2)提供的慣性測量值對一與船舶相關(guān)聯(lián)的且可提供位置測量值和/或速度測量值的位置測量設(shè)備(4)中的故障進(jìn)行檢測的方法，該方法包括如下步驟 使用一較早的慣性測量值(a(t-(N+l))以及一較早的位置測量值(p(t-(N+l))和一較早的速度測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)推導(dǎo)出一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-Ν+Ι))； 使用至少一慣性測量值(a(t-N)…a(t))和所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-Ν+Ι))作為一起始狀態(tài)推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(X (t-N)…X (t));以及， 將至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t-N)…x(t)與由所述位置測量設(shè)備(4)提供的至少一位置測量值P (t-N)…P (t)和/或至少一速度測量值進(jìn)行比較，以確定在該位置測量設(shè)備(4)中是否存在故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，由慣性測量單元(2)提供的慣性測量值(a (t-N)…a(t))存儲于一緩存器(6)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其中，位置測量設(shè)備(4)提供的位置測量值(P (t-N)…P (t)和/或位置測量值存儲于一緩存器(8)內(nèi)。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，所述推導(dǎo)t-(N+l)時(shí)刻的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-Ν+Ι))以及t時(shí)刻的至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t-N)…x(t))的步驟還包括； ⑴由t-(N+l)時(shí)刻的慣性測量值(a(t-(N+l))與t-(N+l)時(shí)刻的一位置測量值(p(t-(N+l))) 一速度測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)推導(dǎo)出一 t-(N+l)時(shí)刻的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’(t_(N+l)));以及， ( )使用所述t-(N+l)時(shí)刻的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’(t-(N+l)))作為一個(gè)過程的起始狀態(tài)，該過程為由存儲的從t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的慣性測量值(a(t-N)…a(t))推導(dǎo)出該至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(X (t-N)…x(t))。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，使用一組存儲的慣性測量值(a(t_Nl···a(t))推導(dǎo)出一 t時(shí)刻的獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t))，該獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t))與t時(shí)刻的一位置測量值(P (t))和/或一速度測量值相比較，以確定該位置測量設(shè)備中是否存在故障。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，使用一組存儲的慣性測量值(a(t_Nl···a(t))推導(dǎo)出從t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的一組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t-N)…x(t))，并且全部或部分該組獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t-N)…x(t))與從t-N時(shí)刻至t時(shí)刻的全部或部分存儲的位置測量值(P(t-N)…p(t)和/或一組存儲的速度測量值進(jìn)行比較，以確定在該位置測量設(shè)備(4)中是否存在故障。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，使用一遞歸算法推導(dǎo)出所述至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(X (t-N)…x(t))。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，其中，使用一遞歸算法推導(dǎo)出所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-(N+l)))。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，該遞歸算法為一卡爾曼濾波器(10，12)。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，該方法具有多個(gè)與船舶相關(guān)聯(lián)的位置測量設(shè)備(4，20)，各位置測量設(shè)備提供位置測量值和/或速度測量值，其中，推導(dǎo)出所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’(t-(N+l)))的步驟使用由所述多個(gè)位置測量設(shè)備(4，20)中的至少一個(gè)提供的較早的位置測量值(P1 (t-(N+l))，p2 (t-(N+1)))中的一個(gè)或兩個(gè)全部和/或一較早的速度測量值。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的方法，該方法具有多個(gè)與船舶相關(guān)聯(lián)的位置測量設(shè)備(4，20)，各位置測量設(shè)備提供位置測量值和/或速度測量值，其中，推導(dǎo)出t-(N+l)時(shí)刻的所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’(t_(N+l)))的步驟使用由所述多個(gè)位置測量設(shè)備(20)的至少一個(gè)在t-(N+l)時(shí)刻提供的位置測量值(Pl(t-(N+1))，p2(t-(N+l)))中的一個(gè)或兩個(gè)全部和/或一較早的速度測量值。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，源于位置測量設(shè)備(4，20)中的兩個(gè)或更多個(gè)的位置測量值(P1 (t- (N+l))，p2 (t- (N+1)))和/或速度測量值結(jié)合起來，用于推導(dǎo)出所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’(t_(N+l)))。
13.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t-N)…x(t))與由另一位置測量設(shè)備(4，20)中的至少一個(gè)提供的至少一位置測量值(Pl(t-N)…P1 (t)，p2 (t-N) -p2(t))和/或至少一速度測量值進(jìn)行比較，以確定在所述的另一位置測量設(shè)備(4，20)中的至少一個(gè)中是否存在故障。
14.一故障檢測系統(tǒng),包括 一提供慣性測量值a (t-N)…a (t)的慣性測量單元(2)； 至少一與船舶相關(guān)聯(lián)的且提供位置測量值(P (t-N)…P (t)和/或速度測量值的位置測量設(shè)備(4)； 使用一較早的慣性測量值(a(t-(N+l))以及一較早的位置測量值(p (t-(N+l))和一較早的速度測量值中的一個(gè)或全部兩個(gè)，以推導(dǎo)出一輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-Ν+Ι))的裝置(10)； 使用至少一慣性測量值(a(t-N)…a(t))和所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-Ν+Ι))作為一起始狀態(tài)，以推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(X (t-N)…X (t))的裝置(12);以及， 對至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(X (t-N)…X (t))與由所述位置測量設(shè)備(4)提供的至少一位置測量值(P (t-N)…p(t)和/或至少一速度測量值進(jìn)行比較，以確定在該位置測量設(shè)備(4)中是否存在故障的裝置(14)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的故障檢測系統(tǒng)，還包括一用于存儲由所述慣性測量單元(2 )提供的慣性測量值(a (t-N)…a (t))的緩存器(6 )。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的故障檢測系統(tǒng)，還包括一用于存儲由所述位置測量設(shè)備(4)提供的位置測量值(P (t-N)…p(t)和/或速度測量值的緩存器(8)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任意一項(xiàng)所述的故障檢測系統(tǒng)，其中，用于推導(dǎo)出所述輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(X’ (t-(N+l)))的裝置(10)為一卡爾曼濾波器(16)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任意一項(xiàng)所述的故障檢測系統(tǒng)，其中，用于推導(dǎo)出至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(X (t-N)…x(t))的裝置(12)為一卡爾曼濾波器(16)。
全文摘要
一故障檢測方法使用由一慣性測量單元(IMU)(2)提供的慣性測量值檢測位置測量設(shè)備(PME)(4)中的故障。該方法使用至少一慣性測量值(a(t-N)…a(t))推導(dǎo)出在一獨(dú)立解功能塊(12)中的至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值x(t-N)…x(t)。然后該值與由故障檢測功能塊(14)中的PME(4)提供的至少一位置測量值(p(t-N)…p(t)進(jìn)行比較，以確定該P(yáng)ME中是否存在故障。一較早的慣性測量值(a(t-N+1))和一較早的位置測量值p(t-N+1)用于推導(dǎo)出一在輔助解功能塊(10)中的輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(x’(t-N+1))。該輔助船舶狀態(tài)估計(jì)值(x’(t-N+1))用于作為一步驟的起始狀態(tài)，該步驟可推導(dǎo)出所述的至少一獨(dú)立船舶狀態(tài)估計(jì)值(x(t-N)…x(t))。所述輔助和獨(dú)立解功能塊(10，12)可以為一卡爾曼濾波器。
文檔編號G01S5/14GK102792128SQ201080058572
公開日2012年11月21日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月21日
發(fā)明者理查德·伊恩·斯蒂芬斯 申請人:康弗蒂姆技術(shù)有限公司