Intelligent fault-tolerant algorithm with two-stage and feedback for integrated navigation federated filtering

In order to take full advantage of federated filter in fault-tolerant design of integrated navigation system, the limitation of fault detection algorithm for gradual changing fault detection and the poor fault tolerance of global optimal fusion algorithm are the key problems to deal with. Based on theoretical analysis of the influencing factors of federated filtering fault tolerance, global fault-tolerant fusion algorithm and information sharing algorithm are proposed based on fuzzy assessment. It achieves intelligent fault-tolerant structure with two-stage and feedback, including real-time fault detection in sub-filters, and fault-tolerant fusion and information sharing in main filter. The simulation results demonstrate that the algorithm can effectively improve fault-tolerant ability and ensure relatively high positioning precision of integrated navigation system when a subsystem having gradual changing fault.     

基于ADASYN与改进残差网络的入侵流量检测识别

针对现有入侵流量检测模型分类准确率低、小样本特征提取不足等问题, 提出了一种基于自适应合成采样和Inception-Resnet模块的改进残差网络算法。该算法能够对不平衡数据集进行采样优化, 有效提升模型的小样本特征提取能力。首先, 通过对不平衡的数据训练集进行过采样改善数据分布, 然后对非数据部分进行独热编码处理并与数据部分整合, 降低预处理复杂度, 最后利用改进残差网络模型进行数据训练, 并进行性能评估和算法效能对比。实验结果表明, 改进残差网络模型对入侵流量的检测准确率在多分类和二分类情况下分别达到89.40%和91.88%。相比于经典深度学习算法, 改进残差网络模型的准确率更高, 误报率更低, 具备较高的可靠性和工程应用价值。     

基于抗差估计和改进AIME的缓变故障检测方法

为了解决经典缓变故障检测法——自主完好性监测外推法(autonomous integrity monitoring extrapolation, AIME)在组合导航中检测故障延迟时间较长和不能准确判定故障结束时刻的问题, 提出了基于抗差估计和改进AIME的缓变故障检测方法。该方法采用标准t分布和IGG-Ⅲ (Institute of Geodesy & Geophysics Ⅲ)方案设计自适应增益矩阵以缓解卡尔曼滤波故障跟踪的影响。同时, 结合AIME故障检测状态, 提出由外推法和残差卡方检验(residual chi-square test method, RCTM)故障检测统计量构成的r_A/R统计量概念, 然后在AIME检测到缓变故障的状态下利用样本分位数原理对r_A/R序列进行异常值检测, 从而判断缓变故障结束时刻。仿真结果表明, 在检测缓变故障时, 所提方法可明显缩短故障检测延迟时间, 并能够准确判定故障结束时刻。     

基于神经网络的假设检验故障诊断算法研究

传统的χ2检验法通过比较先验信息与量测信息进行故障检测,当先验信息所依赖的模型出现错误时将无法进行有效的故障检测和故障隔离。提出利用神经网络的方法结合χ2检验法进行故障诊断,训练神经网络来跟踪系统模型,则正确的先验信息保存在训练好的神经网络中,系统模型输出与网络模型输出之差作为故障诊断的依据。针对INS/GPS组合导航系统进行算法仿真,该算法能够快速、准确地判断系统故障源,通过故障隔离和系统重构,使系统在故障情况下依然保持正常工作。     

复杂设备BIT系统几种典型虚警的数学分析

机内测试(Built-in Test,BIT)技术是改善系统或设备测试性和诊断能力的重要途径,它能够提高设备内部检测和隔离故障的能力、简化设备维修、降低全寿命周期费用,但是较高的虚警率一直是阻碍BIT广泛应用的一个重要原因.在对复杂设备BIT系统建立数学模型的基础上,分析了BIT系统几种常见虚警的机理模式,并以此提出了相应的技术解决路线,这对BIT系统的故障诊断设计具有参考价值.     

基于LMI的不确定系统鲁棒故障检测观测器设计

针对系统模型同时具有未知输入扰动和模型不确定性,提出了一种鲁棒故障检测观测器的设计方法。在不考虑系统模型误差的情况下,为降低设计的保守性,利用描述残差对故障灵敏度的H-指数和表示残差对未知输入鲁棒性的H∞范数以及一种新的迭代线性矩阵不等式(linear matrix inequality,LMI)算法解决H∞/H-的优化问题,设计了参考残差模型和自适应门限,并将观测器设计转化为LMI表述的标准H∞模型匹配问题,减小故障检测过程中误报、漏报率。仿真结果表明,设计的故障检测观测器对故障的灵敏度高,对不确定因素的鲁棒性强。     

基于改进联邦滤波的故障隔离与系统重构

为解决故障隔离与系统重构(FIR)问题提出了改进的联邦滤波算法。采用带有备份主系统的联邦滤波结构,避免了由于主系统故障而引发灾难性后果,并针对这一结构提出了分级联邦滤波FIR策略,保证在任何一个子系统故障的情况下的滤波连续性和滤波结构完整,并提高了后续故障的检测能力。在融合算法上提出了分时融合反馈的联邦滤波信息分配方式,大大降低全局被污染的可能性,并提高了系统对渐变故障的检测能力。将该算法应用于多传感器组合导航系统中,仿真结果表明在任何一个子系统故障情况下,滤波器都能提供连续、准确的导航信息。     

多源信息融合的组合导航自适应联邦滤波算法

全球卫星导航系统、捷联惯导、里程计、零速更新等多源信息的融合为地面移动测量系统提供了精确的位置和姿态参考信息。针对进行多源信息融合时,由于数学模型偏差和观测值粗差的影响,传统的联邦滤波不能有效隔离故障子系统的影响的问题,提出了利用验前新息计算联邦滤波的信息分配系数,基于联邦滤波和自适应滤波的等效性和抗差滤波原理,实现实时调整信息分配系数的自适应联邦滤波算法。通过一组车载数据的分析表明,自适应联邦滤波算法相对于传统联邦滤波算法,能有效地抵御观测值粗差和数学模型偏差的影响,显著提高了组合导航系统的精度和可靠性。     

Detection of Stealthy False Data Injection Attacks Against Cyber-Physical Systems: A Stochastic Coding Scheme

This paper, from the view of a defender, addresses the security problem of cyber-physical systems (CPSs) subject to stealthy false data injection (FDI) attacks that cannot be detected by a residual-based anomaly detector without other defensive measures. To detect such a class of FDI attacks, a stochastic coding scheme, which codes the sensor measurement with a Gaussian stochastic signal at the sensor side, is proposed to assist an anomaly detector to expose the FDI attack. In order to ensure the system performance in the normal operational context, a decoder is adopted to decode the coded sensor measurement when received at the controller side. With this detection scheme, the residual under the attack can be significantly different from that in the normal situation, and thus trigger an alarm. The design condition of the coding signal covariance is derived to meet the constraints of false alarm rate and attack detection rate. To minimize the trace of the coding signal covariance, the design problem of the coding signal is converted into a constraint non-convex optimization problem, and an estimation-optimization iteration algorithm is presented to obtain a numerical solution of the coding signal covariance. A numerical example is given to verify the effectiveness of the proposed scheme.

     

基于杂波脊先验信息的非均匀杂波抑制方法

机载雷达回波数据非均匀会在很大程度上削弱传统空时自适应处理算法的杂波抑制性能。为此,提出一种基于杂波脊先验信息的非均匀杂波抑制方法,利用机载雷达杂波信号在角度多普勒平面的谱分布信息构造导向矢量基,并在考虑阵元误差影响情况下,对待检测单元数据进行迭代的最小二乘拟合,最后对拟合后的剩余数据进行恒虚警检测处理。该方法充分利用了雷达系统参数及杂波谱分布等先验信息,并且不需要训练样本,可以较好地抑制非均匀杂波,从而改善机载雷达的检测性能。仿真实验验证了该方法的有效性。     

三段判别域与最小二乘拟合的抗差滤波算法

组合导航系统卫星信号在传播过程中容易受到干扰导致卫星导航观测值出现故障。对于此问题, 提出一种基于最小二乘拟合原理的抗差滤波算法, 根据检测量的分布状态将故障分为三段判别域, 分别为无故障、偏差和超差的情况。无故障时不做处理, 出现偏差时对观测值进行降权处理, 对于超差情况, 用前几个时刻的观测值组成的拟合函数进行一个时刻的外延, 代替当前时刻的故障观测值。仿真结果表明, 三段判别域相对于两段判别域多了对偏差情况的处理, 提高了导航精度。连续时间内发生超差情况时, 相比于使用降权法, 基于最小二乘拟合的抗差滤波算法导航精度更高, 稳定性更好。     

侧扫声纳检测沉船目标的轻量化DETR-YOLO法

基于YOLOv5算法的侧扫声纳海底沉船目标检测方法虽然在检测精度和速度上取得了不错的成绩, 但是如何在复杂海洋噪声背景下进一步提高小目标检测的准确性、降低重叠目标漏警和虚警率的同时实现模型的轻量化是一个亟需解决的课题。为此, 本文创新融合DETR(end-to-end object detection with transformers)与YOLOv5结构, 提出了基于DETR-YOLO模型的轻量化侧扫声纳沉船目标检测模型。首先, 加入多尺度特征复融合模块, 提高小目标检测能力。然后, 融入注意力机制SENet(squeeze-and-excitation networks), 强化对重要通道特征的敏感性。最后, 采用加权融合框(weighted boxes fusion, WBF)策略, 提升检测框的定位精度和置信度。实验结果表明, 本文模型在测试集AP_0.5和AP_0.5∶0.95值分别达到84.5%和57.7%, 较Transformer和YOLOv5a模型大幅度提高, 以较小的效率损失和权重增加为代价取得了更高的检测精度, 在提升全场景理解能力和小尺度重叠目标处理能力的同时满足轻量化工程部署需求。     

SAR/INS/TAN组合导航系统中的滤波算法研究

多传感器组合是提高导航系统定位精度和增强系统容错性的有效手段。在分析惯性导航系统(INS)、合成孔径雷达(SAR)和地形辅助导航系统(TAN)各自特点的基础上,提出了SAR/INS/TAN组合导航系统的组合滤波方案并建立了相应的组合导航系统数学模型。同时,针对图像匹配和TAN所固有的非等间隔量测输出滞后的特点,研究了一种多传感器信息融合的卡尔曼滤波算法,以有效解决此类非等间隔量测滞后的问题。仿真分析可见,该组合滤波算法能大大提高导航精度,是一种行之有效的方法。     

组网雷达自适应模糊CFAR检测融合算法

为提高组网雷达的分布式恒虚警(constant false alarm rate, CFAR)检测性能, 基于模糊逻辑和最大选择筛选平均检测器(maximum-censored mean level detector, MX-CMLD)提出一种自适应多传感器分布式模糊CFAR检测算法。该方法是一种基于无信噪比信息的检测融合算法, 通过传输单部雷达站接收信号的检验统计量、检测可信度来完成全局的CFAR检测。该方法通过表决模块和反馈模块, 控制传输到融合中心的数据量, 并自适应选取相关的雷达数据进行融合, 在一定程度上可以实现雷达资源的管理。仿真结果表明, 在均匀背景、多目标干扰背景的目标检测中, 自适应分布式模糊MX-CMLD均有较好的检测性能。     

基于完好性风险估计减少RAIM误警率方法

为了提供更精确的完好性服务,提出一种新型降低用户端自主完好性监测(receiver autonomous integrity monitoring, RAIM)误警率的方法。给出了定位误差与残差向量关系的新解释,基于最大定位误差完好性风险算法,提出了扩展正常检测区方法并进行故障检测,通过最大定位偏差保护限值提供故障检测的完好性保证,满足航段漏警率要求。最后,设计一种新的故障检测与故障识别准则,达到在不降低漏检率的条件下,减少误警率。算例表明该方法简单易行、有效。     

基于相关矩阵与概率模型的故障模糊诊断

针对复杂系统故障快速模糊诊断问题,提出了一种基于相关矩阵和概率模型的故障模糊诊断方法。通过建立故障测试相关矩阵,在概率空间中获取故障判据,并考察非理想测试条件下故障出现某种征兆的概率值,继而利用概率最值原则推理故障、利用最小模原则进行故障筛选以降低虚警,实现了对复杂系统故障的高效便捷诊断。以阿波罗飞船发射前测试数据为对象对该方法进行了验证。实验结果表明,该方法具有足够的诊断精度,以及较低的运算复杂度,并且支持图形化快速诊断、便于现场应急使用。     

毫米波探测器的超宽带耦合特性

探测器是近程探测系统的目标敏感装置, 容易受到电磁脉冲干扰。针对某型毫米波探测器超宽带(ultra-wideband, UWB)电磁脉冲抗扰度不清的实际情况, 围绕UWB辐照环境展开该型探测器的电磁脉冲耦合特性研究。将时域有限积分算法(finite integration technology, FIT)应用于探测器腔体耦合特性研究, 并结合UWB试验系统对探测器开展了辐照试验, 验证了FIT算法的有效性。仿真和试验结果表明, 探测器在竖直状态下的腔体屏蔽效能最差, 仿真试验中其屏蔽效能为20.40 dB; 试验得出探测器的效应场强阈值约为150 kV/m, 在辐照下会出现死机、虚警和硬损伤3种现象, 其中死机现象可通过电源复位恢复, 虚警和硬损伤为不可逆效应现象。     

基于极化状态提取的极化SAR图像变化检测算法

极化合成孔径雷达(polarimetric synthetic aperture radar, PolSAR)图像中同一目标在不同时相下的散射特性会因数据采集条件的变化而发生变化,从而影响变化检测结果的正确性。针对这一问题,提出了一种基于极化状态提取的极化SAR图像变化检测算法。首先利用不变样本目标提取图像的最优极化状态,并将此极化状态下的接收功率比值作为变化检测特征量,最后利用双阈值判别方法提取变化区域实现变化检测。利用美国UAVSAR系统采集的全极化SAR实测数据进行实验,结果表明,本文算法能有效检测出地物的变化情况,且检测虚警少、轮廓清晰。     

组合导航系统故障诊断方法设计与实现

提出了一种组合导航系统的故障诊断方法,根据不同导航子系统的特点,采用基于双状态递推器的卡方检验法、似然比检验法以及空间解析几何法分别对SINS/GPS,ADS和SINS/ADS/DME系统进行故障诊断。另外,作者利用VC实现了一套用于进行组合导航的系统故障诊断的方法,并进行了实时的诊断验证实验,其结果表明根据经验、卡方分布表以及误差标准等因素考虑选择的阈值结合相应算法的诊断准确性高,并且抗野值干扰能力强。     

分布式网状被动传感器系统量测数据关联

为解决漏检、虚警、监视区目标数量未知情况下被动传感器系统量测数据关联问题提出了统计量检验及关联度极大寻优关联算法。该算法首先采用统计量检验删除不可能的候选关联,减小候选关联集,然后按关联度分层搜索得到正确关联。构建了检验统计量并给出了算法的实现步骤。仿真实验验证了关联算法的可行性。