基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法
2023-07-05 03:05:51
專利名稱：基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法
技術領域：
本發明涉及的是一種捷聯慣導系統的對準方法。
背景技術：
捷聯慣導系統是將慣性器件(陀螺儀及加速度計)直接固聯在載體上的系統。利用陀螺儀、加速度計測量運載體的角運動和線運動的信息。通過計算機進行積分運算得載體的姿態、速度及位置等導航參數。它與平臺式慣導系統相比具有體積小，重量輕，成本低，可靠性高，便於維護等優點，因此得到越來越廣泛的應用。初始對準的精度之間關係到慣導系統的工作精度，初始對準的時間是慣導系統的重要戰術技術指標。因此，初始對準是慣導系統最重要的關鍵技術之一。當海況不佳時，船舶即使處於系泊靜止狀態下也會產生大幅晃動。從而使得捷聯慣導系統無法快速完成自主初始對準。因此在這種情況下需要在運動中藉助其他輔助導航設備(如都卜勒計程儀)，進行運動中對準。當艦船處於系泊靜止狀態若載體晃動十分嚴重時，粗略的獲得方位信息都很困難。故此時需要採用非線性濾波方法來實現都卜勒計程儀輔助捷聯慣導系統的運動中對準。長期以來，擴展卡爾曼濾波器(EKF)因結構簡單、易於實現、快速收斂等優點得到廣泛的應用。然而EKF存在理論上的局限性如當系統模型為強非線性時，EKF會導致很大的線性化誤差，造成濾波器精度降低，甚至發散；而且需要計算繁瑣的雅克比矩陣。針對EKF的不足，近年來人們基於近似一個高斯分布比近似一個非線性函數更加容易的觀點，提出了一套全新的非線性濾波方法，即Sigma-Point卡爾曼濾波器(SPKF)，其利用加權統計線性回歸技術，通過一組確定性採樣點來捕獲系統的相關統計參量。隨著研究的不斷深入，2009年Simon Haykin等提出了一種新的非線性濾波器，即求容積卡爾曼濾波器。它是一種獨立於EKF、SPKF算法體系的新的濾波策略，相比與EKF、SPKF等傳統高斯域非線性濾波器具有更優的非線性逼近性能、數值精度以及濾波穩定性。然而，與EKF及SPKF類似，CKF的不足之處在於它對模型誤差比較敏感，並將其作為高斯白噪聲來處理。而非線性預測濾波器能夠實時的估計系統的模型誤差，可用於模型誤差較大的非線性系統的濾波，且不受系統噪聲高斯分布條件的限制。缺點是收斂速度慢，因此通過非線性預測濾波器與求容積卡爾曼濾波器相結合來提高大方位失準角條件下動基座初始對準的精度具有重要的意義。
發明內容
本發明的目的在於提供能夠有效提高大方位失準角下捷聯慣導系統動基座對準精度的基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法。本發明的目的是這樣實現的本發明基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，其特徵是
(I)在系泊狀態下，採集陀螺儀及加速度的輸出數據；(2)採用解析法完成捷聯慣導系統的粗對準，初步確定載體的姿態矩陣；(3)建立大方位失準角條件下捷聯慣導系統初始對準的非線性誤差模型；(4)建立非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的非線性濾波器；(5)載體先做勻加速直線運動，然後做勻速直線運動；(6)進行捷聯解算，同時測量載體的運動速度；(7)取捷聯解算的速度與測量的載體的運動速度作為量測量，利用步驟(4)建立的非線性濾波器對三個平臺誤差角進行估計；
(8)利用估計出的平臺誤差角對此時的姿態矩陣進行修正，從而完成初始對準。本發明還可以包括I、所述的建立大方位失準角條件下捷聯慣導系統初始對準的非線性誤差模型的步驟為(I)建立捷聯慣導系統初始對準非線性誤差方程使用一階非線性隨機微分方程來描述捷聯慣導系統非線性誤差方程如下x(i) = f t) + Gd (x(t\ t)d(t) + w(t)式中，x(t)為t時刻系統的狀態變量，f(x(t)，t)為模型向量，Gd(x(t)，t)為模型誤差擾動矩陣，d(t)為系統模型誤差向量，w(t)為系統的噪聲向量；系統的狀態向量為X= [ 8 vx 8 vy 4)x 4)y 4)Jt系統模型誤差向量為d(t) = [vx Vy Ex Ey ez]T系統的白噪聲向量為
「~|Tw{t) =We^ We^ w￡z其中，Svx S Vy分別為系統東向和北向的速度誤差，(t>x分別為系統東向、北向、天向的姿態誤差，V Vy分別為x、y軸加速度計的零偏，ex %。分別為1、7、2軸陀螺儀的常值漂移，分別為x、y軸加速度計的白噪聲誤差，分別為x、y、z軸陀螺儀的白噪聲誤差；模型向量為f(x(t)，t) = A (t) x+p (x, t)式中A(t)5X5為系統線性部分的係數矩陣；p(x，t)為非線性部分，A(t)5X5中的非零項元素為
其中
權利要求
1.基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，其特徵是: (1)在系泊狀態下，採集陀螺儀及加速度的輸出數據； (2)採用解析法完成捷聯慣導系統的粗對準，初步確定載體的姿態矩陣； (3)建立大方位失準角條件 下捷聯慣導系統初始對準的非線性誤差模型； (4)建立非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的非線性濾波器； (5)載體先做勻加速直線運動,然後做勻速直線運動； (6)進行捷聯解算，同時測量載體的運動速度； (7)取捷聯解算的速度與測量的載體的運動速度作為量測量，利用步驟(4)建立的非線性濾波器對三個平臺誤差角進行估計； (8)利用估計出的平臺誤差角對此時的姿態矩陣進行修正，從而完成初始對準。
2.根據權利要求I所述的基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，其特徵是所述的建立大方位失準角條件下捷聯慣導系統初始對準的非線性誤差模型的步驟為 (I)建立捷聯慣導系統初始對準非線性誤差方程 使用一階非線性隨機微分方程來描述捷聯慣導系統非線性誤差方程如下 *(,) =t) + Gd t)d(t) + w(t) 式中，x(t)為t時刻系統的狀態變量，f(x(t)，t)為模型向量，Gd(x(t)，t)為模型誤差擾動矩陣，d(t)為系統模型誤差向量，w(t)為系統的噪聲向量； 系統的狀態向量為 X= [ 8 Vx 6 Vy (j5x (j5y 2分別為系統東向、北向、天向的姿態誤差，V1丨分別為x、y軸加速度計的零偏，ex %。分別為1、7、2軸陀螺儀的常值漂移，14^ 分別為x、y軸加速度計的白噪聲誤差，^ Kz分別為x、y、z軸陀螺儀的白噪聲誤差； 模型向量為f (X (t)，t) = A ⑴ x+p (X，t) 式中A(t)5X5為系統線性部分的係數矩陣；p(x，t)為非線性部分，A(t)5X5中的非零項元素為
3.根據權利要求I或2所述的基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，其特徵是所述的建立非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的非線性濾波器為設採樣時間為At，利用四階龍格庫塔法對所建立的非線性誤差模型和量測方程進行離散化處理，可得
4.根據權利要求I或2所述的基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，其特徵是所述的載體先做勻加速直線運動，然後做勻速直線運動為在完成粗對準以後，載體首先做50s勻加速直線運動，加速度為0. 5m/s2，然後再做250s勻速直線運動。
5.根據權利要求3所述的基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，其特徵是所述的載體先做勻加速直線運動，然後做勻速直線運動為在完成粗對準以後，載體首先做50s勻加速直線運動，加速度為0. 5m/s2，然後再做250s勻速直線運動。
全文摘要
本發明的目的在於提供基於非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的動基座初始對準方法，包括以下步驟採集陀螺儀及加速度的輸出數據；完成粗對準，初步確定載體的姿態矩陣；建立大方位失準角條件下捷聯慣導系統初始對準的非線性誤差模型、非線性預測濾波與求容積卡爾曼濾波相結合的非線性濾波器；載體先做勻加速直線運動，然後做勻速直線運動；進行捷聯解算，同時測量載體的運動速度；取捷聯解算的速度與測量的載體的運動速度作為量測量，利用、建立的非線性濾波器對三個平臺誤差角進行估計；利用估計出的平臺誤差角對此時的姿態矩陣進行修正，從而完成初始對準。本發明當海況不佳載體出現大幅晃動時，動基座初始對準對準精度高，收斂速度快。
文檔編號G01C21/20GK102654406SQ20121010432
公開日2012年9月5日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者劉亞龍, 劉彬, 奔粵陽, 徐博, 楊峻巍, 王根, 郝燕玲, 郝金會, 陳亮, 高偉 申請人:哈爾濱工程大學