非線性濾波理論及其在GPS-INS組合定位定姿中的應(yīng)用研究.pdf

1、隨著測(cè)繪科學(xué)的發(fā)展，移動(dòng)測(cè)圖系統(tǒng)（MMS）逐步發(fā)展成為制圖新技術(shù)的典型代表。在MMS中，載體平臺(tái)的定位定姿是其實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)、高精度獲取空間信息的關(guān)鍵組成部分。而GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以使GPS和INS優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)載體平臺(tái)定位定姿的最佳方案之一，成為當(dāng)前MMS中的研究熱點(diǎn)。GPS/INS組合定位定姿問(wèn)題本質(zhì)上是非線性的，應(yīng)用非線性濾波理論可以對(duì)GPS和INS多傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行有效融合估計(jì)，因此論文對(duì)非線性濾波理論及其在GPS

2、/INS組合定位定姿中的應(yīng)用進(jìn)行了較為深入的研究。
　　在非線性濾波理論方面，論文主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了深入研究：
　　1)研究和仿真分析了調(diào)節(jié)過(guò)程噪聲方差陣Q和量測(cè)噪聲方差陣R對(duì)離散卡爾曼濾波估計(jì)的影響，在此基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)模型不準(zhǔn)確時(shí)的卡爾曼濾波估計(jì)進(jìn)行了仿真分析，指出可以通過(guò)增大過(guò)程噪聲方差陣Q抑制系統(tǒng)模型不準(zhǔn)確時(shí)的濾波發(fā)散；
　　2)提出了動(dòng)態(tài)變結(jié)構(gòu)濾波算法，以解決實(shí)際濾波過(guò)程中濾波模型經(jīng)常改變（變結(jié)構(gòu)）的濾波

3、問(wèn)題，并成功應(yīng)用于GPS/INS組合定位定姿中；
　　3)研究了 EKF和UKF兩種非線性濾波方法，并采用這兩種方法對(duì)強(qiáng)非線性模型和弱非線性進(jìn)行了仿真分析。在對(duì)強(qiáng)非線性模型進(jìn)行濾波時(shí) UKF相比EKF具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，而對(duì)弱非線性模型，UKF和EKF具有類(lèi)似的估計(jì)精度。因此，得出如下結(jié)論：即對(duì)弱非線性模型在不影響精度情況下，由于EKF在計(jì)算效率上的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)優(yōu)先選擇EKF；
　　4)推導(dǎo)了提高數(shù)據(jù)后處理精度的固定區(qū)間最優(yōu)平滑算

4、法，包括雙向?yàn)V波再平滑和RTS平滑兩種形式，特別給出了EKF和UKF的RTS平滑方程。通過(guò)仿真分析，論證了RTS平滑在數(shù)據(jù)后處理中的優(yōu)勢(shì)；
　　5)為了提高濾波的計(jì)算效率和數(shù)值穩(wěn)定性，對(duì)非線性濾波中涉及到的數(shù)值算法進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述，包括UD分解濾波和平方根分解的UKF濾波；基于開(kāi)-閉原則,創(chuàng)造性地對(duì)非線性濾波算法進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，使之具有良好的可擴(kuò)展性、可復(fù)用性和靈活性，并詳細(xì)地給出了反映其設(shè)計(jì)思想的程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
　　根據(jù)上面研

5、究得到的結(jié)論，利用開(kāi)發(fā)的非線性濾波算法程序庫(kù)，論文將非線性濾波理論應(yīng)用于GPS/INS組合導(dǎo)航定位定姿問(wèn)題，并主要做了以下幾個(gè)方面工作：
　　1)推導(dǎo)了INS的φ角誤差模型和ψ角誤差模型，說(shuō)明了兩者的區(qū)別和聯(lián)系，并明確給出了考慮桿臂效應(yīng)的GPS/INS松組合量測(cè)模型；
　　2)針對(duì)GPS失鎖造成GPS/INS組合濾波量測(cè)信息缺失從而導(dǎo)致組合導(dǎo)航性能下降的問(wèn)題，基于載體的先驗(yàn)約束信息，提出了虛擬量測(cè)更新算法，并進(jìn)行了試驗(yàn)分析，