位置姿态并行滤波的DR／GPS组合导航算法.doc

位置-姿态并行滤波的DR／GPS组合导航算法 位置一姿态并行滤波的DR/GPS组合导航算法 臧荣春崔平远 (哈尔滨工业大学深空探测基础研究中心,哈尔滨150001) E-mail:springirl@hit.edu.cn 摘要文章提出了带有反馈枝正的位置,姿态并行滤波器结构,以满足各子系统对滤波周期的不同要求.结合姿态角 子系统特点设计了量测噪声方差阵自动加权的自适应扩展卡尔曼滤波算法.仿真结果表明该算法能够有效地利用各传 感器信息.给出较好的融合结果. 关键词航住推算GPS组合导航系统扩展卡尔曼滤波 文章编号1002—8331一(2006)07—0221—03文献标识码A中圈分类号TP391 Position-AttitudeParallelFilterforDR,GPS IntegratedNavigationSystem ZangRongchunCuiPingyuan (DeepSpaceExplorationResearchCenter,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001) Abstract:Aposition-attitudeparallelfilterisestablishedtosatisfytherequestfordifferentfiltercyclesofsubsystems. AnEKFalgorithmismadeforattitudeKalmanfilter,whichmeasurement—noise~ovariancematrixcanbeweighted adaptively.Simulationresultsindicatea1lsensorsinformationcanbeusedeffectively.andglwperfectresult. Keywords:deadreckoning,GPS,integratednavigationsystem,EKF GPS/DR组合导航系统是解决移动车辆在GPs卫星信号 受遮挡时,仍能有效地定位问题的主要手段之一.早期的GPS/ DR组合导航算法没有考虑航向角的估计问题『1_,只是综合GPS 和DR的导航参数信息得出定位结果,一旦GPS失效航位推算 系统的航向角偏差将导致位置推算精度较差.随着算法的深入 研究将航向角或航向角误差作为状态量参与滤波估计,但是其 状态方程是非线性的.线性化过程会引入模型误差】.而且以 往的航位推算往往因为是二维定位而忽略了俯仰角的计算.虽 然较小的坡度对定位精度的影响远小于陀螺等惯性器件的漂 移对定位造成的影响.但车辆在大坡度或城市高架桥等地况行 驶时车体的俯仰对航向角的测量影响不可忽视.本文就如何利 用低成本的DR和GPs进行姿态,位置组合进行了研究,以卡 尔曼滤波为基础,提出了带反馈的位置,姿态角并行滤波器结 构.其状态方程都是线性的.既简化了滤波方程,叉满足了各子 系统对滤波周期的要求.并针对各子系统的特点分别设计滤波 算法.根据姿态角滤波器观测方程的非线性和观测量的冗余 性.设计了噪声方差阵自动加权扩展卡尔曼滤波算法.文章最 后给出了静态和动态试验结果.验证了该方法的有效性. l位置一姿态并行滤波器结构 多传感器组合导航系统的主系统一般都是自主式导航,虽 然有误差积累,但不受外界环境的干扰,可以连续定位.而卫星 导航系统定位精度高,无误差积累,但易受外界环境干扰,信号 一 旦丢失将无法定位.因此选其为辅助导航系统.本文选取DR 为主系统.以GPS作为辅助导航系统采用直接滤波法,即以主 导航系统输出的导航参数(例如东向位置,北向位置等)为滤波 器状态变量,当GPs接收机能够正常工作时.辅助导航系统输 出的导航参数作为观测量.滤波器输出的导航参数估计值就是 系统最终的定位结果:当GPS接收机受到屏蔽不能正常工作 时.主导航系统仍然能通过推算提供导航信息. 本文滤波器采用位置,角度分别滤波的并联滤波器结构. 一 般来说1Hz的采样频率可以满足位置对数据更新率的要求, 但远不能满足角度测量要求,本文角速率的采样频率为10Hz, 同时为避免量测相关问题要求位置滤波周期要大于GPS的位 置时间相关常数,因此采用位置,角速度并行滤波方式,位置子 滤波器以较长的滤波周期处理位置数据,角度子滤波器以较短 的周期处理姿态角数据,既满足了位置和角度对滤波周期要 求.叉便于根据各子系统的特点设计相应的滤波算法. 图l组合导航系统滤波器结构框图 另外.由于本文采用直接滤波法,其状态变量是导航参数 量而非误差量.分别进行位置与角速率滤波可以避免计算过程 中因各变量之间的数量级差别较大而产生奇异值. 2以DR为主系统的动态模型 利用航位推算定位首先要考虑车体姿态的问题.建立载体 坐标系b,轴是