孫永榮,劉梓軒,曾慶化,趙科東,張 怡
(南京航空航天大學(xué)導(dǎo)航研究中心,南京 210016)
近年來,隨著無人機(jī)編隊(duì)技術(shù)受到廣泛的關(guān)注,相對(duì)導(dǎo)航技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)。自主空中加油技術(shù)成為了延長無人機(jī)航程與續(xù)航時(shí)間的有效手段,是空中力量的倍增器[1]。為保證受油機(jī)順利接近加油機(jī)并進(jìn)行對(duì)接加油,相對(duì)導(dǎo)航精度的重要性毋庸置疑。
目前,常見的相對(duì)導(dǎo)航方法主要是利用移動(dòng)基站型差分GNSS信息校正相對(duì)慣導(dǎo)信息,通過INS/GNSS組合進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以得到高精度的相對(duì)導(dǎo)航信息[2,3]。然而在近距對(duì)接場(chǎng)景下,GNSS信號(hào)易被機(jī)體遮擋而出現(xiàn)受干擾甚至失效的情況[4],導(dǎo)致相對(duì)導(dǎo)航精度顯著下降,同時(shí)GNSS信號(hào)缺少必要的相對(duì)姿態(tài)信息[5],因此INS/GNSS組合的相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)無法完全滿足空中加油近距對(duì)接的導(dǎo)航需求。針對(duì)這一問題,考慮到近距條件下相對(duì)視線定位傳感器具有更高的導(dǎo)航精度與更強(qiáng)的抗干擾能力[6],利用Vision導(dǎo)航系統(tǒng)來獲得受油機(jī)與加油機(jī)之間的相對(duì)視線信息,并與GNSS信號(hào)共同輔助校正INS誤差,融合各傳感器的測(cè)量信息進(jìn)行相對(duì)導(dǎo)航估計(jì),從而得到可靠性強(qiáng)、精度高的相對(duì)導(dǎo)航信息。
融合算法對(duì)組合導(dǎo)航的估計(jì)精度、可靠性與容錯(cuò)性有著至關(guān)重要的影響[7]。其中,聯(lián)邦濾波方法具有算法靈活、計(jì)算量小、容錯(cuò)性能好等優(yōu)點(diǎn),在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[8]。針對(duì)重置式聯(lián)邦濾波子系統(tǒng)故障對(duì)全局造成污染的問題,有學(xué)者開展了諸多自適應(yīng)信息分配方法的研究[9,11]。然而,這些方法對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)軟故障的檢測(cè)與隔離并沒有表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì),并且當(dāng)無故障子系統(tǒng)具有較大的分配系數(shù)時(shí),其對(duì)自身量測(cè)信息的利用程度也隨之減小,從而對(duì)全局的融合估計(jì)精度造成影響[12,13]。
為了進(jìn)一步提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的容錯(cuò)性能與估計(jì)精度,本文在常規(guī)重置式聯(lián)邦濾波器的基礎(chǔ)上,提出了一種新的容錯(cuò)濾波結(jié)構(gòu),并應(yīng)用于INS/GNSS/Vision組合相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)通過滑動(dòng)窗口自適應(yīng)調(diào)節(jié)子濾波器的量測(cè)噪聲,并根據(jù)協(xié)方差奇異值分塊重置信息分配系數(shù),在提高故障子濾波器估計(jì)精度的同時(shí),一定程度上隔離了各狀態(tài)量之間的故障污染,提高了全局估計(jì)精度。
雙機(jī)之間的相對(duì)導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由相對(duì)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程與相對(duì)姿態(tài)方程組成,近距空中加油相對(duì)導(dǎo)航示意圖如圖1所示。
圖1 空中加油相對(duì)導(dǎo)航示意圖Fig.1 Schematic diagram of air refueling relative navigation
定義受油機(jī)r相對(duì)于加油機(jī)t的位置在受油機(jī)r機(jī)體系下的投影為相對(duì)位置矢量表示為:
式中:為慣性坐標(biāo)系到受油機(jī)r機(jī)體坐標(biāo)系的方向余弦矩陣。
對(duì)式(1)求二階導(dǎo)數(shù),可得:
采用四元數(shù)形式表示姿態(tài),姿態(tài)四元數(shù)由旋轉(zhuǎn)軸n與旋轉(zhuǎn)角θ表示:
式中:q0為四元數(shù)中的標(biāo)量部分,q13為四元數(shù)中的矢量部分。
定義受油機(jī)r相對(duì)于加油機(jī)t的姿態(tài)四元數(shù)表示為:
式中:qr為受油機(jī)r的姿態(tài)四元數(shù),qt為受油機(jī)t的姿態(tài)四元數(shù),?為四元數(shù)乘法。
對(duì)式(5)求一階導(dǎo)數(shù),滿足如下關(guān)系式:
聯(lián)邦濾波是一種并行兩級(jí)結(jié)構(gòu)的分散式濾波方法,根據(jù)本文INS/GNSS/Vision組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)的聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中主濾波器僅進(jìn)行最優(yōu)信息融合。INS導(dǎo)航系統(tǒng)作為整個(gè)濾波系統(tǒng)的公共參考系統(tǒng),分別與GNSS、Vision導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成子濾波系統(tǒng);通過主濾波器將各個(gè)子濾波器的狀態(tài)估計(jì)信息進(jìn)行融合,得到全局最優(yōu)估計(jì);最后,按照根據(jù)設(shè)計(jì)的信息分配準(zhǔn)則將主濾波器的全局融合信息分配給各個(gè)子濾波系統(tǒng),同時(shí)反饋修正INS公共參考系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差。
圖2 聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Federated filter structure diagram
設(shè)主濾波器與子濾波器具有相同的誤差狀態(tài)變量,對(duì)于狀態(tài)誤差,基于GNSS與Vision導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差量測(cè)方程均為非線性模型,可得系統(tǒng)狀態(tài)方程與第個(gè)量測(cè)方程為:
式中:Fk,k1-為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;Gk,k1-為系統(tǒng)矩陣;Wk-1的協(xié)方差為Q;的協(xié)方差為Ri。
本文聯(lián)邦濾波主要包括信息分配、時(shí)間更新、量測(cè)更新與信息融合四個(gè)部分,子濾波器采用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行非線性濾波估計(jì):
(1)信息分配
(2)子濾波器時(shí)間更新
(3)子濾波器量測(cè)更新
(4)主濾波器信息融合
針對(duì)重置模式下聯(lián)邦濾波器子系統(tǒng)故障時(shí)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的污染問題,利用滑動(dòng)窗口進(jìn)行時(shí)變量測(cè)噪聲估計(jì),取代傳統(tǒng)的故障隔離方法。該方法通過對(duì)比實(shí)際新息殘差協(xié)方差與理論殘差協(xié)方差構(gòu)造滑動(dòng)窗口,利用一段窗口內(nèi)的殘差序列估計(jì)值判斷觀測(cè)量的故障程度,進(jìn)而可自適應(yīng)地調(diào)整各子濾波器的量測(cè)噪聲。
對(duì)于k時(shí)刻的子濾波器i,殘差向量為:
可得實(shí)際殘差序列協(xié)方差矩陣為:
同時(shí),由式(12)可得理論殘差序列協(xié)方差矩陣為:
根據(jù)式(18)(19)可得k時(shí)刻子濾波器i量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)值為:
利用一段窗口內(nèi)的量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性的變化,可以得到時(shí)刻子濾波器的時(shí)變量測(cè)噪聲估計(jì)值為:
式中:R0為設(shè)定的初始量測(cè)噪聲協(xié)方差陣;M為滑動(dòng)估計(jì)窗口長度。
通過監(jiān)測(cè)新息殘差序列,在量測(cè)傳感器出現(xiàn)故障時(shí),可以有效地調(diào)節(jié)滑動(dòng)窗口估計(jì)下的量測(cè)噪聲協(xié)方差陣。由式(12)可知,隨著時(shí)變量測(cè)的增大,降低了增益矩陣中故障量測(cè)值的信任程度,以提高故障子濾波器的估計(jì)精度。同時(shí),通過平衡與無故障子濾波器之間的信息分配系數(shù),保持了無故障傳感器的量測(cè)信息利用率。
在聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)中,主濾波器通過信息分配系數(shù)對(duì)各個(gè)子濾波器進(jìn)行導(dǎo)航狀態(tài)反饋是保證子濾波器精度和魯棒性以及全局估計(jì)精度的關(guān)鍵。為了提高全局最優(yōu)估計(jì)融合精度,需要分配給狀態(tài)誤差較大的子濾波器以較低的信息分配系數(shù),通過減小該子濾波器在融合中的輸出占比,從而提高全局最優(yōu)估計(jì)精度,一般通過子濾波器輸出協(xié)方差的跡進(jìn)行計(jì)算:
然而在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)各個(gè)狀態(tài)量之間誤差量級(jí)不一致時(shí),顯然這種對(duì)誤差信息進(jìn)行整體分配的方法無法具體反映每個(gè)狀態(tài)變量的變化特性。尤其當(dāng)各個(gè)子濾波器的量測(cè)信息不一致時(shí),對(duì)狀態(tài)誤差的修正側(cè)重不盡相同,導(dǎo)致對(duì)于不同的狀態(tài)誤差變量,每個(gè)子濾波器的信任程度有偏差,輸出的估計(jì)精度不一致。
針對(duì)這種情況,本文通過求解協(xié)方差的奇異值矩陣,對(duì)信息分配系數(shù)進(jìn)行分塊重置,實(shí)時(shí)、精細(xì)地反映各個(gè)子濾波系統(tǒng)每個(gè)狀態(tài)分量的變化趨勢(shì)與估計(jì)精度。同時(shí)通過分塊重置,僅保留了協(xié)方差中每個(gè)狀態(tài)變量自身的方差,在不影響全局融合估計(jì)精度的基礎(chǔ)上也可以隔離各個(gè)狀態(tài)量之間的故障污染?;趨f(xié)方差奇異值的信息分配系數(shù)分塊重置計(jì)算原理如下:
根據(jù)式(22),可得分塊重置形式下的分配系數(shù)與信息分配矩陣為:
式中:表示第m個(gè)狀態(tài)矢量對(duì)應(yīng)的分配系數(shù);維數(shù)與狀態(tài)矢量維數(shù)一致。
此時(shí),式(9)的信息分配規(guī)則變換為:
相對(duì)導(dǎo)航問題中,一般認(rèn)為長機(jī)配置有高精度的慣性導(dǎo)航傳感器或可以進(jìn)行慣性導(dǎo)航噪聲自修正[14],在本文中即認(rèn)為加油機(jī)t的機(jī)載慣性導(dǎo)航傳感器的輸出已經(jīng)過自修正,且已知加油機(jī)t的位置、速度與姿態(tài)。
受油機(jī)r的加速度計(jì)與陀螺儀的測(cè)量模型定義為:
狀態(tài)變量選取相對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、陀螺儀和加速度的誤差共計(jì)15維,系統(tǒng)的狀態(tài)遞推方程為:
誤差狀態(tài)變量為:
根據(jù)式(3)與式(6)可推導(dǎo)出基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差方程,可得狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣F與系統(tǒng)矩陣G為:
其中,系統(tǒng)噪聲為:
(1)INS/GNSS子濾波器量測(cè)方程
GNSS量測(cè)信息由無基準(zhǔn)站差分GNSS獲得,由于已知加油機(jī)t的位置與姿態(tài)信息,將相對(duì)位置、速度量測(cè)投影到加油機(jī)t的機(jī)體坐標(biāo)系,可得:
選取INS與差分GNSS輸出的相對(duì)位置、速度之差作為INS/GNSS子濾波器的觀測(cè)量,量測(cè)方程可表示為:
忽略二階誤差小量,可求得雅克比矩陣為:
(2)INS/Vision子濾波器量測(cè)方程
Vision導(dǎo)航系統(tǒng)由兩部分組成:一部分為安裝在受油機(jī)r上的視覺傳感器;另一部分為按一定的幾何分布布置在加油機(jī)t上用于視覺識(shí)別定位的信標(biāo),如圖3所示。當(dāng)受油機(jī)r接近加油機(jī)t進(jìn)行加油對(duì)接時(shí),通過視覺傳感器采集圖像信息,對(duì)信標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行位姿解算,得出信標(biāo)在相機(jī)坐標(biāo)系中的位置狀態(tài)量。由于視覺傳感器固連在受油機(jī)r上,且已知其在受油機(jī)r機(jī)載坐標(biāo)系上的位姿,因此本文假設(shè)機(jī)體坐標(biāo)系與相機(jī)坐標(biāo)系重合,可得信標(biāo)相對(duì)于受油機(jī)r的位置為:
圖3 Vision導(dǎo)航系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of Vision navigation system
式中:為第i個(gè)信標(biāo)Bi與受油機(jī)r相對(duì)位置的真值;為對(duì)應(yīng)矢量的Vision量測(cè)值;vVision為零均值白噪聲。
選取INS與Vision輸出的信標(biāo)相對(duì)于受油機(jī)r的位置之差作為INS/Vision子濾波器的觀測(cè)量,量測(cè)方程可表示為:
(1)仿真行場(chǎng)景
圖4 加油機(jī)軌跡示意圖Fig.4 Schematic diagram of tanker trajectory
(2)傳感器仿真參數(shù)
表1 為傳感器仿真誤差參數(shù),其中INS輸出頻率為20 Hz;GNSS輸出頻率為1 Hz;Vision輸出頻率為1 Hz。
表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter setting
如表2所示,仿真信標(biāo)在加油機(jī)上的位置。
表2 信標(biāo)位置Tab.2 Beacon position
為驗(yàn)證本文方法的有效性,分別采用2組對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行仿真。
(1)仿真試驗(yàn)1
針對(duì)空中加油近距相對(duì)導(dǎo)航任務(wù),分別對(duì)INS/GNSS(IG)、INS/Vision(IV)、INS/GNSS/Vision(IGV)相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行仿真試驗(yàn),如表3所示為IG/IV/IGV相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)仿真誤差。
表3 IG/IV/IGV系統(tǒng)導(dǎo)航誤差Tab.3 IG/IV/IGV system navigation error
圖5 -7給出了三個(gè)組合系統(tǒng)估計(jì)相對(duì)位置、相對(duì)速度和相對(duì)姿態(tài)時(shí)的估計(jì)誤差。從圖中可以看出:INS/GNSS/Vision相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)相對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)的誤差估計(jì)是最可靠的。相對(duì)位置誤差從INS/GNSS系統(tǒng)最高超過0.6 m的誤差降低至0.3 m以內(nèi);相對(duì)速度從INS/Vision系統(tǒng)最高超過0.5 m/s降低至0.15 m/s以內(nèi);在相對(duì)姿態(tài)誤差估計(jì)方面,INS/GNSS/Vision相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)具有更精確、更迅速的收斂性能,這一點(diǎn)在對(duì)于航向角的估計(jì)上尤為顯著。通過融合INS、GNSS與Vision導(dǎo)航系統(tǒng)信息,取長補(bǔ)短,從而提高了整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的濾波估計(jì)精度。
圖5 試驗(yàn)1相對(duì)位置誤差Fig.5 Test 1 relative position error
為了更直觀地對(duì)比估計(jì)精度,采用蒙特卡洛仿真進(jìn)行了100次仿真驗(yàn)證,圖8-10給出了三個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于相對(duì)位置、相對(duì)速度以及相對(duì)姿態(tài)的RMSE估計(jì)精度。從圖中可以看出:在相對(duì)位置、相對(duì)速度以及相對(duì)姿態(tài)估計(jì)精度上,INS/GNSS/Vision相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。并且在100~200 s、300~400 s以及400~500 s飛機(jī)進(jìn)行大幅度轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)時(shí),INS/GNSS與INS/Vision導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)行相對(duì)位置與相對(duì)速度的誤差估計(jì)上都出現(xiàn)了不同程度的估計(jì)精度波動(dòng),而INS/GNSS/Vision相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)在整體的濾波估計(jì)上都展現(xiàn)了較好的穩(wěn)定性與誤差估計(jì)精度,能夠在一定程度上滿足高機(jī)動(dòng)環(huán)境下的相對(duì)導(dǎo)航估計(jì)要求。
圖6 試驗(yàn)1相對(duì)速度誤差Fig.6 Test 1 relative velocity error
圖7 試驗(yàn)1相對(duì)姿態(tài)誤差Fig.7 Test 1 relative attitude error
圖8 試驗(yàn)1相對(duì)位置估計(jì)精度Fig.8 Test 1 relative position estimation accuracy
圖9 試驗(yàn)1相對(duì)速度估計(jì)精度Fig.9 Test 1 relative velocity estimation accuracy
圖10 試驗(yàn)1相對(duì)姿態(tài)估計(jì)精度Fig.10 Test 1 relative attitude estimation accuracy
(2)仿真試驗(yàn)2
通過三個(gè)相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)方案進(jìn)行對(duì)比,分別為:
方案Ⅰ:INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng);
方案Ⅱ:基于常規(guī)故障隔離聯(lián)邦濾波器的INS/GNSS/Vision組合相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng);
方案Ⅲ:基于本文容錯(cuò)聯(lián)邦濾波結(jié)構(gòu)的INS/GNSS/Vision組合相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)。
考慮到GNSS在對(duì)接過程中存在受遮擋出現(xiàn)故障的情況,假設(shè)GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)相對(duì)位置輸出在100s開始以0.1 m/s的速度開始出現(xiàn)緩變故障,持續(xù)時(shí)間為150 s,如表4所示為GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)故障時(shí)三種相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)方案仿真誤差。
表4 方案Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ相對(duì)導(dǎo)航誤差Tab.4 Scheme Ⅰ/Ⅱ/Ⅲ relative navigation error
圖11 -13給出了三種方案在該故障模式下100~300 s的相對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)誤差(其中藍(lán)線為方案I,紅線為方案II,綠線為方案III)。從圖中可以看出:當(dāng)GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)開始出現(xiàn)緩變故障時(shí),由于故障值較小,各方案的估計(jì)精度都較為穩(wěn)定,但隨著時(shí)間推移,故障量測(cè)對(duì)濾波估計(jì)結(jié)果的影響逐漸增長。
圖11 試驗(yàn)2相對(duì)位置誤差Fig.11 Test 2 relative position error
圖12 試驗(yàn)2相對(duì)速度誤差Fig.12 Test 2 relative velocity error
圖13 試驗(yàn)2相對(duì)姿態(tài)誤差Fig.13 Test 2 relative attitude error
方案Ⅰ的組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)相對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)的估計(jì)都出現(xiàn)了較大的偏移,相對(duì)位置誤差接近5 m,相對(duì)速度誤差超過0.2 m/s,相對(duì)姿態(tài)誤差接近1 °,無法滿足近距相對(duì)導(dǎo)航的要求;通過引入Vision系統(tǒng)對(duì)于狀態(tài)的估計(jì)誤差有了較大的改善,但由于方案Ⅱ的常規(guī)INS/GNSS/Vision組合相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)無法對(duì)緩變故障進(jìn)行有效及時(shí)地隔離,導(dǎo)致相對(duì)位置估計(jì)精度下降,誤差超過1 m,并逐漸對(duì)其他狀態(tài)量估計(jì)造成了污染;而本文基于容錯(cuò)濾波結(jié)構(gòu)的方案Ⅲ,通過時(shí)變量測(cè)噪聲取代故障隔離模塊,進(jìn)一步降低了故障信息對(duì)于狀態(tài)估計(jì)的影響,并通過分塊重置分配系數(shù)一定程度上隔離故障量測(cè)對(duì)其他狀態(tài)量估計(jì)的污染,降低子系統(tǒng)故障對(duì)于全局估計(jì)精度的影響,實(shí)現(xiàn)對(duì)緩變故障的有效處理。位置精度相對(duì)方案II提高70%以上。
為滿足近距空中加油相對(duì)導(dǎo)航的高精度、高可靠性問題,在常規(guī)INS/GNSS相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)中引入Vision相對(duì)導(dǎo)航傳感器,研究了一種INS/GNSS/Vision組合的相對(duì)導(dǎo)航算法,融合三種傳感器的導(dǎo)航信息,取長補(bǔ)短,對(duì)相對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。該算法通過滑動(dòng)窗口對(duì)時(shí)變量測(cè)噪聲進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié),來提高出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)估計(jì)的魯棒性;同時(shí),根據(jù)協(xié)方差奇異值對(duì)分配系數(shù)進(jìn)行分塊重置,一定程度上隔離各狀態(tài)量之間的故障污染,進(jìn)一步提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)性能。
仿真結(jié)果表明:在濾波穩(wěn)定性與估計(jì)誤差精度方面,本文的INS/GNSS/Vision組合相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)明顯優(yōu)于INS/GNSS和INS/Vision組合導(dǎo)航系統(tǒng),并且在GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)緩變故障時(shí),能夠有效保障全局估計(jì)精度,有較強(qiáng)的魯棒性與較好的容錯(cuò)性。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析,驗(yàn)證了本文基于容錯(cuò)濾波結(jié)構(gòu)INS/GNSS/Vision組合近距空中加油相對(duì)導(dǎo)航算法的有效性。