機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的離散式卡爾曼濾波處理，特別是設(shè)及一種機(jī)載導(dǎo) 航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法。其可用于機(jī)載衛(wèi)星通信、飛機(jī)遙感、航空攝影、無(wú)人機(jī)等 應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 飛機(jī)在空中飛行時(shí)，為了確定其自身位置，需要利用GI^S或者北斗衛(wèi)星獲得實(shí)時(shí) 的經(jīng)度、紳度、高度、航向角、速度等各種導(dǎo)航數(shù)據(jù)。為了消除誤差，需要對(duì)獲得的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 進(jìn)行預(yù)處理。
[0003] 對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理方法有很多，包括最小二乘法、樣條函授、卡爾曼濾波等等。其 中卡爾曼濾波方法廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。
[0004] 卡爾曼濾波的顯著特點(diǎn)是對(duì)狀態(tài)空間進(jìn)行動(dòng)態(tài)估計(jì)。它采用遞推算法，只需要利 用上一個(gè)參數(shù)的驗(yàn)前估計(jì)W及新的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)的更新，所W它只需要存儲(chǔ)前一 個(gè)歷元時(shí)刻的狀態(tài)估算數(shù)據(jù)，無(wú)需存儲(chǔ)所有的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)?？柭鼮V波具有極高的計(jì)算 效率，并且可W進(jìn)行實(shí)時(shí)估算。
[0005] 在實(shí)際工程應(yīng)用卡爾曼濾波進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理時(shí)，通常有一個(gè)重要的前提，要求 被測(cè)量物體的動(dòng)力學(xué)模型具有"一致性"，或者說(shuō)是"可預(yù)測(cè)的"。飛機(jī)從地面起飛，爬升，平 穩(wěn)飛行，最后降落，其空間位置應(yīng)當(dāng)是連續(xù)變化的，從當(dāng)前位置可W預(yù)測(cè)出下一位置。在該 個(gè)前提下，卡爾曼濾波算法根據(jù)當(dāng)前和歷史的數(shù)據(jù)，剔除測(cè)量誤差，推算航空器當(dāng)前正確的 位置。
[0006] 但是實(shí)際上我們都有體會(huì)，受氣流的影響，飛機(jī)高度會(huì)突然大幅下降。由于該種下 降來(lái)自外力（而非來(lái)自飛機(jī)動(dòng)力），所W在該瞬間飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型發(fā)生突變。傳統(tǒng)的卡 爾曼濾波假定飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型是穩(wěn)定一致的，所W會(huì)將該種突跳作為不合理數(shù)據(jù)進(jìn)行抑 審IJ。雖然最終卡爾曼濾波會(huì)逐漸趨向新的飛行軌跡，但是從出現(xiàn)突跳到趨向?qū)嶋H飛行軌跡 之間的濾波輸出是崎變的。請(qǐng)參閱圖1，圖中的跳動(dòng)曲線是帶有測(cè)量誤差的數(shù)據(jù)，較細(xì)的光 滑曲線是傳統(tǒng)的卡爾曼濾波輸出曲線?？蒞看到，當(dāng)飛機(jī)由于顛鑛出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳（圖中原 始數(shù)據(jù)大幅度突變處所示）后，傳統(tǒng)的卡爾曼濾波輸出數(shù)據(jù)需要大約100秒后才與實(shí)際導(dǎo) 航數(shù)據(jù)重合。
[0007] 由此可見(jiàn)，上述現(xiàn)有的機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波方法在方法與使用上，顯然仍 存在有不便與缺陷，而亟待加W進(jìn)一步改進(jìn)。為了解決上述存在的問(wèn)題，相關(guān)廠商莫不費(fèi)盡 屯、思來(lái)謀求解決之道，但長(zhǎng)久W來(lái)一直未見(jiàn)適用的設(shè)計(jì)被發(fā)展完成，而一般卡爾曼濾波方 法又沒(méi)有適切的處理方法能夠解決上述問(wèn)題，此顯然是相關(guān)業(yè)者急欲解決的問(wèn)題。因此如 何能創(chuàng)設(shè)一種新的機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波方法，實(shí)屬當(dāng)前重要研發(fā)課題之一，亦成為 當(dāng)前業(yè)界極需改進(jìn)的目標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有的機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的卡爾曼濾波方法存在的缺陷，而 提供一種新的機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法，所要解決的技術(shù)問(wèn)題是當(dāng)出現(xiàn)由于 飛機(jī)顛鑛造成的數(shù)據(jù)突跳時(shí)，卡爾曼濾波輸出數(shù)據(jù)可W迅速的跟蹤實(shí)際飛行軌跡，同時(shí)保 持對(duì)測(cè)量誤差的抑制，從而避免飛機(jī)顛鑛發(fā)生后一段時(shí)間內(nèi)濾波數(shù)據(jù)的嚴(yán)重失真，非常適 于實(shí)用。
[0009] 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題是采用W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出 的一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法，其包括W下步驟：
[0010] 步驟1設(shè)置濾波初始條件，選擇初值X。和P。；
[0011] 步驟2自適應(yīng)更新，具體包括：
[0012] (1)根據(jù)建立的觀測(cè)模型Yk=巧Xk+ViU十算中間矩陣；
[0013] (2)根據(jù)中間矩陣計(jì)算卡爾曼濾波增益矩陣Gk;
[0014] 步驟3根據(jù)增益矩陣Gk進(jìn)行測(cè)量值更新，具體包括：
[0015] (1)計(jì)算k時(shí)刻的遞推輸出Xk;
[0016] (2)計(jì)算k時(shí)刻的協(xié)方差矩陣Pk;
[0017] 步驟4濾波過(guò)程循環(huán)執(zhí)行條件判斷，具體包括：
[001引 （1)將計(jì)算出的k時(shí)刻的狀態(tài)值Xk、Pk與前一時(shí)刻的狀態(tài)值Xk_i、中進(jìn)行比較，判 斷是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳；
[0019] 似如果未出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳，則繼續(xù)濾波循環(huán)，并計(jì)算Gk、Xk與Pk;
[0020] (3)如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)突跳，判斷該數(shù)據(jù)突跳是否是由于飛機(jī)顛鑛所造成；
[002U (4)若不是飛機(jī)顛鑛所造成，則繼續(xù)濾波循環(huán)，并計(jì)算Gk、Xk與Pk;
[0022] (5)若是飛機(jī)顛鑛所造成，則立即終止原濾波過(guò)程，重新選擇濾波初值X。和P。進(jìn) 入新的濾波過(guò)程。
[0023] 本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問(wèn)題還可采用W下技術(shù)措施進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。
[0024] 前述的一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法，其中所述的初值X。為第一個(gè) 實(shí)際測(cè)量值。
[0025] 前述的一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法，其中所述的初值P"=al，其 中a為較大的數(shù)，I是單位矩陣。
[0026] 前述的一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法，其中，當(dāng)飛機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)出現(xiàn) 突跳時(shí)，通過(guò)判斷數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)和是否正確、數(shù)據(jù)跳動(dòng)是否在合理范圍、數(shù)據(jù)跳動(dòng)是否合乎 動(dòng)力學(xué)原理的方法來(lái)判斷是否是飛機(jī)出現(xiàn)顛鑛造成的。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明 機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法可達(dá)到相當(dāng)?shù)募夹g(shù)進(jìn)步性及實(shí)用性，并具有產(chǎn)業(yè)上 的廣泛利用價(jià)值，其至少具有下列優(yōu)點(diǎn)：
[002引本發(fā)明提出的一種新的卡爾曼濾波方案，其特征是，當(dāng)顛鑛發(fā)生時(shí)，就重新定義為 一個(gè)新的航段開(kāi)始，立即終止原來(lái)的濾波過(guò)程，更換濾波初值，從而進(jìn)入新的濾波狀態(tài)。從 整個(gè)航次看，卡爾曼濾波被截為若干獨(dú)立的過(guò)程，故稱為"截?cái)嗍娇柭鼮V波"。模擬計(jì)算表 明，截?cái)嗍娇柭鼮V波可W更準(zhǔn)確的描述實(shí)際飛行軌跡，既保證了對(duì)測(cè)量誤差的抑制，又可 W快速反映飛機(jī)位置的突變。
[0029] 上述說(shuō)明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段， 而可依照說(shuō)明書的內(nèi)容予w實(shí)施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠 更明顯易懂，W下特舉較佳實(shí)施例，并配合附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1是傳統(tǒng)卡爾曼濾波與截?cái)嗍娇柭鼮V波的效果比較。
[0031] 圖2是本發(fā)明一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法的實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 為更進(jìn)一步闡述本發(fā)明為達(dá)成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，W下結(jié)合 附圖及較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提出的一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法其具 體實(shí)施方式、方法、步驟、特征及其功效，詳細(xì)說(shuō)明如后。
[0033] 如圖2所示，為本發(fā)明一種機(jī)載導(dǎo)航數(shù)據(jù)的截?cái)嗍娇柭鼮V波方法較佳實(shí)施例的 實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0034] 根據(jù)飛機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，建立卡爾曼濾波觀測(cè)模型：
[0035] Yk=1Ik X.+Vk
[0036] 其中k表示數(shù)據(jù)測(cè)量的時(shí)刻，且k= 1，2, 3, 4….，Yk為k時(shí)刻的觀測(cè)矢量，巧為觀 測(cè)矩陣（又稱設(shè)計(jì)矩陣），Xk為k時(shí)刻的狀態(tài)估值矢量，V;為噪聲矩陣。觀測(cè)矩陣巧根據(jù)飛 機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型來(lái)定，不同種類的飛機(jī)其觀測(cè)矩陣也不同，且觀測(cè)矩陣會(huì)隨著濾波時(shí)刻的 變化而自適應(yīng)變化，W使濾波結(jié)果更為精確。
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