非線性濾波及其在導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用.pdf

1、隨著控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，非線性濾波技術(shù)在信號(hào)處理、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、無(wú)線通信、航空航天、以及目標(biāo)跟蹤和識(shí)別等領(lǐng)域具有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在貝葉斯理論框架下，粒子濾波已經(jīng)成為研究非線性、非高斯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)最優(yōu)估計(jì)問(wèn)題的一個(gè)熱點(diǎn)和有效方法。本論文以實(shí)際科研項(xiàng)目為課題研究背景，主要圍繞粒子濾波方法及其在慣性導(dǎo)航初始對(duì)準(zhǔn)和INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的應(yīng)用開展相關(guān)研究工作。 首先，在貝葉斯估計(jì)框架下，對(duì)兩類典型的近似非線性濾波算法

2、-高斯濾波和粒子濾波作了數(shù)學(xué)上統(tǒng)一的描述，由此分析了各種非線性濾波方法的應(yīng)用前提和算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。在各種近似算法中，高斯濾波算法簡(jiǎn)單，但是它的使用范圍只限于隨機(jī)非線性系統(tǒng)為高斯系統(tǒng)模型的特殊情況，在非線性、非高斯條件下沒(méi)有可靠的收斂性保證。粒子濾波在處理非線性非高斯系統(tǒng)的參數(shù)估計(jì)和狀態(tài)濾波問(wèn)題有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，因此獲得了很大的發(fā)展。 其次，在粒子濾波算法基礎(chǔ)上，圍繞其粒子退化、樣本貧化、計(jì)算量大問(wèn)題展開研究工作，通過(guò)一系列措施對(duì)基本

3、粒子濾波算法進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)新方法的合理性和正確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。具體實(shí)現(xiàn)如下：1．將傳統(tǒng)的高斯近似非線性濾波方法EKF和UKF引入到粒子濾波算法中，在重要密度函數(shù)中考慮了最新的觀測(cè)值，降低了粒子退化的程度；2．分別將遺傳算法中的交叉和變異算子、模擬退火算法中的退火策略、粒子群優(yōu)化算法中的群智能思想引入到基本粒子濾波算法當(dāng)中，提出了遺傳粒子濾波算法、模擬退火粒子濾波算法和粒子群粒子濾波算法，有效減輕甚至消除了樣本貧化現(xiàn)象。3．提出了邊沿化粒

4、子濾波算法，引入Rao-Blackwellization技術(shù)，降低了狀態(tài)變量的維數(shù)，大大地減小了粒子濾波的計(jì)算量，同時(shí)取得了較高的估計(jì)精度。 再次，針對(duì)艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)海上大初始失準(zhǔn)角的情況，提出了基于旋轉(zhuǎn)矢量、四元數(shù)(乘性和加性)的速度加姿態(tài)匹配對(duì)準(zhǔn)算法。并在此基礎(chǔ)上，通過(guò)應(yīng)用UPF算法，統(tǒng)一了粗對(duì)準(zhǔn)和精對(duì)準(zhǔn)，改變了傳統(tǒng)了兩個(gè)階段對(duì)準(zhǔn)，為艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的常規(guī)快速初始對(duì)準(zhǔn)提供了新的解決方案。通過(guò)仿真對(duì)比了在不同濾波器下和不同的

5、對(duì)準(zhǔn)模型下的估計(jì)效果，為合理地選擇濾波算法和對(duì)準(zhǔn)模型提供依據(jù)。仿真結(jié)果表明，在海上對(duì)準(zhǔn)中，基于四元數(shù)的匹配算法可以快速準(zhǔn)確地估計(jì)出方位失準(zhǔn)角的效果，能夠達(dá)到和水平失準(zhǔn)角同樣的收斂速度，這是以往對(duì)準(zhǔn)技術(shù)所不及的。結(jié)合實(shí)際，開展捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的多功能三軸測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)和組合導(dǎo)航系統(tǒng)的海上實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了UPF算法在捷聯(lián)慣導(dǎo)初始對(duì)準(zhǔn)中的可行性和合理性。 最后，針對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)中非線性非高斯測(cè)量噪聲的問(wèn)題，提出了RPF—MCMC濾波算法

6、的概念。以單變量非靜態(tài)增長(zhǎng)模型、彈道目標(biāo)再入和角測(cè)量跟蹤為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，說(shuō)明RPF—MCMC算法可以有效地解決系統(tǒng)模型的非線性和噪聲的非高斯分布等問(wèn)題。在建立的INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的兩種模型-NPLM模型和NPNM模型的基礎(chǔ)上，將RPF—MCMC方法應(yīng)用于上述模型中，分別對(duì)位置/速度組合和偽距/偽距率組合進(jìn)行比較，分析RPF—MCMC濾波算法對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真結(jié)果證明了所提出的RPF—MCMC算法能夠很好地處理非高斯量測(cè)噪聲