本發(fā)明屬于大氣數(shù)據(jù)智能傳感技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法。

背景技術(shù)：

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)作為當(dāng)今空中飛行器的重要機(jī)載設(shè)備，在國內(nèi)外無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)和空天往返飛行器等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。作為飛行高度、飛行速度、來流迎角和側(cè)滑角等飛行參數(shù)信息獲取的源頭，大氣系統(tǒng)輸出的測(cè)量值質(zhì)量較為關(guān)鍵，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，輸出值不正確，將無法如實(shí)反映真實(shí)飛行狀態(tài)。若利用該錯(cuò)誤數(shù)據(jù)進(jìn)行飛行控制，此時(shí)會(huì)直接影響著飛行器正常飛行，甚至?xí)l(fā)生事故。

針對(duì)上述問題，當(dāng)大氣系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，若能用一個(gè)最佳估計(jì)值代替故障下錯(cuò)誤數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行有效數(shù)據(jù)恢復(fù)，可有效避免飛行器發(fā)生異常。

目前，可供借鑒的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)恢復(fù)方法主要有：基于主元分析的方法、基于多項(xiàng)式預(yù)測(cè)的方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法和基于支持向量機(jī)的方法等。

其中基于主元分析的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型一般適用于某一種故障，不適合解決大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)存在的多故障情況；基于多項(xiàng)式預(yù)測(cè)方法可同時(shí)對(duì)大氣系統(tǒng)中的多路壓力測(cè)量故障數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)糾正恢復(fù)，但該方法需要較多的訓(xùn)練樣本方能保證預(yù)測(cè)精度，不適合解決大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)故障處理中的小樣本問題；基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法在一定程度有解決小樣本問題，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)時(shí)性較差，不利于機(jī)載大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)恢復(fù)；基于支持向量機(jī)的方法可利用稀疏的少量支持向量即可對(duì)模型進(jìn)行有效描述，但在模型構(gòu)建中核函數(shù)選擇必須滿足Mecer條件，且核參數(shù)選擇不靈活。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的在于提供一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，解決了現(xiàn)有大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)無法對(duì)自身測(cè)量值進(jìn)行糾正輸出的問題，并解決大氣系統(tǒng)故障測(cè)量值數(shù)據(jù)恢復(fù)中的非線性問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

本發(fā)明的目的在于提供一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，包括以下步驟：

步驟一、確定訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)；

獲取大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中壓力測(cè)量通道的數(shù)目N，依據(jù)每一路壓力測(cè)量通道的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，確定其對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練樣本序列P_i＝[p_i(1) p_i(2) … p(m)](i＝1,2,…,N)，其中i是壓力通道，m是第i路壓力測(cè)量通道對(duì)應(yīng)的無故障樣本數(shù)；

步驟二、構(gòu)建訓(xùn)練樣本集；

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中每一路壓力測(cè)量通道故障下，訓(xùn)練樣本集包括輸入樣本集和目標(biāo)樣本集；表1為第i路壓力測(cè)量通道的訓(xùn)練樣本，其中每一行輸入樣本和目標(biāo)樣本一一對(duì)應(yīng)；

表1第i路壓力測(cè)量通道的訓(xùn)練樣本分布

構(gòu)建第i路壓力測(cè)量通道的輸入訓(xùn)練樣本集X_i見式(1)所示，目標(biāo)樣本集Y_i見式(2)所示：

Y_i＝[p_i(k+1) p_i(k+2) … p_i(m)]^T (2)

式中：k是時(shí)間步長(zhǎng)，i表示壓力測(cè)量通道編號(hào)，m表示無故障訓(xùn)練樣本時(shí)間點(diǎn)序列；

步驟三、利用多核相關(guān)向量機(jī)的原理，建立大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的每一路壓力測(cè)量通道的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型；

第i路壓力測(cè)量數(shù)據(jù)恢復(fù)模型如式(3)所示：

Y_iR＝W_i·ker(X_i)+B_i(i＝1,2,…,N) (3)

式中：W_i和B_i是利用多核相關(guān)向量機(jī)獲取的第i路壓力測(cè)量數(shù)據(jù)恢復(fù)模型參數(shù)，Y_iR是對(duì)應(yīng)的多核相關(guān)向量機(jī)輸出，ker(X_i)是核函數(shù)；

步驟四、利用步驟三建立的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)；

將第i路壓力測(cè)量通道測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)試樣本向量[p_i(m-k+1) p_i(m-k+2) … p_i(m)]輸入到數(shù)據(jù)恢復(fù)模型，得到下一時(shí)刻點(diǎn)m+1處的預(yù)測(cè)值輸出并將該預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值p_i(m+1)進(jìn)行比較，若偏差小于設(shè)定閾值δ_th，則表明該路壓力測(cè)量通道工作正常；若該偏差大于閾值，則判定為故障；

當(dāng)連續(xù)幾個(gè)時(shí)刻點(diǎn)或一段時(shí)間內(nèi)均判定為故障，則該故障類型為永久性故障；若僅僅幾個(gè)時(shí)刻點(diǎn)處出現(xiàn)故障，然后重新回到正常工作狀態(tài)，則該故障類型為瞬時(shí)性故障；

當(dāng)檢測(cè)到大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的某路壓力測(cè)量發(fā)生故障后，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)選擇數(shù)據(jù)恢復(fù)模型輸出的預(yù)測(cè)值的歷史最佳估計(jì)值代替故障的錯(cuò)誤輸出值p_i(m+1)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。

進(jìn)一步，該方法還包括以下步驟：

步驟五、更新步驟三中所述的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型；

當(dāng)時(shí)刻點(diǎn)m+1處，第i路壓力測(cè)量通道未發(fā)生故障或正常輸出，則實(shí)際輸出值p_i(m+1)更新到訓(xùn)練樣本集的輸出樣本中，同時(shí)去除第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的樣本數(shù)據(jù)，更新后輸入樣本和輸出樣本分別如式(4)和(5)所示：

當(dāng)時(shí)刻點(diǎn)m+1處，第i路壓力測(cè)量通道發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)將數(shù)據(jù)恢復(fù)模型輸出的預(yù)測(cè)值更新到訓(xùn)練樣本集的輸出樣本中，如式(6)所示：

進(jìn)一步，該方法還包括以下步驟：

步驟六、利用大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)恢復(fù)后的壓力測(cè)量值，進(jìn)行大氣參數(shù)氣壓高度和馬赫數(shù)的解算并輸出；

通過所有壓力測(cè)量通道的壓力測(cè)量值獲取氣壓高度和馬赫數(shù)參數(shù)的計(jì)算公式如式(7)和式(8)所示：

式中：H為氣壓高度，f為已知模型(具體參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6127)，M為馬赫數(shù)，g為已知模型(具體參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6127)，分別為N路壓力測(cè)量通道經(jīng)數(shù)據(jù)恢復(fù)后的輸出值。

進(jìn)一步，所述核函數(shù)為多項(xiàng)式和小波核函數(shù)，多項(xiàng)式和小波核函數(shù)的權(quán)值比重為0.5。

進(jìn)一步，所述閾值δ_th的取值為大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中壓力測(cè)量通道在正常工作時(shí)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的均方根誤差的5～8倍。

本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：

本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，基于多核相關(guān)向量機(jī)的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的錯(cuò)誤測(cè)量值數(shù)據(jù)糾正及恢復(fù)方法，可有效提高建模速度，降低運(yùn)算量，在小樣本條件下提高數(shù)據(jù)恢復(fù)的精度和實(shí)時(shí)性。

本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，針對(duì)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中多路壓力測(cè)量可能同時(shí)發(fā)生故障的情況，利用大氣系統(tǒng)在異常情況發(fā)生前的正常數(shù)據(jù)樣本，并結(jié)合多核相關(guān)向量機(jī)方法來實(shí)現(xiàn)多故障情況下的數(shù)據(jù)恢復(fù)，解決大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)測(cè)量值數(shù)據(jù)恢復(fù)中的小樣本和實(shí)時(shí)性問題。

本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，利用多核相關(guān)向量機(jī)構(gòu)建較稀疏的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型，利用核映射的方法不僅解決大氣系統(tǒng)故障測(cè)量值數(shù)據(jù)恢復(fù)中的非線性問題，而且基于有限的稀疏相關(guān)向量可有效降低計(jì)算負(fù)擔(dān)，利于機(jī)載大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，可有效避免經(jīng)典學(xué)習(xí)方法中的過擬合和模型較為復(fù)雜等缺點(diǎn)，具有實(shí)時(shí)性好、在線更新、數(shù)據(jù)恢復(fù)精度高等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法示意圖；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法作詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明一種大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的異常測(cè)量值數(shù)據(jù)自恢復(fù)方法，包括以下步驟：

步驟一、確定訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)；

獲取大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中壓力測(cè)量通道的數(shù)目N，依據(jù)每一路壓力測(cè)量通道的壓力測(cè)量數(shù)據(jù)，確定其對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練樣本序列P_i＝[p_i(1) p_i(2) … p(m)](i＝1,2,…,N)，其中i是壓力通道，m是第i路壓力測(cè)量通道對(duì)應(yīng)的無故障樣本數(shù)；

步驟二、構(gòu)建訓(xùn)練樣本集；

大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中每一路壓力測(cè)量通道故障下，訓(xùn)練樣本集包括輸入樣本集和目標(biāo)樣本集；表1給出了第i路壓力測(cè)量通道的訓(xùn)練樣本，其中每一行輸入樣本和目標(biāo)樣本是一一對(duì)應(yīng)；

表1第i路壓力測(cè)量通道的訓(xùn)練樣本分布

由此可知，構(gòu)建第i路壓力測(cè)量通道的輸入訓(xùn)練樣本集X_i見式(1)所示，目標(biāo)樣本集Y_i見式(2)所示：

Y_i＝[p_i(k+1) p_i(k+2) … p_i(m)]^T (2)

式中：k是時(shí)間步長(zhǎng)，i表示壓力測(cè)量通道編號(hào)，m表示無故障訓(xùn)練樣本時(shí)間點(diǎn)序列；

步驟三、利用多核相關(guān)向量機(jī)的原理，建立大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的每一路壓力測(cè)量通道的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型；

第i路壓力測(cè)量數(shù)據(jù)恢復(fù)模型如式(3)所示：

Y_iR＝W_i·ker(X_i)+B_i(i＝1,2,…,N) (3)

式中：W_i和B_i是利用多核相關(guān)向量機(jī)獲取的第i路壓力測(cè)量數(shù)據(jù)恢復(fù)模型參數(shù)，Y_iR是對(duì)應(yīng)的多核相關(guān)向量機(jī)輸出，ker(X_i)是核函數(shù)；

優(yōu)選核函數(shù)為多項(xiàng)式和小波核函數(shù)，這兩種核函數(shù)的權(quán)值比重為0.5；

步驟四、利用步驟三建立的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)；

將第i路壓力測(cè)量通道測(cè)量數(shù)據(jù)的測(cè)試樣本向量[p_i(m-k+1) p_i(m-k+2) … p_i(m)]輸入到數(shù)據(jù)恢復(fù)模型，可得到下一時(shí)刻點(diǎn)m+1處的預(yù)測(cè)值輸出并將該預(yù)測(cè)值和實(shí)際測(cè)量值p_i(m+1)進(jìn)行比較，若偏差小于設(shè)定閾值δ_th(閾值δ_th的取值為大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)壓力測(cè)量通道在正常工作時(shí)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的均方根誤差的5～8倍)，則表明該路壓力測(cè)量通道工作正常；若該偏差大于閾值，則判定為故障；

當(dāng)連續(xù)幾個(gè)時(shí)刻點(diǎn)或一段時(shí)間內(nèi)均判定為故障，則該故障類型為永久性故障；若僅僅幾個(gè)時(shí)刻點(diǎn)處出現(xiàn)故障，然后重新回到正常工作狀態(tài)，則該故障類型為瞬時(shí)性故障；

當(dāng)檢測(cè)到大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的某路壓力測(cè)量發(fā)生故障后，大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)選擇數(shù)據(jù)恢復(fù)模型輸出的預(yù)測(cè)值的歷史最佳估計(jì)值代替故障的錯(cuò)誤輸出值p_i(m+1)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)，該預(yù)測(cè)值可暫時(shí)作為當(dāng)前壓力測(cè)量通道的輸出值，并用于后續(xù)的飛行參數(shù)解算；

每一路壓力測(cè)量通道都可依據(jù)自身的正常數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)恢復(fù)模型，因此本發(fā)明中的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型可適用于多故障情況。

步驟五、更新步驟三中所述的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型；

為提高大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)在故障時(shí)的數(shù)據(jù)恢復(fù)精度，本發(fā)明對(duì)所建立的數(shù)據(jù)恢復(fù)模型實(shí)時(shí)更新，更新的過程如下：

當(dāng)時(shí)刻點(diǎn)m+1處，第i路壓力測(cè)量通道未發(fā)生故障或正常輸出，則實(shí)際輸出值p_i(m+1)會(huì)更新到訓(xùn)練樣本集的輸出樣本中，同時(shí)去除第1個(gè)時(shí)間點(diǎn)處的樣本數(shù)據(jù)，更新后輸入樣本和輸出樣本分別如式(4)和(5)所示：

當(dāng)時(shí)刻點(diǎn)m+1處，第i路壓力測(cè)量通道發(fā)生故障時(shí)，此時(shí)將數(shù)據(jù)恢復(fù)模型輸出的預(yù)測(cè)值會(huì)更新到訓(xùn)練樣本集的輸出樣本中，如式(6)所示：

步驟六、利用大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)恢復(fù)后的壓力測(cè)量值(存在故障時(shí)已被糾正)進(jìn)行氣壓高度和馬赫數(shù)等大氣參數(shù)解算并輸出；

通過所有壓力測(cè)量通道的壓力測(cè)量值獲取氣壓高度和馬赫數(shù)參數(shù)的計(jì)算公式如式(7)和式(8)所示：

式中：H為氣壓高度，f為已知模型(具體參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6127)，M為馬赫數(shù)，g為已知模型(具體參考標(biāo)準(zhǔn)HB 6127)，分別為N路壓力測(cè)量通道經(jīng)數(shù)據(jù)恢復(fù)后的輸出值。