GNSS/INS組合導航誤差補償與自適應濾波理論的拓展

吳富梅

1.信息工程大學測繪學院,河南鄭州450052;2.西安測繪研究所,陜西西安710054

GNSS/INS組合導航誤差補償與自適應濾波理論的拓展

吳富梅1,2

1.信息工程大學測繪學院,河南鄭州450052;2.西安測繪研究所,陜西西安710054

對GNSS/INS組合導航誤差補償與自適應濾波理論進行了系統而深入的研究。針對GNSS/INS組合導航實際應用中存在的隨機模型不精確、GNSS觀測條件不佳、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、自適應濾波、誤差模型修正等算法,對其進行改進并進一步提高了導航精度和可靠性。論文的主要工作和創新點概括如下:

(1)對INS隨機誤差進行了系統的分析和處理;分析和比較了陀螺信號中幾種性質不同的隨機誤差在功率譜密度和Allan方差上不同的特性和表現形式;對三種陀螺實測信號中的隨機誤差進行了分析,給出這些陀螺信號中存在的主要噪聲類型及其相應的系數;通過對分解后高頻系數進行檢驗,給出了一種自動判別小波多分辨分析尺度的方法;建立了三種陀螺隨機誤差的ARMA模型,確定了相應的ARMA模型階數和模型參數。

(2)在INS力學編排基礎上從誤差分析角度提出一種基于累積誤差極小值的精對準方法,有效縮短了初始對準時間;實測算例表明這種方法不受初始對準時間的約束,在較短時間內可以獲得較高的航向角對準精度。

(3)給出了三種確定INS白噪聲譜密度的方法:直接估計法、基于小波變換的譜密度估計法和Allan方差法。利用實測數據對這三種方法進行了比較和分析。

(4)分別基于AR模型和基于ARMA模型,推導了GNSS/INS組合導航動力學模型方程和隨機誤差模型。實測算例表明,基于AR模型和ARMA模型的 Kalman濾波精度均高于根據經驗設定參數的標準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速的公式,并且對其精度進行了分析。利用實測算例對偽距差分測速的精度進行了比較和分析,在外界環境惡劣的情況下偽距差分可以保證較高的可靠性。

(6)針對緊組合導航中觀測個數少、觀測值存在粗差的問題,提出通過部分狀態不符值來構造自適應因子的方法,給出部分狀態不符值構造自適應因子的過程,并與單因子自適應濾波和分類因子自適應濾波進行了分析和比較。實測算例結果表明,當觀測存在異常時,由預測殘差構造的自適應因子不能分辨模型誤差和觀測誤差,而由部分狀態不符值構造的自適應因子能夠抵制觀測異常的影響,濾波結果優于由預測殘差構造的自適應因子濾波結果。

(7)針對偽距、偽距率緊組合導航精度低、姿態角誤差修正誤差較大的缺點,從參數可觀測性角度提出一種兩步自適應Kalman濾波算法,推導了兩步自適應抗差濾波的公式和具體步驟,并且進行了分析和比較。實測算例結果表明,相比于標準 Kalman濾波,兩步自適應抗差濾波的導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,并且能夠控制動態擾動異常和觀測異常的影響。

(8)針對由 GNSS觀測條件不佳或觀測不足引起的誤差,在一般自適應濾波的基礎之上,對其進行擴展,自適應地調節狀態預測向量的協方差陣,使其既能控制動態模型誤差又能抑制由GNSS觀測條件不佳引起的誤差影響。實際算例驗證,擴展自適應濾波能夠很好地控制這兩種誤差的影響。

(9)在 GNSS信號失鎖時,提出一種速度先驗信息和Odometer觀測信息輔助車載INS導航的方法,并且對位置修正法進行了改進。實測計算結果表明,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

國家自然科學基金(40774001;41020144004; 41004013);衛星導航與定位教育部重點實驗室(B類)開放基金(CRC-2009003);信息工程大學博士生創新基金

2010-11-25

吳富梅(1981—),2010年6月獲信息工程大學測繪學院大地測量學與測量工程專業博士學位(指導教師:楊元喜院士),研究方向為動態大地測量數據處理。

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