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        一種抑制掠海飛行中多種擾動(dòng)的高度組合濾波方法

        2020-12-14 09:31:48李金晟宋加洪
        關(guān)鍵詞:高度表常值海浪

        李金晟,莊 凌,宋加洪,陳 剛,胡 建

        (北京航天長征飛行器研究所,北京,100076)

        掠海飛行器在海上執(zhí)行各種任務(wù)時(shí),為提高生存概率,通常需要進(jìn)行超低空飛行。為實(shí)現(xiàn)該目的,需為這類飛行器設(shè)計(jì)一個(gè)性能可靠的高度控制系統(tǒng),解決飛行過程中的海浪擾動(dòng)及傳感器(主要是雷達(dá)高度表及加速度表)測量誤差兩大難題,從而滿足掠海低飛安全性的要求。高度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心在于選擇合理的濾波估計(jì)器及補(bǔ)償器,為滿足實(shí)時(shí)性及魯棒性的要求,這二者通?!耙粌?yōu)一簡”,由此形成兩種設(shè)計(jì)理念[1,2]。

        目前國內(nèi)外研究人員多采用優(yōu)化濾波簡化補(bǔ)償?shù)乃悸?,設(shè)計(jì)高度控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對掠海低飛過程中海浪擾動(dòng)及傳感器測量誤差的實(shí)時(shí)抑制或消除。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種能對海浪擾動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)臄U(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測器(Extended State Observer,ESO),并對比分析了ESO、卡爾曼濾波(Kalman Filter,KF)和預(yù)測濾波(Predictive Filter)在高度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[4]基于等價(jià)干擾思想,提出一種能將作用于輸出的海浪擾動(dòng)等價(jià)為輸入擾動(dòng)的實(shí)時(shí)估計(jì)器。上述方法對海浪擾動(dòng)具有較強(qiáng)魯棒性,但其都沒考慮傳感器的固有噪聲問題。為此文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種三階組合高度測量系統(tǒng),重點(diǎn)解決海浪擾動(dòng)及加速度表的測量誤差,但其為提高實(shí)時(shí)性,采用基于固定增益的KF 方法,故對各種擾動(dòng)的魯棒性較差,且沒有考慮高度表常值誤差的影響。文獻(xiàn)[6]提出擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extended Kalman Filter,EKF),其通過采用狀態(tài)擴(kuò)增法,成功解決了加速度表常值漂移的影響。但當(dāng)高度表存在常值誤差或加速度表的慢變漂移較顯著時(shí),其估計(jì)結(jié)果存在較大偏差。

        綜上所述,針對掠海飛行器,目前國內(nèi)外尚沒有一種基于多源高度信息融合的濾波方案,可同時(shí)有效地解決海浪擾動(dòng)和高度表、加速度表的各種測量誤差問題。為此,本文提出一種將卡爾曼濾波、預(yù)測濾波及有色噪聲處理方法進(jìn)行結(jié)合的新型濾波方案,其核心思想如下:基于線性卡爾曼濾波,采用狀態(tài)擴(kuò)展法和量測差分法來解決高度表和加速度表的常值偏差;引入預(yù)測濾波實(shí)時(shí)估計(jì)修正模型偏差,補(bǔ)償加速度表誤差建模的偏差;基于貝葉斯理論,給予修正模型先驗(yàn)估計(jì)值更高的權(quán)重來處理海浪擾動(dòng)及高度表的測量白噪聲。

        1 掠海低飛的主要擾動(dòng)建模及特性分析

        掠海飛行器通常搭載慣性測量單元及雷達(dá)高度表兩種導(dǎo)航設(shè)備。高度表主要用于校正加速度表的測量誤差,但由于其測量的是飛行器與海面的實(shí)際相對高度,故使得海浪高度成為飛行過程中的一種重要擾動(dòng),同時(shí)也引入了自身的測量誤差。本文重點(diǎn)研究內(nèi)容是對掠海低飛過程中主要擾動(dòng)的抑制問題,故選擇的研究對象為已具有自動(dòng)駕駛儀及補(bǔ)償器的高度控制系統(tǒng),其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。圖中hcom、h、hm及分別代表期望高度、相對平均海平面高度、高度表實(shí)際測量高度及估計(jì)高度。hwave是相對平均海平面的海浪高度。

        為測試基于不同濾波方法的高度控制系統(tǒng)是否能解決上述各種擾動(dòng)問題,需對這些擾動(dòng)特定進(jìn)行建模分析,具體內(nèi)容如下。

        1 .1 雷達(dá)高度表引入的擾動(dòng)

        雷達(dá)高度表提供飛行器高度和高度速率測量信息,可按式(1)進(jìn)行建模:

        式中:nh_bias、為高度及高度速率的常值誤差;nh_white、為相應(yīng)的測量隨機(jī)噪聲,是高斯白噪聲,hwave為海浪擾動(dòng)。對于海浪擾動(dòng)目前已有許多建模方法,其中隨機(jī)過程法是將海浪視為平穩(wěn)隨機(jī)過程,采用譜分析技術(shù)進(jìn)行建模,其精度較高,應(yīng)用最為廣泛。本文采用ITTC 雙參數(shù)海浪譜S(ω)模型,當(dāng)考慮多普勒效應(yīng)時(shí),高度表實(shí)際感受到的海浪譜Sm(ωm)如下:

        式中:V為飛行器運(yùn)動(dòng)速度,β為航向角,,有效波高Hsig及平均周期T可由海況等級進(jìn)行查表確定[2]。

        有了海浪譜,便可基于隨機(jī)過程理論進(jìn)行海浪建模,具體又可分為有理譜法[5]和基于Pierson 模型[6]的疊加法兩種。有理譜法采用逼近理論,存在一定的誤差,為此本文采用基于Pierson 模型的疊加法,即認(rèn)為海浪由無限多個(gè)振幅、頻率、相位均不相同的余弦波組成,由此構(gòu)建的二維海浪模型如下:

        式中:x,t分別為海面的位置及測量時(shí)刻;N為頻譜間隔數(shù),即擾動(dòng)波的總數(shù);ai,ωi,ki分別為第i種擾動(dòng)波的幅值,頻率及權(quán)重,相關(guān)關(guān)系如下:

        海浪運(yùn)動(dòng)模擬表明,高速掠海飛行器實(shí)際感受到的海浪擾動(dòng)可近似為白噪聲,假設(shè)服從高斯分布。

        1.2 加速度表引入的擾動(dòng)

        加速度表在高度控制系統(tǒng)中主要提供縱向加速度信息,誤差模型如下:

        式中:am為加速度表的測量值;ay為真實(shí)值;abias、amarkov及awhite分別為逐次啟動(dòng)漂移、慢變漂移及快變漂移,本文分別采用隨機(jī)常數(shù)、一階馬爾科夫過程及高斯白噪聲近似描述,其滿足如下關(guān)系:

        式中:α= 5,wdrive是高斯白噪聲;δkj為Kronecker符號(hào)。

        2 高度組合濾波方案

        高度控制系統(tǒng)中的濾波估計(jì)器是一個(gè)線性系統(tǒng),其輸入量為加速度表測量信息,觀測量為高度表測量信息,具體的狀態(tài)方程和量測方程如下:

        本文要解決的核心問題就是處理w及v中包含的多種擾動(dòng)誤差,解決思路如下:基于卡爾曼濾波能處理高斯白噪聲擾動(dòng)的特性,通過給予模型預(yù)測值較大的權(quán)重,實(shí)現(xiàn)對任意海況下海浪擾動(dòng)的抑制;引入有色噪聲處理思想,對卡爾曼濾波進(jìn)行改進(jìn),解決規(guī)律明確的常值擾動(dòng);對海浪擾動(dòng)的魯棒性取決于狀態(tài)模型的精度,而加速度的慢變漂移是模型偏差一部分,且其變化規(guī)律難以事先確定,為此采用預(yù)測濾波實(shí)時(shí)估計(jì)出慢變漂移,對模型進(jìn)行補(bǔ)償修正,從而獲得高精度的模型預(yù)測值。

        2.1 改進(jìn)的卡爾曼濾波

        目前對有色噪聲的濾波方法,可分為函數(shù)模型補(bǔ)償濾波及隨機(jī)模型補(bǔ)償濾波類[7,8]?;诤唵斡行У臏?zhǔn)則,本文選擇第一類中的狀態(tài)擴(kuò)展及量測差分法,并將其與KF 進(jìn)行結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對高度表及加速度表常值誤差的處理。首先對w、v進(jìn)行白化處理:

        式中:F、G為單位陣;η、ζ為白噪聲,方差分別為Q、R。

        采用狀態(tài)擴(kuò)增法來處理模型噪聲,擴(kuò)增狀態(tài)后的狀態(tài)方程和量測方程為:

        其中,zk*、Hk*及vk*可由式(11)進(jìn)行計(jì)算:

        式中:vk*是零均值的白噪聲,且與模型噪聲η k相關(guān),具體統(tǒng)計(jì)特性如下:

        綜上所述,經(jīng)由狀態(tài)擴(kuò)增法和量測差分法獲得的新狀態(tài)方程和量測方程分別是式(9)和式(10)。接下來基于卡爾曼濾波理論,可獲得狀態(tài)更新方程[9]:

        2.2 預(yù)測濾波

        預(yù)測濾波是一種基于最小模型誤差準(zhǔn)則的濾波算法,能實(shí)時(shí)對模型任意形式的誤差進(jìn)行估計(jì),進(jìn)而修正系統(tǒng)模型[10]。本文將預(yù)測濾波與改進(jìn)KF 進(jìn)行結(jié)合,利用預(yù)測濾波的優(yōu)勢來實(shí)時(shí)修正擴(kuò)增狀態(tài)模型,從而解決加速度表的慢變漂移,其基本原理如式(14)所示:

        式中:Gk為模型誤差擾動(dòng)矩陣;dk為模型誤差。

        dk可通過極小化性能評價(jià)函數(shù)J(d)獲得,J(d)體現(xiàn)了預(yù)測濾波的核心思想,其是由測量輸出和預(yù)測輸出間殘差以及模型誤差修正項(xiàng)的加權(quán)平方和組成,表達(dá)式如下:

        式中:W為正定權(quán)重矩陣;為預(yù)測輸出,為便于推導(dǎo),首先給出的通用計(jì)算表達(dá)式:

        式中:i= 1,2…m,m為量測向量維數(shù);q為狀態(tài)向量維數(shù);pi為dk出現(xiàn)在量測方程微分中的最低階數(shù);Lkf(),Lgj()為相應(yīng)的李導(dǎo)數(shù)。

        通過對J(d)求極值,并經(jīng)過相關(guān)推導(dǎo),可得評價(jià)函數(shù)為極小值時(shí)的模型誤差dk計(jì)算表達(dá)式:

        式中:I 為單位陣。

        2.3 新型組合濾波流程

        基于上述分析可得,本文所提出的新型組合濾波基本流程總結(jié)如下:

        ①計(jì)算初始狀態(tài)。利用初始時(shí)刻量測量z0獲得x0a的線性最小方差估計(jì):

        ②計(jì)算模型誤差dk。本文引入dk主要用來補(bǔ)償加速度表的慢變漂移,故取Gk=Bka。此外,考慮到海浪擾動(dòng)主要體現(xiàn)在高度測量中,故為減小計(jì)算量,僅采用高度量測信息計(jì)算模型偏差,簡化式(18)為:

        式中:預(yù)測輸出經(jīng)(推導(dǎo),可得如下近似關(guān)系:

        ③基于式(14),計(jì)算狀態(tài)一步預(yù)測值。

        ④基于式(11)~(13),計(jì)算狀態(tài)更新值及誤差方程陣Pk+1。由于此時(shí)模型已修正,故可基于貝葉斯理論將Q設(shè)置較小,給予修正模型估計(jì)值更大的權(quán)重,從而解決海浪擾動(dòng)及高度表白噪聲的影響。

        至此,重復(fù)步驟②~④,便可完成對雷達(dá)高度表及加速度表的組合測量信息的濾波,從而估計(jì)出高度及高度速率。

        3 仿真校驗(yàn)

        接下來主要針對不同的擾動(dòng)誤差,對預(yù)測濾波[3]、ESO[3]、EKF[6]及所提出的組合濾波的濾波性能及其在高度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用效果進(jìn)行對比分析。

        表1 傳感器誤差特性Tab.1 Error characteristics of sensors

        掠海飛行器一般需具備多高度下的平飛能力及不同高度間的轉(zhuǎn)換能力,為此本文假設(shè)飛行場景為:初始平飛高度45 m,要求在4 s 的響應(yīng)時(shí)間內(nèi),進(jìn)入更低的飛行高度8 m,并在該高度平穩(wěn)飛行10 s,再快速提升至35 m 高度繼續(xù)平飛。仿真條件如下:①仿真時(shí)間t=30s、步長T=0.01s 、傳感器采樣頻率為100 Hz;②初始高度及高度速率[ 45m,0m/s ];③飛行器及自動(dòng)駕駛儀參數(shù)參考文獻(xiàn)[3];基于構(gòu)建的傳感器誤差模型,結(jié)合當(dāng)前傳感器測量水平,設(shè)置誤差特性如表1所示。

        3.1 高度估計(jì)結(jié)果

        本節(jié)從濾波性能角度,評估不同擾動(dòng)因素對不同濾波方法的影響程度,相應(yīng)擾動(dòng)特性及高度估計(jì)偏差如圖2~5 所示。

        圖2 海浪擾動(dòng)(海況7)的影響Fig.2 Influence of wave disturbance (sea state 7)

        圖3 高度表常值誤差+白噪聲的影響Fig.3 The influence of altimeter constant value error and white noise

        圖4 加速度常值漂移+白噪聲的影響Fig.4 The influence of acceleration constant drift and white noise

        圖5 加速度慢變漂移+白噪聲的影響Fig.5 The influence of acceleration slow drift and white noise

        具體估計(jì)精度可由實(shí)際高度與估計(jì)高度的均方根誤差(Root Mean Squared Error,RMSE)進(jìn)行量化表征,如表2所示。由于本文在仿真時(shí),采用相同的計(jì)算步長,故不同方法的實(shí)時(shí)性差異較小。

        由圖2~5 及表2可得,預(yù)測濾波對于直接體現(xiàn)在高度觀測信息中的擾動(dòng),即海浪擾動(dòng)和高度表常值誤差,具有最強(qiáng)的魯棒性,但無法處理作用于輸入信號(hào)的加速度測量誤差,其原因是預(yù)測濾波對狀態(tài)模型精度的依賴性非常高。實(shí)際應(yīng)用預(yù)測濾波時(shí),可通過調(diào)節(jié)量測方差及狀態(tài)方差的大小來減小估計(jì)偏差,但調(diào)參過程較為繁瑣,且估計(jì)精度的提高會(huì)降低對海浪及高度表誤差的魯棒性;ESO 具有與預(yù)測濾波相似的特性,即基于對模型的強(qiáng)依賴性,獲得對海浪擾動(dòng)及高度表測量誤差的強(qiáng)魯棒性。但ESO 的估計(jì)精度取決于觀測器的極點(diǎn)位置,為使ESO 適用于0.01 s 的步長,本文將其觀測器的極點(diǎn)配置于-200;基于狀態(tài)擴(kuò)展法的EKF,是已有濾波方法中估計(jì)精度最佳的方法,但難以解決高度表常值誤差及加速度表慢變漂移;組合濾波相比于EKF,對海浪擾動(dòng)及加速度常值漂移的抑制能力稍弱,但可有效地處理高度表常值漂移及加速度表的慢變漂移,RMSE 值較EKF 法進(jìn)一步降低了25%,故綜合擾動(dòng)處理能力最優(yōu)。

        表2 濾波方法對擾動(dòng)因素的RMSE(單位:m)Tab.2 RMSE of filter method to disturbance factors(unit:m)

        3.2 高度跟蹤結(jié)果

        本節(jié)從指令跟蹤角度,分析不同濾波方法在圖1高度控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)應(yīng)用效果。基于掠海飛行器的特點(diǎn),高度控制系統(tǒng)應(yīng)具備如下特點(diǎn):①無較大振蕩地保持飛行器在要求的掠海飛行高度;②不同平飛高度之間的轉(zhuǎn)換要快速;③全程沒有較大的超調(diào)量。

        本文只給出在擾動(dòng)最嚴(yán)重的情況下,基于不同濾波方法的高度控制系統(tǒng)的控制性能,如圖6所示。

        圖6 考慮所有擾動(dòng)因素時(shí)的高度控制系統(tǒng)性能對比Fig.6 Comparison of the performances of altitude controllers under the effect of all disturbance

        由圖6可得,當(dāng)考慮所有擾動(dòng)因素時(shí),僅有組合濾波方法能達(dá)到掠海低飛的控制目標(biāo);由于存在加速度測量誤差,預(yù)測濾波和ESO 直接發(fā)散;EKF 雖能快速進(jìn)行高度轉(zhuǎn)換,但在8 m 高度階段出現(xiàn)與高度表常值誤差大小成正比的穩(wěn)態(tài)偏差,在35 m 階段穩(wěn)態(tài)偏差增大且進(jìn)一步產(chǎn)生了動(dòng)態(tài)振蕩,振蕩程度與加速度表的慢變漂移及白噪聲大小有關(guān)。

        4 結(jié) 論

        本文針對掠海飛行器高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),無法同時(shí)解決海浪擾動(dòng)、雷達(dá)高度表及加速度表測量誤差對系統(tǒng)的控制精度影響問題,基于優(yōu)化濾波簡化補(bǔ)償?shù)乃悸罚岢鲆环N將卡爾曼濾波、預(yù)測濾波及有色噪聲處理方法進(jìn)行結(jié)合的高度組合濾波方法,實(shí)現(xiàn)了對掠海低飛過程中多種擾動(dòng)的實(shí)時(shí)抑制。仿真結(jié)果表明,相比于已有的預(yù)測濾波、ESO 及EKF 方法,組合濾波可以很好地解決混合擾動(dòng)問題,在多種擾動(dòng)同時(shí)存在的情況下,高度估計(jì)的RMSE 最低,并且在給定PD補(bǔ)償器的前提下,僅有組合濾波滿足掠海低飛高度控制系統(tǒng)的要求,具有一定的參考價(jià)值。

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