1.一种基于罗德里格参数和二阶非线性量测的滤波对准算法,包括惯性系动基座对准过程、二阶非线性量测滤波估计算法、经典Rodrigues参数奇异点及其处理方法,其特征在于,具体描述如下:
步骤1,惯性系动基座对准过程
惯性系动基座对准算法以实时姿态阵的链式分解为基础,
<mrow>
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其中,nt系为实时导航坐标系,即载体时变位置东北天地理坐标系;in为导航惯性系,与动基座对准开始时刻的n系重合;b为载体坐标系;ib为载体惯性系,与对准开始时刻的b系重合;式(1)中,是运动的nt系相对于导航惯性系in的姿态阵,由GPS输出位置信息解析计算;能利用陀螺输出进行姿态跟踪,所以,惯性系动基座对准过程是对常值姿态阵的估计;
利用牛顿第二定律和哥氏定理,得到惯性系比力方程如下
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其中,为t时刻载体对地速度在导航惯性系in内的投影;为t时刻载体所在位置重力加速度在导航惯性系in内投影;为t时刻理想比力值;
对式(2)两端分别进行积分,并记
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其中,记为从0到tk时刻载体视速度在导航惯性系in上的积分;记为从0到tk时刻载体视速度在载体惯性系ib上的积分;
利用GPS输出完成式(3)中的求解,
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进一步,在tk-1至tk更新周期内,假设为常矢量,导航惯性系in内对地速度为线性函数,即
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其中,t∈[tk-1,tk];T=tk-tk-1为GPS量测更新周期;
将式(9)、(10)代入式(7)、(8)中,整理得
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<mo>(</mo>
<mn>12</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,
利用捷联惯导姿态、速度二子样更新算法实现对式(4)中的求解;进一步,考虑陀螺仪随机常值漂移εb和加速度计随机常值零偏的影响,推导得
<mrow>
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<mn>15</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,为姿态误差角;为加速度计惯性系比力积分误差;
由式(2)、(3)、(4)和式(13)可得,求解常值姿态阵的观测方程为
<mrow>
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<mn>16</mn>
<mo>)</mo>
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</mrow>
进一步,用经典Rodrigues参数法来等价描述姿态阵记对应Rodrigues参数为l,则二者满足凯莱变换关系式,即
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将式(17)代入式(16),整理得,
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其中,wv包含惯性器件测量噪声的积分和随机扰动的积分,且有
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<mn>19</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(18)即是与姿态阵等价的Rodrigues参数l的观测方程,若能估计出Rodrigues参数l,则依据式(17)得到
综上,惯性系动基座对准选取如下15维状态
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<mo>(</mo>
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
由上述推导,系统方程及量测方程分别为,
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<mo>(</mo>
<mn>22</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
利用式(21)、式(22)设计滤波算法实现对Rodrigues参数l的估计,进而得到姿态阵通过式(1)即实现动基座对准;
步骤2,二阶非线性量测滤波估计算法
式(21)描述的系统方程为线性,式(22)描述的量测方程为非线性,但仅是状态量的二阶非线性函数,能用有限阶Taylor级数展开描述,即
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<mo>(</mo>
<mn>23</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,Xk0为Taylor级数展开点;ei是第i个分量为1,其余元素为0的3维单位向量;Hk为非线性函数h的雅克比阵;Di为非线性函数h的二阶偏导数阵;Tr为矩阵求迹函数,且有
<mrow>
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</mrow>
其中,h=[h1 h2 h3]T;
同时,对于二阶非线性函数,其二阶偏导数阵为常值矩阵,故由式(21)、(22)、(25),知Di为15维常值对称阵,其中非零元素仅有
D1(2,6)=1,D2(1,6)=-1,D3(1,5)=1,
D1(3,5)=-1,D2(3,4)=1,D3(2,4)=-1
D1(6,2)=1,D2(6,1)=-1,D3(5,1)=1,
D1(5,3)=-1,D2(4,3)=1,D3(4,2)=-1 (26)
步骤2.1,滤波时间更新算法
式(21)系统方程为线性,采用标准卡尔曼滤波算法完成时间更新,得到状态量和估计误差方差阵的一步预测,即和Pk/k-1;用状态一步预测结果代替式(23)中Xk0,建立起当前观测量与状态一步预测关系式,进而设计量测更新算法对一步预测结果进行校正,得到当前时刻的状态最优估计值下面推导基于式(23)二阶泰勒级数量测方程的滤波量测更新算法;
步骤2.2,滤波量测更新算法
量测更新形式定义为与线性卡尔曼滤波量测更新一致,假设k时刻状态估计结果为
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其中,Lk为引入的补偿项,和最佳增益Kk一样均为待定值;Lk和Kk的确定原则分别为使为无偏估计和使的均方误差阵Pk的迹最小;
定义状态估计误差
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</mrow>
其中,
由式(23)、式(24)、式(27)、式(28)整理得
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<mn>29</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
要使为无偏估计,即要求期望为零;假设时间更新为无偏估计,则对式(29)右端取期望并令结果为零,得补偿项Lk为
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其中,E[·]表示对括号内变量求期望;
将式(30)代入式(29)中,整理得
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其中,
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<mo>)</mo>
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由于E[wv]=0,且wv与A不相关,故由式(31)、式(32)得Pk为
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<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中
Λk=E[AAT] (34)
式(32)中,A为3维列向量,从而Λk为3阶方阵;利用式(32),经过推导得Λk第i行第j列元素为
<mrow>
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</mrow>
</msub>
</mrow>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>35</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(33)中协方差阵更新方式与标准卡尔曼滤波形式一致,从而式(27)中最佳增益阵Kk,
考察量测更新方程式(27)、(33)、(36),基于二阶泰勒级数的量测更新算法与标准卡尔曼滤波在形式上完全一致,仅增加了对Lk、Λk的计算;而由式(30)、(35)知,Lk、Λk的求解简单;考虑到Di为常值稀疏矩阵,将Lk、Λk描述为仅与Pk/k-1相关的形式,如此进一步减小在线计算量;
步骤3,经典Rodrigues参数奇异点及其处理方法
经典Rodrigues参数是最少参数姿态描述方法之一,存在奇异点,一种等价表示方法为
<mrow>
<mi>l</mi>
<mo>=</mo>
<mi>u</mi>
<mi> </mi>
<mi>tan</mi>
<mfrac>
<mi>&phi;</mi>
<mn>2</mn>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>37</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中,u为两坐标系之间等效旋转矢量的方向向量;φ为等效旋转矢量转过的角度;
当φ取值为±π时,l值为无穷大,是经典Rodrigues参数法进行姿态描述时的奇异点,对ib系进行某种虚拟转动得到ib1,使得ib1系相对于in系的Rodrigues参数远离奇异点,然后采用前述滤波对准算法完成对应Rodrigues参数的估计,进而借助已知的虚拟转动,计算