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。     

无人机组合导航系统的自适应算法研究

无人机组合导航滤波器的设计需要考虑器件和外部环境不稳定带来的影响。同时在飞行过程中也面临着组合导航系统噪声和量测噪声统计特性不确定问题,从而导致滤波精度低、稳定性差,还有可能发散。采用常规卡尔曼滤波无法解决此问题。为此研究了一种基于UKF的自适应卡尔曼滤波算法。在系统噪声统计特性未知时,此算法能自动平衡状态信息与观测信息在滤波结果中的权比,实时调整状态向量和观测向量的协方差,从而提高系统的性能。仿真结果显示,使用自适应UKF算法与普通的UKF算法相比,可以获得更优的导航精度和稳定性。     

自适应UKF算法及其在GPS/INS组合导航中的应用

提出了一种自适应无迹Kalman滤波(UKF)算法.针对UKF受初始值误差和动力学模型异常扰动误差影响的问题,将自适应估计原理引入到UKF算法,将动力学模型信息对导航解的贡献进行合理调整.计算结果表明,在GPS/INS松组合导航系统数据处理时,UKF算法略优于扩展Kalman滤波(EKF),自适应UKF算法优于自适应EKF算法,自适应UKF算法能够很好地抑制动力学模型误差对导航解的影响,进一步提高导航解的精度和可靠性.     

深空天文测角测速组合导航滤波算法研究

针对天文光谱测速导航量测中存在的常值量测误差、慢时变量测误差、光谱畸变量测误差,提出了扩维自适应容积卡尔曼滤波算法.本文通过状态扩维将常值测速量测误差及慢时变测速量测误差作为状态量之一,在导航滤波中进行同步估计并在量测中进行补偿.针对天体表面活动导致的光谱畸变量测误差,通过Sage-Husa噪声估计器对滤波算法中的量测噪声协方差阵进行自适应估计以降低含该误差量测的影响.同时,为了进一步提高导航的精度,将天文光谱测速信息与天体方向矢量信息结合,并通过联邦滤波器进行信息融合.以火星接近段为背景的仿真结果表明,该算法能够有效抑制上述量测误差对导航精度的影响,实现高精度天文自主导航.     

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。     

基于无迹卡尔曼滤波的导航星座并行式自主定轨

针对卫星轨道动力学模型的高度非线性及星座自主定轨的高精度需求,基于星间双向测距观测信息,提出了采用无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）作为星载算法的导航星座并行式自主定轨方案,并且给出了UKF算法中可见星先验信息引入的额外方差矩阵,以保证滤波的稳定性.仿真结果表明,该方案可以实现星座的长期自主定轨并维持一定精度.
     

无迹卡尔曼滤波和无迹粒子滤波在惯导初始对准中的应用对比

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无迹卡尔曼滤波UKF与无迹粒子滤波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。     

基于部分扩维的无迹卡尔曼滤波算法研究

UKF扩维算法往往因为比较复杂而导致计算量较大,为此EW等学者提出了当过程噪声和量测噪声都是白噪声时UKF的简化算法。证明了这种简化算法在线性条件下不能达到最优估计;即线性条件下与Kalman滤波不等效;同时证明了UKF部分扩维的算法即只将过程噪声进行扩维后仍能达到最优估计;且又在一定程度上减少了计算量。最后在GPS/INS组合导航中进行了仿真验证,仿真结果进一步证明了理论分析的正确性。     

编队卫星自主相对导航简化强跟踪UKF滤波算法

针对编队卫星自主相对导航过程中存在模型不确定性及噪声统计特性时变导致EKF滤波算法估计精度降低、鲁棒性较差的问题,以STF为理论框架,设计了简化强跟踪UKF(SSTUKF,simplified strong tracking unscented kalman filter)滤波算法。该算法基于STF的等价表示来计算次优渐消因子,避免了计算Jacobi矩阵,通过在线实时调整滤波增益矩阵,确保系统理论模型偏离实际模型时输出残差序列相互正交,增强算法的鲁棒性,并且对时变的噪声统计特性不敏感。结合CW系统模型线性特点,用标准卡尔曼滤波中的时间更新代替相应的UT变换过程,在提高估计精度的同时有效地降低了运算量,增强算法的实时性。仿真结果验证了该算法的有效性。     

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．     

非线性滤波算法在水下导航定位技术中的应用分析

针对自主水下航行器(autonomous underwater vehicle, AUV)导航定位技术的发展需求,提出了水下目标的3种非线性滤波估计方法.首先,分别介绍了扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter, EKF)、无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter, UKF)和粒子滤波(particle filter, PF)的基本原理和实现步骤.其次,针对PF算法存在粒子退化现象,提出了重采样算法,并通过数值仿真验证该算法的有效性.然后,为了解决PF算法中粒子贫化现象,提出了一种基于萤火虫算法的粒子滤波算法(FA-PF).最后,在非线性环境下通过仿真实验对EKF、UKF、FA-PF算法的滤波性能进行对比分析,重点研究非线性强度及噪声特性对估计精度的影响.研究结果表明：重采样能够在一定程度上减轻粒子退化问题.在弱非线性高斯环境下,EKF、UKF、FA-PF算法的估计精度较为接近;在强非线性高斯环境下,UKF和FA-PF算法的跟踪性能明显优于EKF;在非线性非高斯环境下,FA-PF算法跟踪精度最高.     

天基无源方式空间目标定位跟踪算法的实现

针对空间目标定位跟踪会因受到天气、地域和时间等因素的影响而导致跟踪精度下降、滤波不稳定的问题,采用天基无源方式对空间目标进行观测、定位和跟踪;依靠光电传感器的被动测角和针对无线电信号的侦察截获;通过天基观测站获取角度量测信息,建立仅测角无源跟踪状态方程和量测方程,再分别通过EKF、UKF和SCKF三种卡尔曼滤波算法对角度量测信息进行滤波估计从而实现对空间目标的实时跟踪。仿真结果表明,天基无源方式空间目标定位跟踪算法具有精度高、滤波稳定的优点,EKF、UKF、SCKF三种滤波算法均能实现对空间目标的实时跟踪,其中以SCKF效果最佳,验证了天基无源方式空间目标定位跟踪算法的有效可行性,对军事应用具有极大意义。     

用于提高全球定位系统定位估计速度的滤波算法

为了提高全球定位系统（GPS）高精度定位的解算速度,从原理上比较了平淡卡尔曼滤波（UKF）及其改进算法和超球面平淡卡尔曼滤波（SUKF）及其改进型等非线性滤波估计算法,提出了将SUKF的改进型算法应用于单机GPS的定位估计.实验表明：该算法能够在保证高精度定位估计的前提下提高运算速度,有效解决GPS软件接收机中高精度定位输出的实时性问题.     

机动目标跟踪的S修正无迹卡尔曼滤波算法

针对非线性观测条件下的非线性机动目标跟踪问题,借鉴线性滤波中卡尔曼滤波器的S修正防发散思想,对基本无迹卡尔曼滤波算法进行改进,提出S修正无迹卡尔曼滤波(SUKF)方法.对二维机动目标跟踪的仿真结果表明,该算法与基本UKF算法相比,跟踪精度大幅提高,但计算时间略有增加;与SPPF算法相比,跟踪精度提高,且计算复杂度大幅降低,计算时间大幅缩减.     

基于自适应UKF的实时弹道测量数据处理算法

针对无迹卡尔曼滤波(UKF)算法用于实时弹道测量数据处理中存在的非线性估计精度不高、实时性不好和滤波不稳定等问题,提出了一种自适应UKF算法.该算法借鉴强跟踪滤波思想,通过渐消因子在线修正调整状态预测协方差矩阵,实时调整增益矩阵,补偿弹道模型偏差.算法采用无偏转换测量处理量测方程,在保证滤波精度的同时,简化了滤波算法.仿真结果表明:该算法的滤波精度、收敛速度、稳定性和实时性均优于标准UKF算法,能有效用于实时弹道测量数据处理.     

基于模糊逻辑四元数的平方根UKF算法

针对目标跟踪估计算法中,利用传感器离散观测建模并估计目标连续状态,进行导航解算时滤波精度低,及传统四元数扩展卡尔曼滤波算法无法满足目标姿态测量精度要求等问题,文中提出一种基于模糊逻辑四元数的平方根UKF姿态估计算法.该算法将四元数作为模糊逻辑UKF滤波器状态,应用测量的角速率完成滤波器的时间更新及量测更新,采用模糊逻辑的平方根协方差形式作为更新参数,既降低了算法的计算量和复杂度,又保证了数值的稳定性.文中还以近地卫星为例,在Matlab和C++软件上进行了仿真实验.实验结果表明:文中所提算法可保证对机器人和特征的姿态控制估计精度;可对目标实时跟踪定位并进行量测更新,抑制了姿态误差发散问题.     

一种基于IDDF的多AUV协同导航算法研究

为提高多自主水下航行器(AUV)协同导航效果,克服由于水声通信限制引起的协同更新频率低,进而导致的先验估计误差大、协同导航效果差,以及大初始化误差条件下协同收敛速度慢的问题,提出一种基于迭代插值滤波(IDDF)的多AUV协同导航算法.该算法将迭代滤波技术与插值滤波(DDF)算法相结合,不仅降低了传统EKF(扩展卡尔曼滤波)算法模型截断化误差对滤波精度的影响,而且通过量测信息的迭代更新,保证了系统在弱可观测条件下量测信息的充分融合.仿真结果表明该算法明显改善了系统的协同导航效果,证明了该算法对于多AUV协同导航系统的有效性.     

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。     

基于UPF算法的汽车多状态量估计

针对常用汽车状态估计算法计算复杂、精度低等问题,提出一种新的汽车多状态量估计方法。建立了包含定常统计特性噪声和Pacejka轮胎模型的七自由度非线性汽车动力学模型。针对一般粒子滤波(PF)算法存在的缺陷,使用非追踪卡尔曼滤波(UKF)算法产生粒子滤波的重要性概率密度。基于非追踪粒子滤波(UPF)算法实现对汽车多个关键状态量的最小均方误差估计。将基于UPF算法、UKF算法与PF算法的估计器进行了比较,揭示了粒子数对汽车状态估计效果的影响。基于ADAMS/Car的虚拟实验和实车实验表明基于UPF算法的估计器精度高于基于UKF算法的估计器,估计值相对于实际值的平均绝对误差均控制在状态幅值的10%以内,且实时性优于基于PF算法的估计器。     

基于平方根UKF的水下纯方位目标跟踪

为了避免被动跟踪中非线性性带来的计算复杂化及跟踪精度的下降,该文将平方根无迹卡尔曼滤波(SR-UKF)算法应用到水下仅测角目标跟踪.利用协方差平方根代替协方差参加递推运算,解决了标准无迹卡尔曼滤波(UKF)算法中由于计算误差和噪声等因素有可能引起误差协方差矩阵负定而导致滤波结果发散的问题,保证了滤波算法的数值稳定性,提高了跟踪的精度和可靠性.仿真结果表明,SR-UKF非线性滤波算法应用于水下仅测角目标跟踪系统是有效的,而且滤波精度、稳定性和收敛时间明显优于扩展卡尔曼滤波(EKF)和标准UKF算法.