非線性濾波方法及其在導(dǎo)航中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展，對導(dǎo)航系統(tǒng)提出的要求越來越高，由于硬件條件以及成本的限制，使得通過高精度的慣性器件來獲得高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)變得困難。而且在日益復(fù)雜的環(huán)境里，要求導(dǎo)航系統(tǒng)具有高度的自主性、可靠性和抗干擾性，僅依賴單一的導(dǎo)航系統(tǒng)也難以滿足要求。除了通過硬件技術(shù)的提高來獲得可靠的精度高的導(dǎo)航系統(tǒng)外，研究適應(yīng)性強(qiáng)精度高的濾波算法也是解決問題的主要途徑之一。
　　首先，文中從導(dǎo)航系統(tǒng)中本質(zhì)上非線性非高斯的初始對準(zhǔn)和組合導(dǎo)航兩個關(guān)鍵問題入手，根

2、據(jù)不同假設(shè)條件，建立線性/非線性系統(tǒng)模型，并用三種不同噪聲模型來近似非高斯噪聲；然后，根據(jù)非線性系統(tǒng)模型的需要，在貝葉斯估計(jì)理論的統(tǒng)一框架下深入研究了三類具有代表性的非線性濾波方法；最后，結(jié)合非線性濾波算法討論了系統(tǒng)模型誤差和不同噪聲模型對兩個問題狀態(tài)估計(jì)精度的影響。研究主要包括如下幾方面的工作：
　　在高斯噪聲條件下，針對初始對準(zhǔn)和SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，結(jié)合具有高精度估計(jì)性能的非線性濾波算法，比較了（小姿態(tài)誤差角假設(shè)下得

3、到的）線性誤差模型與（水平小姿態(tài)誤差角、方位不確定假設(shè)下得到的）非線性誤差模型的狀態(tài)估計(jì)精度。根據(jù)失準(zhǔn)角和組合導(dǎo)航狀態(tài)的估計(jì)精度，分析系統(tǒng)模型誤差的影響。
　　以特定隨機(jī)過程（高斯噪聲）建立導(dǎo)航系統(tǒng)工作的噪聲環(huán)境，討論處于噪聲統(tǒng)計(jì)特性未知或者系統(tǒng)動態(tài)時(shí)噪聲參數(shù)突變下的初始對準(zhǔn)問題。設(shè)計(jì)了雙噪聲估計(jì)器并行結(jié)構(gòu)，并與差分濾波相結(jié)合，通過對噪聲方差陣進(jìn)行監(jiān)測，能有效防止濾波發(fā)散。同時(shí)，算法中的選擇更新策略，能有效緩解計(jì)算量增加對濾波實(shí)時(shí)

4、性的影響。新算法能在保證精度的前提下快速有效地估計(jì)出失準(zhǔn)角，估計(jì)結(jié)果對噪聲參數(shù)的變化具有強(qiáng)健性。
　　以未知分布但有界形式建立導(dǎo)航系統(tǒng)工作的噪聲環(huán)境，討論噪聲數(shù)據(jù)來自未知分布情形下的初始對準(zhǔn)問題。根據(jù)集員濾波理論，并結(jié)合擴(kuò)展卡爾曼濾波的線性化思想，得到擴(kuò)展集員濾波。當(dāng)噪聲數(shù)據(jù)邊界值無明顯變化，而其統(tǒng)計(jì)特性服從不同分布時(shí)，擴(kuò)展集員濾波得到的失準(zhǔn)角估計(jì)結(jié)果無明顯變化。說明這種噪聲描述使得濾波算法不敏感于噪聲統(tǒng)計(jì)特性的變化，僅與噪聲邊界

5、值相關(guān)，使失準(zhǔn)角估計(jì)結(jié)果對噪聲統(tǒng)計(jì)特性的變化具有強(qiáng)健性。
　　以高斯混合模型近似導(dǎo)航系統(tǒng)工作的噪聲環(huán)境和狀態(tài)的后驗(yàn)分布，結(jié)合粒子濾波得到高斯混合粒子濾波。高斯混合粒子濾波重新設(shè)計(jì)重要性函數(shù)，用UKF計(jì)算混合模型的參數(shù)，并通過最大期望算法改進(jìn)重采樣，有效改善了粒子退化問題和貧化問題，提高了失準(zhǔn)角和GPS/DR組合導(dǎo)航狀態(tài)的估計(jì)精度。
　　針對粒子濾波計(jì)算效率低下的問題，討論了并行粒子濾波的實(shí)現(xiàn)問題。結(jié)合粒子濾波遞推算法的特點(diǎn)，

6、分析了并行實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問題，對無味卡爾曼粒子濾波算法進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)并行算法。并行算法在保證與原算法精度相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上，能有效提高計(jì)算效率。
　　通過算例仿真以及非線性濾波方法在初始對準(zhǔn)和組合導(dǎo)航問題中的應(yīng)用，可得到下面的結(jié)論：
　　在非線性條件下，與嚴(yán)格約束條件下得到的線性（化）系統(tǒng)模型相比，非線性模型適用條件更寬松，結(jié)合高精度非線性濾波方法能得到更好的失準(zhǔn)角和組合導(dǎo)航狀態(tài)的估計(jì)結(jié)果，但是濾波算法的計(jì)算量增加。面對實(shí)際工程話問題

7、時(shí)，對濾波方法的選擇上，需要在性能和計(jì)算效率之間進(jìn)行折衷。
　　在非高斯條件下，以未知分布但有界形式和以高斯混合模型形式描述導(dǎo)航系統(tǒng)工作噪聲環(huán)境的濾波方法更具強(qiáng)健性，能更好地適應(yīng)于缺少先驗(yàn)知識或者復(fù)雜環(huán)境下的導(dǎo)航濾波問題。若以特定隨機(jī)過程（高斯噪聲）來描述噪聲環(huán)境，可以通過嵌入自適應(yīng)估計(jì)器在線估計(jì)其統(tǒng)計(jì)特性，提高算法的強(qiáng)健性，對于復(fù)雜的非高斯的噪聲環(huán)境，這種噪聲描述方式存在固有的不足。
　　在非線性非高斯條件下，理論上講，粒