动基座传递对准非线性滤波器的设计及应用

在非线性、非高斯条件下进行动基座传递对准,如果采用卡尔曼滤波会出现误差较大甚至发散的问题。本文引入强跟踪自适应滤波器,建立对估计误差的一步预测方差PK/K-1的加权算法,来达到抑制噪声的目的;同时,针对初始对准对准精度与快速性的要求,建立了动基座传递对准精确的非线性滤波模型。通过计算机仿真,模拟了飞机机动模式,验证所提滤波器的可行性。最后,通过与扩展卡尔曼滤波的比较,说明非线性强跟踪自适应滤波器在对准精度与速度上都有更好的表现。     

GNSS辅助捷联惯导行进间对准自适应滤波方法

针对车载武器系统快速发射需求,提出一种基于GNSS辅助的捷联惯导行进间对准自适应滤波方法。该方法把行进间传递对准分为粗对准与精对准两个阶段。粗对准阶段以GNSS为观测基准完成对捷联惯导姿态的粗捕获,降低初始偏差不确定性对于精对准阶段的影响。在精对准阶段,考虑到车载系统的运动特性,提出一种"水平+方位"行进间对准双滤波器并行的设计思路,利用车载系统在不同时间段的动力学特性,对三轴姿态估计进行分时解耦,实现初始姿态的高精度估计;与此同时,引入协方差成形自适应调节过程,以最小化Frobenius范数为优化指标,实现对行进间对准卡尔曼滤波器的自适应调节,增强系统鲁棒性。数值仿真表明,协方差成形自适应卡尔曼滤波方法能够有效保证系统在全运动剖面内的稳定,结合双滤波器并行方案能够有效解决行进间对准精度不高与稳定性欠佳等问题,水平对准精度优于1.5′(1σ),方位对准精度优于6′(1σ)。     

两种快速传递对准方法在航空制导武器中的应用

对常用的两种快速传递对准状态模型(ψ角与m_ψ角模型)的等效性进行了分析与证明。在此基础上,针对MEMS-IMU低精度与稳定性欠佳等特性,综合考虑对准精度与算法实时性,建立了11维ψ角与m_ψ角快速传递对准模型。与传统的15维模型相比,新模型的计算复杂度降低了约60%。与此同时,提出了"安装角滤波器+陀螺仪零偏滤波器"的双滤波器并行工作设计思路,并给出了一种抑制器件误差影响与环境干扰的带宽隔离滤波器参数设计方法,提高了传递对准滤波器设计的灵活性与系统鲁棒性。通过飞行试验对传递对准系统模型与设计方法进行了试验验证,结果表明,相较于传统算法,收敛时间减少至30 s以内,传递对准精度提高约40%,有效解决了低精度MEMS-IMU在航空制导武器中的应用问题。     

基于自适应联邦滤波的传递对准算法

为了提高传递对准的对准速度和对准精度,研究了基于自适应联邦滤波的"速度 姿态角"传递对准的算法,在状态变量中加入了安装误差角和挠曲变形角,在算法中进行了估计并补偿。为了保证滤波的实时性,采用联邦滤波的方法,分别建立了速度匹配子滤波器、姿态角匹配子滤波器和主滤波器的模型,给出了状态方程和量测方程。在子滤波器中利用模糊控制器对噪声特性进行了自适应调整以解决系统噪声和量测噪声是未知情况下滤波发散或者精度不高的缺点从而增强系统的鲁棒性。最后在载体匀速直线加三轴摇摆的运动模型下进行了仿真,结果表明该方法能够有效地估计安装误差角和部分挠曲变形角,并且能够以一定精度完成初始对准。     

利用H∞滤波器改进舰船SINS在摇摆基座上的初始对准

在摇摆状态下,利用常规Kalman滤波器得到的初始对准精度较低。为了提高捷联惯性导航系统在舰船摇摆基座上的初始对准精度,提出应用鲁棒扩展H∞滤波器实现初始对准。鲁棒扩展H∞滤波器是建立在鲁棒控制理论基础上的次优估计算法,以牺牲一定的准确性来提高滤波器的鲁棒性。在摇摆基座初始对准中利用鲁棒扩展H∞滤波器,是为了克服在大干扰情况下,系统误差模型不准确造成Kalman滤波器估计误差较大的问题。半物理仿真试验结果表明:在舰船横摇、纵摇、艏摇运动环境下,采用鲁棒扩展H∞滤波器得到的初始对准姿态角误差在12″(1σ)以内,方位角误差在15′(1σ)以内,优于使用Kalman滤波器的结果。     

基于Allan方差解耦自适应滤波的旋转SINS精对准方法

对旋转式SINS精对准方法进行了研究,由于转位机构转动干扰以及惯性器件误差不确定性带来的影响,旋转式SINS状态方程和量测方程噪声方差参数难以确定,进而导致初始对准精度降低,针对这个问题引入自适应Kalman滤波技术。Sage-Husa是一种常用的自适应滤波算法,但是存在噪声参数强耦合缺陷。通过研究Allan方差与量测噪声方差之间的关系,利用Allan方差滤波器具有带通滤波的特点,独立计算量测噪声协方差阵R_k,该方法能够有效克服Sage-Husa滤波耦合问题,相比其它改进方法具有简单易实现等特点。对该研究进行了仿真实验与实际系统验证实验,结果表明:对于中等精度光纤陀螺单轴旋转SINS,自适应Kalman滤波算法航向角对准精度比标准Kalman滤波算法精度要高0.6’左右,且在误差估计过程中,自适应Kalman滤波器能够更好地抑制外界干扰误差的影响,是一种较好的精对准方法。     

自适应UKF滤波在SINS初始对准中的应用

为了缩短捷联惯导系统的初始对准时间并提高对准精度,分别设计了平淡卡尔曼滤波器(UKF)和自适应平淡卡尔曼滤波器(AUKF)用于精对准。在系统噪声统计特性未知时,AUKF算法能自动平衡状态信息与观测信息在滤波结果中的权比,以实时调整状态向量和观测向量的协方差,从而提高系统的性能。实验结果显示,使用自适应UKF算法与普通的UKF算法相比,可以获得更优的对准精度和快速性,在东、北、天三个方向上,其失准角精度分别提高了0.2′、0.2′和4′;收敛时间分别缩短了10 s、30 s和25 s。     

自适应Kalman滤波在SINS初始对准中的应用

为了提高捷联惯导系统的对准精度和收敛速度,提出了一种基于Sage-Husa自适应滤波算法的初始对准方法。针对方位小失准角的情况,推导出精对准误差模型和自适应Kalman滤波方程。常规Kalman滤波算法,在噪声统计特性已知的情况下,使用比较方便;多数情况下,噪声统计特性是处于未知状态,从而引入自适应Kalman滤波算法。它利用观测到的数据自动进行噪声统计特性的在线估计和修正,使系统达到最佳的滤波效果。通过仿真验证,该自适应滤波算法有效地提高了收敛速度和对准精度。     

低成本捷联惯导系统初始对准方法

为了缩短低成本捷联惯导系统初始对准时间并提高对准精度,给出了一种基于微型电子罗盘的初始对准方法。首先利用电子罗盘辅助加速度计完成粗对准,然后,分别设计了自适应扩展卡尔曼滤波器和平淡卡尔曼滤波器（UKF）用于精对准。实验结果显示,在系统量测噪声方差阵未知时,在滤波器中加入自适应方法能有效的提高对准精度;而采用非线性滤波的UKF算法,即使在粗对准之后方向失准角比较小的情况下,也可获得比线性滤波更优的对准精度和快速性。     

基于强跟踪滤波的车载行进间对准

针对车载行进间对准过程中存在复杂路面和未知干扰的情况,提出基于强跟踪滤波的里程计辅助车载捷联惯导行进间对准方法。采用多重渐消因子的强跟踪滤波器进行车载行进间精对准。多重渐消因子的强跟踪滤波器利用卡尔曼滤波取得最佳增益时残差序列互不相关的性质,在线自适应地调整渐消因子,对未知干扰有较强的鲁棒性。建立行进间对准的状态方程与观测方程,针对三种不同路况进行了8次跑车行进间对准试验。试验结果表明:强跟踪滤波能适应恶劣复杂路况;精对准后航向误差(1?)≤3.6′,满足指标要求。     

INS／ESGM／Doppler组合导航系统中的联合Kalman滤波方法

在INS/ESGM/Doppler组合导航系统集中Kalamnihan滤波器的基础上,进一步建立了该组合导航系统的联合Kalman滤波器结构和滤波算法,并讨论了该滤波器的容错性及简化形式。数字仿真的结果表明,本文所设计的联合Kalman滤波器与集中Kalman滤波器相比,其滤波精度基本一致,而滤波器的解算速度更快,容错性能更好。     

联邦滤波器理论研究

应用矩阵理论和信息分配原理导出集中卡尔曼滤波、分散化滤波和联邦滤波之间的等价关系，证明联邦滤波器的全局滤波精度和集中卡尔曼滤波的滤波精度相同，并用信号流程图直观清晰地说明联邦滤波比分散化滤波结构更简单，计算量小。提出一种动态最优信息分配系数确定的方法，该方法使联邦滤波局部滤波器的设计也成为最优，并从理论上证明其具有最高的软故障检测灵敏度。     

一种容错联邦滤波算法在INS/GPS/Doppler组合导航系统中的应用

本文提出了一种联邦滤波器的容错滤波算法,并在ＩＮＳ／ＧＰＳ／Ｄｏｐｐｌｅｒ 组合导航系统中进行了计算机仿真。仿真结果表明,该算法具有与集中卡尔曼滤波同等的导航精度,同时具有较强的容错性。     

联邦滤波信息分配新方法

总结了联帮滤波器理论的基础和实现方法,提出了一种基于矩阵范数进行信息动态分配的联帮滤波新算法。设计了一种由INS、GPS和Doppler测速雷达构成的多传感器组合导航系统,在新的信息分配因子准则下,对多种融合速率时的组合系统进行了仿真。仿真结果表明：该方法可以达到与集中式卡尔曼滤波十分接近的全局估计效果,并且该方法有助于简化组合导航系统的故障检测和隔离算法。     

广义联邦滤波器的全局最优性

基于分散化滤波算法和信息分配原理,建立了广义联邦滤波器设计理论。证明了联邦滤波器当其主滤波器和局部滤波器的维数都相同时,其全局滤波和集中卡尔曼滤波等价,是最优的;同时提出当主滤波器维数和局部滤波器维数不相同时,达到全局滤波最优的解析补偿方法,其附加计算量小,并可作为一种性能指标用于子系统的软故障检测。在组合导航系统中运用此方法对非公共状态信息进行补偿,仿真结果验证了该方法的有效性。     

一种车载组合导航系统的联邦滤波新算法

针对车载GPS/DR组合导航系统的特点,提出了一种新的联邦滤波算法.子滤波器由两个滤波器构成:一个是卡尔曼滤波器,另一个是Unscented卡尔曼滤波器(UKF),它们分别处理GPS子系统和DR子系统的信息.UKF是一种较新的非线性滤波方法,相对传统的非线性滤波器EKF具有更高的滤波精度和更高的计算效率.联邦滤波器的信息分配因子采用一种基于观测误差的最小均方误差形式,最佳地融合了传感器的输出信息.这种结构降低了联邦滤波器的计算难度和计算量,提高了组合导航系统的可靠性和容错性.仿真结果表明,提出算法的定位精度很高,与UKF算法的效果相当.     

惯导系统初始对准的非线性滤波算法

本文推导了方位误差角比较大时惯导系统初始对准的误差方程,在这个误差中包含了非 线性的部分。在方位误差角较小时,可将非线性的对准方程简化为线性的对准方程。用卡尔曼 滤波对线性系统进行仿真,用扩展卡尔曼滤波、迭代滤波、二次滤波对非线性系统仿真。比较仿 真结果可见,扩展卡尔曼滤波可大大提高方位对准的精度,而迭代滤波、二次滤波在方位角上 又比扩展卡尔曼滤波的精度高。