4. 深度计跳变引起高度通道发散的故障排查

故障现象与排查思路

某水下航行器在定深航行阶段，组合导航高度通道出现缓慢发散：深度显示值在约 12 s 内从 50.2 m 漂移到 56 m 以上，同时高度通道卡尔曼滤波的新息（残差）持续偏大。回放原始日志发现，深度计输出在某一时刻出现约 3.5 m 的阶跃跳变，随后又缓慢回落，而惯性高度解算本身并无对应变化。这说明发散并非惯导漂移，而是深度计异常跳变被滤波通道放大所致。

排查的核心是把"跳变来源"与"滤波响应"分开看：先用数据回放确认跳变是单点毛刺、阶跃还是斜坡；再用残差序列判断滤波器是否已把异常量当作真实观测吸收；最后通过限幅与故障检测逻辑阻断异常观测进入高度通道。

数据回放与残差定位

回放时按以下顺序核对，避免把滤波发散误判为传感器故障：

1. 对齐时间戳：将深度计原始帧、惯导高度解算、组合导航输出按同一时基对齐，确认跳变发生时刻与高度通道开始发散的时刻是否一致（本例相差约 0.2 s，属同一事件）。
2. 计算新息序列：新息 ν = z_depth − h_pred，其中 h_pred 为滤波器一步预测高度。正常航行时 |ν| 应在 3σ 内（本例 σ≈0.8 m）。跳变时刻 ν 突增至约 3.4 m，明显越界。
3. 区分跳变形态：单点毛刺表现为单帧越界后立即恢复；阶跃表现为持续多帧的偏置；斜坡表现为新息缓慢单调增大。本例为持续约 12 s 的阶跃，指向深度计本身或压力接口异常，而非瞬时干扰。
4. 交叉验证：用惯导高度与深度计做差，若差值曲线与跳变曲线同形，则确认异常来自深度计侧；若惯导侧也有对应变化，则需怀疑高度通道状态估计本身。

限幅与故障检测逻辑设计

定位到阶跃来源后，在深度观测进入滤波前增加两级保护：

// 深度观测预处理（示例参数，按实际量程与噪声水平调整）
const double MAX_STEP   = 1.0;   // 单周期最大允许变化量 (m)
const double SIGMA      = 0.8;   // 新息标准差估计 (m)
const double GATE_K     = 3.0;   // 3σ 门限
const int    FAULT_CNT  = 3;     // 连续越界帧数判故障

double depth_prev = 50.2;        // 上一有效深度
int    over_cnt   = 0;
bool   depth_fault = false;

double preprocess_depth(double z_raw, double h_pred) {
    // 1) 限幅：抑制阶跃跳变
    double z = z_raw;
    if (fabs(z - depth_prev) > MAX_STEP) {
        z = depth_prev + (z > depth_prev ? MAX_STEP : -MAX_STEP);
    }
    // 2) 新息门限检测
    double nu = z - h_pred;
    if (fabs(nu) > GATE_K * SIGMA) {
        if (++over_cnt >= FAULT_CNT) depth_fault = true;
    } else {
        over_cnt = 0;
    }
    // 3) 故障时隔离观测，仅用惯性高度保持
    if (depth_fault) return h_pred;
    depth_prev = z;
    return z;
}

限幅的作用是防止单帧大跳变直接污染状态估计；故障检测的作用是在跳变持续存在时主动隔离观测，避免滤波器把异常值当作真实深度逐步吸收。两者配合后，高度通道在跳变期间由惯性高度保持，跳变消失且连续 3 帧新息恢复正常后可解除隔离。

验证与判读

验证时还应做一次反向测试：人为注入 2 m 单帧毛刺，确认限幅生效但故障标记不置位（因未连续越界），以此区分"抑制"与"隔离"两级逻辑的边界。