CN111444475A - 一种应用在飞行测试数据分析的容错ckf滤波融合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种应用在飞行测试数据分析的容错CKF滤波融合方法。本发明大体包括三部分内容:第一部分,根据实际运动目标进行系统建模;第二部分,根据复杂工程环境下量测系统中存在乘性噪声相关以及故障问题设计了乘性噪声相关的容错CKF滤波器;第三部分,根据无重置式联邦滤波器的不足,提出了改进的滤波融合方法。本发明既能处理乘性噪声相关的滤波估计问题,又能应对系统发生故障的情形,同时也能处理所有子滤波器均发生故障的极端情况,极大地提高了系统的容错性,保证了飞行测试数据的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用在飞行测试数据分析的容错CKF滤波融合方法,属于目标跟踪领域。
背景技术
飞行实验测试在评估飞行器质量和性能中有着非常重要的意义,利用测量过程中采集到的实际飞行数据对飞行器的状态跟踪轨迹分析是评估飞行器性能的重要手段,高精度的目标跟踪数据对于评估和分析飞行器运行过程中的质量和稳定性极为重要。
飞行器和测量设备在运行过程中会受到复杂的环境、设备作用距离和通信电磁波的干扰,使得获得的实际飞行测试数据被噪声污染而不能直接被使用。为了解决噪声干扰问题,1960年提出的卡尔曼滤波理论,在飞行器飞行测试数据分析方面得到了重要应用。因此,开展高精度的飞行器飞行测试的数据分析研究,对提高飞行试验飞行器性能评估的准确性和稳定性具有重要意义。
由于目标跟踪系统多为非线性,卡尔曼滤波只能适用于线性系统。因此,大量非线性滤波方法得以提出,其中容积卡尔曼滤波(CKF)因具有较高的滤波估计精度而被广泛使用。随着实际工程环境日趋复杂,传感器量测会受到乘性噪声和野值的干扰,导致滤波精度降低。
随着科学技术的迅猛发展,人们对滤波性能的要求越来越高,多传感器信息融合技术受到广大科研人员和工程技术人员的欢迎。融合结构常分为两种:集中式融合和分布式融合。其中,分布式融合中的无重置式联邦滤波器容错性较好,且具有较快的计算速度。但是传统的无重置式联邦滤波器也面临着两个问题:一,对故障子系统隔离之后,由于该故障子系统无法获得融合估计的结果,因此不能再进行故障检测,将一直被隔离造成传感器资源浪费,同时也会对融合稳定性造成影响。二,对于出现所有子系统均发生故障的情况,融合估计将无法继续进行。
发明内容
为了应对上面提到的系统出现故障的信息融合问题,本发明设计了容错处理模块代替故障隔离模块,并对故障检测方法做出了改进,且对子滤波器提出乘性噪声相关的容错CKF滤波算法,有效实现了对飞行器状态的实时估计。
本发明大体包括三部分内容。第一部分根据实际运动目标进行系统建模;第二部分,根据量测子系统中出现故障以及出现乘性噪声相关的情况设计了乘性噪声相关的容错CKF滤波算法;第三部分,设计出改进的滤波融合方法,用于对飞行器飞行测试数据进行分析,得到飞行器实时运动状态。
本发明包括以下步骤:
步骤1.系统建模,假设系统有N个传感器,每个传感器构成一个子滤波器,且子滤波器与主滤波器的状态变量相同,考虑如下具有乘性噪声相关的离散时间非线性系统,其状态方程和第i(i=1,2,…,N)个传感器的量测方程分别如下:
式中,是k时刻的系统状态向量,其是由x方向位移和速度以及y方向位移和速度构成,f为已知非线性过程函数,过程噪声wk-1是零均值方差为Qk-1的高斯白噪声向量,是k时刻第i个子滤波器的量测向量,hi为第i个子滤波器非线性量测函数,Ai,k=diag{1+ui,k,…,1+ui,k}=(1+ui,k)I,ui,k和vi,k分别是第i个子滤波器k时刻乘性和加性高斯白噪声,且具有相关性,vi,k=[v1,k,…,vm,k]T,且E{vi,k}=μi,v1=μi,v[1,…,1]T,wk-1和vi,k互不相关,σi为随机向量,用来描述野值大小,当ρk=0时表示无故障,当ρk=1时,表示发生故障。
步骤2.模型转换,将量测方程表示为非线性量测和虚拟量测噪声的总和如下:
步骤3.给出子滤波器的乘性噪声相关的容错CKF滤波算法,具体如下:
式中,Sk-1为由估计误差协方差矩阵Pi,k-1经过cholesky分解得到,ξj为提前确定的cubature点,和都为经计算和传播后的第j个cubature点,为状态预测值,Pk|k-1为预测误差协方差矩阵。
步骤3.2给出E{hi(xk)}、Var{hi(xk)}和Cov{xk,hi(xk)}的计算方法:
式中,Sk|k-1为由预测误差协方差矩阵Pk+1|k经过cholesky分解得到,和都为k时刻第j个cubature点,E{hi(xk)}和Var{hi(xk)}分别为hi(xk)的均值和方差,Cov{xk,hi(xk)}为xk和hi(xk)的互协方差。
Pxz,k|k-1=(1+μi,u)Cov{xk,hi(xk)} (19)
步骤3.5给出故障检测方法以及容错策略,根据子滤波器当前滤波新息与理论新息协方差的不一致程度判断子滤波器是否发生故障,其步骤如下:
式中,εi,k为滤波新息,αi,k为故障检测函数,Ti,D为故障检测阈值,可提前根据预警率设定,λi,k为调节因子。
将调节因子λi,k引入到滤波增益矩阵Kk中,其公式如下:
Kk=λi,kPxz,k|k-1(Pzz,k|k-1)-1 (24)
Pi,k=Pk|k-1-KkPzz,k|k-1(Kk)T (26)
步骤4.给出滤波融合算法,具体算法如下:
步骤4.1信息分配,只在初始时刻进行一次信息分配,具体如下:
步骤4.3给出主滤波器的融合算法:
Pg,k=[(P1,k)-1+(P2,k)-1+…+(PN,k)-1]-1 (31)
步骤4.4给出信息反馈策略:
主滤波器完成当前时刻的信息融合后,将全局融合信息反馈给发生故障的子滤波器,直到该子滤波器恢复正常以后,则不再进行信息反馈;
Pi,k=Pg,k (34)
对于没发生故障的子滤波器,主滤波器不对其进行信息反馈。
本发明的有益效果:本发明能够处理系统中出现故障以及乘性量测噪声与加性量测噪声相关情形,且有效解决所有传感器均发生故障的极端情况,同时也避免了将故障子滤波器隔离造成的资源浪费问题,将其用于飞行测试数据分析中,可以实时估计出飞行器状态,有效得到高精度的飞行测试数据。
附图说明:
图1:本发明的乘性噪声相关的容错CKF滤波算法流程图。
图2:本发明的容错CKF滤波融合算法结构图。
具体实施方法
本发明提出一种应用在飞行测试数据分析的容错CKF滤波融合方法。本发明首先根据实际目标的运动状态建立模型,其次给出子滤波器的乘性噪声相关的容错CKF滤波算法的步骤,最后给出主滤波器融合算法和信息反馈策略。乘性噪声相关的容错CKF滤波算法流程图如图1所示,容错CKF滤波融合算法结构图如图2所示,包括以下几个步骤:
步骤1.系统建模,假设系统有N个传感器,每个传感器构成一个滤波子滤波器,且子滤波器与主滤波器的状态变量相同,考虑如下具有乘性噪声相关的离散时间非线性系统,其状态方程和第i(i=1,2,…,N)个子滤波器的量测方程分别如下:
式中,是k时刻的系统状态向量,其是由x方向位移和速度以及y方向位移和速度构成,f为已知非线性过程函数,过程噪声wk-1是零均值方差为Qk-1的高斯白噪声向量,是k时刻第i个子滤波器的量测向量,hi为第i个子滤波器非线性量测函数,Ai,k=diag{1+ui,k,…,1+ui,k}=(1+ui,k)I,ui,k和vi,k分别是第i个子滤波器k时刻乘性和加性高斯白噪声,且具有相关性,vi,k=[v1,k,…,vm,k]T,且E{vi,k}=μi,v1=μi,v[1,…,1]T,wk-1和vi,k互不相关,σi为随机向量,用来描述野值大小,当ρk=0时表示无故障,当ρk=1时,表示发生故障。
步骤2.模型转换,将量测方程表示为非线性量测和虚拟量测噪声的总和如下:
式中,Sk-1为由估计误差协方差矩阵Pi,k-1经过cholesky分解得到,ξj为提前确定的cubature点,和都为经计算和传播后的第j个cubature点,为状态预测值,Pk|k-1为预测误差协方差矩阵。
步骤3.2给出E{hi(xk)}、Var{hi(xk)}和Cov{xk,hi(xk)}的计算方法:
式中,Sk|k-1为由预测误差协方差矩阵Pk+1|k经过cholesky分解得到,和都为k时刻第j个cubature点,E{hi(xk)}和Var{hi(xk)}分别为hi(xk)的均值和方差,Cov{xk,hi(xk)}为xk和hi(xk)的互协方差。
Pxz,k|k-1=(1+μi,u)Cov{xk,hi(xk)} (19)
步骤3.5给出故障检测方法以及容错策略,根据子滤波器当前滤波新息与理论新息协方差的不一致程度判断子滤波器是否发生故障,其步骤如下:
式中,εi,k为滤波新息,ai,k为故障检测函数,Ti,D为故障检测阈值,可提前根据预警率设定,λi,k为调节因子。
将调节因子λi,k引入到滤波增益矩阵Kk中,其公式如下:
Kk=λi,kPxz,k|k-1(Pzz,k|k-1)-1 (24)
Pi,k=Pk|k-1-KkPzz,k|k-1(Kk)T (26)
步骤4.给出滤波融合算法,具体算法如下:
步骤4.1.给出初始化信息分配过程,只在初始时刻进行一次信息分配,具体如下:
步骤4.3给出主滤波器的融合算法,主滤波器将各子滤波器的信息进行融合,得到全局状态估计值和对应的估计误差协方差矩阵:
Pg,k=[(P1,k)-1+(P2,k)-1+…+(PN,k)-1]-1 (31)
步骤4.4给出信息反馈策略:
主滤波器完成当前时刻的信息融合后,将全局融合信息反馈给发生故障的子滤波器,直到该子滤波器恢复正常以后,则不再进行信息反馈;
Pi,k=Pg,k (34)
对于没发生故障的子滤波器,主滤波器不对其进行信息反馈。
按照步骤4的要求进行循环迭代,得到飞行器的实时状态估计值。
本发明所述容错CKF滤波融合方法可以处理乘性噪声相关的滤波估计问题,当子滤波器发生故障时,通过对子滤波器进行容错处理,不但保证了子滤波器的鲁棒性,而且提高了全局融合估计精度,即使所有子滤波器均发生故障也能保证滤波估计精度,有效提高了复杂工程环境下飞行测试数据的精度。
Claims (1)
1.一种应用在飞行测试数据分析的容错CKF滤波融合方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
步骤1.系统建模
假设系统有N个传感器,每个传感器构成一个子滤波器,且子滤波器与主滤波器的状态变量相同,考虑如下具有乘性噪声相关的离散时间非线性系统,其状态方程和第i个传感器的量测方程分别如下:
是k时刻第i个子滤波器的量测向量,i=1,2,…,N,hi为第i个子滤波器非线性量测函数,Ai,k=diag{1+ui,k,…,1+ui,k}=(1+ui,k)I,ui,k和vi,k分别是第i个子滤波器k时刻乘性和加性高斯白噪声,且具有相关性,vi,k=[v1,k,…,vm,k]T,且E{vi,k}=μi,v1=μi,v[1,…,1]T,wk-1和vi,k互不相关,σi为随机向量,用来描述野值大小,当ρk=0时表示无故障,当ρk=1时,表示发生故障;
步骤2.模型转换
将量测方程表示为非线性量测和虚拟量测噪声的总和:
步骤3.给出子滤波器的乘性噪声相关的容错CKF滤波算法,具体如下:
式中,Sk-1为由估计误差协方差矩阵Pi,k-1经过cholesky分解得到,ξj为提前确定的cubature点,和为经计算和传播后的第j个cubature点,为状态预测值,Pk|k-1为预测误差协方差矩阵;
步骤3.2计算E{hi(xk)}、Var{hi(xk)}和Cov{xk,hi(xk)}:
式中,Sk|k-1为由预测误差协方差矩阵Pk+1|k经过cholesky分解得到,和都为k时刻第j个cubature点,E{hi(xk)}和Var{hi(xk)}分别为hi(xk)的均值和方差,Cov{xk,hi(xk)}为xk和hi(xk)的互协方差;
Pxz,k|k-1=(1+μi,u)Cov{xk,hi(xk)} (19)
步骤3.5给出故障检测以及容错策略,根据子滤波器当前滤波新息与理论新息协方差的不一致程度判断子滤波器是否发生故障:
式中,εi,k为滤波新息,αi,k为故障检测函数,Ti,D为故障检测阈值,λi,k为调节因子;
将调节因子λi,k引入到滤波增益矩阵Kk中,其公式如下:
Kk=λi,kPxz,k|k-1(Pzz,k|k-1)-1 (24)
Pi,k=Pk|k-1-KkPzz,k|k-1(Kk)T (26)
步骤4.给出滤波融合算法:
步骤4.1信息分配,只在初始时刻进行一次信息分配,具体如下:
步骤4.3给出主滤波器的融合算法:
Pg,k=[(P1,k)-1+(P2,k)-1+…+(PN,k)-1]-1 (31)
步骤4.4给出信息反馈策略:
主滤波器完成当前时刻的信息融合后,将全局融合信息反馈给发生故障的子滤波器,直到该子滤波器恢复正常以后,则不再进行信息反馈;
Pi,k=Pg,k (34)
对于没发生故障的子滤波器,主滤波器不对其进行信息反馈。
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