MPOS联邦实时组合算法.pdf
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1、第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号:()网址:收稿日期:;修回日期:;网络优先出版日期:。网络优先出版地址:通讯作者引用格式:李建利,魏梦笛,王其朋,等联邦实时组合算法系统工程与电子技术,():犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋:,():犕犘犗犛联邦实时组合算法李建利,魏梦笛,王其朋,张武(北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 )摘要:微小型位置姿态测量系统(,)是为成像载荷提供实时高精度运动补偿信息的关键装置,其测量精度严重制约成像精度的提升。针对集中滤波实时性差的问题,在基于双()硬件平台的基础上,采用联邦滤波实时组合算法对多组传感器数据进行最优信息融合。
2、以微惯性测量单元为公共参考系统,双天线全球导航卫星系统(,)和磁强计作为子系统提供量测信息,将各个子系统得到的局部误差协方差及状态估计值在主滤波器中进行信息融合得到最优估计值。通过动态实验验证了基于联邦滤波实时组合方法的,其位置、速度、航向角及水平姿态角精度可达,。关键词:微小型位置姿态测量系统;联邦滤波;实时组合;全球导航卫星系统;磁强计中图分类号:文献标志码:犇犗犐:犕犘犗犛犳 犲 犱 犲 狉 犪 狋 犲 犱狉 犲 犪 犾 狋 犻 犿犲犻 狀 狋 犲 犵 狉 犪 狋 犻 狅 狀犿犲 狋 犺 狅 犱 ,(犛 犮 犺 狅 狅 犾狅 犳犐 狀 狊 狋 狉 狌犿犲 狀 狋 犪 狋 狅 狀犪 狀犱犗
3、狆 狋 狅 犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵,犅犲 犻 犺 犪 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔,犅犲 犻 犼 犻 狀犵 ,犆犺 犻 狀 犪)犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:(),(),(),犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊:();();引言微小型位置姿态测量系统(,)是机载高分辨率对地观测载荷运动补偿的惯性组合测量设备,由微惯性测量单元(,)、全球导航卫星系统(,)、微磁强计(,)等传感器组成。通过滤波进行有机组合,弥补各自的不足,得到载体的实时运动参数信息,具有低成本、低功耗、体积小等优势,因此在航空测绘、自然环境监测等对地观测领域起到了至关重要的作
4、用。其测量精度严重制约成像精度的提升,由此需要选第期李建利等:联邦实时组合算法 择合适的滤波方法来提升系统整体性能。常见滤波结构有集中式滤波,其采用一个滤波器处理所有信息,得到最佳估计结果,但计算量大,实时性差。另外,由于所有的量测信息集中在一个滤波器处理,当某个量测信息发生异常时,将会对其他无异常的量测信息造成污染,系统的容错性能较差 。与之相对的是分散式滤波,其中最典型实用的是联邦滤波 ,联邦滤波包含多个并行子滤波器和一个主滤波器,由于各个子滤波器独立,可以有效地避免交叉污染,同时由于并行处理,有利于进行实时运算 。本文设计了基于双天线微磁强计的联邦实时组合算法,作为主参考系统,双天线与磁
5、强计提供量测信息,以此设计主子滤波器,并成功应用于基于双()架构的硬件平台,最后通过动态实验验证了基于联邦滤波算法的组合精度。犕犘犗犛硬件平台硬件平台主要由模块、模块、磁强计模块、数据处理电路部分组成,其整体硬件集成如图所示。图硬件平台 惯性器件选用中国电子科技集团公司第十三研究所研制的。其内部集成了三轴陀螺仪和加速度计,零偏稳定性分别优于,。选用 多模高精度双天线定位模块,水平定位精度为,提供位置、速度、航向角量测信息。磁强计模块选用采用美国 公司研制生产的系列磁传感器,选择 单双轴磁传感器组成三轴磁传感器,测量三轴的磁感应强度,从而可以计算得出磁航向角。数据处理电路采用双架构,能够支持快速
6、导航运算的功能。其中,主要负责数据采集、时钟同步、数据存储等功能。的陀螺和加速度计数据、数据和磁强计数据通过数据输入模块的串行外设接口(,)、晶体管 晶体管逻辑(,)串口和模拟数字(,)电路进行定时采集,并向发送原始数据,同时在安全数码(,)卡进行数据存储。则通过响应中断负责数据处理功能,包括误差补偿、初始对准、捷联解算、联邦滤波、反馈校正等模块,并实时将解算后的位置速度姿态信息通过 通信接口输送给上位机进行监控和存储。工作时需要个模块共同协调工作,其整体工作流程如图所示。图工作流程图 犕犘犗犛联邦滤波算法利用联邦滤波实现多传感器的信息融合,其中为主参考系统,与双天线构成子滤波器,与构成子滤波
7、器,其量测信息输入到相应的子滤波器中,进行局部滤波后,其估计结果输入到主滤波器,实现全局的状态估计。其系统状态空间模型如下:犡犽犽,犽犡犽犽犠犽()式中:犽,犽、犽和犠犽为状态转移矩阵、系统噪声驱动阵和噪声向量;其状态变量为犡犽犈,犖,犝,犞犈,犞犖,犞犝,犔,犎,狓,狔,狕,狓,狔,狕,其中包括失准角误差(犈,犖,犝),速度误差(犞犈,犞犖,犞犝),位置误差(犔,犎),陀螺仪随机常值漂移(狓,狔,狕),加速度计常值偏置(狓,狔,狕)。系统噪声向量犠犽狓,狔,狕,狓,狔,狕为零均值高斯白噪声,其方差阵为犙犽。狓、狔、狕和狓、狔、狕为器件随机误差。设每个子系统的状态向量和量测向量为犡犻,犽犻,(
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