双重迭代变分贝叶斯自适应卡尔曼滤波算法

提出了一种新的自适应卡尔曼滤波算法。该算法假设系统过程噪声方差和量测噪声方差之间存在的函数关系已知,两种噪声方差随着时间变化且均未知。先令当前时刻的过程噪声方差等于前一时刻的过程噪声方差,通过变分贝叶斯近似的方法,在卡尔曼滤波框架下迭代求解当前时刻的量测噪声方差和状态估计,再利用假设中的函数关系获得新的过程噪声方差。对上述过程多次迭代,最终获得状态估计及协方差。仿真实验结果表明,该算法具有较高的滤波精度;在假设条件不确知的情况下仍具有较强的鲁棒性。     

飞行器INS 与 GPS组合导航系统卡尔曼滤波

随着导航技术和控制理论的发展,组合导航系统已经成为当今最主要的导航系统。组合导航系统包括许多导航传感器,因此如何充分有效地处理来自多传感器的数据已成为组合导航系统的主要问题。在组合导航系统中,最先进的信息处理方法是联邦卡尔曼滤波。但联邦滤波器设计复杂,计算量大,很难满足一些高速巡航平台导航计算的高精度、高实时性要求。文章研究了巡航飞行器INS与GPS组合导航系统的卡尔曼滤波问题,设计了滤波器,并进行了仿真试验。     

变分贝叶斯自适应容积卡尔曼的SLAM算法

在观测噪声参数未知或变化时,传统的同步定位与建图(SLAM)算法性能会下降,为了让SLAM算法性能在上述条件下不受影响同时具有较高的精度,基于此提出了一种基于变分贝叶斯噪声自适应容积卡尔曼滤波的SLAM算法(VB-ACKF-SLAM).该算法采用逆Wishart分布对未知观测噪声参数建模,采用容积积分方法近似非线性变换的均值和方差,并利用变分贝叶斯滤波实现对移动机器人状态和未知观测噪声参数的联合后验概率的估计.该算法有效地解决了在观测噪声参数未知或变化时,传统滤波算法出现的滤波发散问题.仿真实验结果表明,在观测噪声参数未知或变化时,与基于容积卡尔曼滤波的SLAM算法(CFK-SLAM)、无迹卡尔曼滤波的SLAM算法(UKF-SLAM)、扩展卡尔曼滤波的SLAM算法(EKF-SLAM)相比,VB-ACKF-SLAM算法的定位准确率得到了较大的提高,证明了该算法的有效性.     

低成本MIMU/GPS组合导航系统设计与实验

高精度惯性传感器的昂贵价格在一定程度上限制了惯性导航系统(INS)的进一步推广应用,然而低成本微型惯性测量单元(MIMU)的出现,为INS的推广应用了带来了新的契机。文中提出了一种适合于工程应用的低成本MIMU/GPS组合导航系统的结构与方案,并给出了组合导航系统位置速度交替组合模式的数学模型。考虑到未知工作环境中各类噪声统计参数的未确定性易使经典的卡尔曼滤波器发散,因此文中采用了闭环自适应卡尔曼滤波器对子系统的数据进行融合处理;设计了低成本的组合导航系统原理样机,并进行了跑车实验。跑车实验及事后数据处理分析结果表明:该系统具有较高的长时间导航精度以及良好的可靠性和鲁棒性。     

基于有向图切换的INS/GPS组合导航VSMM算法

INS/GPS组合导航系统量测噪声统计特性随着载体机动、外界扰动等影响发生变化,传统的卡尔曼滤波方法对于这种量测噪声变化系统的滤波精度不高,甚至会出现发散现象。针对上述问题,将机动目标跟踪中的变结构多模型滤波算法引入INS/GPS组合导航滤波中,提出了一种基于有向图切换的变结构多模型INS/GPS组合导航算法,并对此算法进行了仿真。仿真结果表明:该算法能够适应系统量测噪声变化,定位误差小于交互式多模型算法,并有效地降低了滤波过程中的计算量。     

基于自适应卡尔曼滤波的NGMIMU/GPS组合导航设计

由于加速度计输出动态噪声的存在,无陀螺微惯性测量单元(NGM IMU)导航误差随时间迅速累积.基于NGM IMU九加速度计配置方案,利用自适应卡尔曼滤波方法进行NGM IMU/GPS组合导航系统设计.滤波算法对滤波预测残差的大小进行判断,利用极大后验估计器推算出动态噪声和观测噪声的统计特性,克服了系统噪声统计特性不易确定的实际问题,使滤波器成为最优.同时进行了系统位移和角速度仿真,结果验证了自适应卡尔曼滤波方法的可行性.     

INS／GPS组合导航联邦滤波器的仿真研究

为了研究平台式惯导INS(interial navigation system)和全球定位系统GPS(globe position system)组合导航联邦滤波器的实现，用卡尔曼滤波与Matlab仿真的方法，可以证明联邦滤波器算法简单，易于实现，并且可以提高导航系统精度．实际应用中此方法可行．     

基于联邦滤波的INS／GPS组合导航系统数据融合研究

针对INS导航定位的精度低、GPS导航定位的非自主性,采用INS／GPS组合导航的方式,重点阐述了系统模型的建立,在Matlab／Simulink平台下对系统进行仿真实验时,采用了基于无重置的联邦卡尔曼滤波器的组合方案,实验表明了组合系统比任何单一的导航系统的定位精度都要高,是一种可行的导航方法．     

一种低成本GPS组合导航定位系统

提出一种低成本、简单实用的GPS组合定位系统,即采用电子计步器与电子罗盘辅助GPS.该系统可以工作在自主导航、纯GPS导航、组合导航3种模式.文中给出了组合原理、方法和基本算法,探讨了几种应用模式和可能的应用领域.     

Adaptive Federal Kalman Filtering for SINS／GPS Integrated System

A new adaptive federal Kalman filter for a strapdown integrated navigation system/global positioning system (SINS/GPS) is given. The developed federal Kalman filter is based on the trace operation of parameters estimation‘s error covariance matrix and the spectral radius of update measurement noise variance-covariance matrix for the proper choice of the filter weight and hence the filter gain factors. Theoretical analysis and results from simulation in which the SINS/GPS was compared to conventional Kalman filter are presented. Results show that the algorithm of this adaptive federal Kalman filter is simpler than that of the conventional one. Furthermore, it outperforms the conventional Kalman filter when the system is undertaken measurement malfunctions because of its possession of adaptive ability. This filter can be used in the vehicle integrated navigation system.     

Hybrid Kalman and unscented Kalman filters for INS/GPS integrated system considering constant lever arm effect

In inertial navigation system(INS) and global positioning system(GPS) integrated system, GPS antennas are usually not located at the same location as the inertial measurement unit(IMU) of the INS, so the lever arm effect exists, which makes the observation equation highly nonlinear. The INS/GPS integration with constant lever arm effect is studied. The position relation of IMU and GPS’s antenna is represented in the earth centered earth fixed frame, while the velocity relation of these two systems is represented in local horizontal frame. Due to the small integration time interval of INS, i.e. 0.1 s in this work, the nonlinearity in the INS error equation is trivial, so the linear INS error model is constructed and addressed by Kalman filter’s prediction step. On the other hand, the high nonlinearity in the observation equation due to lever arm effect is addressed by unscented Kalman filter’s update step to attain higher accuracy and better applicability. Simulation is designed and the performance of the hybrid filter is validated.     

GPS/INS动态卡尔曼滤波优化算法

GPS/INS组合导航系统动态定位数据的随机误差消除的重要方法是卡尔曼滤波,但运用扩展卡尔曼滤波器进行动态定位滤波时,需要对系统模型和观测模型以及误差模型进行准确建模,特别是载体状态机动时滤波器跟踪能力不强。提出一种GPS/INS组合导航动态卡尔曼滤波的优化算法,引入遗忘因子限制卡尔曼滤波器的记忆长度,充分利用现时的测量数据,改善滤波器的动态性能,并进行计算机仿真实验。仿真结果表明,遗忘因子增加,滤波器的跟踪能力增强,使滤波器达最佳性能。该优化算法比普通的扩展卡尔曼滤波算法的动态跟踪性能好,从而可显著提高导航系统定位精度。     

惯性/天文/卫星组合导航误差在线标定方法

为提高惯性/天文/卫星(INS/CNS/GNSS)组合导航系统长期工作时的精度,推导了基于四元数误差描述的组合导航系统误差状态方程和量测方程,利用分段定常系统(PWCS)定理,分析了不同输入条件下系统状态变量的可观测性和可观测度.结合可观测性和可观测度分析结果,提出了利用星敏感器及卫星导航系统提供的姿态、位置矢量在线标定陀螺仪、加速度计和星敏感器误差参数的方法.可观测性分析和仿真试验结果表明,该方法可以精确在线估计出陀螺仪、加速度计、星敏感器的标度因数、零偏和安装误差,提高惯性/天文/卫星组合导航系统长期在轨工作的精度.     

模糊自适应无迹卡尔曼滤波方法用于天文导航

为克服航天器自主天文导航中不确定测量噪声对导航精度的影响,提出了一种基于模糊推理的自适应无迹卡尔曼滤波(FUKF)方法.该方法根据滤波过程中实际测量残差方差与理论残差方差的比值,将系统滤波过程分为普通模式和自适应模式.分别对两种模式建立模糊隶属度函数,应用模糊推理规则,得到自适应修正因子,对系统的测量噪声方差阵进行实时修正,使其跟踪实际测量噪声的变化.当系统受到不确定环境噪声影响时,该滤波算法仍然有效收敛.将该方法应用于直接敏感地平的航天器自主天文导航中,不同测量噪声水平下的仿真结果表明,该算法对不确定的测量噪声具有较强的自适应能力,保证了导航信息的输出精度.     

Federated unscented particle filtering algorithm for SINS/CNS/GPS system

To solve the problem of information fusion in the strapdown inertial navigation system (SINS)/celestial navigation system (CNS)/global positioning system (GPS) integrated navigation system described by the nonlinear/non-Gaussian error models, a new algorithm called the federated unscented particle filtering (FUPF) algorithm was introduced. In this algorithm, the unscented particle filter (UPF) served as the local filter, the federated filter was used to fuse outputs of all local filters, and the global filter result was obtained. Because the algorithm was not confined to the assumption of Gaussian noise, it was of great significance to integrated navigation systems described by the non-Gaussian noise. The proposed algorithm was tested in a vehicle’s maneuvering trajectory, which included six flight phases: climbing, level flight, left turning, level flight, right turning and level flight. Simulation results are presented to demonstrate the improved performance of the FUPF over conventional federated unscented Kalman filter (FUKF). For instance, the mean of position-error decreases from (0.640×10⁻⁶ rad, 0.667×10⁻⁶ rad, 4.25 m) of FUKF to (0.403×10⁻⁶ rad, 0.251×10⁻⁶ rad, 1.36 m) of FUPF. In comparison of the FUKF, the FUPF performs more accurate in the SINS/CNS/GPS system described by the nonlinear/non-Gaussian error models.     

基于T分布变分贝叶斯滤波的SINS/GPS组合导航

为了解决组合导航中由于野值存在而导致传统滤波算法性能下降的问题,针对SINS/GPS组合导航系统模型提出基于T分布的变分贝叶斯高斯滤波算法,充分考虑野值所导致的噪声厚尾特性,将观测噪声建模为T分布.对系统状态和自举变量进行估计,并且在每个滤波时刻借助变分贝叶斯学习对状态估计进行迭代,以逼近真实后验分布.针对噪声存在野值的场景进行仿真验证,结果表明,在SINS/GPS组合导航系统中,当噪声存在野值时,基于T分布的变分贝叶斯组合导航滤波方法具有一定的鲁棒性,并且精度优于传统组合导航滤波方法.     

RDSS/Doppler/GPS/SINS组合导航系统研究

针对双星定位系统(RDSS)存在的定位位置滞后的先天缺陷,根据组合导航定位系统输出速度误差小的特点,给出了一套消除RDSS位置滞后的方案,并对RDSS／SINS组合系统进行了建模,依据联邦滤波器理论,考虑到GPS的实际情况,提出了RDSS／Doppler／GPS／SINS多传感器组合导航系统的设想,仿真结果表明,该组合导航系统具有准确度高、自主性强的特点。