艦船組合導航系統(tǒng)濾波方法研究.pdf

1、單個導航設備已經(jīng)無法滿足艦船導航系統(tǒng)對高精度、高可靠性、低成本的要求，現(xiàn)實、有效的解決思路是發(fā)展多傳感器的組合導航系統(tǒng)。國內(nèi)外關(guān)于組合導航系統(tǒng)的研究發(fā)展很迅速，艦船組合導航的研究也是研究熱點之一。本文以船舶工業(yè)國防科技應用、基礎研究基金項目(No.4.18)為課題支持，結(jié)合艦船導航的實際情況，對組合導航系統(tǒng)的信號處理和濾波方法進行了研究。在聯(lián)邦濾波中引入非線性濾波技術(shù)的研究成果，建立了基于Unscented卡爾曼濾波的艦船組合導航系統(tǒng)。

2、充實了導航系統(tǒng)濾波技術(shù)的理論基礎，使將來在實際型號艦船中采用聯(lián)邦濾波技術(shù)成為可能。 本文主要完成的工作包括： 1)對艦船導航系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展狀況、組合導航和濾波理論在組合導航中的應用等方面作了全面總結(jié)。然后分別根據(jù)捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)、GPS導航系統(tǒng)、多普勒導航系統(tǒng)的特點，進行誤差分析，建立各自的誤差模型和狀態(tài)方程，為艦船組合導航系統(tǒng)的深入研究奠定基礎。 2)分別對卡爾曼濾波、分散卡爾曼濾波和聯(lián)邦卡爾曼濾波的原理和算

3、法進行了研究，聯(lián)邦卡爾曼濾波器采用“信息分配”原則，把全局狀態(tài)估計信息和系統(tǒng)噪聲信息重置各子濾波器，但不改變子濾波器算法的形式。聯(lián)邦濾波算法實現(xiàn)簡單、信息分享方式靈活、具有良好的容錯結(jié)構(gòu)。聯(lián)邦濾波器按照信息分配系數(shù)的不同，可有不同的結(jié)構(gòu)和特點，文中分析了四種聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)在計算速度、精度及容錯性方面的各自特點。 3)根據(jù)艦船導航系統(tǒng)的特點，首次在艦船組合導航中使用聯(lián)邦濾波技術(shù)，建立了一個由SINS/GPS子濾波器、SINS/Dop

4、pler子濾波器和主濾波器組成的，采用聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)的艦船組合導航系統(tǒng)。聯(lián)邦濾波中信息分配系數(shù)的選擇方法是一個關(guān)鍵技術(shù)，文中提出一種聯(lián)邦濾波器信息分配系數(shù)的優(yōu)選算法，可以提高局部濾波器的精度和故障檢測靈敏度。通過對艦船組合導航系統(tǒng)聯(lián)邦濾波的仿真實驗可以得出，由有重置的聯(lián)邦濾波器獲得的精度與由集中濾波器獲得的精度幾乎相同，無重置的聯(lián)邦濾波器精度稍有下降。在聯(lián)邦濾波器容錯方面，提出殘差χ2檢驗、狀態(tài)χ2檢驗兩種故障檢測方法和容錯聯(lián)邦濾波算法，

5、并以SINS/GPS/Doppler組合導航系統(tǒng)為例驗證了方法的可行性和有效性。 4)以廣義卡爾曼濾波、粒子濾波和Unscented卡爾曼濾波等非線性濾波理論和方法為基礎，對非線性濾波方法在聯(lián)邦濾波中的介入和應用方法進行研究，首次建立了一種基于Unscented卡爾曼濾波的聯(lián)邦濾波器。通過對現(xiàn)有濾波方法的改進，成功應用于非線性艦船導航系統(tǒng)中，仿真和車載實驗結(jié)果證明了這種聯(lián)邦濾波器是一種高精度的導航系統(tǒng)，它比常規(guī)的組合導航系統(tǒng)有更

6、高的精度。 主要創(chuàng)新成果體現(xiàn)在以下幾個方面： 1)率先建立了由兩個子濾波器和一個主濾波器組成的，采用聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)的艦船組合導航系統(tǒng)。聯(lián)邦濾波器采用容錯聯(lián)邦濾波的算法和結(jié)構(gòu)，公共參考系統(tǒng)采用捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)，兩個子濾波器分別為SINS/GPS子系統(tǒng)和SINS/Doppler子系統(tǒng)。 2)設計了一種聯(lián)邦濾波信息分配系數(shù)的優(yōu)選算法。信息分配系數(shù)定義為局部濾波和全局濾波一步預測狀態(tài)信息陣的跡之比，不再是一個常量。最初先設

7、定一個初值，隨著迭代次數(shù)的增加，自動調(diào)整信息分配系數(shù)，使其最終趨于某個穩(wěn)態(tài)值。它不改變聯(lián)邦濾波的全局最優(yōu)性，并且可以提高局部濾波器的精度和故障檢測靈敏度。 3)針對非線性高斯分布問題，Unscented卡爾曼濾波是一種精度高、使用方便的濾波方法。基于Unscented卡爾曼濾波的聯(lián)邦濾波器是本文首次使用的一種新型的濾波方法，它以Unscented卡爾曼濾波理論為基礎，結(jié)合聯(lián)邦濾波理論的現(xiàn)有成果，對濾波方法進行改造，使其成功應用于