自適應抗差UKF在衛(wèi)星組合導航中的理論與應用研究.pdf

1、鑒于各種單一的導航系統(tǒng)都有缺點，上世紀70年代，隨著電子計算機技術特別是微機技術的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論的進步，組合導航技術開始迅猛發(fā)展起來，成為目前導航技術發(fā)展的重要方向之一，并在航海、航空與航天等領域有著廣泛的應用前景。對于各種不同形式的組合導航系統(tǒng)通常均具有以下功能：(1)超越功能。組合導航系統(tǒng)能夠充分利用各個子系統(tǒng)的導航信息，具有單個子系統(tǒng)不具備的功能。(2)互補功能。由于組合導航系統(tǒng)綜合利用了各子系統(tǒng)的信息，所以各子系統(tǒng)能

2、夠取長補短，擴大使用范圍。(3)余度功能。各子系統(tǒng)感測同一信息源，使測量值冗余，提高系統(tǒng)的可靠性。
　　 組合導航系統(tǒng)信息處理的核心是Kalman濾波器，它是在兩個或多個導航系統(tǒng)輸出的基礎上，利用Kalman濾波去估計系統(tǒng)的各種誤差，再用誤差狀態(tài)的估計值去校正系統(tǒng)，達到綜合的目的。Kalman濾波在衛(wèi)星導航定位以及衛(wèi)星組合導航定位中的應用是目前國內外研究的熱點，抗差Kalman濾波、自適應Kalman濾波、以及它們的改進算法包括

3、自適應Kalman濾波、抗差自適應Kalman濾波、自適應抗差聯(lián)邦濾波都有學者進行研究和建模，但是對于抗差無跡Kalman濾波(Unscented Kalman Filter, UKF)和自適應UKF算法的研究尚且存在空缺。
　　 本文重點分析UKF濾波算法在GPS/SINS衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，研究其定位精度以及濾波算法的性能指標，針對標準UKF濾波算法的主要缺點提出一種改進的抗差UKF濾波算法，即結合自適應估計理論的

4、自適應抗差UKF濾波算法。論文的主要內容及貢獻包括：
　　 研究衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)的基本原理，在組合方式的研究方面，提出了以軟硬件全組合為基礎的緊組合方法，并且將此組合方式應用于GPS/SINS衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)中，作為研究UKF濾波算法的系統(tǒng)平臺。此方法能夠簡化組合系統(tǒng)的硬件設計要求，同時提高軟件的應用范圍。與此同時，詳細分析GPS/INS、GPS/DR、GPS/INS/TAN等幾種常用的衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)及其組合原理、組合結構圖。

5、
　　 根據(jù)衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)的實際應用環(huán)境，分析總結以下幾種濾波算法的優(yōu)缺點，包括Kalman濾波及其各種改進算法、粒子濾波、聯(lián)邦濾波、Sage濾波、自適應濾波、魯棒濾波（濾波）以及智能濾波等。
　　 深入研究Kalman濾波的基礎理論，分析幾種改進型Kalman濾波方法，包括擴展Kalman濾波(EKF)，無跡Kalman濾波(UKF)，聯(lián)邦Kalman濾波、抗差Kalman濾波以及自適應Kalman濾波。重點分析UK

6、F算法的性能優(yōu)缺點，其主要優(yōu)點是直接利用非線性模型，避免引入線性化誤差，從而提高了濾波精度，而且不必計算雅可比矩陣，其主要缺點是仍然應用了Kalman濾波的濾波框架，需要先驗已知的系統(tǒng)數(shù)學模型和噪聲統(tǒng)計信息。
　　 針對衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)的數(shù)學模型、系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲統(tǒng)計特性未知的情況，提出一種基于自適應因子的自適應UKF濾波算法，將新算法應用于GPS/SINS等衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)中，并與標準UKF和抗差UKF進行比較，從定位精度和

7、算法冗余度上詳細分析新算法的性能優(yōu)勢。結果顯示，由于從多種誤差因素進行考慮，新算法能夠較大程度的提高衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)的定位精度。
　　 針對衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)的觀測粗差引起的定位精度誤差，提出一種基于抗差估計理論的抗差UKF濾波算法。標準Kalman濾波應用的是經典的估計模型，它是針對偶然誤差的，粗差的存在將不可避免地對估計結果產生影響，甚至個別大粗差就會使結果產生重大偏離。因此，如何使Kalman濾波的平差模型本身具備抗粗差的能

8、力，正是抗差Kalman濾波研究的內容。
　　 綜合考慮觀測粗差和模型誤差兩者共同引起的誤差因素，提出自適應抗差UKF濾波算法，將此算法應用于北斗/SINS，GPS/SINS等衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)中，并以GPS/SINS組合系統(tǒng)為主要研究對象，通過計算機仿真，證明新算法分別可以減少粗差和動態(tài)誤差模型不準確性帶來的精度影響因素，達到較高的定位精度。
　　 由于衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)是目前科學研究的熱點之一，其應用領域和應用前景十分廣