抗差自适应模型预测滤波及其在组合导航中的应用

为了提高捷联惯导(SINS)/天文导航(CNS)/合成孔径雷达(SAR)组合导航系统的定位精度,在吸收模型预测滤波和抗差自适应滤波算法优点的基础上,提出了一种新的抗差自适应模型预测滤波算法。该算法首先利用模型预测滤波估计出系统模型误差,并对其进行实时修正,以抑制系统模型误差对导航解算精度的影响;然后利用抗差自适应因子控制观测异常,抑制观测噪声对导航解算精度的影响。将提出的算法应用于SINS/CNS/SAR组合导航系统进行仿真验证,并与抗差自适应滤波进行比较,结果表明,提出的算法得到的姿态误差、速度误差和位置误差分别在[0.2,0.2]、[0.3m/s,0.3m/s]和[6 m,6 m]以内,滤波性能明显优于抗差自适应滤波算法,说明该算法能有效抑制系统模型误差及观测异常对导航解的影响,提高组合导航的解算精度。     

自适应Sage-Husa粒子滤波及其在组合导航中的应用

针对非线性滤波问题,提出一种新的自适应Sage-Husa粒子滤波算法。通过Sage-Husa滤波方法计算状态估值和协方差阵来获得重要性密度分布函数,充分考虑了最新量测信息的影响,并利用欧氏距离和反映量测噪声统计特性的精度因子自适应地调整粒子权值的分布,降低粒子退化程度,提高了滤波精度,适用于非线性非高斯系统模型的滤波问题。将提出的算法应用于SINS/SAR组合导航系统中,与扩展Kalman滤波和粒子滤波比较,仿真结果表明,自适应Sage-Husa粒子滤波能提高导航系统定位的解算精度,得到的东向和北向定位误差控制在?5.3m附近,其性能明显优于扩展Kalman滤波和粒子滤波。     

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。     

量测噪声自动加权Kalman滤波

从Kalman滤波技术的稳定性出发,分析了Kalman滤波算法的实质及容量发散的原因。提出在Kalman滤波中引入了系统量测噪声协方差阵（R）的计算,并对其加权,从而影响滤波增益,抑制发散。推算舰位／GPS组合导航的应用仿真表明：量测噪声自动加权Kalman滤波算法对系统模型误差和量测噪声协方差误差具有良好的自适应性。     

一种基于M估计的抗差自适应多模型组合导航算法

针对复杂环境下因量测噪声统计特性时变及量测粗差而引起的组合导航精度下降的问题,提出了一种基于M估计的抗差自适应多模型组合导航算法。所提算法突破了传统交互式多模型算法定结构的限制,凭借所提出的模型集自适应调整策略,能够快速估计量测噪声统计特性,并利用模型概率信息对模型转移概率矩阵进行实时修正;引入了基于M估计的抗差Kalman滤波算法,以提高滤波抗差能力。以SINS/DVL组合导航系统为例,通过仿真和长江试验对所提算法进行了验证,结果表明所提算法有效降低了量测噪声统计特性时变及量测粗差对滤波精度的影响。在长江试验中,所提算法相比AIMM算法,东、北向速度误差和位置误差的均方根误差分别下降了44%、36%和41%、53%,水平定位精度提升了约45.9%,定位精度提升显著。     

GPS/DR组合导航抗差自适应滤波算法

针对GPS/DR车辆组合导航系统的数学模型具有非线性,应用扩展卡尔曼滤波进行线性化会导致滤波结果出现较大误差的问题,引入了抗差自适应滤波算法。利用计算机仿真,分别对抗差自适应Kalman滤波和自适应Kalman滤波算法进行仿真验证,结果表明,抗差自适应滤波不但能自适应地确定观测噪声的协方差矩阵,而且能利用自适应因子调节状态参数噪声的协方差矩阵,可以控制观测异常和动态模型噪声异常对状态参数估值的影响,使状态参数的估值更加合理。自适应Kalman滤波使位置误差控制在30m,而对抗差自适应Kalman滤波能使位置误差控制在18m左右,且误差控制更稳定。     

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。     

基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合导航系统

由于北斗卫星所处轨道远离地球,无源北斗接收机输出伪距的误差较大,影响了与惯导进行伪距组合时的滤波定位效果。考虑到无源北斗伪距误差建模复杂,且Kalman滤波要求误差模型准确,作者研究了采用单机伪距差分的方法减少滤波量测值误差,通过理论分析建立了基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合模型。跑车试验表明,该组合导航算法可有效提高系统的定位精度,并具有滤波参数调整简单的优点。     

低成本车载MEMS惯导导航定位方法

当GPS卫星信号受到遮挡,车载GPS无定位输出时,通过低成本MEMS惯导进行定位是车辆导航的一种弥补方法。然而低成本MEMS惯导测量误差大,定位误差会快速累积。针对此问题,研究了一种应用于MEMS惯导导航定位的Kalman滤波算法。通过分析车辆的运动特性,在已有的研究基础上,提出了向心加速度差值误差这一新型观测量,并推导了误差状态系统模型的状态转移矩阵和观测矩阵。200 s时长的实车实验表明,单纯MEMS惯导定位的误差率是75.27%,而所述新方法的定位误差率是3.86%,定位精度有了大幅度提高,取得了良好的效果。     

Galileo系统动态滤波的研究

提出一种Galileo动态定位滤波的方法。该方法从Galileo系统接收机输出的定位结果入手，将各种误差因素的影响等效为一个总误差，对Galileo系统接收机的机动载体加速度采用当前统计模型，利用线性卡尔曼滤波器进行动态定位数据的处理，并将次优加权自适应卡尔曼滤波算法应用到Galileo系统动态定位中。该模型简单，实时性好，滤波后定位精度得到提高。     

一种新型自适应模型预测组合滤波在在线标定中的应用

为了提高捷联惯性导航系统在线标定的精度和实时性,根据模型预测滤波算法和Sage_Husa自适应卡尔曼滤波算法的优点,提出了一种新的自适应模型预测组合滤波算法。该算法首先利用模型预测滤波算法估计出系统模型误差,并对系统状态方程实时修正,以减小系统模型误差对导航精度的影响;然后利用简化的自适应滤波算法对量测噪声在线调整,修正噪声统计特性,以提高滤波精度。将提出的算法进行在线标定仿真实验,并与传统的卡尔曼滤波在线标定算法进行比较,结果表明,提出的自适应模型预测组合滤波算法能有效完成在线标定,且标定精度和收敛速度均优于传统方法。     

基于自适应强跟踪滤波的捷联惯导/里程计组合导航方法

针对大型轮式车行驶过程中里程计标度发生较大变化,无法满足车载定位定向系统给里程计分配的误差要求,研究了一种非线性滤波方法。以容积卡尔曼滤波为算法框架,引入强跟踪滤波渐消因子的基本理论,提出了捷联惯导/里程计组合导航的自适应强跟踪滤波算法,达到实时自适应估计并补偿里程计标度误差的目的。仿真分析和跑车试验验证了该方法的有效性,新方法比传统强跟踪滤波更进一步消除了里程计误差的影响。试验结果表明该方法使得捷联惯导/里程计组合导航的定位精度提高了两倍以上,达到了惯性元件的理论精度。     

权值自适应调整Unscented粒子滤波及其在组合导航中的应用

针对粒子滤波存在的重要性密度函数难以选取和粒子退化问题,提出了一种新的权值自适应调整Unscented粒子滤波算法。该算法在Unscented粒子滤波的采样过程中吸收权值自适应调整的优点,考虑最新量测影响,通过欧氏距离和反映量测噪声统计特性的精度因子来自适应的调整粒子对应权值分布,增加有用粒子的权值,降低粒子退化程度,保持粒子多样性。同时Unscented变换提高了滤波精度,使该算法能更好地适用于非线性、非高斯系统模型的计算。将提出的算法应用于GPS/DR组合导航系统进行仿真验证,结果表明,提出的权值自适应调整Unscented粒子滤波算法得到的东向定位误差控制在±5.5 m附近,北向定位误差则在±5.2 m附近,滤波性能明显优于扩展卡尔曼滤波和Unscented粒子滤波,能提高GPS/DR组合导航系统解算精度。     

卫星分群的抗差Kalman滤波在GPS/BDS融合精密单点定位中的应用

抗差Kalman滤波是控制GNSS动态导航定位中观测异常的有效算法,当应用到GPS/BDS实时动态精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)时,会出现某些历元定位精度甚至不如单一系统定位精度高,这主要是因为同一接收机接收的不同种类卫星观测量的随机特性不同,使得观测量验后残差的分布特性不一致,抗差估计时随机特性不同的观测量验后残差互比,反而对某一系统优质数据也进行了降权,导致定位结果出现偏差,减弱了GPS/BDS融合精密单点定位的优势。针对这一问题,提出了卫星分群的抗差Kalman滤波算法,并应用到GPS/BDS融合精密单点定位中,算法的核心是在每一历元观测数据质量控制时根据卫星类型分类构建方差膨胀因子,给出了算法的实施步骤,最后通过MGEX实测数据进行了验证,结果表明算法应用到GPS/BDS融合精密单点定位中,相较传统的抗差Kalman滤波算法在东、北、天三个方向分别提高了34.6%、33.3%、31.0%,同时表明该算法提高了GPS/BDS融合精密单点定位的可靠性。     

一种改进的姿态匹配船体变形测量方法

针对船体变形测量系统中模型不确定以及未知噪声影响导致的误差问题,分析并推导了模型偏差对滤波估计的影响,提出一种基于姿态匹配的强跟踪最大互相关熵卡尔曼滤波(STMCKF)算法,用于船体变形估计。该算法采用姿态匹配,基于两套惯性系统的姿态信息确立滤波观测量并建立线性量测方程,通过自适应在线调整多个渐消因子对多个数据通道进行渐消,减小模型失配导致的误差,并设计基于最大互相关熵准则为最优准则的滤波算法,减小量测过程中受到的非高斯噪声产生的误差。最后,在模型不匹配及噪声不确定的条件下进行了仿真验证。仿真结果表明,与传统卡尔曼滤波相比,变形估计精度提高10%～30%,提高了系统鲁棒性和环境适应性。     

抗野值自适应卡尔曼滤波方法的研究

针对陀螺漂移信号中野值的不良影响。从量测噪声自适应Kalman滤波算法出发，首次提出了抗野值自适应Kalman滤波方法，并在其基础上进行了分析，提出一种改进的算法．通过对某型号高精度寻北仪中的试验证明，该算法能够有效去除寻北仪信号中的野值，提高寻北仪的寻北精度，并且对系统的量测噪声不敏感．     

基于权值矩阵的模糊自适应卡尔曼滤波在组合导航中的应用

针对自主驾驶车辆长时间导航精度要求难以满足的问题,建立了GPS与微惯性导航系统的组合导航滤波模型,在位置观测的同时引入姿态信息,提高了导航精度。在此基础上提出了基于权值矩阵的模糊自适应卡尔曼滤波算法,该算法通过模糊控制器自适应地改变每个观测量的权值,得到权值矩阵引入卡尔曼滤波器实现自适应滤波。仿真和实验结果表明,所提出的权值矩阵模糊卡尔曼滤波性能优于衰减因子自适应卡尔曼滤波,特别是在GPS信号失真及噪声先验统计特性不可知的情况下,其定位精度能够保证在1m之内。     

抗差自适应插值粒子滤波及其在组合导航中的应用

针对粒子滤波存在的粒子退化和重要性密度函数难以选取的问题,在吸收抗差自适应滤波、二阶插值滤波和粒子滤波算法优点的基础上,提出了一种新的抗差自适应插值粒子滤波算法。该算法利用二阶插值滤波算法得到重要性密度函数,通过抗差自适应因子实时控制动力学模型误差及观测异常对导航解的影响。将该算法应用于SINS/CNS/SAR组合导航系统进行计算仿真,并与经典的粒子滤波算法进行比较分析。结果表明,提出的滤波算法得到的姿态误差控制在[-0.3′,+0.3′],速度误差控制在[-0.4 m/s,+0.4 m/s],位置误差控制在[-5 m,+5 m],性能明显优于经典的粒子滤波算法。新的滤波算法不但能够有效地抑制粒子退化,而且能够有效地控制动力学模型误差及观测异常的影响,提高了组合导航的滤波精度。     

模糊抗差自适应粒子滤波及其在组合导航中的应用

在研究模糊控制理论的基础上,吸收了粒子滤波、自适应滤波和抗差估计的优点,提出一种新的模糊抗差自适应粒子滤波算法。文中根据量测向量中的粗差对状态向量滤波的影响,建立抗差自适应粒子滤波模型,获得自适应因子,然后对滤波处理后的数据残差基于模糊理论构造等价权函数,利用等价权函数和自适应因子合理地分配信息,因而可以达到一般滤波方法无法达到的滤波精度,且能有效地控制粗差对导航解的影响。最后,将该算法应用到组合导航系统中,并进行仿真验证。仿真结果证明,文中提出的模糊抗差自适应粒子滤波算法的滤波精度相对于扩展Kalman滤波和粒子滤波提高了3至5倍,明显提高了导航定位精度,且计算简单,便于实时性计算。     

基于垂直约束的深海拖曳系统USBL/DVL组合导航算法

为提高深海水下拖曳系统的定位精度,分析了深海拖曳系统压力传感器与超短基线定位系统(USBL)以及多普勒计程仪的耦合原理,给出了基于垂直约束下的USBL定位的基本原理及拖曳体直线运动状态下的开窗平滑算法。采用非线性的无迹卡尔曼滤波模型对超短基线定位、多普勒测速、深度、斜距、姿态及角速率信息进行融合。针对声学数据常见的粗差观测,结合自适应抗差滤波算法,提出基于垂直约束的自适应抗差卡尔曼滤波算法。最后仿真和实测实验证明在5000 m水深条件下,在航行方向上位置精度较传统滤波算法提高了近2 m。基于垂直约束自适应抗差无迹卡尔曼滤波算法可充分利用高精度观测信息,提高深海拖曳系统的定位精度和容错性。