基于H∞的双滤波算法在GPS/SINS组合导航系统中的研究

针对GPS/SINS组合导航系统的滤波算法误差较大,对常用的卡尔曼滤波算法进行了总结和分析,在此基础上,提出一种将H^∞后置滤波和H^∞前置滤波相结合的方法,形成H^∞双滤波算法.以GPS/SINS组合导航系统为例进行了仿真,结果表明此方法既能抑制滤波发散,又能提高滤波精度.     

一种自适应H_∞滤波的运动学约束惯性导航方法

纯捷联惯性导航系统的精度主要受限于传感器精度,为了在固有的传感器精度上进一步提高纯捷联惯性系统导航精度,提出了一种基于自适应H_∞滤波的运动学约束辅助惯性导航算法。利用运动约束条件,将载体系中的侧向和上向速度作为量测量,将纯捷联惯性导航系统输出的姿态误差、速度误差及传感器误差作为状态量,采用一种能够自动调节滤波器参数的自适应H_∞滤波方法以提高系统性能。实验结果表明,所提出的自适应H_∞滤波运动学约束算法与无约束纯惯导算法相比能够提高23.7%～81%的定位精度,与无自适应H_∞滤波运动学约束算法相比能够提高16.3%～62.2%的定位精度。     

二阶段H_∞滤波在捷联惯导/里程计组合导航系统中的应用

针对一类包含未知常值偏置的线性系统的状态估计问题,比如捷联惯导/里程计组合导航系统,由于扩展未知常值偏置为系统状态,导致系统状态维数比较高。当应用H∞滤波进行估计时,就会引起滤波算法的计算量大大增加,进而会影响其估计性能。为了解决这个问题,将H$滤波问题转化为Krein空间下的求解某种二次型的最小值问题,而求解该最小值可以使用Kalman滤波来解决。因此,通过采用二阶段Kalman滤波理论,在Krein空间下建立了二阶段H∞滤波算法,将H$滤波中的高维矩阵计算解耦成并行的低维矩阵计算,有效地解决了高维矩阵计算所带来的数值计算问题,降低了计算量,并且该算法有利于硬件并行运算设计,为进一步提高算法执行速度提供了可能。通过在捷联惯导/里程计组合导航系统中的仿真实验,验证了算法的有效性。     

基于扩展H_∞滤波的单站无源目标跟踪

针对无源定位与跟踪系统可观测性弱,目标初始状态估计精度低的特点,提出了一种基于扩展H∞滤波的单站无源目标跟踪方法。将扩展H∞滤波算法对被动声纳平台获得的目标方位数据进行目标运动分析,以实现较高精度的水下仅测角目标定位和跟踪,并采用雅克比矩阵来近似处理系统的非线性测量方程。扩展H∞滤波对噪声的不确定性具有鲁棒性,保证滤波算法的数值稳定性,提高跟踪的精度和可靠性。理论分析与仿真结果表明,扩展H∞滤波跟踪速度快,性能稳定,估计精度明显优于扩展卡尔曼滤波(EKF),用于水下运动目标跟踪是可行的。     

基于H∞滤波技术的传递对准方法

从实际应用的角度出发,提出利用跟踪微分滤波器抑制机翼挠曲变形产生的影响,通过杆臂效应补偿消除干扰加速度,用延时补偿算法减少由数据传输延迟造成的量测信息误差。在此基础之上,采用"速度 姿态"匹配方案,研究了基于H_∞滤波估计的快速传递对准方法。大量数值仿真、静态试验、动态跑车试验表明,这些方法有收敛速度较快、精度较高的特点,并具有较强的抗干扰能力。试验也验证了传递对准方法的有效、可行,能满足控制系统对导航信息的精度要求。     

H∞滤波在微惯性组合导航系统中的应用

基于微机电(MEMS)惯性仪表构成的微惯性测量装置(MIMU),其系统噪声特性不确定,影响了卡尔曼滤波器收敛过程,从而对MIMU/GPS组合系统性能产生不利影响.将鲁棒H∞滤波技术应用于该组合系统,确定了一种H∞滤波求解方法,给出了滤波器的推导步骤.该算法虽不具备最优滤波特性,但却具有更好的稳定性和鲁棒性.通过仿真实验,确定了H∞滤波器中的性能因子γ具体数值,使滤波器在可接受的估计精度下具有最佳鲁棒效果,它能在复杂的噪声环境下很好地估计出MIMU的主要误差,验证了H∞滤波对于噪声的不敏感程度和鲁棒性,提高了MIMU/GPS这类组合导航系统整体性能.     

INS／GPS／CNS组合导航系统的自适应滤波技术研究

本重点研究了状态与偏差解耦估计的自适应滤波算法在ＩＮＳ／ＧＰＳ／ＣＮＳ组合民航系统中的应用问题。由于组合导航系统参数往往与实际的物理过程具有一定的偏差,因此采用常规的卡尔曼滤波算法常会发生滤波发散现象。本提出一种自适应滤波算法,并应用于组合导航系统。仿真结果表明,自适应滤波可以有效地抑制滤波发散,增强系统方案对环境的适应性,大大提高组合导航系统的精度。     

奇异值分解H_∞联邦滤波及其在传递对准中的应用

捷联惯导(SINS)合成孔径雷达(SAR)组合导航系统中,SINS与SAR天线附加的惯性测量元件(IMU)之间的抗干扰、动态快速传递对准是一个研究难题。为了既不增加滤波器阶数,减小计算量,又能提高传递对准的速度和精度。在吸收现有滤波算法优点的基础上,提出了一种新的奇异值分解H∞联邦滤波算法。首先,建立了速度+姿态+位置匹配更新的传递对准模型,利用基于奇异值分解的H?子滤波器进行滤波,得到系统状态的局部最优估计值;然后,通过联邦滤波器对局部最优估计值进行融合得到全局最优估计值。仿真结果表明,提出的滤波算法得到的失准角估计值能在200s内收敛,且分别稳定在3'、-5'和20',性能明显优于H∞滤波和联邦滤波。新的滤波算法不但速度快,精度高,而且计算量小,抗干扰性好,为提高传递对准的精度提供了一种新方法和新途径。     

基于H∞滤波的舰载机惯导海上自对准方法

针对因风浪干扰、高频颤振等因素影响,使得舰载机惯导海上自对准量测方程中产生未知的量测干扰,进而导致滤波器性能降低的问题,引入H∞滤波技术.阐述了舰载机捷联惯导海上自对准的基本思想,建立了自主精对准状态空间模型,设计了一种基于H∞滤波的自对准滤波器,有效抑制了外界噪声的干扰,确保了系统的鲁棒性.仿真结果表明,常规卡尔曼滤波在5 min的对准时间里,无法完成对姿态角误差的估计.而H∞滤波在5 min内,不但可以估计出姿态误差角误差,且水平对准精度在2′以内,方位对准精度约12′,还可以估计出陀螺零偏和加速度计零偏误差,并可以获得较好的快速性和平滑性,不失为一种有效的海上自对准方法.     

参数摄动H∞滤波系统的最优性能指标计算

基于H∞滤波系统的最优性能指标与相应的Hamilton微分方程特征值之间的对应关系,利用微分方程特征值的摄动法研究了参数摄动H∞滤波系统的性能指标计算问题。当原滤波系统的最优性能指标已知时,利用系统参数的变化量就可以确定摄动系统的最优性能指标。     

载波平滑伪距紧组合导航系统鲁棒自适应滤波算法

传统惯性/卫星紧组合导航系统采用载波相位平滑伪距可以有效提高伪距观测量精度,但平滑伪距后观测量噪声不符合白噪声特性而导致卡尔曼滤波器容易发散;同时由于周跳的存在会更加严重影响滤波器的稳定性。针对上述问题,分析了平滑伪距噪声特性并建立了噪声模型,在此基础上设计了鲁棒自适应滤波算法对观测噪声进行实时估计和补偿,结合抗差估计理论进行滤波以减小观测量噪声水平和模型不确定对滤波器带来的影响。理论分析和仿真结果表明,在复杂环境下,基于载波相位平滑伪距的鲁棒自适应紧组合导航系统定位精度提高了一倍以上。     

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。     

基于UKF的GPS/SINS伪距(伪距率)组合导航系统设计

采用位置、速度组合的GPS/SINS组合导航系统由于GPS各量测量之间的相关性,影响了组合导航的整体精度.为了提高组合导航的精度和可靠性,采用了直接利用GPS接收机原始测量信息伪距、伪距率的组合方式.UKF(Unscented Kalman Filter)是针对非线性模型的滤波方法,它避免了对非线性方程线性化的过程,具有较高的精度和较好的鲁棒性.将UKF滤波方法应用于伪距、伪距率的组合导航系统中,并将UKF与卡尔曼滤波和自适应滤波方法进行了仿真比较研究.实验结果表明,UKF位置、航向估计的精度都要优于卡尔曼滤波和自适应滤波,使整个导航系统具有更高的精度和可靠性.     

UKF容错滤波在脉冲星组合导航中的应用

针对X射线脉冲星组合导航系统中测量野值导致的导航精度下降问题,利用基于残差正交性的Unscented Kalman Filter(UKF)容错滤波方法进行野值修正。在深空巡航段,采用基于X射线脉冲星和太阳观测的组合导航方式,用X射线探测器测量脉冲星光子到达时间,利用太阳敏感器测量太阳视线方向矢量,并利用联邦滤波结构进行信息融合。仿真结果表明,基于UKF的容错滤波算法在脉冲星组合导航系统的应用中,能够对野值进行实时修正,避免了导航精度下降,提高了系统的鲁棒性和工程实用价值。     

H∞滤波在无陀螺捷联惯导系统中的应用

无陀螺捷联惯导系统角速度解算精度不高是其难以实现工程化瓶颈问题.为此,首先深入分析了无陀螺捷联惯导系统的角速度解算原理,并推导出了所用加速度计配置方案的角速度解算方程.然后创造性地构建了Kalman滤波器的状态方程和滤波方程,突破了以往采用Kalman滤波时必须引入额外观测信息(如GPS观测值)的模式.在此基础上构建了系统的H∞滤波器,并借助某型导弹的弹道数据,在外部噪声分别为白噪声和有色噪声的条件下对积分法、开方法、卡尔曼滤波器和H∞滤波器进行了仿真比较,验证了H∞滤波器具有较高的解算精度和对系统的不确定性具有良好的鲁棒性.     

联邦滤波在飞机组合导航中的应用

研究了中等精度捷联惯导系统(SINS),大气数据系统(ADS)和塔康系统(TACAN)构成的机载组合导航系统.在分析SINS、ADS、TACAN各自特点的基础上,提出了SISN/ADS/TACAN组合导航系统的联邦滤波方案,并建立了相应的组合导航系统的数学模型.以一条典型的飞行轨迹进行了全航线的仿真研究,仿真结果为:基于联邦滤波的SINS/ADS/TACAN组合导航系统的位置精度约为70 m(CEP),速度精度约为0.75 m/s(1),航向精度为约为 (1)和姿态精度约为 (1),由此可见基于联邦滤波的SINS/ADS/TACAN组合导航系统可以充分利用各机载导航子系统信息,满足飞机导航定位的精度要求.     

SINS初始对准中的鲁棒超球体无迹卡尔曼滤波方法

捷联惯导初始对准大失准角系统误差模型中,当噪声具有不确定统计特性时,基于白噪声假设的无迹卡尔曼滤波算法鲁棒性较差.针对该问题,提出了一种基于H∞理论的鲁棒超球体无迹卡尔曼滤波算法.给出了计算量小的超球体采样策略,推导了H∞滤波的鲁棒机理,分离了鲁棒环节.将鲁棒环节引入超球体无迹卡尔曼滤波算法,得到鲁棒超球体无迹卡尔曼滤波算法,并分别在系统噪声和量测噪声为白噪声和有色噪声的条件下,对超球体无迹卡尔曼滤波和鲁棒超球体无迹卡尔曼滤波两种滤波方法进行了仿真实验.仿真结果表明,鲁棒超球体无迹卡尔曼滤波在白噪声情况下虽然精度有所降低,但是相对超球体无迹卡尔曼滤波具有了对有色噪声的鲁棒性,较超球体无迹卡尔曼滤波方法更适用于天向失准角为大角度并且噪声特性为有色噪声的情况.     

基于自适应滤波的水下SINS/相控阵DVL组合导航算法设计

针对远程自主水下航行器的远程性和自主性,加之水下环境复杂,其导航和定位的精度很难保证的特点,设计一种基于相控阵DVL的自适应滤波的SINS/DVL组合导航算法。基于相控阵DVL特点,推导了速度观测方程,并对降维滤波器进行了设计和时空误差进行修正。采用50型激光陀螺研制出工程样机,并进行了河试试验和海试试验,试验结果表明采用自适应滤波算法能够进一步提高SINS/DVL自主导航的精度,并且SINS/DVL自主导航精度优于2‰D(D为航程),为远程水下航行器提供一种自主好、精度高、价格适中的导航手段。     

一种新的自适应UKF算法及其在组合导航中的应用

为了提高组合导航系统的滤波精度,提出一种带噪声统计估计器的自适应UKF滤波算法。该算法根据协方差匹配原理,利用UKF滤波算法的残差序列与新息序列,在线估计、调整系统过程噪声和量测噪声的统计特性,提高UKF的自适应能力,克服了标准UKF在系统噪声统计未知或不准确情况下滤波精度下降甚至发散的问题。将提出的算法应用于SINS/BDS组合导航系统进行仿真验证,并与标准UKF和抗差UKF进行比较,结果表明,提出的自适应UKF得到的水平位置误差和天向误差分别在[?6.2 m,?6.4 m]与[?9.8 m,?8.6 m]以内,滤波性能明显优于标准UKF与抗差UKF,提高了组合导航系统的解算精度。