自适应sage滤波在gps sins组合导航中应用

SCIENCE&TECHNOLOGY科技信刘培 黄春 马明 吉 长（长春工业大学计算机科学与工程学院【摘要】为了提高导弹命中目标的精度，研究了GPS/SINS组合导航系统。以组合导航系统为应用背景，在常规Kalman数学模型的基础上，提出了改进的自适应Sage-Husa滤波方法。试验结果证明：在噪声的统计特性不能确定时，改进的自适应Sage-HusaSCIENCE&TECHNOLOGY科技信刘培 黄春 马明 吉 长（长春工业大学计算机科学与工程学院【摘要】为了提高导弹命中目标的精度，研究了GPS/SINS组合导航系统。以组合导航系统为应用背景，在常规Kalman数学模型的基础上，提出了改进的自适应Sage-Husa滤波方法。试验结果证明：在噪声的统计特性不能确定时，改进的自适应Sage-Husa滤波与常规滤波相比，导弹命中目标的圆概率误差(CEP)由原来的导精度和可靠性是十分有效的【关键词】组合导航；卡尔曼滤波；信息融合；自适应滤21mSage-Husa滤波方法对提高提高到改进的自适应组合导航系统的制Self-AdaptingFilteranditsApplicationinGPS/SINSIntegratedNavigationSystemLIUPei-weiHUANGChun-meiMAMing-longLIUTao（ChangchunUniversityofTechnology,ComputerScienceandEngineering,ChangchunJilin,130012,China【Abstract】ToimprovetheaccuracyofmissilestargetingtostudytheGPS/SINSintegratednavigationsystemIntegratednavigationsystemforapplicationsinthebackground,intheconventionalKalmanmathematicalmodelbasedonthesuggestionstoimprovedself-adaptingSage-Husafilter.Simulationresultsexplainedthat:Inthenoisestatisticalpropertiesarenotsure,theimprovedselfadaptingSage-Husafilter,comparedwiththeconventionalKalmanfilter,ThemissilehitthetargetofcircularerrorprobableCEPfrom62mto21m.Improvedself-adaptingSage-HusafilterforimprovingtheGPS/SINSintegratednavigationsystemsguidanceaccuracyandreliabilityisveryeffective.【Keywords】Integratednavigation;Kalmanfilter;Informationfusion;Adaptive的导航精度在导航传感器数据预处理完成后，得到一套完整的导航传感器数据：惯导、GPS接收机数据，然后在此基础上对上述的传感器信息采用不同的卡尔曼滤波器进行信息融合。．引现代化战争对导弹的精确制导技术的要求越来越高，单一导航系统（如惯性导航系统）己远远不能满足实际要求（GPS能为全球用户提供精确的位置、速度和时间修正；但独立的GPS通常不能实现快速连续高精度地导航。独立的SINS由于存在无限制的位置误差，使得它不能在动态环境中长时间地完成高精度的连续导航任务， 而组合导航系统可以将多种传感器的导航信息通过数据融合技术有机的结合起来，弥补了单一导航系统的固有缺陷，使最终的导航精度更高更可靠。上世纪70年代，现代组合导航系统在航海、航空与航天等领域随着现代高科技的发展应运而生，随着电子计算机技术的迅猛发展和现代控制系统理论的进步，组合导航技术开始迅猛发展起来。GPS/SINS组合导航系统可以充分利用GPS和SINS具有极强的互补性和非相似性，因此二者的组合不是简单的组合，而是回避了各自的缺点，充分发挥各自的优点于一体，无论在精度、性能、可靠性等各方面，组合系统都优于单独的子系统，提高导航精度和可靠性，扩大使用范围]。在信息融合方法比较2.1常规Kalman一阶离散线性状态方程和测量方程式中∞Φ nF(t/n!n=Σ∞n-G(tkn=在离散系统差分方程中，Xk为系统在k时刻的n维状态矢量，Zk为k时刻的量测矢量，Φ/1为k-1时刻到k时刻的状态转移矩阵，Hk为k时刻的量测矩阵，W1为k-1时刻的系统噪声矢量，Γ1为系统噪声矩阵，Vk为k时刻量测噪声矢量[6]。常规卡尔曼滤波器（标准卡尔曼滤波器），采用最小方差估计方法对动态系统量测值处理其离散卡尔曼滤波递推算法如下：实际的GPS/SINS组合导航系统中，由于惯性元件之间不确定因素的影响，给系统数学模型的准确建立带来了困难，常规卡尔曼滤波不能保证滤波的最优性。为弥补上述缺点，本文介绍了改进的自适应Sage-Husa滤波算法的推导过程，并结合MATLAB7.0/Simulink对滤波算法进行仿真验证。．GPS/SINS组合导航系统模型GPS/SINS组合导航系统信息融合的本质，实际上就是将GPS和SINS两个导航子系统所测量的信息进行互联与状态矢量估计。即利用GPS接收机、惯性陀螺和加速度计的量测作为多源信息，Kalmankk/k-1kkkk/k-TTK=PH(HPH+Rkk/k- kk图1波器根据这些信息给出关于导航参数误差的最优估计量GPS/SINS组合导航系统的工作原理[5]TTk-P=ΦP +ΓQ一方面利用量测值去修 k/k-1k-k-1k-k/k-TkTP=(I-KH)P(I-KH)+KR kkk/k- k k常规Kalman滤波算法在滤波过程中预测值，另一方面对未知的或不确切知道的干扰和噪声统计参数进行估计。该算法适用于一般线性离散系统，递推计算简单，在许多领域得到应用。但是，算法所采取的方法是在滤波的同时，在线估计各自适应参数，这将增加滤波的复杂性，实时性变差，对噪声特性未知的或不确切的系统适应较差，工程实现较困难。同时，还有可能随着Qk（系统噪声方差阵）和Rk（量测噪声方差阵）失去半正定性和正定性导致滤波发散，无法保证滤波正常进行。2.2改进的自适应Sage-Husa自适应Sage-Husa滤波是在常规Kalman滤波算法的基础上改进的一种算法，为了提高估计值的精度，用赞k/k近似的代替赞k/k-1，得到极图1GPS/SINS组合导航系统的工作原理基于卡尔曼滤波器的信息融合算法的设计，是整个组合系统的核心部分。它用于实时地估计系统的误差状态，然后依据最小均方误差估计的控制规律，对惯性导航系统进行反馈修正，从而提高整个系统SCIENCE&TECHNOLOGY科技信TT度计随机零偏均方根为3mg，相关时间为1200s，仿真时间的位置误差为10m，速度误差为0.1m/s，相关时间200s系统Kalman滤波器的状态初值均为0，初始估计均方差P为T1TTTT +d K+P-SCIENCE&TECHNOLOGY科技信TT度计随机零偏均方根为3mg，相关时间为1200s，仿真时间的位置误差为10m，速度误差为0.1m/s，相关时间200s系统Kalman滤波器的状态初值均为0，初始估计均方差P为T1TTTT +d K+P-k/k-1k-1k/k-1=(1-dk)Γk/k-1k-1Γk/k- k/k-1Pk-1Φk/k-1式(8)为量测噪声方差的估计方程，式中dk用于指数加权，为了满足权系数序列要求，令dk=(1-b)/(1-)0b1，遗忘因子b需要根据实际情况而定，一般取0.95~0.99。为了提高组合导航系统精度和消除模型误差所引起的滤波发散，在指数加权衰减记忆滤波的基础上，依据式6)一步预测均方误差，可自适应的调节遗忘因子b。令，η0=命中误差（m）%射程通常情况下，系统噪声Qk是由光纤陀螺和加速度计误差的白噪声部分构成，所以系统噪声方差阵Qk的初值为： {(0.02°/h),(0.02°/h),(0.02°/h),(0.3°/h),(0.3°/h),(0.3°/h),量测噪声方差阵Rk的初值为Qηk=εkb=0.97取遗忘因子初值3.3仿真结其中：εk为k时刻导弹与预定轨迹的误差，Mk为k时刻导弹当前ηk<η时，b不变；ηk>η时，P/k的迹的变化，b进行微调b，使得在k+1时刻量测信息到来时ηk<η，这里取△b=0.001。将式(8)、式()与常规Klmn滤波方程式(3)～式()联立，可以得到改进的自适应Sg-usa滤波算法：在上述条件下分别对常规Kalman滤波和改进的自适应Sage-Husa进行仿真验证，仿真结果如图3~图6。KkTTK=PH(HH+Rkk/k- kk/k- kkTTk-图图东向位置误北向位置误PP +Γk-1k-Q（）k/k-1k-k/k-TkP=(I-KH)P(I-KH)+KRT kkk/k- k kTTTR=(1-d)R+d([I-HK]ε[I-H]+HPHT kk kk-1kk- kTTT +d K+P- k/k-1k-1k/k-1=(1-dk)Γk/k-1k-1Γk/k- k/k-1Pk-1Φk/k-1dk=(1-b)/(1-bk改进的自适应Sage-Husa算法减小了常规Kalman算法的复杂度，保证了滤波计算的实时性和自适应能力，提高了信息融合的精度。系统仿仿真模现有的进行组合导航仿真研究时，由于涉及到很多较为复杂的运算，所以主要是基于isulC++编程实现的，这样做虽然可以获得良好的应用界面，但是程序中的运算相当复杂，算法程序的编写非常麻烦，也不利于在此基础上进一步展开研究；而基于Matlb的附加组件Simulink进行组合仿真平台的构建却可以利用Mtlab先进的运算功能，可以借鉴己有的优秀算法进行组合系统的进一步研究GPS/SINS组合导航系统仿真模型如图2所示。从图2可以看出仿真系统模型由轨迹发生器模块、SINS模块、GPS模块、Kalman滤波模块四部分组成，其中Kalman滤波部分采用M文件编写，其余模块采用Sinulink建模实现，利用MATLAB7.0/Simulink的信息交互功能实现整个模型的仿真。图图高度误圆概率通过对上述两种导航算法仿真试验结果对比分析，得出表1的分析数据。由分析数据得知，在噪声统计特性未知时，改进的自适应Sage-度滤波明显优于常规Kalman滤波，提高了组合导航系统的精表1两种导航算法参数误差对比（单位：米方常规自适应Sage-参东向位置误北向位置误高度误6圆概率．结从实验结果可以看出，改进的自适应Sage-Husa滤波算法增强了滤波的稳定性，在噪声的统计特性不能确定时，滤波效果明显优于常规Kalman，它大大降低了组合导航参数误差将组合导航系统的率误差由常规Kalman滤波的62m，提高到了19m。实验证明改进的自适应Sage-Husa方法对提高GPS/SINS组合导航系统的精度和可靠性是十分有效的。科●【参考文献［1］秦永元．惯性导航[M].北京：科学出版社［2］张涛，徐晓苏.基于模糊自适应的组合导航系统信息融合算法J.中国惯性技术学报0,1:192［3］李靖宇，姜斌，刘剑慰．INGNASGS组合导航系统的故障检测研究J.控制工程,0,1:67［4］石忠，霍星．多传感器信息融合技术在INS/GPS组合导航（下转第892页图2GPS/SINS组合导航系统仿真模型3.2仿真条仿真条件如下：初始位置为北纬44°、东经°，东向和北向速度均为300m/s；三个单自由度光纤陀螺仪的常值漂移为h，一阶马尔可夫均方根为°h，高斯白噪声为°h，相关时间为1800s；加速○高校讲坛SCIENCE&TECHNOLOGY科技信根据语言学科教学特点，高职英语课堂教学有效性设计必须克服忽视听说读写技能训练的弱点，加大对学生实用交际能力的训练，把培养一定的实用交际能力作为教学的一项重要任务。我们在以往的教学中，往往只注重对课文和词汇的讲解，而对于训练学生的听说读写技能，尤其是在听说方面却花费的时间很少，甚至没有○高校讲坛SCIENCE&TECHNOLOGY科技信根据语言学科教学特点，高职英语课堂教学有效性设计必须克服忽视听说读写技能训练的弱点，加大对学生实用交际能力的训练，把培养一定的实用交际能力作为教学的一项重要任务。我们在以往的教学中，往往只注重对课文和词汇的讲解，而对于训练学生的听说读写技能，尤其是在听说方面却花费的时间很少，甚至没有。为了克服这一弱点，教师应该结合教材和高职生英语学习的特点，有效设计课堂训练：为过程性评价和结果性评价并重；变以教师为主体进行评价为学生自评、互评和教师评价相结合；变纸笔测验为各种考试相结合。既关注结果，又关注过程，使对学习过程和对学习结果的评价达到和谐统一。具体而言，在测试的内容和方法上，要做到语言能力和交际能力并重，比如说可以利用调频电台、录音等电子设备进行听力、口语表达能力测试。要探索借鉴多种试题类型，除了客观题外，还可设计一些更加灵活的主观题，从而充分地评估学生的综合能力。2．4适时进行课堂教学有效性反教学实践之后的反思是课堂教学过程的重要环节，是教师专业发展和自我成长的核心因素。高职英语课堂有效教学有效教学不是一蹴而就的，而是通过有效的反思来实现的，以反思教学促进有效教学。专家型教师在教学过程中常常要结合自身教学风格和特定教学对象对课堂教学教法和教材内容进行认真审视，提出质疑和可商榷之处，进而提高自我反思能力。尤其作为高职英语教师，考虑到所任教学科的特点及高职学生的年龄特点，则更有必要对自己的课堂教学有效性进行反思。如是否表达清晰、富有趣味性和感染力、体态语言是否亲切自然等等。经调查发现，富有学识、修养并善于创设愉悦课堂气氛的英语教师更受学生欢迎。因此，英语教师应尽可能地反思自己的课堂教学，掌握优美的英语语音语调，形成亲切得体的教姿教态，提升自己一是练习有方对症下药总比滥施药方有用得多。英语教学必须是知识与能力相结合的教学。语言能力是交际能力的一部分，交际能力是语言能力的最终发展高职英语教学要在重视语言共核的基础上，培养学生的语言运用能力，让学生能用英语进行交流。这才是我们教学的目标。为了这个目标，我们就要把听说能力的培养放到教学的突出位置上。所以，设计的练习既要有利于学生对重点、难点的理解和掌握，又要有利于学生语言交际能力的提高。二是练习有“味”：英语课程从本质上来说是一门技能训练课，无论是具有很好的听力，还是很好的口语，都离不开大量的操练。训练强度与能力的提高是成正比的。在传统的课堂里，由于班级规模和教学时间的限制，课堂操练机械枯燥，技能训练相对不足，教学软件可以替代教师的这部分工作，克服传统课堂模式无法加大听说训练的时间和强度的缺陷。在网络上学生可以直接点播英语电影，电视节目和英语的教学风格和教学魅力③教学片等，可以和教师甚至英语国家的人用英语进行交流。提供了比较真实的语言环境，增强了学生语言操练的趣味性。这为总之，高职英语课堂有效教学是真正体现以学生为中心的教学理念，在教学过程中，要始终关注学生学习的状态，学习的兴趣，动机的激发以及互动，合作学习方式的运用，采取有效的教学策略达到有效的学习效果。高职英语课堂教学不只是实现教学任务，达到教学目标的过程，而且更应该是师生生命共同经历成长的过程，事实上也只有这样的教学才是真正的有效教学。科●三是练习有“层”：高职生不但英语基础差别很大，而且学习潜力、智能、个性等方面也存在着差异。教师决不能漠视这种差异，应该把它作为英语课堂有效教学的出发点。考虑到五年制高职教育的职业特色和学生特点，教师在英语课堂有效教学中运用具体的目标定位与分层策略是十分必要的。语言是靠“习得”的，操练分层能让学生积极投入不同层次的操练中各有所获。教师要精心设计层次不同的三种操练题，由浅入深地让差、中、优三个层次的学生都得到充分的操练。这里的具体分层为A是重复和模仿B是初步运用C是综合运用。操练分层必须有分有合，即整体与部分相结合。操练A要求全体参加，以差生为主；操练B中等生和优等生必须参加，鼓励有能力的差生试做；操练C以优等生为主，只有这样，才能避免轮流操作的刻板模式，激发全体学生的兴趣并使之持之以恒。四是练习有“时”：心理学研究表明，人们在对事物的认识过程中确实存在着遗忘。遗忘对于知识的掌握和思维的发展都有很大的影响。学生常常因遗忘而出现思想干扰或障碍。因此，语言操练要把握“时机教师应抢在知识遗忘的规律先快后慢教师对每个知识点循环练习的间隔时间也应由短而长，以确保练习的最佳效果。2．3科学开展课堂教学综合评课堂教学评价是考核大学英语教学质量,促进英语教师专业成长的重要环节及有效途径随着高职院校英语教学改革的不断深化形成【参考文献［1］教育部高等教育司.高职高专教育英语课程教学基本要求[].北京：高等教育出版社，0［2］刘涛川，等.有效教学方法全集[M].北京：艺术与科学电子出版社4．［3］基础教育英语教学评价研究与探索[M].北京教育出版社1．［4］李庭芗.英语教学法[M].高等教育出版社．［5］牛素敏.构建健康课堂,引领学生幸福成长．中小学心理健康教育，2008，11期［6］袁振国.教育新理念[M].北京：教育科学出版社4．［7］束定芳，庄智象．现代外语教学—理论、实践与方法M．上海外