平方根UKF混合滤波在自主光学导航中的应用

提出了一种用于探测器在巡航段的自主光学导航方案,该方案利用光学导航相机以及星敏感器,通过测量星光信息以及天体边缘的信息,得出了探测器的相对位置。在此基础上针对导航系统状态方程和观测方程的非线性问题,进行平方根Unscented卡尔曼滤波(square-root unscented Kalman filter)计算,由此实时确定了探测器的轨道。该方法将平方根滤波和UKF滤波有机结合起来,可更好地提高自主导航系统的准确度和可靠性。通过数学仿真并与EKF滤波过程进行比较,验证了该算法的优越性。     

A new optimal approach to segmentation of 2D range scans to line sections

In order to obtain a compact and exact representation of 2D range scans, UKF (unscented Kalman filter) and CDKF (central difference Kalman filter) were proposed for extracting the breakpoint of the laser data. Line extraction was performed in every continuous breakpoint region by detecting the optimal angle and the optimal distance in polar coordinates, and every breakpoint area was constructed with two points. As a proof to the method, an experiment was performed by a mobile robot equipped with one SICK laser rangefinder, and the results of UKF/CDKF in breakpoint detection and line extraction were compared with those of the EKF (extended Kalman filter). The results show that the exact geometry of the raw laser data of the environments can be obtained by segmented raw measurements (combining the proposed breakpoint detection approach with the line extraction method), and method UKF is the best one compared with CDKF and EKF.     

探测器交会小天体的UPF自主导航方案

采用基于目标天体信息的光学导航方案实现探测器交会小天体,利用导航相机提高了定轨精度和星历精度。在此基础上,针对深空导航的轨道确定过程中可能存在的初始估计信息误差较大、状态及量测误差不服从高斯分布等问题,将UPF(Unscented Particle Filter)引入到导航方案中。该方案利用UPF在处理非线性非高斯问题上的优势,克服了EKF、UKF、PF等传统滤波方案对非线性非高斯状态模型、量测模型的近似处理所带来的影响。数值仿真表明了该方案的可行性。     

一种新的高动态全球定位系统频率估计算法

针对常用高动态全球定位系统频率估计算法扩展卡尔曼滤波(EKF)由于对模型进行简单线性化而造成的估计精度低与失锁门限高等缺陷,引入了一种新的线性滤波算法unscented卡尔曼滤波(UKF)进行频率估计．该算法不需要对非线性模型进行线性化,而是利用一系列Sigma采样点,通过unscented变换(UT)来进行状态与协方差阵的递推与更新．仿真实验结果表明新算法的估计精度远高于EKF,失锁门限也比EKF低约1dB,估计性能得到了改善．     

双基地前向散射栅栏雷达的目标运动参数估计

针对双基地前向散射栅栏雷达运动参数估计精度低、易发散的问题,在扩展卡尔曼滤波和不敏卡尔曼滤波基础上,提出了一种新的滤波跟踪算法U EKF.该算法利用不敏卡尔曼滤波对初始误差不敏感的特点实现目标初始捕捉,克服了扩展卡尔曼滤波由于初始估计误差较大而引起的发散问题;然后采用扩展卡尔曼滤波进行目标跟踪保持,克服了目标穿越雷达基线时不敏卡尔曼滤波由于对系统模型的误差敏感而引起估计精度低的问题.     

低轨卫星紧组合导航UKF方法

针对紧组合导航系统状态方程及量测方程的非线性,以低轨卫星为应用对象开展了无迹卡尔曼滤波UKF方法研究．给出了惯性系下的系统模型及算法模型,其中姿态直接采用修正Rodrigues参数来表述以避免四元数归一化条件的限制,系统状态更新采用四阶Runge-Kutta法以适应卫星的高速运动;之后通过数学仿真与广义卡尔曼滤波EKF进行了比较分析．结果表明:UKF滤波对于姿态精度明显优于EKF,提高了一个数量级,对于速度、位置精度两者滤波效果相当,但对于运算时间UKF耗时较长．因此实际应用中可根据导航精度与运算时间需求决定是否采用UKF方法．     

基于MDS-MAP和非线性滤波的WSN定位算法

为提高传感器网络节点的定位精度,对MDS-MAP结合非线性滤波方法的多种传感器网络定位算法进行研究.根据传感器节点间距离与节点定位坐标之间存在的非线性关系,在MDS-MAP定位算法的基础上,引入扩展卡尔曼滤波（EKF）求精算法和不敏卡尔曼滤波（UKF）求精算法,对MDS-MAP求得的节点坐标进行求精.对MDS-MAP定位算法、MDS-MAP和EKF相结合的定位算法（MDS-EKF）、MDS-MAP和UKF相结合的定位算法（MDS-UKF）的定位精度进行比较.实验结果表明：EKF和UKF等非线性滤波方法的应用可以提高定位精度,在相同条件下MDS-UKF定位算法的定位精度更高并且其生成的网络拓扑图最接近于实际网络拓扑图.     

两飞行体相对定位技术及其滤波算法研究

为了解决两飞行体相互之间的定位问题,在二维平面运动模型的基础上提出了相位差变化率定位方法,进行了可观测分析,给出了可观测分析结果。同时简单介绍了几种典型非线性滤波算法,并将EKF（ExtendedKalman Filter）、UKF（Unscented Kalman Filter）、PF（Particle Filter）等非线性滤波方法应用到定位模型中。仿真结果表明,UKF方法用时最短,PF滤波方法精度最高。     

基于改进无迹Kalman滤波的小波网络算法及其应用

无迹Kalman滤波（UKF）是无迹变换（UT）和标准Kalman滤波的结合,对非线性系统具有出色的估计性能,使用UKF估计小波网络参数,速度快,精度高,无需求导计算Jacobian矩阵,但其计算量偏大.基于此,本文考虑引入一种改进的UKF来估计小波网络的参数,以提高训练效率.该改进UKF在Kalman滤波体系内应用了一种基于最小偏度单形Sigma点采样策略的UT,它继承了UKF的优点,并显著提升了计算效率.仿真结果表明,相对于EKF,采用改进UKF算法训练小波网络,速度更快,精度更高;计算精度与UKF相当,但计算效率较之更高.     

车载GPS/DR组合导航系统的数据融合方法研究

GPS/DR组合导航系统是非线性的,扩展卡尔曼滤波(EKF)可以利用线性化技巧将其转化为线性滤波问题,但这一过程会使得滤波结果出现很大误差。针对这一问题,将改进的粒子滤波方法(UPF),即将无迹卡尔曼滤波(UKF)与粒子滤波(PF)相结合,应用到GPS/DR组合导航系统中,避免了EKF的线性化近似过程,同时优化了PF算法,提高了定位精度。实验结果表明,与EKF和PF算法相比,UPF算法具有更高的鲁棒性和更好的定位效果。     

Autonomous optical navigation for interplanetary exploration based on information of earth-moon

The image elements of earth-center and moon-center are obtained by processing the images of earth and moon, these image elements in combination with the inertial attitude information and the moon ephemeris are utilized to obtain the probe initial position relative to earth, and the Levenberg-Marquardt algorithm is used to determine the accurate probe position relative to earth, and the probe orbit relative to earth is estimated by using the extended Kalman filter. The autonomous optical navigation algorithm is validated using the digital simulation.     

基于UKF的海底集矿车组合导航研究

针对扩展卡尔曼滤波(EKF)在海底集矿车组合导航系统应用时存在着计算复杂、线性化误差大等问题,基于附加打滑参数的履带车运动学模型,将无色卡尔曼滤波(UKF)用于集矿车长基线声学导航(LBL)与推算导航(DR)的组合导航系统中.考虑到测量数据时延,组合导航系统融合LBL与DR信息,得到海底集矿车位置估计.研究结果表明:采用EKF方法,测量数据时延0,0.5,2s时,东向定位精度为0.14,0.32,0.48m,北向定位精度为0.13,0.28,0.44m;采用UKF方法,测量数据时延0,0.5,2s时,东向定位精度为0.10,0.26,0.37m,北向定位精度为0.09,0.24,0.34m.测量数据时延越短,EKF,UKF的位置估计效果都会越好.但与EKF方法相比,UKF方法能够明显减少组合导航系统的线性化误差,提高海底集矿车导航系统的精度与稳定性.     

炮弹发射弹道目标精度校正估计仿真

针对全球定位系统、雷达和卡尔曼滤波等传统测量手段在弹道量测中面临的诸多问题,提出了超宽带技术与平方根无迹卡尔曼滤波方法相结合的弹道估计算法,通过试验与仿真对该算法进行了分析.结果表明,采用平方根无迹卡尔曼滤波进行估计时,运行时间低于扩展卡尔曼滤波,略高于无迹卡尔曼滤波,且位置和速度均方根误差均低于二者.将平方根无迹卡尔曼滤波应用于弹道估计问题中可取得更为有效、准确的估计结果.     

编队飞行卫星相对轨道确定方法研究

针对2颗卫星编队飞行的情形,研究了星间位置测量量为相对距离、方位角和俯仰角时的卫星相对轨道自主确定方法。首先根据C-W-Hill(Clo-hessy-Wiltshire-Hill)方程得到卫星运动的状态方程;然后基于星间测量量确定观测方程,使用2种方法进行相对位置、相对速度参数的估计,实现对卫星相对轨道的确定;最后对这2种方法进行仿真,结果证明了它们的可行性。     

改进型UKF滤波算法的卫星姿态估计

针对矢量观测的三轴稳定卫星的姿态估计问题,提出了一种改进的UKF（unscented Kalman filter）滤波算法．它通过引入简化球形分布Sigma点UT变换（SSUT）,使得Sigma点的数量减少,从而在与UKF算法估计精度相当的情况下,计算量大大减少．同时,该算法依据姿态四元数与修正罗德里格参数之间的变换关系以及Sigma点的本质属性,保证了在姿态估计过程中四元数满足归一化约束,并且给出了过程噪声方差阵的选取方法．与扩展卡尔曼滤波（EKF）相比,无需计算Jacobian矩阵且具有更高的估计精度,并且对初始姿态误差更具有较好的鲁棒性．数值仿真表明该方法能很好地改善滤波效果,提高了估计精度,同时减小了计算量。     

EKF和UKF在非线性组合导航系统中的对比研究

采用组合导航系统在对目标的位置、航向进行测量时,其状态模型和观测模型中存在非线性问题,采用基于EKF和UKF的非线性滤波算法以改善传统Kalman滤波的估计精度,并保证算法收敛性.通过建立组合导航的状态方程和量测方程,分别采用EKF和UKF对状态方程中的非线性部分进行离散化,仿真实验结果表明,采用基于UKF的非线性导航算法能有效提高导航位置精度和系统稳定性.     

非线性系统的一种改进的Unscented卡尔曼滤波器

作为最近提出的一种非线性滤波方法,Unscented卡尔曼滤波器(UKF)具有易实现、较高的估计精度和中等的计算量等优点。然而,像扩展卡尔曼滤波器(EKF)一样,UKF关于模型不确定性的鲁棒性很差、对初始条件很敏感,容易出现状态估计不准,甚至发散等现象。为了克服UKF的缺陷,基于强跟踪滤波器(STF)理论,通过引入一种多重次优渐消因子在线调整滤波器增益矩阵,提出一种改进的UKF,并通过目标跟踪的仿真实验验证了该滤波器的有效性。仿真实验结果表明改进的Unscented卡尔曼滤波器具有好的鲁棒性,而且能够快速收敛。     

基于自适应UKF的单站无源定位算法

针对无迹卡尔曼滤波(UKF)算法在单站无源定位中滤波的性能容易受到初始值和系统噪声影响的问题,提出了一种自适应无迹卡尔曼滤波(AUKF)的跟踪算法。该算法利用观测信息和新息,引入自适应因子,对在滤波过程中的误差的协方差矩阵进行合理自适应调整,保证得到较稳定和高精度的滤波值,从而提高算法的鲁棒性。仿真结果表明,该AUKF算法与扩展卡尔曼滤波算法(EKF)及其衍生算法中的修正协方差滤波算法(MVEKF)和UKF算法相比,对系统噪声的鲁棒性更好,体现在滤波的收敛速度和滤波精度等方面都有所提高,是一种性能更加优越的算法。     

一种结合UKF的疲劳结构剩余寿命预测方法

针对机械系统中疲劳结构的剩余寿命(RUL)预测问题,提出了一种结合无迹卡尔曼滤波算法(UKF)的RUL预测方法.该方法包括疲劳裂纹性能参数评估和RUL预测两个部分.在性能参数评估部分,通过对Paris疲劳裂纹扩展公式进行离散化,建立了参数状态空间评估模型,并利用传感器获得的实时状态信息结合UKF算法对状态空间评估模型中的疲劳性能参数(C和m)以及疲劳裂纹长度表现出的不确定性进行评估,以避免状态信息不完备、工况噪声等不确定因素对结构疲劳寿命预测的影响;在剩余寿命预测部分,利用UKF算法评估得到的参数结果,结合离散化得到的递推裂纹扩展模型,对结构的剩余寿命进行预测.仿真结果表明:提出的方法能够很好地处理疲劳裂纹扩展模型中疲劳性能参数的不确定性,且在剩余寿命预测上,通过与扩展卡尔曼滤波算法(EKF)进行比较分析,发现所提方法能够更准确地预测结构疲劳裂纹的RUL.将离散的Paris疲劳裂纹扩展公式和UKF算法进行结合,能够有效地提高疲劳结构的剩余寿命预测精度.     

基于RK-UKF算法的再入目标质阻比估计

针对再入目标质阻比实时估计的问题,根据目标的三维再入运动模型及量测模型,提出了一种基于龙格-库塔（Runge-Kutta）积分的不敏卡尔曼滤波（UKF）算法（RK-UKF）的再入目标质阻比估计方法,给出了RK-UKF算法与扩展卡尔曼滤波（EKF）算法和不敏卡尔曼滤波算法的仿真比较.仿真结果表明,RK-UKF算法可实现对再入目标的高精度跟踪和其质阻比快速稳定的估计.