基于 VB-UKF 的 SINS/ GPS 自适应融合技术

针对SINS／GPS组合导航中量测噪声统计特性不准确引起卡尔曼滤波精度下降的问题,提出基于变分贝叶斯自适应无迹卡尔曼滤波（VB-UKF）的非线性融合方法．分析了线性的变分贝叶斯自适应卡尔曼滤波（VB-KF）算法的原理与性能,针对其仅适用于线性系统的问题,将VB-KF与UKF结合导出了非线性的VB-UKF算法．该算法可对系统状态和时变的量测噪声方差进行同步非线性估计,且与传统的UKF算法具有统一的形式．导航仿真结果表明：VB-UKF对于突变或慢变的量测噪声方差均能实时跟踪,较常规UKF算法可有效降低噪声统计特性不准确给系统造成的不利影响,提高定位精度．     

基于UKF的INS/GPS组合导航系统仿真

通过Unscented卡尔曼滤波(UKF)算法,研究INS/GPS紧耦合组合导航系统中滤波算法的问题,避免了对非线性的系统方程进行线性化。同时将自适应原理引入UKF,给出了一种自适应UKF算法。将EKF、UKF和自适应UKF分别应用到INS/GPS组合导航系统的滤波中。仿真结果表明,相比UKF算法,自适应UKF算法进一步提高导航解的精度和收敛速度,同时系统的鲁棒性也得到了提高。     

ACDKF在SINS大方位失准角初始对准中的应用

将可以估计系统参数、噪声统计特性和修正滤波增益的自适应估计方法引入到CDKF算法中,并将其应用到SINS大方位失准角初始对准中,实现SINS大方位失准角初始对准,解决了噪声特性不准确的非线性问题,避免了线性化误差对滤波精度的影响,克服了噪声统计特性不准确的局限性,进一步提高了导航精度.采用自适应中心差分卡尔曼滤波(ACDKF)进行初始对准,提高了CDKF算法的收敛性和系统的稳定性.仿真结果表明:ACDKF能够克服噪声统计模型不准确对滤波结果的影响,对失准角的估计精度优于CDKF,进一步提高了系统的精度和可靠性.     

基于变分贝叶斯原理的SINS/GPS组合导航VB-CKF滤波算法

系统量测噪声统计量不准确能引起组合导航系统滤波精度下降甚至发散,在变分贝叶斯原理的基础上,以容积卡尔曼滤波(CKF)为基础滤波器,导出基于变分贝叶斯的自适应容积卡尔曼滤波(VB-CKF)算法,仿真结果表明：在SINS/GPS组合导航系统中,VB-CKF算法较CKF算法能有效减少系统量测噪声统计量变化对滤波精度的影响,是一种具有广泛应用前景的SINS/GPS组合导航滤波算法。     

基于自适应简化容积卡尔曼滤波的编队卫星相对导航

针对在星间相对导航中噪声的统计特性未知可能引起滤波估计精度下降甚至发散的问题，提出了一种自适应简化容积卡尔曼滤波(ASCKF)算法。将Sage-Husa自适应滤波与容积卡尔曼滤波(CKF)相结合，通过容积规则摆脱线性滤波的局限性。改进Sage-Husa噪声估计器以避免噪声方差在线估计可能出现的非正定现象，从而保证了滤波器对噪声统计变化的自适应能力。结合编队卫星运动模型的特点，用常规卡尔曼滤波(KF)的时间更新代替相应的容积变换过程，在不影响滤波器性能的前提下减少了运算量。仿真结果表明：在测量噪声统计特性未知的情况下，与CKF相比，该文算法对相对状态的估计精度提高了近25%,同时滤波器的稳定性也得到了提高。     

无人机组合导航系统的自适应算法研究

为了缩短捷联惯导系统的初始对准时间并提高对准精度,分别设计了常规卡尔曼滤波器和自适应卡尔曼滤波器用于精对准。在系统噪声统计特性未知时,自适应卡尔曼滤波算法利用滤波残差的均值和方差,不断对卡尔曼滤波的状态噪声方差阵和测量噪声方差阵进行实时修正,从而提高滤波器对模型不确定性和噪声变化的适应能力和鲁棒性。仿真结果表明,使用自适应UKF算法与常规的UKF算法相比,可以获得更优的对准精度和快速性。     

基于改进自适应无迹卡尔曼滤波的国产民机导航数据滤波算法

针对国产民用飞机导航数据存在杂波不能准确测量的问题,提出一种基于改进自适应无迹卡尔曼滤波(adaptive unscented Kalman filter,AUKF)算法的导航数据滤波方法。将无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)与改进Sage-Husa次优无偏极大后验噪声估计器结合构造出改进AUKF,有效解决了在模型不确定或干扰信号统计特性不完全得知的情况下,滤波精度低甚至发散的问题,同时与维纳滤波器和小波阈值法滤波效果进行对比。选择ARJ21飞机实际运行的高度、经度及纬度数据进行仿真,结果表明：改进后的AUKF算法较其他滤波算法精度更高,有效提高了导航数据的可靠性。研究对提高国产民机导航定位精度具有重要意义。     

EM-CDKF算法及其SINS初始对准应用

针对非线性捷联惯导系统噪声先验统计信息未知问题,基于中心差分卡尔曼滤波基本算法,采用极大似然准则构造极大期望最速下降梯度算法展开系统未知噪声统计特性在线估计计算研究,构建一类捷联惯导系统初始对准极大期望自适应中心差分最优滤波算法.该算法利用极大似然准则构造系统噪声统计特性对数似然函数,采用极大期望最速下降梯度法把系统噪声统计特性估计转化为对数似然函数期望最大值计算,获得系统过程噪声和观测噪声在线递推估计的自适应极大期望中心差分卡尔曼算法.经过大方位失准角捷联惯导系统初始对准仿真实验,与中心差分卡尔曼滤波基本算法相比,自适应极大期望中心差分卡尔曼算法能够有效解决基本算法在系统噪声先验知识未知情形下的滤波精度下降甚至发散问题,并且能够实现系统噪声统计特性的在线递推估计.     

基于Cauchy鲁棒函数的UKF改进算法

对于大多数实际系统,其噪声统计特性未知,不敏卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)算法对噪声信息不准的鲁棒性较差,导致滤波精度急剧下降,甚至滤波发散。借助鲁棒数据校正的思想,提出了一种基于Cauchy鲁棒函数的UKF改进算法。以UKF的测量先验值与其实际值的残差作为基准,采用联合权函数对噪声估计值进行实时修正,从而提高了UKF算法的精度。通过两个实例的仿真,验证该算法的有效性。     

改进新息自适应交互多模的GPS/SINS组合导航滤波算法

针对量测噪声统计特性未知会影响GPS/SINS组合导航滤波精度的问题,提出了一种改进新息自适应的交互多模滤波算法:在估计新息协方差矩阵时,将在不同长度估计窗下得到的估计值进行加权组合,优化了估计窗口的选取;然后估计系统的量测噪声阵,并以该估计值为中心对称地构建交互多模模型集,再进行交互多模滤波,该方法解决了传统交互多模算法在噪声统计特性未知情况下模型数量与计算速度之间的矛盾。仿真结果表明:相比于标准卡尔曼滤波和单一估计窗口新息自适应交互多模滤波,该方法具有更高的滤波精度和抗干扰性。     

基于自适应UKF的锂离子动力电池状态联合估计

针对由静态的电池模型参数而造成的状态估计累计误差、噪声统计特性的时变不确定性等实用化的问题,基于无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)框架设计了一种自适应UKF的电池状态联合估计算法.在无迹变换(unscented transform,UT)时,对量测方程进行准线性化处理,降低了循环迭代过程中的计算开销;利用带遗忘因子的Sage-Husa自适应估计方法对过程噪声的统计特性参数进行递推估计与修正,提高了UKF估计算法的自适应容错能力;实时跟踪滤波的收敛性,若呈发散趋势时,通过自适应衰减因子对误差协方差进行调整以抑制滤波发散,保证了滤波过程的数值稳定性;采用联合估计策略对一阶Thevenim电池欧姆内阻模型参数进行在线更新,以确保动态测试工况下电池模型的准确性,从而提高了电池荷电状态(state of charge,SOC)以及电池健康状态(state of health,SOH)的估计精度.实验与仿真结果验证了该电池状态联合估计算法的可行性与有效性.     

改进的Sage-Husa滤波在精确空投组合导航系统中的应用

精确空投导航系统要求在满足导航精度的前提条件下,尽可能的降低成本。而低成本的组合导航系统在空投过程中受外部空投环境的影响较大,给噪声统计特性的准确描述带来困难。这将导致常规卡尔曼滤波器滤波不稳定甚至发散。为了解决此问题,在对常用的Sage-Husa滤波算法进行了总结和分析的基础上,研究了一种将协方差匹配技术和简化的Sage-Husa滤波技术相结合的自适应滤波算法。最后将该滤波方法应用到精确空投组合导航系统中进行了仿真分析。仿真结果表明此算法能够满足精确空投导航任务的要求,并且具有很好的导航精度和可靠性。     

一种组合导航的自适应信息融合算法

以GPS/INS组合导航系统为应用背景,针对组合导航系统信息融合的精度与稳定性要求,将简化的Sage-Husa自适应滤波算法与指数加权衰减记忆滤波算法相结合,提出了一种改进的自适应信息融合算法.仿真表明,改进的自适应算法解决了噪声统计特性和模型参数不易确定的问题,能够有效的保证信息融合的精度和稳定性.在算法仿真的基础上,对在VC 6.0环境下算法进行了改进,给出了GPS/INS组合导航系统的结构及软件框架,通过实验验证了改进的自适应算法的实际应用价值.     

UKF和UPF在惯导初始对准中的应用研究对比

捷联惯性导航系统是新型航位推算系统,在惯导系统执行工作任务之前需要进行初始对准,以保证系统的正常运行。对捷联式惯导系统,初始对准就是确定初始时刻的姿态阵,利用惯性元件的输出信息,选用合适的滤波方法,将计算的导航坐标系与真实导航坐标系的失准角估计出来,来修正姿态矩阵,使计算坐标系与真实坐标系尽可能重合。在实际的导航系统中,状态方程和量测方程通常都是非线性的,对于非线性特性,传统的解决方法是利用EKF滤波算法,但它只适用于弱非线性模型的估计,系统的非线性越强,引起的估计误差就越大,甚至会引起滤波发散。为此提出两种滤波算法UKF与UPF,并将两者进行了仿真对比,结果表明UPF算法比UKF算法收敛速度更快,估计精度更高。     

仅测距信息可用的编队卫星自主相对导航简化UKF方法

针对仅测距信息可用条件下编队卫星自主相对导航问题,首先,使用解析方法对仅测距条件下系统可观性进行分析,给出满足系统可观的条件。然后,针对线性状态方程和非线性量测方程的特点设计了简化UKF( Simplified Unscented Kalman Filter,SUKF )滤波算法,使用标准卡尔曼滤波中的时间更新代替UKF中的无迹变换,无需对状态变量进行扩维,可以在保证滤波估计精度的前提下有效地减少运算量,便于实时应用。最后的仿真结果表明在仅测距信息可用时,SUKF的滤波估计精度高于传统的EKF算法,相对定轨精度在米级,对于相对导航精度要求不高的场合是适用的,同时也可以作为测角失效时的备份方案。     

基于自适应滤波辅助残差χ2法的导航系统故障诊断方法

针对残差χ2法对软故障检测不敏感,且当量测噪声阵不准确时,也不能很好地检测突变故障的问题,提出了一种限制自适应滤波辅助残差法的诊断方法。基于贝叶斯理论推导出一种限制自适应滤波,利用其自适应调节性在线估计量测噪声阵,抑制滤波预报值跟踪软故障,以辅助残差χ2法进行故障检测。为了克服直接隔离故障法导致滤波精度降低,误检率增加的问题,提出了基于一步预测的故障处理和重构方法,即用前一时刻解算的结果预测当前时刻的导航信息。仿真结果表明,所提出的方法能实时有效地诊断出突变和软故障,保证系统在故障阶段的精度,并使系统在故障消失后及时恢复正常,提高了系统的可靠性。     

旋转导向系统有色噪声的改进无迹卡尔曼滤波方法

在旋转导向钻井系统的姿态测量过程中,三轴加速度计测量数据中包含大量有色噪声,严重影响井底组合钻具姿态测量的精度。基于旋转坐标变换的四元数理论,结合所建立的三轴加速度噪声模型,提出一种改进无迹卡尔曼(UKF)迭代滤波算法。此方法利用陀螺测量原理构造观测方程和时变状态方程,将实时解算出的钻具姿态以四元数的形式更新时变状态方程中三轴角速度,通过更新观测方程加速度噪声模型实现加速度计传感器数据中有色噪声的UKF迭代滤波。实测数据滤波的结果表明,此方法可有效滤除加速度传感器数据中的有色噪声,保证旋转导向钻具姿态测量的精度。     

基于EPEA的SINS大失准角非线性初始对准方法

基于欧拉平台误差角(EPEA)的概念描述了理论导航坐标系到计算导航坐标系之间的失准角,推导了捷联惯导系统(SINS)在大失准角情况下进行初始对准的非线性误差模型.在系统噪声和量测噪声均为加性噪声且量测方程为线性方程时,给出了带阻尼解算的简化扩展卡尔曼滤波(EKF)算法和简化无迹卡尔曼滤波(UKF)算法,同时分析了不同失准角情况下初始对准过程的异同.静基座状态下的Monte Carlo仿真结果表明,大失准角和大方位失准角情况下,EKF和UKF算法都能满足对准要求,其中UKF算法较EKF算法具有对准时间更快、对准精度更高和适用范围更广的优点;小失准角情况下,由于捷联惯导系统的线性化误差变小,二者的对准时间和对准精度基本相同.