非線性濾波理論及其在GPS-INS組合定位定姿中的應用研究.pdf

1、隨著測繪科學的發(fā)展，移動測圖系統(tǒng)（MMS）逐步發(fā)展成為制圖新技術的典型代表。在MMS中，載體平臺的定位定姿是其實現(xiàn)快速、連續(xù)、高精度獲取空間信息的關鍵組成部分。而GPS/INS組合導航系統(tǒng)可以使GPS和INS優(yōu)勢互補，是當前實現(xiàn)載體平臺定位定姿的最佳方案之一，成為當前MMS中的研究熱點。GPS/INS組合定位定姿問題本質上是非線性的，應用非線性濾波理論可以對GPS和INS多傳感器數(shù)據(jù)進行有效融合估計，因此論文對非線性濾波理論及其在GPS

2、/INS組合定位定姿中的應用進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方面進行了深入研究：
　　1)研究和仿真分析了調節(jié)過程噪聲方差陣Q和量測噪聲方差陣R對離散卡爾曼濾波估計的影響，在此基礎上，對系統(tǒng)模型不準確時的卡爾曼濾波估計進行了仿真分析，指出可以通過增大過程噪聲方差陣Q抑制系統(tǒng)模型不準確時的濾波發(fā)散；
　　2)提出了動態(tài)變結構濾波算法，以解決實際濾波過程中濾波模型經(jīng)常改變（變結構）的濾波

3、問題，并成功應用于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強非線性模型和弱非線性進行了仿真分析。在對強非線性模型進行濾波時 UKF相比EKF具有很明顯的優(yōu)勢，而對弱非線性模型，UKF和EKF具有類似的估計精度。因此，得出如下結論：即對弱非線性模型在不影響精度情況下，由于EKF在計算效率上的優(yōu)勢，應優(yōu)先選擇EKF；
　　4)推導了提高數(shù)據(jù)后處理精度的固定區(qū)間最優(yōu)平滑算

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

5、究得到的結論，利用開發(fā)的非線性濾波算法程序庫，論文將非線性濾波理論應用于GPS/INS組合導航定位定姿問題，并主要做了以下幾個方面工作：
　　1)推導了INS的φ角誤差模型和ψ角誤差模型，說明了兩者的區(qū)別和聯(lián)系，并明確給出了考慮桿臂效應的GPS/INS松組合量測模型；
　　2)針對GPS失鎖造成GPS/INS組合濾波量測信息缺失從而導致組合導航性能下降的問題，基于載體的先驗約束信息，提出了虛擬量測更新算法，并進行了試驗分析，