[發明專利]在能觀測性方面受約束的導航狀態的估計方法

有效

• 申請號: 201580064753.1
• 申請日: 2015-10-23
• 公開（公告）號: CN107110650B
• 公開（公告）日: 2018-07-10
• 發明（設計）人: 蒂里·佩多
• 申請（專利權）人: 賽峰電子與防務公司
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16
• 代理公司: 北京派特恩知識產權代理有限公司 11270
• 代理人: 徐川;姚開麗

提出了一種根據擴展卡爾曼濾波器方法對移動載體的有多個變量的導航狀態進行估計的方法，包括以下步驟：采集變量中的至少一個變量的測量值，根據先前的估計狀態、觀測矩陣、轉移矩陣和所采集的測量值進行擴展卡爾曼濾波(400)以產生當前估計狀態和協方差矩陣，協方差矩陣在導航狀態的空間中界定了誤差的區域，其特征在于，方法包括在轉移矩陣和觀察矩陣在被用于擴展卡爾曼濾波之前，對轉移矩陣和觀察矩陣進行調整(310，330)，以使得調整后的矩陣驗證能觀測性條件，能觀測性條件取決于載體的狀態變量中的至少一個，其中，能觀測性條件適于防止卡爾曼濾波器減小區域沿狀態空間的至少一個不可觀測軸的尺寸，其中，待通過調整后的轉移矩陣和觀測矩陣驗證的能觀測性條件為與轉移矩陣和觀測矩陣相關聯的能觀測性矩陣的核的零維數，并且其中，調整包括：根據先前的估計狀態計算(301)不可觀測向量的至少一個初級基，針對每個待調整的矩陣，根據向量的初級基計算(306，308)與每個矩陣相關聯的至少一個矩陣差，根據與每個待調整的矩陣相關聯的矩陣差，對每個待調整的矩陣偏移(330)以驗證能觀測性條件。

技術領域

本發明涉及慣性導航單元領域。

本發明更特別地涉及一種用于使用擴展卡爾曼濾波器(在文獻中通常縮寫為EKF)來估計移動載體的導航狀態的方法，以及適于執行該方法的慣性單元。

背景技術

慣性導航單元(INS)是被設計成實時提供關于載體設備的狀態的信息的裝置：載體設備的位置、載體設備的速度、載體設備的方向等等。該信息可以用來引導載體。

已知的用于估計上述狀態的方法包括在慣性單元中操作擴展卡爾曼濾波器，該擴展卡爾曼濾波器通過將來自慣性傳感器(加速度計、陀螺儀)和適于載體的類型的非慣性傳感器(里程表、氣壓-高度表、多普勒雷達、GPS接收機等) 的數據進行結合來提供載體的估計狀態。慣性數據起到控制的作用，而非慣性數據起觀測的作用。

卡爾曼濾波器為一種典型地包括隨時間推移重復的預測步驟和更新步驟的算法：預測步驟根據先前的狀態和輸入的命令計算當前狀態；更新步驟通過觀測來細化當前狀態。預測計算基于傳播方程，該傳播方程根據狀態和命令對狀態的動態(dynamique)進行建模。更新計算基于觀測方程，該觀測方程根據狀態對觀測進行建模。

在卡爾曼濾波器中，傳播方程和觀測方程是線性的，并且假設矩陣的形式不依賴于估計的狀態。

在擴展卡爾曼濾波器中，這些方程中的至少一個是非線性的。通過采用傳播步驟和更新步驟使這些函數線性化來實現數據融合。因此，該計算通過使用取決于所估計的狀態的矩陣來進行。

擴展卡爾曼濾波器可以被認為是在擴展卡爾曼濾波器內進行非線性計算以及在卡爾曼濾波器中執行的線性計算兩者的算法。在下文中，將通過非線性傳播方程產生的狀態將稱為“總體狀態”。將通過卡爾曼濾波器估計的狀態稱為“線性化狀態”。可以使用在時間同步步驟期間被線性化的狀態承載的信息來校正總體狀態。

(擴展或不擴展)卡爾曼濾波器還通過考慮對由許多因素(諸如所使用的慣性傳感器的初始誤差和噪聲)造成的統計誤差的估計來計算與對狀態的估計相關聯的誤差裕度。在任何給定時刻的統計誤差可以是狀態空間中的點云的形式，每個點與可能的實現(réalisation)對應。為了估計該誤差裕度，該單元具有任何時間以零平均值和協方差矩陣表征的誤差的高斯統計模型。協方差矩陣在狀態空間中限定了橢圓體積的包絡，該包絡以零誤差為中心，并且包含在狀態空間的各方向上估計的99.97％誤差。該包絡在下文中被稱為“3sigma包絡”。

真實的誤差統計律是未知的并且由另一3sigma包絡來表征。通常，該包絡不以零為中心，并且其形狀是非橢圓形的。

圖1示出了在卡爾曼濾波器的不同迭代處的估計3sigma包絡和真實3sigma 包絡的演變。真實3sigma包絡必須被包含在估計3sigma包絡中。這構成了任何時候都要遵守的并針對系統的隨機變量的全部實現的連續性準則。