易清明 陸景龍 石 敏
暨南大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 廣州 510632
單一的導(dǎo)航系統(tǒng)有著本身無法克服的缺點(diǎn),近年來,融合多個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)越來越受到關(guān)注,成為研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-3]。全球定位系統(tǒng)(GPS)可以實(shí)時(shí)地提供全天候、高精度的位置和速度信息,但是在森林、多山地區(qū)、隧道和城市峽谷等場(chǎng)景則無法進(jìn)行定位導(dǎo)航[2-4];慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)具有自主導(dǎo)航的特點(diǎn),但是誤差會(huì)隨著時(shí)間累積,無法保證導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確性[1,4-5]。GPS觀測(cè)值可以抑制INS系統(tǒng)的漂移,而INS系統(tǒng)則對(duì)GPS導(dǎo)航結(jié)果進(jìn)行了平滑并補(bǔ)償信號(hào)中斷,GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合2種技術(shù)優(yōu)勢(shì),提供連續(xù)、高帶寬和高精度完整的導(dǎo)航信息[4-6]。卡爾曼濾波器在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用,在系統(tǒng)模型確定的情況下,利用貝葉斯估計(jì)理論以及迭代理論可以得到最小均方誤差(MMSE)意義下的最優(yōu)濾波效果。然而,有時(shí)無法獲取精確的實(shí)際模型或受到多種因素的干擾導(dǎo)致觀測(cè)噪聲不確定,這將影響參數(shù)估計(jì)的精度和可靠性,甚至導(dǎo)致濾波結(jié)果發(fā)散[1,3,6]。解決系統(tǒng)模型不確定、噪聲干擾等問題的一個(gè)有效途徑是采用自適應(yīng)濾波技術(shù)[1,7-10]。
針對(duì)以上問題,文獻(xiàn)[8]提出了基于貝葉斯方差估計(jì)的自適應(yīng)算法,文獻(xiàn)[10-14]提出自適應(yīng)漸消濾波算法,文獻(xiàn)[15]提出抗粗差自適應(yīng)濾波。文獻(xiàn)[5,16-20]提出基于信息估計(jì)的自適應(yīng)算法,但是當(dāng)誤差矩陣以及測(cè)量矩陣均未知時(shí),導(dǎo)致結(jié)果不確定。對(duì)此,文獻(xiàn)[1,7]提出多模型自適應(yīng)算法,文獻(xiàn)[13-14]基于遺傳學(xué)自適應(yīng)算法,可以進(jìn)一步解決以上問題,但是計(jì)算量巨大,建立模型過程復(fù)雜。
漸消卡爾曼濾波器通過漸消因子減少過去噪聲與當(dāng)前噪聲的相關(guān)性,對(duì)不確定的模型也能進(jìn)行很好的濾波[6-9]。在噪聲干擾少、匹配性好的情況下,漸消因子的“漸消”速度慢,否則,“漸消”速度加快[1,4,20]。自適應(yīng)卡爾曼濾波器通過自適應(yīng)因子調(diào)整增益[5,10-14]。為了減少外界噪聲以及模型不確定性,需要同時(shí)調(diào)整漸消因子和自適應(yīng)因子。由于是單一因子只能進(jìn)行整體調(diào)整,無法精確調(diào)整各個(gè)通道,使調(diào)整結(jié)果不精確[1-5,16-18]。
本論文提出一種2步自適應(yīng)濾波算法:1)構(gòu)造多重漸消因子減少對(duì)過去信息的記憶長(zhǎng)度,同時(shí)保證誤差協(xié)方差的對(duì)稱性;2)利用多重自適應(yīng)因子精確調(diào)整通道增益,降低噪聲干擾,克服系統(tǒng)模型不確定的影響。多重自適應(yīng)因子和多重漸消因子可以限制濾波器的記憶長(zhǎng)度,增加當(dāng)前觀測(cè)數(shù)據(jù)權(quán)重,對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行精確調(diào)整,其中關(guān)鍵問題是多重因子的定義。
卡爾曼濾波是導(dǎo)航系統(tǒng)中大多數(shù)狀態(tài)估計(jì)算法的基礎(chǔ)。卡爾曼濾波器之所以能夠獲得最小均方誤差(MMSE)意義下的最優(yōu)濾波效果,關(guān)鍵是對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建立合理、準(zhǔn)確的模型。
卡爾曼濾波器在得到有效信息后,利用系統(tǒng)參數(shù)的確定特性和統(tǒng)計(jì)特性等先驗(yàn)知識(shí)及觀測(cè)結(jié)果來獲得最優(yōu)估計(jì)。在提供初始值的基礎(chǔ)上,用先驗(yàn)值和最新觀測(cè)數(shù)據(jù)中得到的新值的加權(quán)平均更新狀態(tài)估計(jì)[6]。首先,介紹系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測(cè)方程。
系統(tǒng)狀態(tài)方程表示為[7]:
Xk=Φk,k-1Xk-1+wk
(1)
觀測(cè)方程表示為:
Zk=HkXk+vk
(2)
式中,Xk∈Rn是被估計(jì)狀態(tài)向量;Φk,k-1∈Rn×n是k-1到k時(shí)刻的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;Zk∈Rm是觀測(cè)向量;Hk∈Rm×n是觀測(cè)矩陣;wk和vk分別是系統(tǒng)噪聲和觀測(cè)噪聲,均為零均值白噪聲,其協(xié)方差分別是Qk和Rk;其中要求Xk,wk和vk三者互不相關(guān)。
接下來,介紹標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器遞推方程[6],式(3)~(7)不僅描述了卡爾曼濾波遞推公式,同時(shí)也描述濾波器的工作流程。
Xk,k-1=Φk,k-1Xk-1,k-1
(3)
(4)
(5)
Xk,k=Xk,k-1+Kk(Zk-HkXk,k-1)
(6)
Pk,k=(I-KkHk)Pk,k-1
(7)
式中,Pk是Xk的協(xié)方差矩陣,在GPS/INS組合系統(tǒng)中則為誤差協(xié)方差矩陣,對(duì)角線元素為各個(gè)狀態(tài)的方差,非對(duì)角元素表示不同狀態(tài)估計(jì)誤差之間的相關(guān)性;I是單位矩陣;Kk是增益矩陣,它的大小體現(xiàn)了實(shí)際的觀測(cè)數(shù)據(jù)在估計(jì)中的作用。當(dāng)已知初值X0和P0,再利用k時(shí)刻的觀測(cè)值Zk進(jìn)行更新,就可以得到k時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量Xk[5-8]。
自適應(yīng)卡爾曼濾波器跟蹤參數(shù)變化而進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整,被視為解決模型不確定的一種主要途徑。這里介紹2種主要的自適應(yīng)卡爾曼濾波器。
漸消卡爾曼濾波器與標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器的不同在于引入漸消因子λk,增加新數(shù)據(jù)在迭代中的作用,減少舊數(shù)據(jù)的權(quán)重。其誤差協(xié)方差變成如下形式[5-9]:
(8)
基于殘差定義一步最佳漸消因子λk如下[8-10]:
γk=Zk-HkXk,k-1
(9)
(10)
(11)
(12)

漸消因子λk的作用是減少觀測(cè)值對(duì)遞推過程中系統(tǒng)建模不確定性和噪聲特性未知對(duì)濾波的影響。當(dāng)殘差γk誤差增大時(shí),引起殘差序列自協(xié)方差增大,漸消因子λk相應(yīng)增大,抑制噪聲影響,以抑制濾波發(fā)散[7-10]。
在傳統(tǒng)卡爾曼濾波中存在2點(diǎn)不足:1)缺少冗余觀測(cè)信息時(shí),導(dǎo)致卡爾曼濾波的穩(wěn)定性和效率下降,誤差增大;2)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)少于4顆時(shí),無法用GPS系統(tǒng)糾正INS的精度。針對(duì)這2個(gè)問題,引入自適應(yīng)因子。
引入自適應(yīng)因子αk(0<αk≤1)后的增益方程,變成如下形式:
(13)
自適應(yīng)因子αk有2種確定方法:基于預(yù)測(cè)狀態(tài)和基于殘差。基于殘差的方法更適合在GPS/INS松耦合系統(tǒng)中使用,因此,文中采用基于殘差的方法確定自適應(yīng)因子αk:
(14)
(15)
(16)

通過上節(jié)分析可知,單一漸消因子和自適應(yīng)因子可以降低噪聲的干擾,但是只能進(jìn)行整體調(diào)整,不能精確濾波[15-17],這里提出一種改進(jìn)的自適應(yīng)濾波算法,即兩步自適應(yīng)濾波算法。在GPS/INS組合系統(tǒng)中,狀態(tài)變量Xk是一組多維向量矩陣,含有多個(gè)狀態(tài)變量,當(dāng)存在外界噪聲干擾時(shí),需要一個(gè)因子矩陣進(jìn)行逐個(gè)精確調(diào)整,即λk和αk都應(yīng)該是一個(gè)因子矩陣,但按上述方法,λk和αk實(shí)際上是一個(gè)數(shù)值,只對(duì)整個(gè)協(xié)方差矩陣Pk和增益矩陣Kk進(jìn)行整體調(diào)整,并沒有對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行調(diào)整,導(dǎo)致調(diào)整效果不佳。為此,論文引入多重因子,它可以精確調(diào)整各個(gè)通道,而不是平均調(diào)整。其中關(guān)鍵是多重漸消因子和自適應(yīng)因子的定義。
兩步自適應(yīng)濾波算法的基本思想是:第1步利用多重漸消因子抑制噪聲,減少記憶長(zhǎng)度,減少噪聲相關(guān)性,減少模型偏差;第2步利用多重增益因子調(diào)整卡爾曼增益矩陣,優(yōu)化濾波結(jié)果。
把狀態(tài)預(yù)測(cè)協(xié)方差矩陣Pk,k-1寫成如下形式:
(17)

把式(17)帶入式(15)中,得到:

(18)

以Λ為優(yōu)化變量,采用Frobenius范數(shù)的平方表示代價(jià)函數(shù),如下:
(19)


(20)
其中,

(21)
式(21)對(duì)Λk進(jìn)行微分,考慮到β為反對(duì)稱矩陣,有:
(22)
求取代價(jià)函數(shù)J(Λ)的最小值,則有:
(23)
由于多重漸消因子Λk為對(duì)角矩陣,聯(lián)合式(21)和式(23),得到:
(24)
由于僅對(duì)誤差協(xié)方差矩陣的對(duì)角元素進(jìn)行加權(quán),其仍然滿足MMSE準(zhǔn)則,因此仍然有MMSE條件下的最優(yōu)解。不論是單一漸消因子還是多重漸消因子都是依據(jù)殘差定義[16-17],單一因子僅能對(duì)整體進(jìn)行平均調(diào)整,而多重自適應(yīng)因子可以精確調(diào)整各個(gè)通道的權(quán)重,可以獲得精確的濾波效果。
引入多重自適應(yīng)因子后,式(13)變?yōu)槿缦滦问剑?/p>
(25)
在k時(shí)刻的多重自適應(yīng)因子αk為對(duì)角矩陣,表示為:
(26)
推廣式(14)~(16)的自適應(yīng)因子的定義,可以得到多重自適應(yīng)因子的定義:
(27)
(28)
diag(·)是對(duì)角矩陣,對(duì)于矩陣而言,diag(·)即把矩陣主對(duì)角元素構(gòu)成對(duì)角矩陣;di為Dk對(duì)角矩陣上的第i個(gè)元素。
基于殘差定義的多重自適應(yīng)因子可以直接對(duì)增益矩陣進(jìn)行多通道、精確調(diào)整,降低噪聲的干擾,增加真實(shí)觀測(cè)對(duì)濾波器的調(diào)整作用,避免使用多個(gè)平行卡爾曼濾波器。
依據(jù)殘差進(jìn)行定義的多重自適應(yīng)因子,可以滿足調(diào)整各通道增益的需求。當(dāng)存在粗差時(shí),第1步多重漸消因子可以減少粗差干擾,降低觀測(cè)異常的影響,修正模型;第2步多重自適應(yīng)因子調(diào)整卡爾曼濾波增益,降低噪聲影響,濾波效果得到提高[14-15]。
為了驗(yàn)證算法,GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用松耦合方式。松耦合方式采用速度、位置的組合形式,以GPS的位置和速度作為參考值,以INS和GPS系統(tǒng)的位置和速度差值作為觀測(cè)值,由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工程易于實(shí)現(xiàn),因此獲得廣泛使用。
組合導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在一臺(tái)測(cè)試車輛上,如圖1所示,圖1中的圖a為搭載組合系統(tǒng)車輛的示意圖,b為組合系統(tǒng)平臺(tái),固定在車上的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上,c為GPS接收機(jī),它的天線安裝在車頂部(保證能搜到4顆星),d表示INS固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)底部,與車輛相對(duì)靜止,Y軸指向車前進(jìn)方向,Z軸正方向指向天向,根據(jù)右手法則確定Y軸,如圖1(a)所示。

圖2 部分車輛測(cè)試路線
測(cè)試車輛在廣州天河區(qū)進(jìn)行道路測(cè)試,以北緯22.7°,東經(jīng)113.6°為起點(diǎn),行駛1h,回到起點(diǎn),部分測(cè)試路線如圖2所示。由于數(shù)據(jù)量巨大,為了減少數(shù)據(jù)量,提高處理速度,截取60s的一段數(shù)據(jù),包括直線和90°轉(zhuǎn)彎。獲取的數(shù)據(jù)在MATLAB 12.0環(huán)境下進(jìn)行仿真驗(yàn)證。平臺(tái)硬件采用加拿大NovAtel公司基于OEM6的LCI系列產(chǎn)品,它采用SPAN技術(shù),可以獲得連續(xù)的速度、位置、姿態(tài)信息,滿足高精度、高穩(wěn)定性的需求,表1給出INS的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 INS的主要技術(shù)參數(shù)
這里給出標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器與3種自適應(yīng)卡爾曼濾波器的對(duì)比:漸消卡爾曼濾波器,常規(guī)自適應(yīng)卡爾曼濾波器以及改進(jìn)后的自適應(yīng)卡爾曼濾波器。
值得注意的是,論文中采用松耦合的組合導(dǎo)航直接獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)為位置和速度,濾波效果對(duì)位置、速度反映靈敏,在姿態(tài)上則不明顯。由于論文篇幅受限,這里以北、東及地速度誤差結(jié)果對(duì)比進(jìn)行說明。
圖3~5分別為4種算法在北、東、地方向上的速度誤差對(duì)比。實(shí)驗(yàn)?zāi)M路線既有直線路段,也有90°轉(zhuǎn)彎,覆蓋實(shí)際路況。在開始的2s內(nèi),由于濾波器還無法進(jìn)行跟蹤,因此出現(xiàn)從負(fù)值大幅度跳動(dòng)到正值的情況,之后則正常跟蹤。
從圖3~4的仿真結(jié)果可以看出,原始卡爾曼濾波出現(xiàn)1個(gè)較大上下波動(dòng),1個(gè)較低的波谷以及2個(gè)較高的波峰,漸消卡爾曼濾波器和自適應(yīng)濾波器相對(duì)原始卡爾曼濾波的波動(dòng)小,在車輛速度變化時(shí),波動(dòng)較小,在波峰波谷部分有明顯改進(jìn),說明這2種算法可以較好地抑制噪聲干擾。改進(jìn)的自適應(yīng)算法的跟蹤性最好,誤差波動(dòng)更小,尤其在圖4的東向速度分量中可以看出。改進(jìn)的自適應(yīng)算法分2步進(jìn)行濾波,并且以多重因子代替單因子,可以較好地抑制噪聲,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)增益,濾波效果得到較好的改進(jìn),速度誤差波動(dòng)較小,跟蹤性能較強(qiáng),收斂趨勢(shì)更加迅速,穩(wěn)定性得到提高。圖4是在地向速度誤差對(duì)比,3種方法都對(duì)原始濾波有優(yōu)化,但是由于沒有高度計(jì)輔助觀測(cè),原始數(shù)據(jù)誤差較大,優(yōu)化效果差別不是很明顯。當(dāng)路線長(zhǎng)度增加,相應(yīng)數(shù)據(jù)增加或存在粗差時(shí),多重因子可以控制各個(gè)通道進(jìn)行精確濾波,提高濾波器的穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 北向誤差對(duì)比

圖4 東向誤差對(duì)比

圖5 地向誤差對(duì)比
單因子的漸消卡爾曼濾波器和自適應(yīng)卡爾曼濾波器可以部分解決噪聲模型抖動(dòng)和偏差問題,但只能進(jìn)行整體、平均調(diào)整,不能精確調(diào)整各個(gè)通道。本論文提出的2步自適應(yīng)卡爾曼濾波算法,構(gòu)造基于殘差協(xié)方差估計(jì)的多重漸消因子和自適應(yīng)因子,精確調(diào)整誤差協(xié)方差矩陣和增益矩陣的各個(gè)通道,克服動(dòng)態(tài)環(huán)境下跟蹤性差的局限性。實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果表明,改進(jìn)后的自適應(yīng)卡爾曼濾波算法可以精確調(diào)整各通道,增強(qiáng)系統(tǒng)的定位精度和魯棒性、多變量跟蹤能力,對(duì)算法改進(jìn)以及實(shí)際應(yīng)用有一定指導(dǎo)意義。
參 考 文 獻(xiàn)
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