自适应扩展增量 Kalman 滤波方法

基于扩展增量Kalman滤波方法(EIKF)和自适应增量Kalman滤波(AIKF),建立自适应扩展增量Kalman(AEIKF)模型及其分析方法,给出递推算法.在许多实际情况(如深空探测),由于环境因素的影响、测量设备的不稳定性等原因,量测方程往往存在未知的系统误差,并且模型参数也具有不确定性,结果导致较大的Kalman滤波误差,影响滤波的收敛性.提出的AEIKF方法能够成功消除这种未知的系统误差,并能够实时估计变化的噪声统计量,提高Kalman滤波精度.该方法计算简单,便于工程应用.      

无迹增量滤波方法

提出无迹增量滤波(UIF)的概念,建立一般无迹增量滤波模型及其分析方法,并对具有加性噪声的无迹增量滤波进行了详细讨论,给出其递推算法.在工程实际中,由于环境因素的影响、测量设备的不稳定性、模型和参数的选取不当等原因往往带来未知的系统误差.在这种情况下,传统的无迹Kalman滤波方法(UKF)在递推过程中会产生较大误差,甚至导致发散.提出的无迹增量滤波方法能够成功消除这种未知的系统误差,提高滤波的精度.该方法计算简单,便于工程应用.      

自适应增量 Kalman 滤波方法

提出自适应增量Kalman滤波(AIKF)的概念和定义,建立自适应增量Kalman滤波模型及其分析方法,给出主要的计算步骤.传统自适应Kalman滤波(AKF)方法能够对事先未知的系统噪声和量测噪声的统计量进行有效的估计.但是,传统自适应Kalman滤波方法也无法对由于环境因素(如深空探测)的影响、测量设备的不稳定性等原因产生的未知时变测量系统误差进行补偿和校正,从而产生较大的滤波误差,甚至导致发散.提出的自适应增量Kalman滤波方法不但能够对系统噪声和量测噪声的统计量进行估计,而且还能成功消除这种测量系统误差,有效地提高滤波精度.该方法计算简单,便于工程应用.      

欠观测条件下的扩展增量 Kalman 滤波方法

建立欠观测条件下的非线性增量量测方程,并给出其线性化方法,在此基础上提出一种欠观测条件下的扩展增量Kalman滤波(EIKF)模型及其递推算法.工程实际中,由于环境因素的影响、测量设备的不稳定性等原因往往带来未知的系统误差,传统的扩展Kalman滤波(EKF)无法对这种未知的系统误差进行补偿和校正,结果产生较大的滤波误差,甚至导致发散.提出的扩展增量Kalman滤波方法能够成功地消除测量的系统误差,从而有效地提高非线性滤波的精度.该方法计算简单,便于工程应用.      

自适应增量粒子滤波方法

提出自适应增量粒子滤波(AIPF)的概念和定义,建立AIPF模型,给出了分析方法和主要的计算步骤.对于许多实际工程(如深空探测)中存在的由未知系统误差的影响而无法精确建立量测似然函数及滤波过程中的粒子匮乏等问题,通过增量粒子滤波模型对滤波过程中的粒子数进行自适应调整,从而消除这种未知系统和滤波粒子匮乏的影响,自动调整粒子,提高非线性滤波的精度.仿真计算中,滤波误差均值和方差分别降低为原来的3.8%和19.6%.该方法有效地改善了滤波效果,计算简单,便于工程应用.      

增量粒子滤波方法

提出增量粒子滤波的概念,建立增量粒子滤波模型及其分析方法,给出其算法.对于工程实际中存在的由未知系统误差的影响而无法精确建立量测似然函数的这一问题,提出增量粒子滤波方法,通过对带有未知系统误差的量测数据进行校正,获得精确的量测似然函数,建立精确的增量粒子滤波模型,从而消除这种未知系统误差的影响,减少重采样的次数,较好地保存了粒子的多样性,提高非线性滤波的精度.模拟仿真中,重采样的次数减少41.7%,滤波误差均值和均方根误差分别降低了45.3%和70.1%,有效地改善了滤波的效果.      

自适应UKF在北斗定位算法中的应用

北斗导航系统发展日益成熟,介绍了北斗定位解算与GPS解算的差异,针对扩展Kalman滤波(Extended Kalman Filter,EKF）算法在北斗解算过程中容易引入非线性误差,无迹Kalman滤波(Unscented Kalman Filter,UKF）算法受初值和系统噪声影响较大问题,提出了一种自适应无迹Kalman滤波(Adaptive Unscented Kalman Filter,AUKF）北斗定位解算算法。该算法利用观测残差信息构建自适应渐消矩阵,消除量测噪声异常带来的影响,同时提高了滤波精度。实验表明,与EKF和UKF定位解算算法相比,AUKF算法在定位精度和对系统噪声鲁棒性方面都有所提高,是一种可靠稳定的北斗定位算法。     

自校准Kalman滤波方法

提出一种自校准Kalman滤波方法(SKF),建立SKF模型及其滤波递推算法.在深空探测、发动机故障诊断等许多工程实际中,由于未知输入(如突风、故障、未知的系统误差等)的影响,传统的Kalman滤波方法在滤波递推过程中会产生较大误差.文中提出的自校准Kalman滤波方法能够自动补偿这种未知输入的影响,提高滤波精度.从某飞行器仿真中可以看到,SKF的滤波误差均值和方差分别比传统的Kalman滤波方法降低了400%和300%以上,有效地改善了滤波效果.并且该方法计算简单,便于工程应用.     

自校准扩展Kalman滤波方法

提出一种自校准扩展Kalman滤波(SEKF)方法,针对3种含有未知输入(如未知系统误差、突风、故障等)的不同的非线性系统模型,分别给出了滤波递推算法.在导航、信号处理、故障诊断等领域的许多非线性工程中,传统的扩展Kalman滤波(EKF)方法无法消除未知输入的影响,在滤波过程中往往产生较大误差甚至发散.提出的SEKF方法能够对这种未知输入进行补偿和修正,从而提高滤波精度.数值仿真算例表明:SEKF的滤波误差均值和标准差分别减少到传统EKF的1/12和1/4,有效地改善了滤波精度.并且该方法计算简单,便于工程应用.      

强跟踪滤波在高超声速滑翔目标跟踪中的应用

高超声速滑翔目标(HGT)机动模式复杂多样、轨迹形态灵活多变,增加了跟踪模型建模的不确定性,导致目标跟踪的精度低。为了提高跟踪精度,提出了一种基于强跟踪滤波的高超声速滑翔目标跟踪方法。首先,在地基雷达坐标系下建立目标运动模型和量测模型,利用维纳随机过程来表征运动模型中未知项的变化特性。其次,采用强跟踪无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对目标运动状态进行估计,提高模型不确定性存在时滤波器的状态跟踪能力。最后,利用目标常用的基于标准轨迹的制导方法生成了一条可行飞行轨迹。仿真结果表明,该方法的跟踪精度高,强跟踪滤波能够有效降低模型不确定性存在时的状态估计误差。     

非线性状态方程自校准滤波方法

针对工程实际中遇到的非线性系统状态方程中含未知输入（如环境因素的影响、模型和参数选取不当等）的情况,采用自校准技术,基于秩滤波与无迹Kalman滤波算法提出了一种非线性状态方程自校准滤波方法,并分别讨论了自校准秩滤波(SRF)与自校准无迹Kalman滤波(SUKF)两种情况。大量仿真结果和工程应用表明:与无迹Kalman滤波(UKF)相比,该方法通过对系统状态方程中的未知输入进行自动估计和补偿,改善了系统受未知输入影响下的滤波效果,从算例中可以看到,估计精度至少提高了80%,且计算简单,便于工程应用。      

Quadratic extended Kalman filter approach for GPS/INS integration

GPS/INS integration system has been widely applied for navigation due to their complementary characteristics. And the tightly coupled integration approach has the advantage over the loosely coupled approach by using the raw GPS measurements, but hence introduces the nonlinearity into the measurement equation of the Kalman filter. So the typical method for navigation using measurements of range or pseudorange is by linearizing the measurements in an extended Kalman filter (EKF). However, the modeling errors of the EKF will cause the bias and divergence problems especially under the situation that the low quality inertial devices are included. To solve this problem, a quadratic EKF approach by adding the second-order derivative information to retain some nonlinearities is proposed in this paper. Simulation results indicate that the nonlinear terms included in the filtering process have the great influence on the performance of integration, especially in the case that the low quality INS is used in the integrated system. Furthermore, a two-stage cascaded estimation method is used, which circumvents the difficulty of solving nonlinear equations and greatly decreases the computational complexity of the proposed approach, so the quadratic EKF approach proposed in this paper is of great value in practice.     

基于可观测性分析的旋转式惯导系统在线自标定方法的设计

本文建立了速度误差外观测量的静基座双轴旋转式惯导系统在线标定卡尔曼滤波模型,其状态向量包括地速误差、姿态失准角和惯性器件零偏、标度因数误差、安装误差,可估计旋转式惯导系统失准角与惯性器件误差参数。通过分段线性定常系统(PWCS)可观测性分析方法分析不同旋转方式下系统可观测性变化情况,得出双轴连续旋转的角运动方案可以改善卡尔曼滤波滤波的可观测性。根据基于奇异值分解的可观测度分析结果进行模型降阶,同时结合旋转式惯导系统的工程应用特性,得到12阶卡尔曼滤波参数模型。降阶系统阶数降低约55%,可以显著降低运算量,有效提高了导航计算机运算效率和实时性。仿真实验表明：降阶模型的估计精度不低于原模型,而且部分状态量的滤波收敛速度有提高。