基于非線性濾波的SINS-GPS緊組合導(dǎo)航方法研究.pdf

1、在眾多導(dǎo)航系統(tǒng)中，捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（SINS）和全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（GPS）利用其各自性能上的互補(bǔ)特性所構(gòu)成的SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)被公認(rèn)為目前導(dǎo)航領(lǐng)域最為理想的組合導(dǎo)航模式。面對(duì)廣泛的導(dǎo)航應(yīng)用需求，如航空、航天、航海導(dǎo)航和武器制導(dǎo)等方面，對(duì)SINS/GPS組合導(dǎo)航方法進(jìn)行深入、細(xì)致地研究將具有十分重要的意義。本文以SINS/GPS緊組合導(dǎo)航為背景，研究重點(diǎn)集中于組合導(dǎo)航過程中數(shù)據(jù)融合算法，即非線性濾波。
　　本研究主要內(nèi)

2、容包括：⑴闡述了SINS、GPS和SINS/GPS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本工作原理。針對(duì)SINS，詳細(xì)推導(dǎo)了在當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系下的解算過程，并基于歐拉平臺(tái)誤差角建立了當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系下的誤差方程；針對(duì)GPS，介紹了其定位測速的基本原理，并對(duì)GPS定位系統(tǒng)誤差進(jìn)行了細(xì)致、深入的分析。最后以SINS/GPS緊組合導(dǎo)航作為研究重點(diǎn)，推導(dǎo)了系統(tǒng)工作的狀態(tài)方程和量測方程，結(jié)合系統(tǒng)方程的具體特點(diǎn)，分析指出在SINS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)非線性濾波中一般存在如

3、下問題：狀態(tài)方程離散化所引入系統(tǒng)和量測噪聲相關(guān)的問題、GPS接收機(jī)量測中存在有色噪聲的問題和傳統(tǒng)卡爾曼類濾波器中線性量測更新的問題。⑵針對(duì)非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)中相關(guān)噪聲的問題，首先根據(jù)噪聲相關(guān)發(fā)生的時(shí)刻，將過程噪聲與量測噪聲的相關(guān)性分為兩類：同步時(shí)刻相關(guān)和隔步時(shí)刻相關(guān)。在此基礎(chǔ)上，本文從條件高斯噪聲分布的角度出發(fā)，針對(duì)該兩種噪聲相關(guān)問題，分別提出了兩種非線性濾波算法。同現(xiàn)有的解決噪聲相關(guān)方法相比，本文所提出算法的優(yōu)點(diǎn)為：給出了解決噪聲相關(guān)

4、非線性濾波器的一般結(jié)構(gòu)，實(shí)施過程中便于采用不同數(shù)值計(jì)算方法；對(duì)于任一類型的噪聲相關(guān)，即同步時(shí)刻相關(guān)或隔步時(shí)刻相關(guān)，本文所提出算法的濾波精度均優(yōu)于現(xiàn)有的解決方法。⑶針對(duì)非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)中有色噪聲的問題，本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，認(rèn)為在實(shí)際工程中有些系統(tǒng)量測噪聲存在時(shí)間相關(guān)性，而現(xiàn)有的卡爾曼類濾波器都是基于系統(tǒng)過程噪聲和量測噪聲均為高斯白噪聲的假設(shè)進(jìn)行的。為了保證系統(tǒng)狀態(tài)的估計(jì)精度，我們必須考慮有色噪聲特性來重新設(shè)計(jì)濾波器。因此本文采取一種

5、新的狀態(tài)擴(kuò)充方法，提出了一種適用于線性/非線性系統(tǒng)有色量測噪聲的濾波算法，很好地解決了工程應(yīng)用中有色量測噪聲的問題。⑷針對(duì)非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)中量測更新的問題，本文分析指出傳統(tǒng)的非線性高斯濾波器量測更新階段，利用了狀態(tài)與量測為聯(lián)合高斯分布的假設(shè)，服從最小方差更新準(zhǔn)則，使得最終更新效果為線性。而在非線性系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)中量測函數(shù)為非線性情況時(shí)，基于線性最小方差準(zhǔn)則來融合量測信息違反了狀態(tài)與量測之間非線性關(guān)系的本質(zhì)，不能獲得最優(yōu)的狀態(tài)估計(jì)。為此，

6、本文基于遞推更新的思想，提出了一種遞推更新高斯濾波器。該濾波器給出了適用于不同數(shù)值積分方法的一般結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)非線性高斯濾波器線性更新，本文所提出的遞推更新高斯濾波器可以獲得更高的濾波精度。⑸針對(duì)SINS/GPS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)際過程中會(huì)出現(xiàn)相關(guān)噪聲、有色量測噪聲和量測信息融合的問題，本文首先基于軌跡仿真的基本原理和載體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)方程，利用Matlab軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了真實(shí)軌跡發(fā)生器、SINS仿真器和SINS/G