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        超寬帶/GNSS/SINS融合定位模型與方法研究

        2023-04-16 12:03:36
        測(cè)繪學(xué)報(bào) 2023年2期
        關(guān)鍵詞:約束方程無(wú)跡慣導(dǎo)

        余 航

        蘇州科技大學(xué)地理科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215009

        全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)與捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(strapdown inertial navigation system,SINS)的組合可在室外環(huán)境或衛(wèi)星信號(hào)短暫失鎖的條件下提供連續(xù)、可靠的定位服務(wù)。但針對(duì)室內(nèi)或弱GNSS信號(hào)區(qū)域,組合系統(tǒng)的服務(wù)受限;超寬帶(ultra-wideband,UWB)系統(tǒng)以其可提供厘米級(jí)的理論測(cè)距精度且布設(shè)方便的優(yōu)勢(shì),可為該區(qū)域提供有效的測(cè)距信息。論文以車載試驗(yàn)平臺(tái)為依托,分別就UWB/SINS、GNSS/SINS和UWB/GNSS/SINS 3類室內(nèi)外定位模型及相應(yīng)的模型參數(shù)估計(jì)方法展開研究,主要研究成果如下:

        (1)在UWB與SINS的融合模型中,UWB基站坐標(biāo)是通過事先測(cè)量確定,不可避免地與理論真值存在偏差。顧及該偏差的影響,構(gòu)建了動(dòng)態(tài)EIV(errors-in-variables)模型,將UWB基站坐標(biāo)誤差納入觀測(cè)方程加以考慮;推導(dǎo)了處理動(dòng)態(tài)EIV模型的總體卡爾曼濾波方法;給出了該方法估計(jì)的驗(yàn)后狀態(tài)量估值的偏差改正公式,進(jìn)而分析了基站坐標(biāo)誤差對(duì)驗(yàn)后狀態(tài)量估值的影響。結(jié)果表明:考慮UWB基站坐標(biāo)誤差并不一定能提高定位的精度,受UWB基站網(wǎng)布設(shè)范圍、基站布設(shè)精度及慣導(dǎo)器件水平的綜合影響。

        (2)針對(duì)UWB/SINS融合模型通常為非線性情況,給出了非線性動(dòng)態(tài)EIV模型的表達(dá)形式,并采用Gauss-Newton法推導(dǎo)了針對(duì)非線性動(dòng)態(tài)EIV模型的廣義總體卡爾曼濾波方法;分析了采用該方法的計(jì)算復(fù)雜度。結(jié)果表明:采用提出的廣義總體卡爾曼濾波方法是切實(shí)可行的,其計(jì)算復(fù)雜度略高于擴(kuò)展卡爾曼濾波方法的計(jì)算復(fù)雜度。

        (3)在非線性動(dòng)態(tài)EIV模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步推導(dǎo)了無(wú)須求Jacobi矩陣的無(wú)跡總體卡爾曼濾波方法。由于采用無(wú)跡變換須對(duì)大量生成的采樣點(diǎn)(sigma點(diǎn))進(jìn)行非線性轉(zhuǎn)換,增大了運(yùn)算量,采用如下兩種策略提高運(yùn)算效率:①條件線性變換結(jié)合邊際無(wú)跡轉(zhuǎn)換,將原狀態(tài)空間模型表達(dá)成僅與部分狀態(tài)量呈非線性相關(guān)的形式,根據(jù)邊際無(wú)跡轉(zhuǎn)換,僅須對(duì)呈非線性相關(guān)的狀態(tài)量生成對(duì)應(yīng)的sigma點(diǎn),從而減少了sigma點(diǎn)個(gè)數(shù);②并行運(yùn)算處理,依據(jù)計(jì)算機(jī)CPU實(shí)際可用核的個(gè)數(shù),將sigma點(diǎn)同時(shí)分配給各CPU內(nèi)核以并行方式處理sigma點(diǎn)的非線性轉(zhuǎn)換,從而成倍地減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)間,提高實(shí)時(shí)計(jì)算效率。

        (4)在GNSS/SINS組合導(dǎo)航中,由于路況的影響及慣性器件未與載體很好的固連等原因,當(dāng)載體發(fā)生顛簸時(shí),慣導(dǎo)器件的實(shí)際輸出值易出現(xiàn)跳變的現(xiàn)象,影響模糊度固定;引入位置多項(xiàng)式擬合約束,利用車輛歷史位置信息預(yù)測(cè)當(dāng)前位置;從模型概率和模糊度固定狀態(tài)綜合判斷慣導(dǎo)是否存在異常輸出,若存在且影響了模糊度固定結(jié)果,則觸發(fā)位置多項(xiàng)式擬合約束輔助模糊度固定及更新組合系統(tǒng)的驗(yàn)后狀態(tài)量估值。結(jié)果表明:采用該方法能夠有效彌補(bǔ)因慣導(dǎo)瞬時(shí)異常輸出而導(dǎo)致的模糊度無(wú)法固定的問題。

        (5)融合UWB測(cè)距信息的GNSS/SINS組合模型將有助于提高定位的可靠性與連續(xù)性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景挖掘系統(tǒng)的內(nèi)/外部隱含信息,建立等式與不等式約束方程。由于存在不等式約束信息,通常須借助搜索的方法獲得狀態(tài)量的估計(jì)值(無(wú)解析解)。提出將凝聚函數(shù)法處理不等式約束方程,可將所有不等式約束方程轉(zhuǎn)化為單一且光滑的非線性等式約束方程,從而只需使用基于等式約束的濾波方法進(jìn)行解算,避免了采用耗時(shí)的搜索方法。結(jié)果表明:論文提出的方法能夠獲得與搜索方法(以序列二次規(guī)劃法為例)相近的結(jié)果,但計(jì)算效率相較于序列二次規(guī)劃法提高了近10倍。

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