[發明專利]一種用于慣性組合導航系統中的改進混合高斯粒子濾波方法有效

申請號：	201010175813.6	申請日：	2010-05-18
公開（公告）號：	CN101852615A	公開（公告）日：	2010-10-06
發明（設計）人：	周翟和;劉建業;賴際舟;熊劍;曾慶化;趙偉;于明清;呂品	申請（專利權）人：	南京航空航天大學
主分類號：	G01C21/20	分類號：	G01C21/20;G01C21/16
代理公司：	南京經緯專利商標代理有限公司 32200	代理人：	許方
地址：	210016***	國省代碼：	江蘇;32
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摘要：
搜索關鍵詞：	一種用于慣性組合導航系統中的改進混合粒子濾波方法
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【說明書】：

技術領域

本發明是一種用于慣性組合導航系統中新的改進混合高斯粒子濾波方法，屬于多傳感器信息融合技術，是一種用于多傳感器數據融合方法。該專利內容同樣適用于慣性組合導航、目標識別與跟蹤、圖像處理、模式識別等其他多傳感器信息融合及多源數據處理應用領域。

背景技術

慣性導航系統自主導航能力強，同時系統動態性能好，數據輸出更新頻率高，在短期內導航精高。慣導的這些優點，使得它在軍事、民用等等領域有著廣泛的應用。但是由于慣導的導航參數誤差存在隨時間而積累的缺點，長時間獨立工作效果差，一般通過組合導航的方式來解決誤差積累問題。比如常見的有捷聯慣導和全球衛星定位系統構成的SINS/GPS組合導航系統，通過GPS輔助從而提高組合系統的導航性能。由于GPS輸出的位置、速度信息與時間相關，松組合存在一定的模型誤差，甚至會出現濾波發散現象。相比較而言，偽距、偽距率的深組合方式在濾波精度和系統可靠性方面有一定的優勢。在深組合模式下，有的情況觀測方程中會出現非線性環節，不便采用傳統的線性卡爾曼濾波技術直接處理。理論上，粒子濾波能適用于非高斯非線性系統，可以解決上述SINS/GPS深組合導航系統中出現的非線性濾波問題。但由于組合導航系統狀態量維數高，導航系統有實時性要求，目前大部分粒子濾波都難以在組合導航系統中直接應用。需要根據組合導航模型特點對粒子濾波算法進行適當的改進和優化，改進的目的是為了減少粒子濾波的計算量、提高濾波精度等，使其能更好的滿足組合導航系統的要求。

在SINS/GPS深組合導航系統中，當采用導航參數誤差量組成狀態方程，用GPS偽距構成觀測方程時，濾波系統中會出現混合模型。在混合模型中，狀態方程可能是線性或弱非線性的，觀測方程為一般非線性或強非線性。針對上述混合模型采用單一的濾波方法效果會受到影響，如果采用線性卡爾曼濾波或非線性的EKF或UKF，濾波精度會受到觀測方程中強非線性模型的影響。如果采用一般的粒子濾波方法，由于濾波維數高，選取的粒子數目會比較大，計算量大，難以滿足組合導航系統的實時型要求。如何在組合導航的混合模型系統中，采用混合濾波方法，把模型和多種數據處理方式有機的結合起來是組合導航系統濾波方法的難點之一，本發明專利是針對上述情況的一種有效組合導航系統數據處理方法。

發明內容

技術問題：在組合導航系統中，當狀態方程出現弱非線性，觀測方程非線性的情況下，本發明專利提出了一種新的混合濾波方法。該方法的主要思路是在GPF濾波框架下，有機的把UKF和粒子濾波有機的結合起來，在減少粒子濾波的計算量的同時，提高了系統的濾波精度。

本發明為實現上述目的，采用如下技術方案：

本發明一種用于慣性組合導航系統中的改進混合高斯粒子濾波方法，包括下列步驟：

(1)建立組合導航系統的狀態方程、觀測方程及噪聲模型；

(2)建立符合步驟(1)所述噪聲模型的高斯粒子濾波算法；

(3)組合導航系統的狀態方程為弱非線性的，采用UKF濾波方法獲取混合高斯粒子濾波狀態更新過程中的高斯分布參數，更新組合導航系統的狀態方程；

(4)采用步驟(2)所述高斯粒子濾波算法實現組合導航系統的狀態更新及其余部分解算；

(5)由導航計算機根據步驟(4)更新后的導航系統的狀態方程和觀測方程，完成組合導航的數據處理及解算。

優選地，步驟(3)所述的高斯分布參數獲取方法如下：

(a)初始化：將過程噪聲和量測噪聲增廣為狀態向量，增廣后的狀態向量為x^a，相應的采樣點向量為χ^a，P₀為原狀態向量協方差初始估計值，P_v是過程噪聲方差，P_n是量測噪聲方差，在該狀態擴展過程中，把陀螺及加速度的有色噪聲按狀態擴展法轉化為白噪聲；

(b)計算采樣點：根據狀態量χ^a及其對應的方差P^a構造一個n行，2n+1列的矩陣，用定點采樣的方式獲取代表狀態量的2n+1各Sigma點；