CN102768361A - 基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的gps/ins组合定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,属于复杂环境下的组合导航定位技术领域。该方法将模糊神经网络(FNN)作为遗传粒子滤波(GPF)的辅助算法进行应用:在GPS信号有效时,利用FNN算法建立INS导航系统的导航误差模型;在GPS信号失锁时,依靠之前训练得到的FNN误差模型对导航系统误差进行补偿。该方法克服了在城市、峡谷或森林环境下GPS信号失锁时,传统的GPS/INS组合导航系统无法提供持久的高精度实时导航问题。该方法可应用于车辆在城市、隧道等密闭复杂环境下的长距离长时间高精度导航定位。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,属于复杂环境下组合导航技术领域。
背景技术
近年来,对载体精确导航定位的需求推动了导航技术的发展,并且在未来的很长一段时间内,这种发展趋势仍将保持不变。在现有的导航方式当中,惯性导航和卫星导航是最常用的两种方式。惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)的基本原理是牛顿提出的相对惯性空间力学定律,利用陀螺仪、加速度计测量载体相对惯性空间的角运动和线运动参数,在给定的运动初始条件下,由计算机进行积分运算,便能够连续、实时地提供载体的位置、速度和姿态信息。INS完全依靠自身的惯性敏感元件,不依赖于任何外界信息测量导航参数,具有隐蔽性好、不受气候条件限制、抗干扰性强和短时精度高等优点,是一种完全自主式、全天候的导航系统。但是,INS也有其自身的不足。由于捷联算法中的积分原理,惯性期间的误差会导致导航误差随时间累积,因此单纯的INS难以满足远程、长时间运动载体的高精度导航要求。全球卫星导航系统(Global Positioning System,GPS)是另外一种最常用的导航方式。它的优点是定位精度高,导航误差不随时间积累,可全天时、全天候的工作。但是其易受电磁干扰、遮挡等外界环境影响的缺点限制了其应用范围,特别是室内、地下巷道等一些密闭的、环境复杂的场景,GPS信号被严重遮挡,从而无法进行有效的工作。
为了获取相对稳定的定位精度,许多学者利用智能算法将INS与GPS组合起来,形成GPS/INS组合导航系统。GPS/INS组合导航能够使导航系统维持长时间的稳定,但是其导航精度依然受到环境的限制。比如当载体长期运行于城市或隧道中时,由于建筑物遮挡,GPS信号可能会出现长时间的失锁,INS不能提供长时高精度导航的缺点会导致GPS/INS组合导航系统出现严重的精度下降。因此,针对GPS长期失锁状况下的INS误差补偿研究显得尤为重要。
发明内容
本发明克服现有技术的不足,提出了一种基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,该方法首先在GPS信号良好的情况下采用模糊神经网络(FNN)对INS的导航误差模型进行训练,当GPS信号失锁时,依靠训练好的FNN模型对INS系统误差进行补偿。该方法克服了GPS失锁带来的组合导航系统精度下降的问题,能够提供持久的高精度导航。
本发明为解决其技术问题采用如下技术方案:
一种基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,包括下列步骤:
(1)将组合导航系统运行的区域分为训练区域和补偿区域两部分,所述训练区域为GPS信号良好的区域,所述补偿区域为GPS信号失锁的区域;
(2)在训练区域,GPS和INS导航系统同时工作,首先将GPS测量的位置、速度信息与INS测量的位置、速度信息作差,并将作差结果输入滤波器进行数据融合,以得到INS系统的测量误差;
(3)在采用遗传粒子滤波进行数据融合,并得出INS导航误差的同时,将该误差信息作为误差模型的理想输出,将INS中陀螺仪和加速度计的输出作为误差模型的输入,对误差模型进行建模训练;
(4)当GPS失锁时,即载体进入误差补偿区域,在这一区域,组合导航系统无法得到GPS导航信息,而只能利用INS完成这一区域的自主导航,此时利用在训练区域训练得到的误差模型对INS测量得出的导航信息进行误差补偿,得到最优导航信息。
步骤(2)中训练区域,进行数据融合的滤波器为遗传粒子滤波器,该滤波器利用遗传算法优化粒子滤波中的重采样过程,以解决粒子滤波中存在的粒子退化现象。
步骤(3)中所述利用INS中陀螺和加速度计的输出作为输入、滤波器得出的误差信息作为理想输出对误差模型进行建模训练,其所用误差模型为模糊神经网络。
本发明的有益效果如下:
(1)利用人工智能算法对INS误差进行建模,能够在GPS失锁后对INS误差进行有效的补偿,从而提高了GPS/INS组合导航系统的适用范围。
(2)利用遗传算法优化粒子滤波的重采样过程,可有效的抑制粒子退化现象。
(3)利用模糊神经网络对INS误差进行建模,可得到精度较高的预测模型。
附图说明
图1为基于GPF与FNN的GPS/INS系统误差训练框图。
图2为基于FNN的GPS/INS系统误差补偿框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
如图1为基于GPF与FNN的GPS/INS系统误差训练框图。在训练区域,GPS与INS同时工作,首先将GPS测量的位置、速度信息与INS测量的位置、速度信息作差,并将作差结果输入滤波器进行数据融合,得出INS导航误差并对系统输出进行补偿;同时,将遗传粒子滤波(GPF)输出的误差作为FNN的理想输出,将INS中陀螺仪和加速度计的输出作为模糊神经网络(FNN)的输入,对FNN进行训练,建立基于INS中陀螺仪和加速度计输出的INS误差模型。
当载体进入GPS失锁区域时,则组合导航系统进入误差补偿阶段,如图2所示。在这一区域,组合导航系统无法获得GPS测量结果,只能依靠INS完成这一部分的自主导航。此时INS利用在训练区域得到的FNN误差模型对测量的导航信息进行误差补偿,得到最优的导航信息。从而避免了因GPS无法工作导致的导航精度迅速下降的问题,具有良好的可行性和前瞻性。
本发明的原理是: GPS/INS是目前应用最广泛的组合导航系统。尽管GPS能够为地球上任何地点的用户提供导航信息,但GPS要求捕获四颗或更多的卫星,所以在城市、峡谷或者森林等地区,由于受建筑物、山体、树木等遮挡,导致GPS信号衰减或失锁,此时组合导航系统中只有INS能够正常使用,从而导致整个系统导航定位精度下降,甚至无法正常工作。因此必须对GPS失锁情况下的INS误差进行补偿。由于INS位置误差、速度误差和姿态误差是由INS中的陀螺仪和加速度计误差引起的,所以可以利用人工智能方法建立输入为陀螺仪、加速度计误差,输出为INS位置误差、速度误差和姿态误差的模型。
粒子滤波器(Particle Filter,PF)是目前应用较为广泛一种信息融合算法,它利用一批具有相应权重的离散随机样本粒子,根据量测信息不断调整粒子的权重和位置,来近似状态向量的后验概率密度,并根据这些粒子及其权重来计算状态估计值。在粒子算法中,普遍存在的一个问题是粒子退化现象。可以用有效样本数来衡量一个样本的退化程度,有效样本数定义如下:
其中,表示有效样本数,表示归一化后的粒子权值。越小则退化现象越严重,若小于设定的阈值时采用重采样从得到新的粒子及其权值。其中,用来描述k时刻目标状态的后验概率分布,是对应于权值为的粒子集,其中权值满足。具体为:
为了解决粒子退化现象,本发明采用遗传算法对粒子样本进行重采样,从而提高滤波性能。
人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)因其广泛的适应能力、学习能力和映射能力,在多变量非线性系统建模方面取得了惊人的成就。ANN的主要优点是不需依赖于模型,但其代价则是使得网络的权值难以理解。另外,在对ANN的进一步训练中,也难以知道它将对哪些知识进行编码,又将哪些已有的知识遗忘。与ANN相反,模糊系统(Fuzzy System,FS)直接对专家预言描述的事件、关联的关系进行编码,然后将编码结果放入一个模糊矩阵中。因此,模糊系统可以追踪其推理过程,其编码知识容易理解且容易引入启发性知识。FS的缺点是编码的精度较低,特别是当推理路径较长时,其精度下降也更大。而将ANN与FS相结合,即采用模糊神经网络(FNN)则可有效的扬长避短,将ANN与FS的优点融合在一起。
Claims (3)
1.一种基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,其特征在于,包括下列步骤:
(1)将组合导航系统运行的区域分为训练区域和补偿区域两部分,所述训练区域为GPS信号良好的区域,所述补偿区域为GPS信号失锁的区域;
(2)在训练区域,GPS和INS导航系统同时工作,首先将GPS测量的位置、速度信息与INS测量的位置、速度信息作差,并将作差结果输入滤波器进行数据融合,以得到INS系统的测量误差;
(3)在采用遗传粒子滤波进行数据融合,并得出INS导航误差的同时,将该误差信息作为误差模型的理想输出,将INS中陀螺仪和加速度计的输出作为误差模型的输入,对误差模型进行建模训练;
(4)当GPS失锁时,即载体进入误差补偿区域,在这一区域,组合导航系统无法得到GPS导航信息,而只能利用INS完成这一区域的自主导航,此时利用在训练区域训练得到的误差模型对INS测量得出的导航信息进行误差补偿,得到最优导航信息。
2.根据权利要求1中所述的基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,其特征在于:步骤(2)中训练区域,进行数据融合的滤波器为遗传粒子滤波器,该滤波器利用遗传算法优化粒子滤波中的重采样过程,以解决粒子滤波中存在的粒子退化现象。
3.根据权利要求1中所述的基于遗传粒子滤波与模糊神经网络的GPS/INS组合定位方法,其特征在于:步骤(3)中所述利用INS中陀螺和加速度计的输出作为输入、滤波器得出的误差信息作为理想输出对误差模型进行建模训练,其所用误差模型为模糊神经网络。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121107 |