基于H_∞滤波的GPSINS全深组合导航系统研究

GPS/INS组合方式有位置速度组合、伪距伪距率组合等，这些组合方式从根本上来讲都是对位置和速度信息的组合，没有对方位和姿态信息直接进行观测，于是在载体不做机动运动时，其方位易出现发散的现象在某些对姿态和方位要求较高的系统，比如飞机的空中对准，空中加油，飞机进场和着陆等，上述组合系统是不能胜任的。多天线GPS能对载体的姿态和方位进行测量，因此可以将对姿态和方位的观测信息加以组合，这是克服上述现象的有效方式组合GPSNS*常用的算法是Kalman滤波器，而Kalman滤波器只有在系统模型和噪声统计特性精确己知的情况下才能获得*优估计。而实际的GPS和INS系统中存在着各种不确定性，对这些不确定性噪声很难精确建模，从而使得实际工作时Kalman滤波器估计精度大大降低，严重时会出现滤波发散；而且在引进对姿态和方位观测信息后，进一步加了系统的复杂性，使导航的实时性很难得到保障近些年来发展起来的鲁棒滤波对系统噪声的不确定性具有很好的鲁棒性，无需对干扰噪声精确建模，有利于简化系统结构。

因此，将鲁棒滤波技术应用于GPSNS组合导航系统中，对于保证组合系统导航精度，提高系统的可靠性和实时性，防止滤波发散具有重要意义2鲁棒滤波一般来说，对线性时变离散系统，其状态方程和观测方程为统噪声加权阵离散形式；Ck为系统观测矩阵离散形式；Dk为观测噪声加权阵离散形式；m，vk分别为系统噪声和观测噪声；k=0，1，2，…，N若m，vk在所有时间间隔内0kSN为有限能量信号，即则鲁棒滤波就是寻求一个滤波器，对于一个给定的*小V，满足Kk=T为系统状态变量，（-N，O，O为平台误为速度误差Elol通为s狱误ft；eA为系统传递腧d；。忍为1：为陀螺噪声干扰，Wax，Way，Woz为加速度计噪声干扰对式（8）进行离散化，即可化为式（1）的离散状态方程形式（2）组合系统观测方程GPSNS组合方式有多种，本文研究的组合方式是GPSNS伪距、伪距率和载波相位全深组合，故其观测方程为伪距率和双差载波相位的观测矩阵；Vp，Vp，VG，分别为伪距、伪距率和载波相位的观测不确定性噪声，由于H4虑波技术对不确定性噪声有较强的鲁棒性，同样不必考虑其精确误差特性综合式（9）式（10）和式（11）得到组合系统的观测方程为观测矩阵4组合导航系统仿真与结果为体现一般性，本文进行了GPS/INS全深组合的动态仿真，仿真航迹包括滑跑、起飞、爬高、巡航、转弯和俯冲等过程。初始位置选为东经118°、北纬32°、高度为1000m，初始航向角45*平飞速度为300m/s，仿真时间为2000s并假设三个陀螺和三个加速度计的误差特性一致，均设为有色噪声，其中陀螺随机常值漂移为0.1（*）/h，一阶马尔可夫漂移0.1（*/h，一阶马尔可夫相关时间为1000s，白噪声为Q01（*/h；加速度计零偏为1CT4g，加速度计一阶马尔可夫过程为10-4g，一阶马尔可夫相关时间为1000s；平台初始误差角取为北向100″，东向100″，地向200″，初始位置误差50m，初始速度误差0.测量误差为偏值10m，随机30m；随机伪距率误差为0.05m/s，载波相位测量误差为0.0019m为便于对比和分析，本文进行了在上述有色噪声存在下用滤波对伪距、伪距率组合的仿真和分别用Kalman滤波和滤波对伪距、伪距率、载波相位全深组合的仿真通过系统仿真，可以得到系统各状态在各种状况下飞行的仿真曲线分别如~所示。仿真过程中，为了兼顾对系统有色噪声观测有色噪声的鲁棒性和系统状态估计值的精度，经多次仿真调整，确定V值取为Q5从仿真结果来看（和），该取值是合适的若要进一步提高估计精度，V值可以再取大一些但由于本文所用系统噪声和观测噪声均为强有色噪声，其鲁棒性是主要因素，故本文取值较低由和可知，应用滤波在有色噪声存在时伪距、伪距率组合导航系统是收敛的，但精度较全组合时差，而且由于没有对姿态和方位直接进行观测，方位角在载体不做机动飞行时兄处之前不收敛。（见图晶丨而利用了「，厉相位对姿态，*位进行观测组合”，有色噪声下GPS/INS伪距、伪距率组合兄滤波曲线以后，方位角在全程收敛都很好（见），而且姿态、位置和速度的精度也得到进一步提高，其估计精度稳态值见表1对比和可知，在有色噪声存在下用普通Kalman滤波器进行全组合时系统出现了发散，不能正常进行导航，而应用好=滤波的全组合系统各状态都能很好地收敛并且保持很高的精度表1丑，滤波GPS/INS全深组合导航系统导航参数误差标准差（le）分类位置/m横滚俯仰航向北向东向地向经度炜度尚度标准差5结论通过应用滤波对GPS/INS全深组合导航系统的整个航迹的动态仿真，并分析其误差状态曲线，可以得到以下结论：把乐滤波技术应用于GPS/INS伪距、伪距率和载波相位组合导航系统的方案是成功的，可用于带有强有色噪声的动态系统中；乐滤波器和Kalman滤波器相比具有很强的鲁棒性，即使输入信号中含有强有色噪声，滤波器仍能收敛，而且可以保持很篼的精度；仅用伪距、伪距率组合时方位角在载体不作机动运动时不收剑，而用伪距、伪距率和载波相位进行全组合可以消除这种现象，同时还可提高整个系统估计精度；用：’滤波进行GPS/INS组合导航，使系统状态方程可仅包含位置误差、速有利于导航系统的实时运算综上所述，本文首次将鲁棒滤波理论应用于GPS/INS伪距、伪距率和载波相位全深组合导航系统，提出了基于滤波的GPS/INS伪距、伪距率和载波相位全组合导航系统方案，并进行了动态仿真，结果表明该方案消除了方位角在载体不机动飞行时不收敛的现象，并能极大改善系统的鲁棒性和可靠性，提高整个系统的导航精度，同时又降低系统复杂性，对工程实际应用具有重要意义