GNSS/INS組合導(dǎo)航誤差補(bǔ)償與自適應(yīng)濾波理論的拓展

吳富梅

1.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,河南鄭州450052;2.西安測(cè)繪研究所,陜西西安710054

GNSS/INS組合導(dǎo)航誤差補(bǔ)償與自適應(yīng)濾波理論的拓展

吳富梅1,2

1.信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院,河南鄭州450052;2.西安測(cè)繪研究所,陜西西安710054

對(duì)GNSS/INS組合導(dǎo)航誤差補(bǔ)償與自適應(yīng)濾波理論進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。針對(duì)GNSS/INS組合導(dǎo)航實(shí)際應(yīng)用中存在的隨機(jī)模型不精確、GNSS觀測(cè)條件不佳、INS誤差累積迅速等問題,引入Allan方差、ARMA模型、載波相位平滑偽距、偽距差分求解速度、自適應(yīng)濾波、誤差模型修正等算法,對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)并進(jìn)一步提高了導(dǎo)航精度和可靠性。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)概括如下:

(1)對(duì)INS隨機(jī)誤差進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和處理;分析和比較了陀螺信號(hào)中幾種性質(zhì)不同的隨機(jī)誤差在功率譜密度和Allan方差上不同的特性和表現(xiàn)形式;對(duì)三種陀螺實(shí)測(cè)信號(hào)中的隨機(jī)誤差進(jìn)行了分析,給出這些陀螺信號(hào)中存在的主要噪聲類型及其相應(yīng)的系數(shù);通過對(duì)分解后高頻系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn),給出了一種自動(dòng)判別小波多分辨分析尺度的方法;建立了三種陀螺隨機(jī)誤差的ARMA模型,確定了相應(yīng)的ARMA模型階數(shù)和模型參數(shù)。

(2)在INS力學(xué)編排基礎(chǔ)上從誤差分析角度提出一種基于累積誤差極小值的精對(duì)準(zhǔn)方法,有效縮短了初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間;實(shí)測(cè)算例表明這種方法不受初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間的約束,在較短時(shí)間內(nèi)可以獲得較高的航向角對(duì)準(zhǔn)精度。

(3)給出了三種確定INS白噪聲譜密度的方法:直接估計(jì)法、基于小波變換的譜密度估計(jì)法和Allan方差法。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)這三種方法進(jìn)行了比較和分析。

(4)分別基于AR模型和基于ARMA模型,推導(dǎo)了GNSS/INS組合導(dǎo)航動(dòng)力學(xué)模型方程和隨機(jī)誤差模型。實(shí)測(cè)算例表明,基于AR模型和ARMA模型的 Kalman濾波精度均高于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波。

(5)提出偽距差分求解速度的方法,給出了相鄰歷元和歷元間偽距差分測(cè)速的公式,并且對(duì)其精度進(jìn)行了分析。利用實(shí)測(cè)算例對(duì)偽距差分測(cè)速的精度進(jìn)行了比較和分析,在外界環(huán)境惡劣的情況下偽距差分可以保證較高的可靠性。

(6)針對(duì)緊組合導(dǎo)航中觀測(cè)個(gè)數(shù)少、觀測(cè)值存在粗差的問題,提出通過部分狀態(tài)不符值來構(gòu)造自適應(yīng)因子的方法,給出部分狀態(tài)不符值構(gòu)造自適應(yīng)因子的過程,并與單因子自適應(yīng)濾波和分類因子自適應(yīng)濾波進(jìn)行了分析和比較。實(shí)測(cè)算例結(jié)果表明,當(dāng)觀測(cè)存在異常時(shí),由預(yù)測(cè)殘差構(gòu)造的自適應(yīng)因子不能分辨模型誤差和觀測(cè)誤差,而由部分狀態(tài)不符值構(gòu)造的自適應(yīng)因子能夠抵制觀測(cè)異常的影響,濾波結(jié)果優(yōu)于由預(yù)測(cè)殘差構(gòu)造的自適應(yīng)因子濾波結(jié)果。

(7)針對(duì)偽距、偽距率緊組合導(dǎo)航精度低、姿態(tài)角誤差修正誤差較大的缺點(diǎn),從參數(shù)可觀測(cè)性角度提出一種兩步自適應(yīng)Kalman濾波算法,推導(dǎo)了兩步自適應(yīng)抗差濾波的公式和具體步驟,并且進(jìn)行了分析和比較。實(shí)測(cè)算例結(jié)果表明,相比于標(biāo)準(zhǔn) Kalman濾波,兩步自適應(yīng)抗差濾波的導(dǎo)航精度受組合周期的長短、INS慣性元件誤差的大小影響較小,并且能夠控制動(dòng)態(tài)擾動(dòng)異常和觀測(cè)異常的影響。

(8)針對(duì)由 GNSS觀測(cè)條件不佳或觀測(cè)不足引起的誤差,在一般自適應(yīng)濾波的基礎(chǔ)之上,對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展,自適應(yīng)地調(diào)節(jié)狀態(tài)預(yù)測(cè)向量的協(xié)方差陣,使其既能控制動(dòng)態(tài)模型誤差又能抑制由GNSS觀測(cè)條件不佳引起的誤差影響。實(shí)際算例驗(yàn)證,擴(kuò)展自適應(yīng)濾波能夠很好地控制這兩種誤差的影響。

(9)在 GNSS信號(hào)失鎖時(shí),提出一種速度先驗(yàn)信息和Odometer觀測(cè)信息輔助車載INS導(dǎo)航的方法,并且對(duì)位置修正法進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)測(cè)計(jì)算結(jié)果表明,新算法可以大幅度提高載體位置和速度精度。

Error Compensation and Extension of Adaptive Filtering Theory in GNSS/INS Integrated Navigation

WU Fumei1,2
1.Institute of Surveying and Mapping ,Information Engineering University ,450052,China;2.Xi’an Research Institute of Surveying and Mapping,710054,China

1001-1595(2011)03-0401-01

P228

D

國家自然科學(xué)基金(40774001;41020144004; 41004013);衛(wèi)星導(dǎo)航與定位教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(B類)開放基金(CRC-2009003);信息工程大學(xué)博士生創(chuàng)新基金

2010-11-25

吳富梅(1981—),2010年6月獲信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院大地測(cè)量學(xué)與測(cè)量工程專業(yè)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師:楊元喜院士),研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理。

Author:WU Fumei(1981—),PhD in geodesy and surveying engineering,Institute of Surveying and Mapping,Information Engineering University,majors in kinematic geodetic data processing.

E-mail:wfm8431812@163.com