專(zhuān)利名稱：一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，特別是一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo) 多傳感器信息融合方法，適用于航空導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，可應(yīng)用于航空器多傳感器導(dǎo)航，也可 適用于空基、海基導(dǎo)航定位。
技術(shù)背景隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，導(dǎo)航定位技術(shù)巳日益成為交通管制、救災(zāi)救護(hù)、物流管理、土 地普査、勘測(cè)等領(lǐng)域不可或缺的技術(shù)手段；軍事領(lǐng)域武器發(fā)射平臺(tái)效率的實(shí)現(xiàn)、火力武器 的精確打擊都依賴于高精度、高可靠的導(dǎo)航手段。目前現(xiàn)有的導(dǎo)航手段較多，但任何一種 導(dǎo)航手段都無(wú)法單獨(dú)達(dá)到要求，結(jié)合多種技術(shù)手段充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，避免劣勢(shì)的組合導(dǎo)航 技術(shù)是當(dāng)前導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的主流方向。如何將多傳感器信息有效融合既實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度 又要保證高可靠性是當(dāng)前研究的難點(diǎn)。目前航空導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域用于組合的導(dǎo)航手段比較豐富，主要有慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、 天文導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)等。慣性導(dǎo)航是一種全球全天候的導(dǎo)航手段，由于其 實(shí)現(xiàn)原理使得他們隱蔽性強(qiáng)不易被干擾，在軍事應(yīng)用領(lǐng)域尤其重要，但是它的誤差會(huì)隨時(shí) 間累積。大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和磁傳感姿態(tài)系統(tǒng)可以提供的精度不發(fā)散的速度、姿態(tài)觀測(cè)量，它 們與慣性導(dǎo)航組合可以構(gòu)成高自主、高可靠、高隱蔽、精度穩(wěn)定的導(dǎo)航方式。但這種組合 定位、測(cè)速精度相對(duì)較低，而衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也是一種全球全天候的導(dǎo)航系統(tǒng)，它具有較高 的精度但自主性較差容易受人為的影響，如果在GPS信號(hào)可用時(shí)引入GPS信息進(jìn)行濾波必 然可以大幅提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度。將多種導(dǎo)航手段結(jié)合構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)是解決現(xiàn)有 單一導(dǎo)航手段不足的有效方法?，F(xiàn)有的組合導(dǎo)航研究大都集中在慣性/GPS組合導(dǎo)航kalman 濾波設(shè)計(jì)中，通過(guò)Kahnan濾波器對(duì)導(dǎo)航誤差進(jìn)行估計(jì)，但是由于模型和噪聲的不確定性使 得Kalman濾波效果較差，雖然有EKF、 UKF等改進(jìn)方法但仍然受制于假設(shè)條件太強(qiáng)使得 實(shí)際應(yīng)用情況不理想。GPS信號(hào)不穩(wěn)定，容易受到干擾而且在大氣層某些高度上GPS信號(hào) 是接收不到的，在GPS信號(hào)出現(xiàn)壞點(diǎn)的情況下Kalman濾波表現(xiàn)不佳。粒子濾波可以解決 非線性、非高斯情況下的濾波問(wèn)題且對(duì)于觀測(cè)值中的壞點(diǎn)容忍性較強(qiáng)，但它仍然需要噪聲 的先驗(yàn)知識(shí)，這在實(shí)際工程應(yīng)用中也是比較難以獲得的，而且其計(jì)算量太大，實(shí)時(shí)性不能 保證。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo) 多傳感器信息融合方法，解決導(dǎo)航系統(tǒng)冗余信息的融合，在模型不確定、噪聲非高斯且統(tǒng) 計(jì)特性未知的情況下改善導(dǎo)航精度的同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性，降低工程實(shí)施難度。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為 一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，步 驟如下(1) 將地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程中參數(shù)的變化作為系統(tǒng)的不確定性，并使用不 確定系統(tǒng)的多胞模型來(lái)描述地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程；(2) 以大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、三軸磁強(qiáng)計(jì)輸出的速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出速度、姿態(tài) 數(shù)據(jù)的差值作為觀測(cè)量建立內(nèi)系統(tǒng)的量測(cè)方程；以GPS系統(tǒng)輸出的位置、速度數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣 導(dǎo)位置、速度數(shù)據(jù)的差值為觀測(cè)量建立外系統(tǒng)的量測(cè)方程；(3) 對(duì)內(nèi)系統(tǒng)量測(cè)，采用內(nèi)系統(tǒng)的魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器將不穩(wěn)定的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀 態(tài)方程鎮(zhèn)定；(4) 對(duì)外系統(tǒng)量測(cè)，采用魯棒//2//^/保性能濾波器，使得從干擾到導(dǎo)航誤差滿足所要 求的i^/i^/保性能要求；(5) 將地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程、內(nèi)外系統(tǒng)量測(cè)方程、內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器、外系統(tǒng) 魯棒多目標(biāo)濾波器聯(lián)立構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；同時(shí)為平衡對(duì)不同噪聲輸入通道進(jìn)入的噪聲的抑制 效果，對(duì)噪聲輸入矩陣做加權(quán)處理；(6) 利用凸優(yōu)化算法求解內(nèi)系統(tǒng)魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)魯棒混合/^/i/。/保性能濾波器。本發(fā)明的原理是首先，根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程時(shí)變性主要來(lái)源于載體比力變化 且是線性依賴的特征，給定載體比力變化域頂點(diǎn)將捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程轉(zhuǎn)化為不確定系 統(tǒng)的多胞型描述；其次，將捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程、內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)濾波器聯(lián)立構(gòu) 成閉環(huán)系統(tǒng)，由精度要求提出〃2//^/保性能等各項(xiàng)性能指標(biāo)的可調(diào)輸出，同時(shí)對(duì)噪聲輸入通道做加權(quán)處理，根據(jù)魯棒控制理論/^/i^/保性能優(yōu)化控制和混合多目標(biāo)控制方法，基于 線性矩陣不等式將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的多目標(biāo)信息融合問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸優(yōu)化問(wèn)題；最后，利用 Matlab線性矩陣不等式工具箱LMI Toolbox求解該凸優(yōu)化問(wèn)題，并通過(guò)一系列代數(shù)變換從凸優(yōu)化問(wèn)題可行解中解出組合導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)多目標(biāo)濾波器。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明利用完全自主的大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和磁傳感姿態(tài)系統(tǒng)輸出的速度、姿態(tài)信息阻尼慣性導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成內(nèi)系統(tǒng)，獲得一定精度的高可靠、高隱蔽性、精度穩(wěn)定的導(dǎo)航方案; 同時(shí)利用高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位信息對(duì)內(nèi)系統(tǒng)濾波構(gòu)成外系統(tǒng)，以獲取更高精度的導(dǎo)航數(shù) 據(jù)。內(nèi)系統(tǒng)的魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)魯棒混合^2/;^。。/保性能濾波器通過(guò)凸優(yōu)化技術(shù)對(duì)綜合性能指標(biāo)尋優(yōu)求取最優(yōu)解，這樣在衛(wèi)星導(dǎo)航可用時(shí)通過(guò)濾波可以獲得高精度 的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，在衛(wèi)星導(dǎo)航不可用時(shí)由于大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)和磁傳感姿態(tài)系統(tǒng)對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)的 阻尼，內(nèi)系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定可靠工作。(2) 基于凸優(yōu)化算法得到了對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程魯棒的內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng) /^/i/①/保性能多目標(biāo)濾波器，克服了 Kalman濾波和粒子濾波方法遞推過(guò)程運(yùn)算量大的缺 點(diǎn)。(3) 通過(guò)基于凸優(yōu)化的多目標(biāo)設(shè)計(jì)方法保證了系統(tǒng)的混合性能指標(biāo)要求，克服了 Kalman濾波、粒子濾波等單一性能指標(biāo)濾波方法的不足，提高了系統(tǒng)的可靠性。(4) 克服了 Kalman濾波和粒子濾波對(duì)噪聲統(tǒng)計(jì)特性要求較高的問(wèn)題，避免了在模型 不確定、噪聲非高斯、噪聲統(tǒng)計(jì)特性難以獲得情況下Kalman濾波和粒子濾波出現(xiàn)的精度惡 化，提高系統(tǒng)的可靠性。(5) 通過(guò)內(nèi)系統(tǒng)和外系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，利用了冗余的機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備，達(dá)到了整體系統(tǒng)高可 靠性、高精度的要求，避免了在GPS信號(hào)不可用時(shí)慣性/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)法正常工作的 問(wèn)題。


圖1為本發(fā)明的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器組合導(dǎo)航方法的設(shè)計(jì)流程圖。
具體實(shí)施方式
.如圖1所示，本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)步驟如下1.將地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程中參數(shù)的變化作為系統(tǒng)的不確定性，并使用不 確定系統(tǒng)的多胞模型來(lái)描述地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程。 其中建立捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差狀態(tài)方程的多胞型描述如下-(l)離散化地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程<formula>formula see original document page 7</formula><formula>formula see original document page 8</formula>為捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程的狀態(tài)向量，w =^《^^e^^。g ^^MC^^]為地球坐標(biāo)系組合導(dǎo)航系統(tǒng)噪聲向量。^^-[^c^y^zf為捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系位置計(jì)算誤差，單位w; c^-[^; 5Kv 3FJ為7" 4捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系速度計(jì)算誤差，單位W〃； S = [^ ^ ^]t為捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系姿態(tài)誤差角，單位rad。
5/e=^// 5/; ^/7]t為捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系加速度計(jì)加速度量測(cè)噪聲，單位m/ ; ^《=[^5^^ J必;^y^f為捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系陀螺角速率量測(cè)噪聲， 單位rad/s。 ^ ^=1^^^ 5&ra/為GPS接收機(jī)地球坐標(biāo)系位置量測(cè)噪聲，單位m， ^^m-[^^m ^v^s 3vewf為GPS接收機(jī)地球坐標(biāo)系速度量測(cè)噪聲，單位<formula>formula see original document page 9</formula>為大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)地球坐標(biāo)系速度量測(cè)噪聲，單位<formula>formula see original document page 9</formula>為磁傳感姿態(tài)系統(tǒng)地球坐標(biāo)系姿態(tài)量測(cè)噪聲，單 位raJ。 r為離散化周期，單位s。(《為地球坐標(biāo)系地球自轉(zhuǎn)角速度的反對(duì)稱矩陣，《 為地球自轉(zhuǎn)角速度。i^為地球坐標(biāo)系比力向量反對(duì)稱矩陣，Z-[Xe/ ]為捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系位置向量，^M為地球萬(wàn)有引力常數(shù)與地球質(zhì)量乘積，^ = ^/ ^7^7。地球坐標(biāo) 系是指固連在地球上的坐標(biāo)系，原點(diǎn)在地球中心，它相對(duì)慣性坐標(biāo)系以地球自轉(zhuǎn)角速率旋 轉(zhuǎn)，Z軸沿地軸指向北極，X軸在赤道平面內(nèi)指向格林威治子午線，Y軸在赤道平面內(nèi)指向 東經(jīng)90度的方向(2〕地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程的多胞型描述的建立矩陣^、 S中變化項(xiàng)包括iT和/^，其中A^變化十分緩慢，近似可以看作常數(shù)，則將 誤差狀態(tài)方程表示成多胞型主要就是將Fe即地球坐標(biāo)系載體比力量測(cè)值反對(duì)稱矩陣用一 個(gè)凸多邊形表示。直接在地球坐標(biāo)系描述i^不方便，所以首先在當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系將比力/7 的變化域用一個(gè)凸多面體代表，取該凸多面體的頂點(diǎn),(z'-l,2，…)并利用公式 /e-i /'/、i /為地理坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系坐標(biāo)變換矩陣)將"(z'-l，2，…)變換到地球坐 標(biāo)系中得到地球坐標(biāo)系載體比力變化域頂點(diǎn)丌(z'-l，2,…)，將"0'-l，2,…)的反對(duì)稱矩陣 巧e代入慣性導(dǎo)航誤差狀態(tài)方程即得到多胞型描述誤差傳播方程的頂點(diǎn)Q,蘭^,53。以 A會(huì)(4，5,.)為頂點(diǎn)的多胞型Q蘭(45)sY為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差狀態(tài)方程的多胞型 描述。建立地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程的多胞型描述。首先，根據(jù)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)、磁 傳感姿態(tài)系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸出頻率確定組合周期r，一般為1秒。將初始位置代入A^， 將地球自轉(zhuǎn)角速度6^代入Q:。其次，確定地球坐標(biāo)系載體比力變化域頂點(diǎn)。假設(shè)地理坐標(biāo)系水平方向機(jī)動(dòng)加速度變 化范圍均為土a^，高度方向加速度變化范圍為g土fly(g為重力加速度)，則地理坐標(biāo)系加 速度計(jì)比力變化域頂點(diǎn)集為<formula>formula see original document page 9</formula>由初始位置丄、A (Z和義代表地理緯度和經(jīng)度)求初始點(diǎn)地理坐標(biāo)系到地球坐標(biāo)系坐 標(biāo)變換矩陣<formula>formula see original document page 10</formula>將Q,每列分別左乘i /，所得8列向量為地球坐標(biāo)系加速度計(jì)比力變化域8個(gè)頂點(diǎn)。將地球坐標(biāo)系比力變化域頂點(diǎn)代入矩陣A B中得到地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差狀態(tài)方 程多胞型描述的頂點(diǎn)0,.蘭(4,^)(/ = 1,2,-，8)，地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣性導(dǎo)航誤差狀態(tài)方程多胞型描述的頂點(diǎn)集為^-(Qpf^,…，Q^。2 .以大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、三軸磁強(qiáng)計(jì)輸出的速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出速度、姿態(tài) 數(shù)據(jù)的差值作為觀測(cè)量建立內(nèi)系統(tǒng)的量測(cè)方程；以GPS系統(tǒng)輸出的位置、速度數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣 導(dǎo)位置、速度數(shù)據(jù)的差值為觀測(cè)量建立外系統(tǒng)的量測(cè)方程。以大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、三軸磁強(qiáng)計(jì)輸出的速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出速度、姿態(tài)數(shù) 據(jù)的差值作為觀測(cè)量建立內(nèi)系統(tǒng)的量測(cè)方程為<formula>formula see original document page 10</formula>以GPS系統(tǒng)輸出的位置、速度數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)位置、速度數(shù)據(jù)的差值為觀測(cè)量建立外系統(tǒng)的量測(cè)方程為<formula>formula see original document page 10</formula>3 .對(duì)內(nèi)系統(tǒng)量測(cè)，采用內(nèi)系統(tǒng)的魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器將不穩(wěn)定的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀 態(tài)方程鎮(zhèn)定，為保證系統(tǒng)整體性能，鎮(zhèn)定器與下面所述濾波器一起使用凸優(yōu)化方法同時(shí)求 取。4.對(duì)外系統(tǒng)量測(cè)，采用魯棒//2/;^。。/保性能濾波器，使得從干擾到導(dǎo)航誤差滿足所要求的A/7^/保性能要求。魯棒/^2//^/保性能濾波器為<formula>formula see original document page 10</formula>
5 .內(nèi)外系統(tǒng)量測(cè)方程、內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器、外系統(tǒng)魯棒多目標(biāo)濾波器聯(lián)立構(gòu)成斑環(huán)系統(tǒng); 同時(shí)為平衡對(duì)不同噪聲輸入通道進(jìn)入的噪聲的抑制效果，對(duì)噪聲輸入矩陣做加權(quán)處理。 (1)閉環(huán)系統(tǒng)為-<formula>formula see original document page 5</formula>(2)噪聲輸入通道加權(quán)矩陣的確定 噪聲統(tǒng)計(jì)特性很難獲取但噪聲強(qiáng)度卻比較容易估計(jì)。對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，采集 一組加速度計(jì)和陀螺數(shù)據(jù)并計(jì)算其均方差記為五^和五^。；對(duì)大氣數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，采集一組速度數(shù)據(jù)并計(jì)算其均方差記為五^^;對(duì)磁傳感姿態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，采集一組姿態(tài)數(shù)據(jù)并計(jì)算其均方差記為五。；對(duì)GPS系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)測(cè)試，采集一組位置、速度數(shù)據(jù)并計(jì)算其均方差記為五P 、五，。噪聲輸入通道加權(quán)矩陣尸OW為15維對(duì)角矩陣，主對(duì)角線元素分別為五^、 ￡^、五。a、五、五、五、五、五、五 、￡、￡、五、五￡ 、五 。五、五、五化/W vGW
6 .利用凸優(yōu)化算法求解內(nèi)系統(tǒng)魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)魯棒混合/^/i/①/保性能濾波器。0) H2、 H。和保性能可調(diào)輸出矩陣的選取閉環(huán)系統(tǒng)的//2、 ^^和保性能可調(diào)輸出矩陣Z^、丄 、、均為對(duì)角矩陣，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)取4-A^A。主對(duì)角線元素分別'為《、《、《、《、《、《、《、《、(2)綜合性能加權(quán)參數(shù)A、 "2、 "3的選取^為1; "2取值在1-10之間；給定a" a2, a3在不顯著增加系統(tǒng)的/^和f^性能上<formula>formula see original document page 5</formula>界的情況下盡量取大。(3)多目標(biāo)多傳感器組合導(dǎo)航方法存在的LMI條件給定導(dǎo)航誤差初始值x(0)的協(xié)方差矩陣的近似值為COF^，多胞型頂點(diǎn)集G,噪聲通道加權(quán)矩陣，可調(diào)輸出矩陣，綜合性能加權(quán)參數(shù)，使用matlab里L(fēng)MI工具箱中的mincx函 數(shù)解以下LMIs優(yōu)化問(wèn)題<formula>formula see original document page 5</formula>A, ^， d,為一組lmi矩陣變量，y為lmi標(biāo)量。(4) 魯棒靜態(tài)輸出反饋和濾波器求解-a. 由Cholesky分解求JT，其中^\^=尸22b. 由Cholesky分解求Q,， [Q,義一(義)—r][Q,X-(義)—r]r-尸22—G—'『G—7c. 將2u代入式4Q,—、&，得到巧2d. 由lu分解求g,2、 e'2，其中c 12.e1r2=^2-g.21 ;—/-k.g-re. = Wg.(5) 系統(tǒng)性能的改進(jìn)為進(jìn)一步改進(jìn)性能，需要對(duì)尸ow和綜合性能加權(quán)參數(shù)A、 a2、 ^以及可調(diào)輸出矩陣進(jìn)行細(xì)調(diào)并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定一組合適的值。a. 對(duì)尸ow和可調(diào)輸出矩陣的調(diào)整。首先在O.l到10倍范圍內(nèi)調(diào)整尸ow主對(duì)角線前三 個(gè)元素使得其盡量大的同時(shí)又未造成綜合性能指標(biāo)明顯升高，其次按相同方法調(diào)節(jié)尸ow主 對(duì)角線第4、 5、 6三個(gè)元素和第7、 8、 9三個(gè)元素。在經(jīng)過(guò)上述調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，提高位置 估計(jì)精度可以通過(guò)增大尸ow主對(duì)角線第13、 14、 15元素或減小可調(diào)輸出矩陣主對(duì)角線前三 個(gè)元素實(shí)現(xiàn)；提離速度估計(jì)精度可以通過(guò)增大Pow主對(duì)角線后三個(gè)元素或減小可調(diào)輸出矩 陣主對(duì)角線第4、 5、 6三個(gè)元素實(shí)現(xiàn)；提高姿態(tài)估計(jì)精度可以通過(guò)增大尸ow主對(duì)角線第10、 11、 12三個(gè)元素或減小可調(diào)輸出矩陣主對(duì)角線后三個(gè)元素實(shí)現(xiàn)。b. 對(duì)綜合性能加權(quán)參數(shù)a,、 "2、 A的調(diào)整。原則為固定a,，改變《2、 c^對(duì)a,的比例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定一組合適的綜合性能加權(quán)參數(shù)。本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1、一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特征在于包括以下步驟(1)將地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程中參數(shù)的變化作為系統(tǒng)的不確定性，并使用不確定系統(tǒng)的多胞模型來(lái)描述地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程；(2)以大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、三軸磁強(qiáng)計(jì)輸出的速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)輸出速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)的差值作為觀測(cè)量建立內(nèi)系統(tǒng)的量測(cè)方程；以GPS系統(tǒng)輸出的位置、速度數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)位置、速度數(shù)據(jù)的差值為觀測(cè)量建立外系統(tǒng)的量測(cè)方程；(3)對(duì)內(nèi)系統(tǒng)量測(cè)，采用內(nèi)系統(tǒng)的魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器將不穩(wěn)定的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程鎮(zhèn)定；(4)對(duì)外系統(tǒng)量測(cè)，采用魯棒H2/H∞/保性能濾波器，使得從干擾到導(dǎo)航誤差滿足所要求的H2/H∞/保性能要求；(5)將地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程、內(nèi)外系統(tǒng)量測(cè)方程、內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器、外系統(tǒng)混合多目標(biāo)濾波器聯(lián)立構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)；同時(shí)為平衡對(duì)不同噪聲輸入通道進(jìn)入的噪聲的抑制效果，對(duì)噪聲輸入矩陣做加權(quán)處理；(6)利用凸優(yōu)化算法求解內(nèi)系統(tǒng)魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)魯棒混合H2/H∞/保性能濾波器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特 征在于所述步驟(l)中的捷聯(lián)慣導(dǎo)地球坐標(biāo)系誤差狀態(tài)方程的多胞型描述方法為捷聯(lián)慣 導(dǎo)誤差狀態(tài)方程的多胞型描述主要是將時(shí)變的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程中參數(shù)的變化看作系 統(tǒng)的不確定性，將時(shí)變的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程看作不確定系統(tǒng)，并使用魯棒控制中常采 用的多胞模型來(lái)描述；其中主要是確定載體加速度變化域，取其頂點(diǎn)并將其代入捷聯(lián)慣導(dǎo) 誤差狀態(tài)方程得到多胞型描述的捷聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程的頂點(diǎn)，進(jìn)而得到多胞型描述的捷 聯(lián)慣導(dǎo)誤差狀態(tài)方程。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特 征在于所述步驟(2)中的內(nèi)系統(tǒng)量測(cè)方程建立如下內(nèi)系統(tǒng)量測(cè)^以大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、三軸磁強(qiáng)計(jì)的速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)速度、姿 態(tài)數(shù)據(jù)的差值作為量測(cè)值，量測(cè)方程為0/0 0 0/+/ 0 0 /如脫=C, ;c + Z)，, . w， = C.；c + D,' w'
4、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特 征在于所述步驟(2)中外系統(tǒng)量測(cè)方程的建立如下外系統(tǒng)量測(cè)h以GPS系統(tǒng)輸出的位置、速度數(shù)據(jù)和捷聯(lián)慣導(dǎo)位置、速度數(shù)據(jù)的差值為 量測(cè)值，量測(cè)方程為陽(yáng)/00+700/00/=(7，.叉+ ￡>2.w， =C， .x +A
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特征在于所述步驟(3)中的魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器設(shè)計(jì)如下設(shè)計(jì)靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器 將原系統(tǒng)鎮(zhèn)定i:: a;(A: + 1)-J';c(A) +萬(wàn)傳)+ ^" 州 在此只確定鎮(zhèn)定器形式，為保證系統(tǒng)整體性能，鎮(zhèn)定器與下面所述濾波器一起使用凸 優(yōu)化方法同時(shí)求取。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特征在于所述步驟(4)中的魯棒i^/Z^/保性能濾波器的設(shè)計(jì)如下使得:vv盡可能逼近導(dǎo)航誤差x。
7、 根據(jù)權(quán)利要求i所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特征在于所述步驟(5)中的閉環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)立以及對(duì)噪聲輸入矩陣的加權(quán)處理方法如下 (1)閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)方程將地球坐標(biāo)系捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差狀態(tài)方程、內(nèi)外系統(tǒng)量測(cè)方程、內(nèi)系統(tǒng)鎮(zhèn)定器、 外系統(tǒng)多目標(biāo)濾波器聯(lián)立構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)方程v(/t + l)i/.c; 0難)+婦)(2)閉環(huán)系統(tǒng)//2//^/保性能可調(diào)輸出為提高濾波器對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航誤差的估計(jì)，將濾波器輸出與捷聯(lián)慣導(dǎo)導(dǎo)航誤差之差作 為閉環(huán)系統(tǒng)輸出，并協(xié)調(diào)i^/i^/保性能各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)濾波精度的不同要求，確定可調(diào)輸 出矩陣，得閉環(huán)系統(tǒng)的i/,/ZC/保性能可調(diào)輸出<formula>formula see original document page 4</formula>其中Z。、 、22分別為/^、保性能和/^性能的可調(diào)輸出，保性能和//2性能可調(diào)輸出矩陣； (3)噪聲輸入通道加權(quán)處理閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)方程和閉環(huán)系統(tǒng)可調(diào)輸出構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)<formula>formula see original document page 4</formula>為平衡對(duì)不同噪聲輸入通道進(jìn)入的噪聲的抑制效果，需預(yù)先對(duì)噪聲輸入矩陣做加權(quán)處理，即5-S-尸ow， Z),二iV尸ow， D2 = A 尸cw,尸cw為系統(tǒng)噪聲輸入通道重要性加權(quán)矩陣，根據(jù)對(duì)各通道噪聲的干擾抑制需要確定各輸入通道的重要性加權(quán)系數(shù)；尸OW為對(duì)角陣，對(duì)角線相應(yīng)元素為相應(yīng)噪聲輸入通道的重要性加權(quán)系數(shù)。
8、根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，其特征在于所述步驟(6)中的利用凸優(yōu)化算法求解組合導(dǎo)航系統(tǒng)多目標(biāo)多傳感器信息融合方 法的內(nèi)系統(tǒng)魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)魯棒混合//2///。。/保性能濾波器為將問(wèn)題用一組線性矩陣不等式LMI表示，并編制相應(yīng)程序使用Matlab的線性矩陣不等式工具箱LMI Toolbox中l(wèi)mivar、 hniteiro、 mincx函數(shù)求解，最后通過(guò)代數(shù)變換將所得LMI決策變量轉(zhuǎn)化為 內(nèi)系統(tǒng)魯棒靜態(tài)輸出反饋鎮(zhèn)定器和外系統(tǒng)的魯棒混合//， / W。。 /保性能濾波器。
全文摘要
一種基于凸優(yōu)化算法的多目標(biāo)多傳感器信息融合方法，涉及一種捷聯(lián)慣性/GPS/大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)/三軸磁強(qiáng)計(jì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合方法，該方法首先使用大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)、三軸磁強(qiáng)計(jì)的速度、姿態(tài)數(shù)據(jù)將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)鎮(zhèn)定，構(gòu)成高可靠、高自主性的捷聯(lián)慣性/大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)/三軸磁強(qiáng)計(jì)組合導(dǎo)航內(nèi)系統(tǒng)；其次根據(jù)現(xiàn)代控制理論最優(yōu)控制思想，使用凸優(yōu)化算法設(shè)計(jì)魯棒多目標(biāo)濾波器融合高精度的GPS位置、速度量測(cè)信息，構(gòu)成外系統(tǒng)對(duì)內(nèi)系統(tǒng)進(jìn)行混合H₂/H_∞/保性能多目標(biāo)濾波來(lái)提高整體系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。充分發(fā)揮傳統(tǒng)導(dǎo)航手段的高可靠性、可用性和衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度，最終實(shí)現(xiàn)基于多傳感器的高可靠、高精度組合導(dǎo)航技術(shù)。
文檔編號(hào)G01C21/20GK101246011SQ20081010124
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月3日
發(fā)明者房建成, 王利學(xué), 雷 郭 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)