容错联邦强跟踪卡尔曼滤波算法在组合导航中的应用研究

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图 １ 联 邦强跟踪 卡尔曼滤 波器的结构
＊ 收稿 日期 ：０ １ ５ ８ ２ １ 一Ｏ —１ 基金项 目： 山东省 自然科 学基金项 目（ ２ ０ Ｇ ４ Ｙ ０７ ６ ） 作者简介 ： 马云峰 （９ ７ ， 山东临朐人 ， １６ 一） 男， 潍坊 学院信息与控制工程学院教授 ， 工学博士。研究方向： 组合导航技 术。
中图分类 号 ： ４． ２ Ｖ２９３
１ 引 言
文 献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ：６ １ ４ ８ （０ １Ｏ —０ １ 一０ １７ － ２８２ １ ）６ ｌＯ ６
Ｋａｍａ ｌ ｎ滤波 技术 已经 广泛 地应用 于组 合导航 系统 中 ， 但在 ＭＳＮＳＧＰ Ｉ ／ Ｓ浅组 合 中采用 经典 的集 中式 卡尔 曼滤 波器 还存 在着 滤波 的实 时性 、 波稳 定性 、 Ｓ速度跳 变等 问题 。 滤 ＧＰ １８ ９ ８年 Ｃ ｒ ｏ 出 了用 于容 错 系统 的联邦 卡尔 曼滤 波器信 息 融合算法 ， ａｌ ｎ提 ｓ 由于联 邦 滤波 器设 计 灵 活 、 计算 量小 、 错性 能好 而备受 重视 ［ ， 容 卜 这种 算法 的特 点是 采用 不 同 的信息 分 配策 略 可 以获得 不 同容 错 性 能 的组合 导航 系统 ， 这种 化整 为零 的估计 方法 十分 适合 于多 导航数 据处 理器 进行并 行 计 算 ， 而 提 高整 个 从 系统 的实 时性 。考 虑 到 ＧＰ Ｓ输 出的位置 和 速度测 量 值是 相关 的 ， 而且 ＧＰ Ｓ的速度 有 时会 发生 突跳 ， 采 若
速度 子滤 波器 与位 置子 滤 波器 的状 态变量 相 同 ， 为 Ｘ。 ￡ 设 （）
（） ４ （） ５
Ｘ２￡一［ ） 《 ｌ （） （ ２ ２ ２ ） ）
乩
ｅ ￡ ￡ ｋ
］
（ ６）
速度子 滤 波器状 态 方程 与纯 惯导 系统 的状 态方 程形 式 也相 同 ， 即为
第 ｌ 第６ １卷 期
２ １年 ｌ ０１ ２月
潍坊 学院学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷ ｅｆｎ Ｊｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ａ ｉ ｇ［ ｎｖ ｒｉｙ ｏ ａ
Ｖｏ． 】Ｎｏ ６ １１ ．
Ｄｅ ． ０ １ ｃ ２ １
容错联 邦强跟踪卡尔曼滤波算法在组合 导航中 的应用研究
马 云峰
（ 潍坊 学 院 ，山东
故 障 隔 离， 而使 系统 具有 良好 的 容错 能 力。仿 真 结 果表 明 ， 邦 强跟 踪 卡 尔曼滤 波 算 法 解 决 了量 测 相 从 联 关、Ｐ Ｇ Ｓ速 度跳 变和 初值 选取敏 感性 等 问题 ， 以提 高 系统 的 实时性 、 棒性 和容错 性 能 。 可 鲁
关键 词 ： 联 惯性 导航 系统 ； 捷 全球 定位 系统 ； 合 导航 系统 ； 尔曼滤 波 ； 组 卡 强跟 踪 ； 邦 滤波 ； 联 容错
１０ — １
第 ６期
马云峰 ： 容错联 邦强跟踪 卡 尔曼滤波算法在组合导航 中的应用研究
２ １ 位置 子滤 波器 ． 位 置子 滤波 器 的状态 变量 包 括 ＭＳＮＳ导航计 算 参数误 差 、 Ｉ 陀螺 仪测 量误 差 和加速 度计 测量误 差 。状
态 变量 Ｘ （） ￡为
ｘｌ￡＝［） （ ） （ ｚ
用集 中式卡尔曼滤波器极易造成滤波发散 。为解决量测相关并提高系统 的容错性 ， ＭＳＮ ／ Ｐ 在 Ｉ Ｓ Ｇ Ｓ浅组 合应用中设计一种联邦容错强跟踪卡尔曼滤波器， 采用有反馈 的融合结构 ， 实现对导航误差的滤波估计 ， 并 能对 故障进 行隔 离和 系统重 构 。
２ 联邦 强跟 踪卡 尔曼滤 波器 的设计
Ｚｐ 一 Ｈ ｐ ￡Ｘ （ ） ｐ （） （） ＋ （） （） ３
式中，
Ｈ ￡一Ｅ３６ ｄａ ［Ｒ ＋＾ （ － ） ｓ １ ０￣］ （） ｏ× ｉ － ） Ｒ －ｈ ｃ Ｌ ］ ３６ ｇ（ ￣ ｏ （ ＝［ Ｐ Ｐ ］ ｆ Ｐ ）
式 中 ， 、 、 为 ＧＰ Ｐ Ｐ Ｐ Ｓ接 收机沿 东北 天 方 向的位 置误差 。 ２ ２ 速度 子 滤波 器 ．
Ｘ２ ￡ 一 ＦＪ ￡ Ｘ２ ｆ ＋ Ｇｊ ￡Ｗ ， ￡ （） （） （ ） （） （ ） （） ７
速度 子滤 波器 的量 测方 程 （） ￡为
（ ） Ｈ Ｘ （） ７ （） 一 （） ￡ ＋ ３ ｖ （） ８
式 中，
Ｈ ｆ一Ｅ３３ ｄａ Ｅ １１ ０×］ （） ｏ× ｉｇ １ ］ ３９ （ ：［ ｆ ） ２ ３ 主滤波器及信息分配 ．
设 主滤 波器 的状 态估计 为
（） ９ （０ １）
］
式 中 ， 、 、 为 ＧＰ Ｓ接收 机沿 东北 天方 向的速度 误差 。
（ ｚ ）
乩
￡
￡ Ｖ ｋ
］
（） １
ＭＳＮ ／ Ｐ Ｉ Ｓ Ｇ Ｓ浅组合的位置子滤波器状态方程与纯惯导系统的状态方程形式相 同Ｌ 即为 引，
Ｘ ｌ ￡ 一 Ｆ，￡ Ｘ １ ￡ ＋ Ｇ， ｆＷ ，￡ （） （ ） （） （） （） （） ２
位 置子 滤波 器 的观测 方程 为
滤波 器结 构如 图 １ 示 。该方 案采 用两个 并 行 的强跟 踪 卡 尔 曼子 滤 波器 ， 别 对 位置 和 速度 进 行估 所 分
计， 然后通过一个主滤波器融合各子滤波器的状态估计 ， 子滤波器的更新周期和主滤波器的融合周期均为 １； 采用 了三 层故 障检 测实现 容错 设计 ， 高组合 导航 系统 的故 障隔 离和重 构 的能力 。 Ｓ 提
潍坊
２ １６ ） ６ ０ １
பைடு நூலகம்
摘
要 ： 出了一 种改进 的联 邦 强跟 踪 卡 尔曼滤 波算 法 ， 提 并将 其 应用 于 ＭＳＮ ／ Ｓ浅组合 中。采 用 Ｉ Ｓ ＧＰ
了三层 容错 结构 ， 能够 有效地 检 测 出数 据粗 大误 差 、 Ｓ速 度跳 变以及 滤 波 器误 差 估 计 的故 障 ， 时进 行 ＧＰ 及