H∞自适应滤波的理论分析及其在导航系统中的应用研究

由于双星系统的误差模型未知，且稳定性较差，采用Kalman滤波实现惯导／双星组合导航时，其滤波特性较差。而H^∞自适应估计对模型的不定性和干扰信号的统计信息不需做任何假设，而使它在工程实践中有广泛的应用。本文研究了H^∞自适应滤波，并将其应用到惯导／双星组合导航系统中。该方法是通过从输入干扰信号到估计误差间的最大能量增益的最小化找到一种H^∞最优估计策略来保证滤波器的鲁棒性。利用双星和惯导的实测数据进行仿真实验，并和递推最小二乘法、最小均方法进行比较。仿真结果表明，H^∞自适应滤波的鲁棒性优于其它两种算法。     

改进的Sage-Husa自适应滤波及其应用

为防止滤波发散和提高系统的实时性,提出了一种基于协方差匹配技术的自适应滤波方法。该方法将协方差匹配技术和一种简化的Sage-Husa自适应滤波算法相结合,通过滤波的状态确定量测噪声协方差阵的值,在线估计噪声的统计特性实现自适应滤波。将该算法应用到惯导/双星（INS/DS）组合导航系统中,并和简化的Sage-Husa自适应滤波算法进行仿真比较。仿真结果表明,在滤波精度相当的情况下,新算法简化了运算,提高了实时性。     

INS/双星组合导航半实物仿真研究

对INS/双星跑车试验数据进行了分析和处理,采用小波分解的方法去除了定点定位试验中的测量噪声,并对双星接收机的常值偏移进行了估计,仿真结果表明双星系统的定位精度在20米之内。在跑车试验中使用递推最小二乘法和Kalman滤波技术对INS/双星的位置组合方案进行了仿真。仿真结果表明,Kalman滤波技术比最小二乘算法具有更高的估计精度,它能有效地降低INS的位置误差。     

MIMU/GPS组合导航技术研究

介绍了MIMU/GPS组合导航系统的基本工作原理,推导了以惯导误差系数为状态参数的组合导航系统误差状态方程,应用卡尔曼滤波技术实现了MIMU/GPS组合导航计算.仿真试验表明:采用惯导误差系数代替惯导测量误差作为状态参数进行滤波计算的MIMU/GPS组合导航方法,在技术上是可行的.     

无源北斗/惯导组合导航算法研究

针对北斗卫导/惯导组合导航系统设计组合导航卡尔曼滤波定位算法,并对组合导航算法的可观性进行了分析,提出了引入伪距率和前后滤波伪距之差作为观测量改善组合导航系统的可观测性。基于高稳定度的用户时钟,通过仿真验证了伪距率和前后滤波伪距之差观测量都能提供伪距不能提供的额外观测信息,都可以将钟差由不可估计变为可估计,改善组合系统的稳定性,并且提高丢星时的滤波定位精度。因此,在北斗/惯导组合导航系统中引入伪距率或前后滤波伪距之差做观测量是必要而可行的。     

基于卡尔曼/粒子组合滤波器的组合导航方法研究

粒子滤波在组合导航系统非线性非高斯条件下的滤波估计中获得广泛关注,但捷联惯导误粒子组合滤波算法,采用卡尔曼滤波和粒子滤波分别对系统的线性和非线性状态进行估计,降低粒子滤波器状态维数,避免维数灾难.采用系统残差采样法的规则化粒子滤波器,有效缓解粒子贫化问题,并减少计算负担.仿真结果表明卡尔曼/粒子组合滤波方法的估计性能与粒子滤波相当,但计算复杂度前者要低得多.     

一种基于自适应粒子滤波的捷联初始对准方法研究

针对传统自适应粒子滤波算法的计算负荷太大问题,在Fox的K-L距离采样的基础上,给出一种新的求解七值的方法,将k值的计算从采样过程中分离出来,大大降低算法的复杂度,减少计算量,避免死循环发生.曩后,将该算法应用到大失准角情况下捷联惯导系统动基座初始对准中,并与扩展卡尔曼滤波算法,标准粒子滤波算法和传统自适应粒子滤波算法进行了比较,仿真结果表明简化的自适应粒子滤波算法在保持高精度的同时,有效地提高了算法的计算速度,因此更适合于捷联惯导系统动基座初始对准.     

捷联惯导系统初始对准的SVM自适应Kalman滤波算法

作为捷联惯导系统初始对准关键技术的Kalman滤波要求事先精确已知系统及量测噪声的统计特性,当在滤波过程中这些特性改变时,滤波器性能将会降低甚至发散,针对这一问题采用了一种支持向量机(SVM)自适应Kalman滤波(SVMAKF)算法,根据协方差匹配技术应用支持向量机来动态调谐量测噪声方差阵R,当量测噪声随时间改变时,SVMAKF可以实时的估计出准确的噪声方差阵,这就降低了系统对量测噪声先验统计特性的依赖性,能够改善kalman滤波器的状态估计效果.基于SVMAKF的捷联惯导系统初始对准计算机仿真结果表明在滤波精度和滤波器鲁棒性上,SVMAKF都有比传统Kalman滤波器好的表现.     

基于最大熵方法的鲁棒自适应滤波及其应用

针对过程噪声和量测噪声受到脉冲噪声影响而呈现非高斯分布,且噪声统计特性不精确从而导致估计精度下降的问题,提出一种基于最大熵方法的变分贝叶斯自适应卡尔曼滤波(maximum correntropy variational Bayes adaptive Kalman filter, MCVBAKF)算法,并将其应用于捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system, SINS)/全球卫星定位系统(global positioning system, GPS)组合导航系统。首先,使用最大熵鲁棒滤波方法对由脉冲噪声产生的野值问题进行处理;然后,通过改进的变分贝叶斯自适应方法进行后验更新,估计噪声,收敛所估参数的估计值;最后,进行了仿真对比。结果表明, MCVBAKF在复杂环境下可以有效提升滤波精度和稳定性。     

#br# 舰船捷联惯导传递对准的改进自适应滤波算法

针对舰船捷联惯导传递对准性能受系统动态模型和噪声统计特性影响的问题,提出了一种基于改进自适应滤波的“速度+姿态”传递对准算法。针对噪声矩阵半正定性问题而导致的滤波发散,对自适应滤波噪声矩阵的迭代算式进行了改进,并基于协方差匹配技术给出了滤波发散的抑制策略。考虑到舰船航行中的载体变形影响动态模型的问题,在状态量中加入了安装误差角和挠曲变形角,并在算法中进行了补偿。仿真结果表明,改进算法可以在100 s之内有效地估计出姿态失准角和安装误差角,完成舰船捷联惯导的快速传递对准。     

MIMU/GPS组合导航建模及GPS时间延迟补偿算法研究

针对MIMU/GPS组合导航误差状态方程建模问题,利用惯导误差系数替代惯导测量误差作为状态向量,推导了新的组合导航误差状态方程。然后针对MIMU/GPS组合导航的数据时间同步问题,提出了一种新的GPS时间延迟补偿算法。该算法将GPS信息真实时间点上的MIMU状态参数与GPS信息进行组合滤波,并结合卡尔曼滤波状态转移矩阵将组合滤波的结果递推到当前时刻,作为MIMU下一步计算的初值,解决了组合导航数据的时间同步问题。仿真计算表明:新的组合导航模型具有较高的计算精度,时间延迟补偿算法有效可行。     

改进粒子滤波在捷联惯导系统姿态确定中的应用

捷联惯导系统姿态确定问题本质上是一个非线生滤波估计问题.针对传统的扩展卡尔曼滤波不再适用于非线性和非高斯分布的系统,和一般粒子滤波存在粒子退化和粒子耗尽等问题,提出了将马尔可夫链蒙特卡罗(MCVC)正则粒子滤波算法应用于捷联惯导系统的姿态确定中.计算机仿真表明了该方法在加快收敛速度、提高姿态精度和自适应调整粒子个数方面的有效性和可行性.     

基于非线性映射的自适应混合Kalman/H∞滤波器

Kalman滤波器的精度高,但是鲁棒性差。H∞滤波器虽然鲁棒性好,但是精度不高,将两种滤波器进行混合获得新的滤波器可同时具备高精度和对干扰噪声的鲁棒性。通过对Kalman滤波器的实时性能评价,提出了一种基于非线性映射的自适应调节权值混合Kalman/H∞滤波器,并通过全球定位系统/推位组合导航模型对提出的方法进行了仿真验证。仿真结果表明,在干扰噪声统计特性变化和系统模型存在摄动条件下,与Kalman滤波和H∞滤波方法相比,所提出的混合Kalman/H∞滤波方法具有更高的滤波精度,更适用于实际应用。     

快速联合H∞滤波在SINS/GPS组合导航中的应用

针对捷联惯导/卫星定位(SINS/GPS)组合导航中联合卡尔曼滤波器对系统模型和噪声统计特性的依赖性和算法运算量大等缺点,提出了新的联合H_∞滤波方法.定义了新的联合H_∞滤波公式,提出了融合信息在子滤波器中自适应分配原则,简化了联合H_∞滤波算法.由于H_∞滤波不需要已知噪声的统计特性,因此新算法具有很强的鲁棒性,同时联合算法又可以有效地增加系统的客错能力.仿真实验证明新算法在稳定性和实时性上都有较大提高.     

KF/UPF在SINS大方位失准角初始对准中的应用

为解决捷联惯导系统大方位失准角初始对准中状态维数较高,直接应用无迹粒子滤波(unscented particle filter, UPF)会带来维数灾难的问题,提出了基于卡尔曼滤波(Kalman filter, KF) /UPF组合滤波的初始对准方法。将非线性初始对准模型分解为线性与非线性两部分,采用KF实现对线性部分的最优估计,采用UPF对系统的非线性部分进行状态估计。通过仿真比较不同粒子数下KF/UPF组合滤波算法和UPF算法,结果表明,KF/UPF组合滤波算法在保证初始对准精度和收敛速度的同时,将需要进行UPF滤波的状态维数由10 维降为3 维,减少了计算量,运算时间分别缩短至原来的52.69%和6.0%,提高了初始对准的实时性。     

惯导/双星组合系统仿真系统的开发

在分析惯导/双星多种不同组合模式及其数学模型的基础上,搭建仿真系统的框架结构整个仿真体系分类明确,结构合理,并根据数学模型编写了各子模块软件包,以巡航导弹的飞行实例,验证了模型的正确性和仿真软件系统具有较好的实用性。     

基于高速局域网的组合导航/制导仿真技术研究

提出了基于高速局域网的组合导航/制导仿真技术的原理和开展研究的四个环节,即理论研究、计算机仿真、半物理仿真和实物仿真。建立了基于高速局域网的组合导航/制导仿真平台框架,开发了计算机仿真平台、半物理离线仿真平台、半物理在线仿真平台和实物仿真平台,解决了客户机/服务器间的实时数据传输问题。以惯导/双星/GPS组合导航系统为例详细介绍了四种仿真平台的工作过程,并进行了半物理离线仿真试验,验证了仿真平台的实时性。     

大杆臂条件下传递对准算法的设计与仿真

以舰载主/子惯导传递对准为研究对象,分析了传递对准中大杆臂给杆臂长度与子惯导速度带来的影响。针对大杆臂条件下杆臂长度不确定性增加的问题,提出了将杆臂长度误差增列为系统状态向量进行精确估计,并设计了滤波器。针对大杆臂条件下,子惯导天向通道的精确计算需求,提出主惯导在子惯导安装位置处的伪观测量构造算法。仿真结果表明了该滤波算法可以精确的估计杆臂长度,保证子惯导天向通道的计算精度。     

惯导系统的零速校正技术研究

针对传统零速校正中存在的问题,提出了改进的曲线拟合法和滤波估计法.改进的曲线拟合法通过对惯导系统误差模型的分析,解耦出速度误差项的舒拉部分.从而更准确地拟合出速度误差曲线.改进的滤波估计法引入偏差去耦技术在零速校正期间估计出陀螺漂移,并利用速度信息快速估计出方位误差角.仿真分析表明,两种方法都可以有效提高惯导系统的性能.     

一种带加速度补偿的H∞次优滤波目标跟踪算法

提出一种带加速度补偿的H∞次优滤波跟踪算法。该跟踪算法通过不断调整H∞滤波器的参数γ来逼近H∞最优滤波器。同时,引入一个加速度估计器和一个机动检测器,加速度估计器通过目标最近三点的位置来估计目标当前加速度值,机动检测器用来检测目标是否机动,当检测到目标机动时,则启动加速度估计器计算加速度,并利用该值对目标状态估计值进行补偿。从而使得该跟踪算法不仅对目标机动具有鲁棒性,而且所得到得估计误差方法最小。仿真结果表明,所提出的目标跟踪算法对高机动目标有良好的跟踪效果。