亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        高超聲速飛行器慣性/天文魯棒組合導(dǎo)航方法*

        2022-03-19 09:52:02葉志龍劉建業(yè)趙靜欣
        飛控與探測(cè) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:魯棒慣導(dǎo)天文

        葉志龍,王 融,熊 智,劉建業(yè),趙靜欣

        (1.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院·上海·200240;2.上海航天控制技術(shù)研究所·上?!?01109;3. 南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院·南京·210016)

        0 引 言

        組合導(dǎo)航是提高無(wú)人機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)可靠性和精度的有效途徑,這對(duì)于災(zāi)害應(yīng)急快速響應(yīng)等方面的應(yīng)用尤為重要。當(dāng)前慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航以良好的定位性能,在各類飛行器的導(dǎo)航中得到了廣泛應(yīng)用;天文導(dǎo)航通過(guò)星敏感器觀測(cè)星光來(lái)獲得姿態(tài)信息,適用于高精度的姿態(tài)測(cè)量。根據(jù)各自傳感器的特性,提出了將慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案應(yīng)用于高超聲速飛行器的導(dǎo)航,它能夠充分利用天文導(dǎo)航測(cè)量的信息,通過(guò)組合導(dǎo)航濾波算法獲得對(duì)慣導(dǎo)誤差的有效修正[1-2]。

        對(duì)于高超聲速飛行器而言,慣性/天文組合導(dǎo)航的應(yīng)用將面臨異常值干擾和噪聲特性變化等問(wèn)題[3]。當(dāng)飛行器以高超聲速飛行時(shí),全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收機(jī)的鎖相能力會(huì)受到影響,使得其定位誤差增大;而由于氣動(dòng)加熱引起空氣折射,將導(dǎo)致星光觀測(cè)失真或錯(cuò)誤、恒星搜索和星圖模式識(shí)別失敗、星光信息無(wú)法利用[4-7]。

        在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,常規(guī)方式是采用Kalman濾波作為信息融合算法[8]。當(dāng)系統(tǒng)噪聲和量測(cè)噪聲統(tǒng)計(jì)特性滿足已知高斯分布時(shí),Kalman濾波可以獲得理論上的最小方差估計(jì)值[9]。但對(duì)于噪聲非高斯分布的情況,Kalman濾波的估計(jì)精度會(huì)大幅下降,甚至發(fā)散。針對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的故障問(wèn)題,經(jīng)典的方法采用直接隔離故障傳感器的方式,放棄判斷為故障的導(dǎo)航傳感器的全部信息,對(duì)小幅故障和隨機(jī)擾動(dòng)情況下的量測(cè)信息沒(méi)有得到充分地利用[10]。為了解決噪聲非高斯分布和隨機(jī)擾動(dòng)情況下的穩(wěn)健估計(jì)問(wèn)題,逐漸發(fā)展出了魯棒濾波方法[11]。Huber-based濾波是一種魯棒濾波方法,給出了混合L1/L2最小范數(shù)估計(jì)?;贖uber提出的魯棒濾波原理,C. D. Karlgaard研究了航天器相對(duì)導(dǎo)航,H. Schaub等將其應(yīng)用于衛(wèi)星組合定姿[12-13]。

        在慣性/GNSS/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)的多信息融合中,由于星敏感器的測(cè)量原理和受環(huán)境影響因素的不同,高動(dòng)態(tài)情況下其噪聲特性變化也表現(xiàn)出不同的規(guī)律,兩者對(duì)應(yīng)狀態(tài)估計(jì)值的可靠性存在較大差異[14]。因此,高動(dòng)態(tài)飛行器慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題在于控制天文量測(cè)中異常值擾動(dòng)的影響,同時(shí)精確平衡狀態(tài)預(yù)測(cè)信息和天文測(cè)量信息的貢獻(xiàn),提高對(duì)于可靠量測(cè)信息的利用效率。

        為此,本文在Huber魯棒濾波方法的基礎(chǔ)上,根據(jù)狀態(tài)量與量測(cè)量之間的觀測(cè)關(guān)系,通過(guò)引入分類自適應(yīng)因子的方式,調(diào)整不同特性的狀態(tài)預(yù)測(cè)值和觀測(cè)值的貢獻(xiàn),從而提高慣性/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)于異常值的抑制能力。

        1 組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        在高超聲速飛行器高動(dòng)態(tài)飛行過(guò)程中,導(dǎo)航系統(tǒng)的自主、精確和可靠性尤為重要。本文所建立的慣性/GNSS/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 慣性/天文/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of inertial/astronomical/satellite integrated navigation system

        慣性導(dǎo)航以其數(shù)據(jù)率高和完全自主等特點(diǎn),可以作為高超聲速飛行器整個(gè)飛行過(guò)程中的核心導(dǎo)航信息源。星敏感器可以在高空獲得較好的性能,天文導(dǎo)航系統(tǒng)可以利用星敏感器觀測(cè)2顆以上的恒星,通過(guò)定姿計(jì)算為無(wú)人機(jī)提供高精度的姿態(tài)測(cè)量信息[15]。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)在可用階段提供位置和速度測(cè)量信息以輔助慣導(dǎo)。魯棒濾波器具有融合量測(cè)信息并抑制擾動(dòng)影響的作用,可實(shí)現(xiàn)對(duì)慣導(dǎo)誤差的可靠估計(jì)。

        2 組合導(dǎo)航系統(tǒng)模型

        2.1 系統(tǒng)的狀態(tài)方程

        采用線性Kalman濾波器進(jìn)行組合,系統(tǒng)的狀態(tài)方程為慣導(dǎo)的誤差方程,導(dǎo)航坐標(biāo)系選為東北天地理坐標(biāo)系。通過(guò)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的性能及誤差源的分析,可以獲得慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差方程為X(k)=F(k,k-1)X(k-1)+Γ(k-1)W(k-1)。其中系統(tǒng)狀態(tài)變量X(k)定義為

        X(k)=[φe,φn,φu,δve,δvn,δvu,δL,δλ,δh,

        (1)

        2.2 系統(tǒng)的量測(cè)方程

        在進(jìn)行慣導(dǎo)/GNSS組合時(shí),可以建立如下形式的量測(cè)方程

        YG(k)=HG(k)X(k)+vG(k)

        (2)

        其中,YG(k)=[ΔveΔvnΔvuΔLΔλΔh]T為GNSS和慣導(dǎo)輸出的位置的差值(經(jīng)度、緯度、高度)和速度的差值(東向、北向、天向)向量;HG(k)為GNSS的量測(cè)矩陣;vG(k)為GNSS接收機(jī)輸出的位置和速度的噪聲,其方差陣為RG。

        根據(jù)慣性/天文組合姿態(tài)量測(cè)方程為

        YC(k)=HC(k)X(k)+vC(k)

        (3)

        3 多傳感器魯棒濾波算法

        3.1 濾波框架

        在第2章慣性/GNSS/天文多信息融合系統(tǒng)的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程的基礎(chǔ)上,本節(jié)討論了融合濾波算法,考慮到本文采用的GNSS接收機(jī)和星敏感器的輸出速率不同,所設(shè)計(jì)的濾波結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        圖2 多傳感器魯棒濾波算法框架Fig.2 Multi-sensor robust filtering algorithm framework

        圖2的算法結(jié)構(gòu)包括狀態(tài)預(yù)測(cè)、異步線性回歸建模、魯棒加權(quán)和量測(cè)更新4個(gè)部分,魯棒加權(quán)將在3.2節(jié)討論。

        (1)狀態(tài)預(yù)測(cè)

        (4)

        G(k-1)Q(k-1)G(k-1)

        (5)

        (2)異步線性回歸建模

        在圖2的組合導(dǎo)航算法結(jié)構(gòu)中,由GNSS和慣導(dǎo)位置速度的差值得到觀測(cè)矢量YG,由天文導(dǎo)航和慣導(dǎo)的姿態(tài)差值得到觀測(cè)矢量YC。需要注意的是,由于GNSS和天文導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出頻率不同,在進(jìn)行線性回歸建模時(shí)需考慮適應(yīng)問(wèn)題。在同一濾波周期內(nèi),只有GNSS量測(cè)信息或只有星敏感器量測(cè)信息時(shí),可在不同的情況下根據(jù)式(2)和式(3)匹配相應(yīng)的量測(cè)方程,而在同時(shí)有兩者量測(cè)信息時(shí),則令

        (6)

        從而獲得與該時(shí)刻量測(cè)信息相匹配的量測(cè)方程。根據(jù)Huber濾波極大似然估計(jì)方法求解線性回歸問(wèn)題,需要對(duì)向量殘差進(jìn)行隨機(jī)去耦,將系統(tǒng)狀態(tài)方程和量測(cè)方程寫成式(7)的形式

        (7)

        根據(jù)狀態(tài)量的關(guān)系,將量測(cè)更新轉(zhuǎn)化為式(8)形式的線性回歸問(wèn)題,以便于魯棒加權(quán)和M估計(jì)方法的應(yīng)用。

        Z(k)=M(k)X(k)+V(k)

        (8)

        (3)量測(cè)更新

        根據(jù)魯棒加權(quán)部分的權(quán)值,對(duì)狀態(tài)量和觀測(cè)量中的異常值降權(quán),求解線性回歸問(wèn)題,得到狀態(tài)量的估計(jì)值。在進(jìn)行量測(cè)更新時(shí),采用等價(jià)權(quán)函數(shù)對(duì)式(8)的線性回歸問(wèn)題進(jìn)行求解,狀態(tài)量的估計(jì)方程如下

        X(k)=

        [M(k)TΨ(k)M(k)]-1M(k)TΨ(k)Z(k)

        (9)

        估計(jì)誤差協(xié)方差陣為

        P(k)=[M(k)TΨ(k)M(k)]-1

        (10)

        根據(jù)式(9)、式(10),即可獲得具有良好魯棒性的慣導(dǎo)誤差狀態(tài)估計(jì)值及其協(xié)方差陣。

        3.2 分類自適應(yīng)魯棒加權(quán)

        采用魯棒濾波方法進(jìn)行慣性/GNSS/天文組合導(dǎo)航系統(tǒng)的量測(cè)更新,將系統(tǒng)的量測(cè)噪聲視為受污染的高斯分布,通過(guò)觀測(cè)噪聲偏離高斯分布的程度賦予觀測(cè)量相應(yīng)的權(quán)值,從而提高系統(tǒng)的魯棒性。將自適應(yīng)濾波技術(shù)引入魯棒濾波中,解決濾波參數(shù)調(diào)整問(wèn)題。由于高動(dòng)態(tài)飛行時(shí)的量測(cè)特性的顯著變化,濾波模型中預(yù)置的噪聲參數(shù)可能與實(shí)際存在較大差別,從而導(dǎo)致濾波誤差增大。

        式(9)、式(10)中,Huber濾波器通過(guò)等價(jià)權(quán)矩陣Ψ(k)來(lái)對(duì)狀態(tài)一步預(yù)測(cè)值和傳感器量測(cè)值進(jìn)行加權(quán),從而抑制GNSS和星敏感器量測(cè)異常值的影響,同時(shí)平衡狀態(tài)預(yù)測(cè)信息與量測(cè)信息的貢獻(xiàn)。為此,首先按照式(11)計(jì)算等價(jià)殘差向量

        V(k)=M(k)X(k)-Z(k)

        (11)

        設(shè)N為殘差向量V(k)的維數(shù),則等價(jià)權(quán)矩陣可表示為

        Ψ(k)=diag[ψ(k)(1),ψ(k)(2),…,ψ(k)(N)]

        (12)

        式(12)中的各分量按照如下的Huber函數(shù)計(jì)算

        (13)

        其中,V(k)(i)為殘差向量V(k)的第i個(gè)分量,i=1,2,…,N,γ為可調(diào)參數(shù),通??扇≈禐棣?1.345。

        由此,將等價(jià)權(quán)矩陣Ψ(k)代入式(9)、式(10),實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)誤差狀態(tài)估計(jì)值及其協(xié)方差陣的加權(quán)。以上,通過(guò)預(yù)測(cè)殘差向量構(gòu)造自適應(yīng)因子,進(jìn)而由預(yù)測(cè)向量中噪聲偏離高斯分布的程度對(duì)估計(jì)誤差協(xié)方差進(jìn)行加權(quán),從而合理地平衡狀態(tài)量和觀測(cè)量估計(jì)值的貢獻(xiàn)。

        4 仿真與分析

        為了驗(yàn)證自適應(yīng)魯棒濾波算法的性能,論文搭建了慣性/GNSS/天文半物理仿真驗(yàn)證系統(tǒng),并進(jìn)行了測(cè)試。組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用中等精度的慣性器件,慣導(dǎo)陀螺精度為0.05(°)/h,加速度計(jì)精度為1×10-4g(g為重力加速度);非差分GNSS接收機(jī),位置精度15m、速度精度0.2m/s;大視場(chǎng)星敏感器,姿態(tài)誤差20″。慣導(dǎo)輸出頻率為50Hz,星敏感器輸出頻率為2Hz,GNSS的輸出頻率為1Hz,仿真飛行時(shí)間共1800s。測(cè)試中,GNSS數(shù)據(jù)和星敏感器數(shù)據(jù)含有特性相互獨(dú)立且分布不同的噪聲,且在標(biāo)準(zhǔn)高斯噪聲的基礎(chǔ)上具有如下特征的異常值擾動(dòng):

        1) GNSS數(shù)據(jù)中,含有20~50s的隨機(jī)時(shí)間間隔、幅值為標(biāo)準(zhǔn)噪聲方差3~8倍的粗差;

        2)星敏感器數(shù)據(jù)中,含有50~150s的隨機(jī)時(shí)間間隔、幅值為標(biāo)準(zhǔn)噪聲方差2~5倍的粗差。

        根據(jù)上述各傳感器的輸出周期可以看出,每當(dāng)經(jīng)過(guò)6個(gè)GNSS輸出周期,同時(shí)經(jīng)過(guò)5個(gè)星敏感器輸出周期后,兩者的輸出量測(cè)出現(xiàn)一次同步,其余時(shí)刻為不同步量測(cè)。

        在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了高超聲速飛行航跡,進(jìn)行系統(tǒng)性能的動(dòng)態(tài)仿真。導(dǎo)航開始時(shí)刻處于2000m高空,整個(gè)飛行過(guò)程包括加速爬升、改平、高速巡航等階段。高超聲速飛行器飛行速度變化曲線如圖3所示,飛行高度變化如圖4所示。

        圖3 飛行速度變化曲線Fig.3 The curve of flight speed change

        圖4 飛行高度變化曲線Fig.4 The curve of flight altitude change

        為了更有效地分析高超聲速飛行器飛行全程的噪聲特性影響,這里假設(shè)噪聲污染率隨速度增大而提高,即隨著速度的增大,量測(cè)異常值出現(xiàn)的頻率逐漸提高,基于此,對(duì)全飛行階段變污染率下的導(dǎo)航性能進(jìn)行仿真分析。

        由組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真誤差曲線圖5可以看出,在0~100s的低速飛行階段,由于GNSS、星敏感器量測(cè)噪聲非高斯特性較弱,常規(guī)的Kalman濾波組合算法表現(xiàn)出較好的性能,采用Huber魯棒濾波算法導(dǎo)航精度與其基本相當(dāng);在100s后,當(dāng)飛行器加速到高速并巡航的階段,由于擾動(dòng)引起的GNSS、星敏感器量測(cè)噪聲非高斯特性的影響,采用常規(guī)Kalman濾波的組合精度下降,而基于Huber魯棒濾波的組合導(dǎo)航算法較好地抑制了擾動(dòng)的影響,保持了較高的精度。

        (a) 俯仰角誤差曲線

        從表1可以看出,與常規(guī)的Kalman濾波相比,改進(jìn)的自適應(yīng)魯棒濾波算法可以顯著提高高動(dòng)態(tài)環(huán)境影響下的組合導(dǎo)航性能。其位置誤差均方差較常規(guī)Kalman濾波可以降低約35%~40%,姿態(tài)誤差均方差可以降低約25%~30%,從而有效提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性能。

        表1 導(dǎo)航均方誤差對(duì)比

        5 結(jié) 論

        本文研究了高超聲速飛行器慣性/天文魯棒組合導(dǎo)航方法,通過(guò)基于自適應(yīng)平衡因子的魯棒濾波方法抑制飛行環(huán)境擾動(dòng)影響。與傳統(tǒng)方法相比,對(duì)于異常值和非高斯噪聲的情況,本文的方法具有更好的魯棒性,且適用于具有不同噪聲特性的信息融合,可以有效提高慣性/天文/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的性能。該方法也可應(yīng)用于其他類型的多傳感器組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

        猜你喜歡
        魯棒慣導(dǎo)天文
        天文動(dòng)手做/中國(guó)古天文系列 三星在天、在隅、在戶
        軍事文摘(2024年4期)2024-01-09 09:08:34
        天文篇
        基于學(xué)習(xí)的魯棒自適應(yīng)評(píng)判控制研究進(jìn)展
        自適應(yīng)模糊多環(huán)控制在慣導(dǎo)平臺(tái)穩(wěn)定回路中的應(yīng)用
        無(wú)人機(jī)室內(nèi)視覺(jué)/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航方法
        目標(biāo)魯棒識(shí)別的抗旋轉(zhuǎn)HDO 局部特征描述
        基于Bagging模型的慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差抑制方法
        一群“玩”天文的癡迷少年
        基于Cauchy魯棒函數(shù)的UKF改進(jìn)算法
        基于多線程的慣導(dǎo)邏輯仿真器設(shè)計(jì)
        天天躁日日操狠狠操欧美老妇| 亚洲av永久无码精品一福利| 丰满少妇三级全黄| 国产区精品| 国产高清精品在线二区| 中文字幕在线看精品乱码 | 9999精品视频| 国产目拍亚洲精品二区| 色佬精品免费在线视频| 国产av丝袜旗袍无码网站| 亚洲成年网站在线777| 午夜少妇高潮免费视频| 中文字幕精品一区久久| 黑人巨大跨种族video| 连续高潮喷水无码| 国产亚洲日本精品二区| 又粗又黑又大的吊av| 精品综合久久久久久97超人| 久久99久久99精品观看| 中文av字幕一区二区三区| 女人被狂躁c到高潮| 久久亚洲Av无码专区| 亚洲精品一区二区三区蜜臀| 国产精品亚洲第一区二区三区 | 亚洲国产成人久久一区www| 激情 一区二区| 女同恋性吃奶舌吻完整版| 国产色xx群视频射精| 免费成人毛片| 亚洲av男人免费久久| 大尺度无遮挡激烈床震网站| 亚洲成色www久久网站夜月| 国产亚洲精品国看不卡| 在线播放国产自拍av| 日韩视频中文字幕精品偷拍 | 免费操逼视频| 国产精品无码无片在线观看3D| 人妻有码中文字幕在线| 久久精品人人爽人人爽| 国产亚洲视频在线观看播放| 二区视频在线免费观看|