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自适应联邦滤波器在SINS/DNS/DVS组合导航中的新应用 刘明雍，周志远，赵卓 (西北工业大学 航海学院，西安 710072) 摘要：为了提高水下航行器组合导航系统长时间远航程的隐蔽性，可靠性及精度，采用了一种基于联邦滤波器的惯性导航系统、地磁导航、多普勒速度声纳的组合导航方案，并利用自适应卡尔曼滤波对水下航行器组合导航系统进行误差估计,通过实时估计和修正系统噪声以及观测噪声的统计特性达到降低模型误差、抑制滤波发散的目的。在Matlab 环境下的仿真证实了该方案可以达到较高精度。 关 键 词 组合导航；自适应卡尔曼滤波器；地磁导航 中图分类号：TP273 文献标识码：A0 引言 当前在水下航行器组合导航定位方面较为普遍采用的是SINS/DVS/GPS方案,由于GPS信号在水下很快衰减，所以航行器在水下执行任务时无法利用其信息，故航行器需定期上爬到近水面,通过控制GPS天线伸缩装置使GPS天线露出水面,并使GPS天线与水面保持一定距离,利用GPS接收机的定位信息对由陀螺罗经和多普勒速度仪组成的自主导航系统进行位置校准。然而随着当前水下航行器的应用范围、航行距离、下潜深度不断扩展，尤其在是军事领域内对其隐蔽性的要求，上述组合方案越来越难以满足需求。 地磁导航的出现为实现这一目标提供了新的技术途径。20世纪80年代初瑞典的Lund学院对船只的地磁导航进行了实验验证[1]，实验中将地磁强度的测量数据与地磁图进行人工比对，确定船只的位置；同时根据距离已知的两个磁传感器的输出时差，确定船只的地速。2006年，F．Goldenberg针对飞机的地磁导航系统进行了研究[2]，将测量的地磁异常场强度序列与事先存储的地磁异常图实时进行相关匹配，确定飞机在地磁异常图上的经度和纬度。国内, 近期有很多研究机构包括高校掀起了一股地磁导航研究的热潮。在文献[3]中介绍了在对飞行弹体进行弹道控制中, 利用地磁探测滚转姿态来实时获取弹体的对地方位, 为弹体控制提供方位依据。 本文提出一种SINS/DVS/DNS（地磁）组合方案，以地磁场模型解算地磁场强度的方式来得到精确位置信息,辅以精确计时进而获得速度信息。以地磁系统获取的速度、位置信息与惯导系统输出的速度、位置信息的差值作为量测值,经过卡尔曼滤波,估计导航系统的误差,作为联邦滤波器的一个子系统；同样将多普勒速度仪与惯导相结合构成联邦滤波器的另一个子系统。通过信息融合技术可以达到系统的最优综合。 1 INS/DNS/DVS组合导航方案 以惯导系统作为参考系统，选取联邦滤波器的的两个子系统分别为DNS和DVS进行方案设计和联邦滤波。 1. 1地磁导航子系统的设计 当前的地磁导航技术主要是指地磁匹配定位,即将预先选定的区域地磁场某种地磁场特征值, 制成参考图并储存在水下航行器上的计算机中。 当航行器通过这些地区时, 地磁传感器实时测量地磁场的有关特征值, 并构成实时图, 实时图与预存的参考图在计算机中进行相关匹配, 确定实时图在参考图中的最相似点（匹配点）, 从而确定出航行器的精确实时位置。 本文中地磁导航的具体实现包括三个步骤：第一步，利用地磁传感器处理后所测得磁偏角和磁倾角作为匹配参数进行图匹配,获取粗位置信息；第二步，由地磁场模型解算地磁场强度,采用逐次迭代逼进地磁场强度测量值的方式以获取精确的位置信息,同时对2 个点之间进行精确计时,进而解算出载体的即时速度并由此获得速度信息；第三步，以地磁匹配系统获取的速度、位置信息与惯导系统输出的位置、速度信息的差值作为量测值,经过卡尔曼滤波估计误差，作为联邦滤波器的一个子滤波器。 1．2组合导航系统联邦滤波器设计 联邦滤波器如图1所示，图中公共参考系统为惯导系统，它的输出一方面直接给主滤波器，另一方面它可以输给各子滤波器作为量测值。各子系统的输出只给相应的子滤波器。各子滤波器的局部估计及其协方差阵送入主滤波器和主滤波器的估计值一起进行融合以得到全局最优估计。由子滤波器与主滤波器合成的全局估计值及其相应的协方差阵被放大为后再反馈到子滤波器以重置子滤波器的估计值，即 （1） 1．3系统状态方程和量测方程的建立 1．3．1系统状态方程 (11) 其中，为系统噪声方差阵的修正系数。 由于量侧野值主要影响到量测噪声，所以对量测噪声方差阵的调整精度显得非常重要。考虑到每 图1 联邦滤波器的结构 导航坐标系取当地的地理坐标系，其中X Y Z 分别指向东北天建立状态方程如下 （2） 对于惯导系统，作为参考系统的惯导系统,取姿态误差角（）、速度误差（）位置误差（）陀螺常值漂移（）陀螺一阶马尔科夫过程（） 加速度计