联邦滤波器在INSGPSDVS组合导航系统中的新应用(火控).doc

基金项目：教育部新世纪优秀人才支持（NCET-06-0877）；国家863计划资助(2007AA0676)
作者简介：刘明雍(1971—),男，湖北石首人，教授，博士生导师。主要从事控制理论与应用，水下航行器导航与制导。
联邦滤波器在INS/GPS/DVS组合导航零碎中的新运用
刘明雍，王小峰，赵涛，周良荣
(西北工业大学航海学院，西安710072)
摘要：针对某机载导航零碎不能满足高精度导航定位需求的问题，采用了动态信息分配系数方法，提出了一种新的基于联邦滤波器的INS/GPS/DVS组合导航方案，通过对各子滤波器的信息分配系数进行优化，加强了组合零碎的导航功能。仿真结果表明，该方案充分提取了导航传感器的信息，有效地提高了组合导航零碎的精度和故障检测能力。
关键词：联邦滤波；信息分配；组合导航；卡尔曼滤波器
中图分类号：U666.11文献标志码：A
NewApplicationofFederatedFilterinINS/GPS/DVSIntegratedNavigationSystem
LiuMing-yong，WangXiao-feng，ZhaoTao，ZhouLiang-rong
(CollegeofMarineEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)
Abstract:Aimattheproblemthatsomenavigationsystemcannotfulfilltherequirementofhighprecisioninnavigationandlocation.AnewschemebasedonfederatedfilterinINS/GPS/DVSintegratednavigationsystemisproposedusingthedynamicinformationsharingcoefficientmethod.Whentheinformationsharingcoefficientsofsubsystemsareoptimized,integratednavigationsystemperformanceimproved.Computersimulationwasdoneanditsresultsshowthattheschemecaneffectivelyimprovenavigationsystem’sprecisionandtheabilitytofaultdetectionandcanfullydistillinformationfromnavigationsensors.
Keywords:federatedfilter;informationsharing;integratednavigation;Kalmanfilter

引言
单一的导航零碎由于本身存在的不足，曾经没法满足古代导航零碎高精度高可靠性的要求。惯性导航零碎（INS）是一种完全自主的导航零碎，可提供速度，姿势和位置信息，但导航误差随时间积累。全球定位零碎（GPS）具有全球性、全天候、高精度、三维定位的优点，但不能提供载体的姿势信息且动态功能差。多普勒雷达（DVS）同样也存在着误差随时间积累的缺点。将上述三种零碎适当的组合起来，可取长补短，大大提高导航精度。然而，组合方式的不同将会影响导航零碎的精度，计算量和容错能力。为了克服单一导航零碎的缺点，大幅提高导航零碎的精度，本文利用联邦滤波器理论[1,2,3]和动态最优信息分配系数方法[4]提出了一种新的INS/GPS/DVS组合导航方案，通过对各滤波器的信息分配系数进行优化，加强了组合零碎的导航功能。数字仿真结果表明：该方案能充分利用导航传感器的信息使子滤波器输出为最优，可以有效提高导航零碎的精度和故障检测能力。
1联邦滤波器算法原理
联邦滤波器是一种两级数据融合结构，子滤波器和主滤波器并行工作。如图1所示，图中公共参考零碎为惯导零碎，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。各子零碎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同进行融合以得到全局最优估计。此外，从图1中还可以看到，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）
同时主滤波器预告误差的协方差也可重置为全局协方差阵的倍，即为。称为信息分配系数，它是根据信息分配准绳来确定的，不同的值可以获得联邦滤波器的不同结构和不同特性（即容错性、精度和计算量）。

图1联邦滤波器的普通结构
设零碎的形状方程和第个子零碎的量测方程的离散化方式分别为：
（2）
其中，零碎噪声方差强度阵为，量测噪