卡尔曼滤波系统和量测噪声自适应估计的关联性

卡尔曼滤波是惯导系统(INS)/GPS组合导航的主要算法之一,Sage-Husa算法是在卡尔曼滤波基础上,为减少系统噪声和量测噪声的不确定性对误差估计的影响而采用的自适应估计方法.对Sage-Husa算法提出了4条改进措施;并通过在3种数据扰动情形下的仿真计算发现,只对一类噪声做自适应估计更容易产生较大的偏差,对系统噪声和量测噪声两类噪声同时做自适应估计,其效果要优于只对一类噪声做自适应估计,把此现象定义为卡尔曼滤波的系统和量测噪声自适应估计的关联性.这个结果不同于一些文献的观点.此项研究对自适应卡尔曼滤波在INS/GPS组合导航的工程化应用有较高的实用价值.     

自适应联邦卡尔曼滤波在机器人组合导航系统中的应用研究

利用里程计(OD)与全球定位系统(GPS)辅助捷联惯性导航系统(SINS)构成一种高可靠性的组合导航系统.推导并建立了局部滤波器的数学模型,并针对联邦滤波器在载体发生异常扰动时滤波精度较低的问题,设计了基于SINS/GPS/OD组合导航系统的自适应联邦滤波器,有效补偿了系统异常扰动或动力学模型误差.仿真模拟了机器人的全航线运行轨迹进行验证,仿真结果表明,SINS/GPS/OD组合导航系统的自适应联邦卡尔曼滤波算法与相同组合导航系统的非自适应联邦卡尔曼滤波算法相比,在保障机器人导航定位可靠性及容错能力的前提下,能有效抑制异常扰动的影响,导航精度得到进一步改善.     

自适应粒子滤波在卫星紫外导航中的应用

基于紫外敏感器的自主导航系统是典型的非线性和噪声非高斯分布的系统,针对扩展卡尔曼滤波(EKF)和Unscented 卡尔曼滤波(UKF)不适于噪声非高斯分布的系统,和一般粒子滤波缺乏在线自适应调整能力等问题,提出了将基于正交性原理的自适应强跟踪滤波器(STF)和UKF相融合作为重要密度函数,应用于基于紫外敏感器自主导航粒子滤波器新方法,通过UKF构造粒子群,对粒子群中的每一个粒子的每一个sigma点用STF进行更新,使得算法的鲁棒性增强,有极强的对突变状态的跟踪能力,具有强的自适应能力.为了说明算法的有效性,结合模拟的轨道数据和测量数据进行了仿真,仿真结果说明了所提算法的有效性.     

基于噪声缩放的自适应UKF-SLAM算法

针对扩展卡尔曼滤波(EKF)算法在移动机器人同时定位和环境建模(SLAM)中的缺点,即非线性系统简单线性化所导致的系统状态方程的不准确性、雅克比矩阵的计算所导致的计算复杂化以及噪声模型不确定性所导致的滤波稳定性降低等问题,提出一种对噪声自适应的UKF-SLAM算法。该算法通过对噪声缩放进而改变噪声模型,利用观测残差序列准确估计观测噪声模型协方差,运用预测的新息协方差和IAE开窗法求其系统状态噪声缩放因子,从而准确估计系统状态噪声模型协方差,实现对不确定的噪声模型能够自适应UKF-SLAM算法。UKF的Sigma点采样策略是比例对称采样。实验结果证明,该方法相对EKF算法和UKF算法具有较高的定位精度和自适应能力。     

GPS/SINS紧组合导航系统信息融合技术研究

为了提高复杂环境条件下导弹的导航精度,以GPS/SINS紧组合导航系统为研究对象,首先研究了GPS/SINS紧组合导航系统的数学模型;然后对扩展卡尔曼滤波和无迹卡尔曼滤波的算法进行了详细的分析;最后将这两种滤波算法应用到GPS/SINS紧组合导航系统中。系统仿真结果表明,UKF在位置、速度的估计精度上均优于EKF,并且UKF具有更好的稳定性和收敛性。     

基于UKF的GPS/DR组合导航非线性状态估计

GPS／DR组合导航系统是一个非线性系统,以往采用的扩展卡尔曼滤波算法EKF使得函数的整体特性被局部特性所代替,加上噪声的存在使系统的性能进一步下降。为了获得更好的状态估计性能,用无迹卡尔曼滤波算法UKF（Unscente dKalman Filter）实现组合导航系统的非线性状态估计,避免了EKF方法的线性化近似过程,提高了算法的收敛速度和载体的定位精度。仿真结果表明：在非线性状态估计中,UKF滤波方法优于EKF滤波方法。     

GPS/MEMS-INS组合导航系统设计

针对微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)惯性器件随机噪声大,现有的去噪算法难以兼顾降噪效果和信息处理速度的问题,提出自适应实时混合去噪算法;利用无轨迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)算法进行信息融合,克服了扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)对非线性系统线性化会带来额外误差的缺点;利用多线程信息同步技术实现微机电惯性导航系统(MEMS inertial navigation system,MEMS-INS)和全球定位系统(global position system,GPS)的同步运行。基于以上关键技术和算法,设计了一种GPS/MEMS-INS组合导航系统,实验结果表明,该组合导航系统在静态及动态环境下均能够进行实时高精度地导航定位。     

FAST-SR-UKF算法及其在组合导航系统中的应用

为解决无迹卡尔曼滤波（UKF）算法在组合导航应用中遇到的系统模型不确定、系统噪声统计特性未知以及计算误差较大等问题,提出了模糊自适应强跟踪平方根无迹卡尔曼滤波（FAST-SR-UKF）算法,该算法不仅具有传统UKF的优势,而且包含如下特点：通过模糊自适应强跟踪模块,增强了系统对模型不确定性以及噪声统计参数未知的适应能力;利用平方根滤波的思想,提高了模糊自适应强跟踪无迹卡尔曼滤波算法的数值稳定性,改善了由于计算误差导致的滤波发散问题。仿真结果表明：相对于传统的UKF算法,该算法精度更高、鲁棒性更强。     

一种改进Unscented粒子滤波及其应用研究

UPF(Unscented粒子滤波)克服了UKF(Unscented卡尔曼滤波)不适用于非高斯噪声系统的局限性和PF(粒子滤波)重要性密度函数难以选取的缺陷,但是,其仍易受到异常扰动的影响,且在计算迭代中协方差阵可能失去半正定性.针对此问题,提出抗差自适应Unscented粒子滤波算法.首先介绍抗差估计基本原理和自适应因子模型,在充分吸收抗差估计、自适应滤波和UPF算法优点的基础上,提出RAUPF算法,然后将RAUPF算法应用到单变量非静态状态增长模型中进行仿真计算,并与EKF和UPF算法进行比较,并进行复杂度分析.结果表明,提出的算法估计精度高于EKF和UPF算法的估计精度,估计值更加接近真值.     

抗差自适应Sage滤波及其在组合导航中的应用

针对卡尔曼滤波需要精确已知状态数学模型及其统计特性的问题,提出一种抗差自适应Sage滤波算法.该方法以Sage滤波为基本框架,吸收了抗差估计和自适应滤波的优点,利用Sage滤波开窗法求得观测残差向量和新息(预测残差)向量的协方差阵,由抗差估计方法确定观测噪声协方差矩阵,利用自适应因子调整动力学模型噪声协方差矩阵,以控制观测异常和动力学模型噪声对导航精度的影响.将提出的算法应用到捷联惯性导航(SINS)/合成孔径雷达(SAR)组合导航系统中,并与Kalman滤波和Sage滤波进行比较分析,仿真结果表明,提出的新算法不但能有效地控制观测异常和动态模型异常对状态参数估值的影响,而且能够抵制状态扰动,提高组合导航系统的滤波精度.     

A Filtering Approach Based on MMAE for a SINS/CNS Integrated Navigation System

This paper explores multiple model adaptive estimation (MMAE) method, and with it, proposes a novel filtering algorithm. The proposed algorithm is an improved Kalman filter-multiple model adaptive estimation unscented Kalman filter (MMAE-UKF) rather than conventional Kalman filter methods, like the extended Kalman filter (EKF) and the unscented Kalman filter (UKF). UKF is used as a subfilter to obtain the system state estimate in the MMAE method. Single model filter has poor adaptability with uncertain or unknown system parameters, which the improved filtering method can overcome. Meanwhile, this algorithm is used for integrated navigation system of strapdown inertial navigation system (SINS) and celestial navigation system (CNS) by a ballistic missile's motion. The simulation results indicate that the proposed filtering algorithm has better navigation precision, can achieve optimal estimation of system state, and can be more flexible at the cost of increased computational burden.      

UKF在INS/GPS直接法卡尔曼滤波中的应用

提出将Unscented卡尔曼滤波(UKF)用于INS/GPS组合导航系统的直接法卡尔曼滤波,避免了对非线性的系统状态方程进行线性化.以INS输出的导航参数及平台误差角等作为系统状态,惯导力学编排方程和姿态误差方程作为系统状态方程,GPS输出的导航参数作为量测,采用UKF方法对系统导航参数直接进行估计.仿真结果表明,UKF方法有效地解决了直接法卡尔曼滤波中系统状态方程的非线性问题,并使INS/GPS组合导航系统具有较高的导航定位精度.     

基于强跟踪UKF 的自适应SLAM 算法

针对无迹卡尔曼滤波（UKF）缺乏在线自适应调整能力,导致系统状态估计精度较低的问题,提出了 一种将强跟踪滤波器（STF）与UKF 相结合的SLAM 算法．该算法对于UKF 中每个采样点采用STF 进行更新,获 得优化滤波增益,抑制噪声对系统状态估计的影响,使系统状态估计迅速收敛到真实值附近．仿真实验对比了当前 几种SLAM 算法在不同噪声环境下的性能,实验表明,基于强跟踪UKF 的自适应SLAM 算法具有更好的鲁棒性和 自适应性．     

基于联邦UKF算法的移动机器人自主组合导航

组合导航技术是解决地面机器人自主导航的一个有效途径,其中GPS/DR是一种典型的组合方式。常用的卡尔曼滤波主要用于处理线性问题,针对该导航系统非线性的特点,对Unscented卡尔曼滤波（UKF）与分散式滤波技术相结合的方法进行了研究,建立了用于GPS/DR导航系统的联邦UKF算法。数值仿真实验表明,联邦UKF比联邦EKF有更好的滤波精度,同时有更高的稳定性和容错性,是一种理想的GPS/DR导航非线性滤波方法。     

基于抗差自适应容积卡尔曼滤波的超紧耦合跟踪方法

为降低基于单一调节回路的超紧耦合结构存在的反作用影响,设计了一种基于双回路的超紧耦合结构.基于此,为解决所设计结构中跟踪环路的非线性滤波问题,针对测量异常误差和动力学模型误差,提出了一种基于抗差自适应容积卡尔曼滤波(Robust adaptive cubature Kalman filter,RACKF)的超紧耦合跟踪算法.该算法采用稳健M估计调整容积卡尔曼滤波 (Cubature Kalman filter,CKF)算法,对观测量中粗差的影响“程度”进行探测和处理,以减小观测量异常误差产生的影响,同时利用自适应调节因子对算法进行调节修正,以处理动态扰动误差引入的影响.实验结果表明: 所提出的方法能有效地处理模型不准确所引入的误差,较好地实现全球定位系统(Global positioning system,GPS)卫星信号的高精度和稳定跟踪,其跟踪性能远优于基于单一回路的跟踪方法,同时优于基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman filter,UKF)和基于CKF的跟踪方法,提升了导航系统在高动态条件下的适应性能.     

传感器故障条件下的自适应UKF 算法

针对目标跟踪中传感器故障导致滤波发散或者滤波精度不高的问题, 提出一种自适应无迹卡尔曼滤波(UKF) 算法. 该算法在滤波过程中, 根据自适应估计原理引入自适应矩阵因子, 实时调整系统状态向量和量测新息向量的协方差, 以满足无迹卡尔曼滤波算法的最优性条件, 并采取措施对滤波发散的情况进行判断和抑制. 与传统UKF和已有自适应UKF算法相比, 该自适应UKF算法显著提高了滤波精度和数值稳定性, 且具有应对传感器故障的自适应能力. 仿真实验结果表明了所提出算法的有效性.

     

基于AFKF的多旋翼无人机组合导航技术研究

目前旋翼无人机组合导航系统大都使用扩展卡尔曼滤波算法,然而由于导航系统建模误差和传感器测量精度的影响,导航信息解算误差较大。为了改善旋翼无人机的飞行控制效果,应用自适应渐消卡尔曼滤波（Adaptive fading Kalman filter,AFKF）进行旋翼无人机组合导航解算,算法通过实时计算遗忘因子,对过去的数据权重进行削减,以提高扩展卡尔曼滤波算法的自适应能力。应用旋翼无人机真实飞行数据进行仿真,仿真结果表明,自适应渐消卡尔曼滤波算法能够有效抑制建模误差,弥补传感器测量精度不足,改善旋翼无人机组合导航解算结果。     

联邦模糊自适应卡尔曼滤波在速度+姿态传递对准中的应用

在系统动态模型和噪声统计特性无法完全获得的情况下,通过调整卡尔曼滤波器的相关参数提高弹载子惯导对准性能,其效果是很有限的,采用联邦模糊自适应卡尔曼滤波方法进行速度＋姿态匹配传递对准,并对算法进行了可行性分析与仿真验证。仿真结果表明,在系统动态模型和噪声的统计特性不确定的情况下,速度+姿态匹配传递对准的联邦模糊自适应卡尔曼滤波短时间内能够较好地估计出弹载子惯导的初始姿态失准角,是一种非常有效的信息融合方法。     

车载GPS／DR／地图匹配组合导航系统的自适应联合卡尔曼滤波模型

首次设计了实现车载ＧＰＳ／ＤＲ／地图匹配组合导航系统最优综合的联合卡尔曼滤波器,给出了滤波算法,并提出一种自适应联合卡尔曼滤波器结构及其算法。理论分析及计算机仿真结果均表明,应用该自适应联合卡尔曼滤波器可大大提高车载ＧＰＳ／ＤＲ／地图匹配组合导航系统的定位精度及容错能力。