版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
1、<p> 華 中 科 技 大 學</p><p> 信 息 融 合 課 程 論 文 </p><p> 學 號 T201289923 </p><p> 姓 名 張 令 川 </p><p> 院 系 研究生院 </p><p>&
2、lt;b> 2013年7月3日</b></p><p> 信息融合技術在組合導航中的應用綜述</p><p> 摘要:隨著導航技術和控制理論的發(fā)展,組合導航系統(tǒng)擁有眾多的導航傳感器模塊,已經構成了一個多傳感器導航信息系統(tǒng)。信息融合方法是解決多傳感器信息融合綜合處理問題強有力的手段。通過多源信息的最優(yōu)融合,能夠有效地提高組合導航系統(tǒng)的精度和可靠性。本論文旨在研究信息融
3、合在組合導航系統(tǒng)中的應用,該文在闡述信息融合技術和組合導航原理之后,主要介紹了基于INS/GPS組合導航系統(tǒng)的信息融合技術,針對INS/GPS組合導航系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理時存在的計算量大和故障數(shù)據(jù)相互干擾的問題,提出了一種基于信息融合的導航參數(shù)最優(yōu)估計濾波方法,該方法可提高導航系統(tǒng)的計算精度和速度,有較好的容錯性和環(huán)境適應性,可有效地提高導航系統(tǒng)的精度和可靠性。本文使用Matlab軟件進行系統(tǒng)仿真,通過對實驗結果的對比得出結論:組合后系統(tǒng)定位
4、精度明顯高于單純的INS和GPS導航。</p><p> 關鍵詞:信息融合;組合導航;INS/GPS組合;卡爾曼濾波</p><p> Summary of Information Fusion Technology Application</p><p> in Intergrated Navigation</p><p> Abs
5、tract:With the development of navigation technology and control theory, integrated navigation system has numerous navigation sensor module, and has formed a multi-sensor navigation information system. Information fusion
6、method is a powerful tool to solve the multi-sensor information fusion integrated problems. Through optimal information fusion from multiple sources, we can effectively improve the navigation system accuracy and reliabil
7、ity. This paper aims to study Information Fusion applicat</p><p> Keywords:Information Fusion; Navigation; INS / GPS combination; Kalman Filter</p><p><b> 目錄</b></p><p&g
8、t; 1 信息融合技術5 </p><p> 2 組合導航原理6 </p><p> 3 基于INS/ GPS組合導航系統(tǒng)的信息融合7 </p><p> 3.1 組合的原因7 </p><p> 3.2 組合原理7 </p><p> 3.3 狀態(tài)方程與量測方程8 </p>&l
9、t;p> 3.4 算法描述8 </p><p> 3.5 系統(tǒng)仿真10</p><p><b> 4 結論11</b></p><p><b> 參考文獻13</b></p><p> 隨著現(xiàn)代數(shù)學、現(xiàn)代控制理論和計算機技術的不斷進步,組合導航技術也得到了迅速發(fā)展,取得了令人
10、矚目的成就。然而多傳感器組合導航系統(tǒng)在數(shù)據(jù)處理問題上卻存在較為嚴重的問題,例如:1)在導航信息大量冗余的情況下,計算量過大,實時性不能保證;2)導航子系統(tǒng)的增多使故障率也隨之增加,某一子系統(tǒng)出現(xiàn)故障而又沒有及時檢測出并隔離掉時,故障數(shù)據(jù)會污染整個系統(tǒng),使可靠性降低。</p><p> 針對組合導航系統(tǒng)信息量多,數(shù)據(jù)處理困難這一特定問題,人們結合多傳感器信息融合的原理和方法,將信息融合這一理論性概念,與組合導航系
11、統(tǒng)的結構設計綁定起來,建立基于信息融合的組合導航系統(tǒng)。它充分利用多個傳感器的資源,通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用,把多個傳感器在空間和時間上的冗余或互補信息,依據(jù)某種準則進行組合,以獲得被測對象的一致性解釋或描述,使該系統(tǒng)由此獲得比它的各組成部分更優(yōu)異的性能和更可靠的決策。</p><p><b> 1 信息融合技術</b></p><p> 自上世
12、紀80年代以來,傳感器技術獲得了迅猛發(fā)展,各種面向復雜應用背景的多傳感器信息系統(tǒng)也隨之大量涌現(xiàn)。在這些系統(tǒng)中,信息的表現(xiàn)形式是多種多樣的,信息容量以及對處理速度的要求已大大超出人腦的信息綜合處理能力,信息融合這一嶄新的數(shù)據(jù)處理技術便應運而生。迄今為止,信息融合技術的研究已涉及到很多領域,理論上已形成了一個全新的研究方向。</p><p> 信息融合的基本原理和出發(fā)點就是充分利用多個傳感器的資源,通過對這些傳感器
13、及其觀測信息的合理支配和使用,把多個傳感器在空間和時間上的冗余或互補信息,依據(jù)某種準則進行組合,以獲得被測對象的一致性解釋或描述,使該系統(tǒng)由此獲得比它的各組成部分更優(yōu)異的性能和更可靠的決策??梢宰C明:應用最優(yōu)理論融合來自多個傳感器的信息總能得到比單個傳感器信息更好的對象狀態(tài)估計。但并不是說所有的有多個信息源或者多個傳感器的系統(tǒng)都可以稱得上是信息融合系統(tǒng),關鍵是看系統(tǒng)如何處理這些信息。信息之間可能是相互補充、相互確認、也可能是相互矛盾或競
14、爭的,也就是說,信息對象之間有一種關系。基于這種想法,可以將信息融合技術與某一種系統(tǒng)結構的設計綁定起來,從而建立一種系統(tǒng)化的概念。</p><p> 信息融合系統(tǒng)的關鍵技術有兩部分:1)信息的轉換;2)信息的融合。就組合導航系統(tǒng)而言,各子系統(tǒng)所量測的信息在種類和形式上都有所不同,可能有距離、速度,也可能有角度、加速度等。融合系統(tǒng)首先對這些數(shù)據(jù)進行預處理以完成數(shù)據(jù)配準,即通過坐標變換和單位換算,把各傳感器輸入的數(shù)
15、據(jù)變換成統(tǒng)一的表達形式,然后將各量測系統(tǒng)所獲得信息的分析結果按一定的算法進行融合,得到最終的目標狀態(tài)估計。信息融合系統(tǒng)的一般結構如圖1所示:</p><p> 圖1 信息融合系統(tǒng)結構示意圖</p><p><b> 2 組合導航原理</b></p><p> 組合導航是指用GPS、無線電導航、天文導航、衛(wèi)星導航等系統(tǒng)中的一個或幾個與慣導(
16、INS)組合在一起,形成的綜合導航系統(tǒng)。組合導航是近代導航理論和技術發(fā)展的結果。每種單一導航系統(tǒng)都有各自的獨特性能和局限性。把幾種不同的單一系統(tǒng)組合在一起,就能利用多種信息源,互相補充,構成一種有多余度和導航準確度更高的多功能系統(tǒng)。</p><p> 對于組合導航系統(tǒng)而言,多源傳感器如慣性導航系統(tǒng)的陀螺儀和加速度計、GPS接收機等是信息融合導航系統(tǒng)的硬件基礎,它們獲得的原始量測數(shù)據(jù)是融合的對象,將其按照一定的結
17、構方式進行融合處理,則具有最優(yōu)估計的融合算法就是整個系統(tǒng)的核心。這樣就形成了基于信息融合的組合導航系統(tǒng)。信息融合技術的采用能夠擴展系統(tǒng)在時間、空間上的覆蓋率,增加系統(tǒng)的信息利用率并提高整個系統(tǒng)的精度和可靠性。</p><p> 在眾多的組合導航方式中,INS/GPS組合導航最為經典,也是目前使用最廣泛的組合導航方式,無論在軍事領域(如巡航導彈的導航系統(tǒng)),還是在民用領域(如客機的自動飛行系統(tǒng)),INS/GPS組
18、合導航都是常被使用的導航方式。對于信息融合在每種組合導航系統(tǒng)中的應用這里不再一一詳細介紹,下面主要介紹基于INS/GPS組合導航系統(tǒng)的信息融合。</p><p> 3 基于INS/ GPS組合導航系統(tǒng)的信息融合</p><p><b> 3.1 組合的原因</b></p><p> 具有高精度、實時、連續(xù)導航的全球定位系統(tǒng)GPS自誕生之日
19、起就備受人們關注。然而它是非自主式導航系統(tǒng),在動態(tài)環(huán)境或受遮擋時易出現(xiàn)“丟星”現(xiàn)象而導致定位中斷。而慣性導航系統(tǒng)的最大優(yōu)點是在不依賴任何外界信息的情況下,可完全自主的導航,但其定位誤差隨時間不斷積累??梢钥?到,二者具有極強的互補性和非相似性,將他們組合起來,相互取長補短,就能充分利用各子系統(tǒng)的信息,提高導航精度和可靠性,擴大使用范圍。</p><p><b> 3.2 組合原理</b>&
20、lt;/p><p> INS/GPS組合導航系統(tǒng)信息融合的本質,實際上就是將INS和GPS兩個導航子系統(tǒng)所測量的信息進行互聯(lián)與狀態(tài)矢量估計。即利用GPS接收機、 慣性陀螺和加速度計的量測作為多源信息,組合導航系統(tǒng)根據(jù)這些信息給出關于導航參數(shù)誤差的最優(yōu)估計量。圖2是INS/ GPS組合導航系統(tǒng)的工作原理圖。</p><p> 圖2 INS/GPS組合導航系統(tǒng)原理圖</p>&
21、lt;p> 從圖2中可以看到,基于聯(lián)合卡爾曼濾波器的信息融合算法的設計,是整個組合系統(tǒng)的核心部分,卡爾曼濾波方法的應用是產生組合導航的關鍵。本文采用Carlson提出的聯(lián)合卡爾曼濾波方法對組合導航系統(tǒng)進行信息融合,它用于實時地估計系統(tǒng)的誤差狀態(tài),然后依據(jù)最小均方誤差估計的控制規(guī)律,對慣性導航系統(tǒng)進行反饋修正,從而提高整個系統(tǒng)的導航精度。</p><p> 3.3 狀態(tài)方程與量測方程</p>
22、<p> 在東北天導航坐標系中,取導航參數(shù)的誤差量作為狀態(tài)變量。對于慣導系統(tǒng)取三維位置誤差,三維速度誤差和三維平臺姿態(tài)角誤差。同時,將GPS接收機的鐘差和鐘漂也作為狀態(tài)變量。則組合導航系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 觀測向量取為GPS所測量的偽距和偽距變化率與INS提供的導航信息所對應的距離和速度之差
23、,觀測方程為:</p><p> Z( t) = H( t)X(t) + v (t) (2)</p><p> 式(1)(2)中,F(xiàn)(t)為11維動態(tài)矩陣:</p><p><b> ??;</b></p><p><b> 為觀測矩陣;</b></p><
24、p> , 分別為系統(tǒng)噪聲和觀測噪聲,是離散的高斯白噪聲序列。</p><p><b> 3.4 算法描述</b></p><p> 將式(1)和式(2)離散化:</p><p> X(k +1) = ( k + 1,k)X(k) + G(k) W(k) (3)</p><p> Z(k) = H (
25、k)X (k) + V(k) (4)</p><p> 其中( k + 1,k)為t(k)時刻至t(k + 1)時刻的一步狀態(tài)轉移陣:</p><p><b> ?。?)</b></p><p> 對于式(3)(4)所描述的狀態(tài)空間,可根據(jù)觀測量,應用圖3所示的基于聯(lián)合卡爾曼濾波的信息融合技術得出全局估計:。</
26、p><p> GPS和INS兩個子系統(tǒng)所對應的局部濾波器獨立地進行時間更新和量測更新,它們采用的是常規(guī)集中式卡爾曼濾波方法,得到局部最優(yōu)估計 (i= 1,2,….):</p><p><b> ?。?)</b></p><p><b> i=1,2,...</b></p><p> 圖3 INS
27、/GPS組合導航系統(tǒng)信息融合結構圖</p><p> 作為信息融合中心的全局濾波器在完成時間更新的同時,將各個局部濾波器的結果進行融合,并將融合后的結果按信息守恒原則反饋到各局部濾波器,作為下一個濾波周期的初始值。</p><p> 反饋是按式(6)~(10)進行的:</p><p><b> ?。?)</b></p><
28、;p><b> ?。?)</b></p><p> i=1,2,…. (9)</p><p> i=1,2,….. (10)</p><p><b> 3.5 系統(tǒng)仿真</b></p><p> 對于上面描述的系統(tǒng),應用Matlab軟件進行INS/GPS組
29、合導航系統(tǒng)靜止情況下的數(shù)學仿真。圖4~圖6分別給出GPS單獨導航、INS單獨導航和INS/ GPS組合導航三種工作狀態(tài)下的x軸的位置誤差(時間間隔為1秒,B1= B2= 0.5)。</p><p> 圖4 GPS單獨導航時定位誤差</p><p> 圖5 INS單獨導航時定位誤差</p><p> 圖6 INS/GPS組合導航時的定位誤差</p&g
30、t;<p> 從上面三個圖的對比中可以看出,組合系統(tǒng)可以減小甚至消除慣導系統(tǒng)誤差隨時間積累的性質,導航精度主要取決于GPS的定位精度,組合后精度和可靠性提高。</p><p><b> 4 結論</b></p><p> 信息融合技術對組合導航系統(tǒng)的性能有很大的提高,檢驗導航系統(tǒng)性能的重要指標是可靠性、高精度、連續(xù)性以及實時性,在一些特殊戰(zhàn)場環(huán)境下
31、,高精度和可靠性尤其重要。本文對INS/GPS組合的導航系統(tǒng)進行了論述和分析,實驗結果表明:(1)定位誤差較各子系統(tǒng)都小,導航精度提高;(2)采用信息融合算法,可減少計算量,效率提高;(3)組合系統(tǒng)降低了對慣性元件的要求,使成本下降,性能/價格比提高。綜上所述,利用聯(lián)合卡爾曼濾波器對多傳感器組合系統(tǒng)進行信息融合處理,是求解導航參數(shù)最佳估計的有效途徑。</p><p> 信息融合是一門新興的數(shù)據(jù)處理技術,近幾年來
32、取得了令人矚目的成果。該技術在INS/GPS組合導航系統(tǒng)中的應用,使整個系統(tǒng)的導航精度、效率和可靠性都比單純的INS或GPS系統(tǒng)有所提高。另外,信息融合在其它組合導航方式中的應用也收到較好的效果,例如在無人機(UAV)的組合導航系統(tǒng)(無線電導航、多普勒導航、地形輔助導航,景象匹配導航)中,通過使用聯(lián)邦卡爾曼濾波的信息融合方法對組合系統(tǒng)進行優(yōu)化組合,提高了定位精度,滿足技戰(zhàn)術指標要求。</p><p> 隨著傳感
33、器技術的不斷發(fā)展,人們對各個傳感器獲取的數(shù)據(jù)組合起來使用是必然趨勢,這就必然要用到與信息融合技術相關的方法來解決數(shù)據(jù)冗余去除和縮減計算量等問題,從而提高系統(tǒng)的精度和可靠性。因此,信息融合在組合導航系統(tǒng)中應用前景會越來越好! </p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1] 楊曉亞.GPS/1NS/TAN組合導航系統(tǒng)應用研究.西安:西北工業(yè)大學
34、,2009</p><p> [2] 游文虎,姜復.INS/GPS組合導航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步技術研究.中國慣性技術學報.2008,(4)</p><p> [3] 張銳,張長虹.聯(lián)邦卡爾曼濾波在1NS\GPS組合導航中的應用.彈箭與制導學報.2009,(4)</p><p> [4] 秦永元,汪叔華,汪叔華.卡爾曼濾波與組合導航原理.西安:西北工業(yè)大學出版社,20
35、08</p><p> [5] E.L.Ruach.Probability Concepts for an Expert System Used for Data Fusion.AI Magazine,fall 2009:55~60P</p><p> [6] V.Adm Gravely, L.Samuel. The Ocean Surveillance Information Sys
36、tem(OSIS).</p><p> (OSIS).Signal,Otc.2002:30~36P</p><p> [7] P.J.Nahin,J.L.Pokoski.NCTR Plus Sensor Fusion Equals IFNN.IEEE Trans.On AES,Vol.AES-16,No.3,1998:320~337P</p><p> [8]
37、 K.Fukanage.Introduction to Statistical Pattern Recognition. Academic Press,New</p><p><b> York,2008</b></p><p> [9] N.A.Carlson,and M.P.Berarducei.Federated Kalmman Fliter Simulat
38、ion Results.</p><p> Navigation.Fall 1994.2004,41(3):297~321P</p><p> [10] D.C.Washington.Tracking Filters for Multiple~Platform Radar Intergration.AD-</p><p> A034608 December 2
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 眾賞文庫僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 信息融合技術在組合導航中的應用研究.pdf
- 信息融合技術在艦船組合導航系統(tǒng)中的應用研究.pdf
- 信息融合在GPS-INS組合導航中的應用.pdf
- 組合導航系統(tǒng)中的信息融合研究.pdf
- 多傳感器信息融合技術及其在組合導航系統(tǒng)中的應用.pdf
- 模糊自適應信息融合在組合車輛導航中的應用.pdf
- 車輛組合導航系統(tǒng)中的信息融合技術研究.pdf
- 微型平臺組合導航信息融合技術研究.pdf
- 信息融合技術在INS-GPS-DVL組合導航系統(tǒng)中應用研究.pdf
- 信息融合在車輛組合導航中的應用研究.pdf
- 信息融合技術在慣導-GPS-多普勒組合導航中的應用研究與設計.pdf
- GNSS組合導航自適應信息融合技術研究.pdf
- 信息融合在SINS-GPS-TACAN組合導航系統(tǒng)中應用.pdf
- 信息融合技術在智能移動機器人導航中的應用.pdf
- 數(shù)據(jù)融合技術在多傳感器組合導航中的應用.pdf
- 信息融合技術在圖像濾波中的應用.pdf
- 信息融合技術在火焰檢測中的應用.pdf
- 組合導航中信息融合和故障檢測技術研究.pdf
- 北斗-INS組合導航信息融合濾波算法研究.pdf
- 數(shù)據(jù)融合及在組合導航系統(tǒng)中的應用.pdf
評論
0/150
提交評論