綜合船橋多源導航信息融合技術研究
韓劍輝112，許鎮(zhèn)琳1，舒東亮2
（1天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072,2天津航海儀器研究所，天津300131）
摘 要：在配備了捷聯(lián)慣導、cps、北斗、計程儀和羅蘭c等多個導航設備的綜合船橋?qū)Ш较到y(tǒng)中，針對常規(guī)的無重置聯(lián)邦濾波器長時間導航會引起導航精度降低和濾波器發(fā)散的問題，以廈實際應用中卡爾曼濾波對系統(tǒng)噪聲和量測噪聲統(tǒng)計特性要求的局限性，采用了局部反饋校正的無重置聯(lián)邦濾波結構，設計了基于日。濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器，并將其應用于綜合船橋多源導航信息融合系統(tǒng)中。仿真分析表明，基于h。濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器對航向角和位置的估計精度都高于常規(guī)的無重置聯(lián)邦濾波器，具有更好的實際應用價值。
關鍵詞：綜合船橋；h；濾波；信息融合；聯(lián)邦濾波
中圖分類號：tp 273 文獻標識碼；a
1引言
當前船舶導航系統(tǒng)已經(jīng)從單純提供導航數(shù)據(jù)發(fā)展到通過網(wǎng)絡技術與信息融合技術提供多樣化的導航模式和控制功能，形成了船舶導航與駕控功能一體化的綜合船橋系統(tǒng)。
目前各種導航定位設備與技術的發(fā)展已基本趨于穩(wěn)定，很難大幅度地提高某種單一導航定位設備的精度。而采用多傳感器信息融合技術取長補短綜合發(fā)揮各種導航設備特點，可提高導航系統(tǒng)的整體精度和可靠性，效果十分明顯。
目前廣泛采用集中卡爾曼濾波器或基于卡爾曼濾波的聯(lián)邦濾波器來進行信息的融合處理，前者存在著實時性和容錯性差的問題，后者為了保證良好的容錯性能而不對各子系統(tǒng)進行校正從而損失了系統(tǒng)的精度。本文采用局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器結構，同時將h∞濾波應用于其中，構成基于h∞濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器，該濾波器保持了系統(tǒng)容錯性，同時具有更高的精度和更好的魯棒性。
2基于h∞濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器結構
捷聯(lián)慣導系統(tǒng)( sins)較高的性價比，可作為船舶的基本導航系統(tǒng)；同時配備cps、北斗(bd)、多普勒計程儀( dvs)和羅蘭c(loran c)等導航儀器作為輔助導航系統(tǒng)，構成滴足航行要求的高性價比船舶導航系統(tǒng)。
捷聯(lián)慣導系統(tǒng)( sins) 可以看作是由捷聯(lián)慣性測量組件(imu)和導航解算單元(nc)構成的。基于h∞濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器將h∞與nc視為sins的2個分立組成部分，整個濾波器中有一個捷聯(lián)慣性測量組件和若干個導航解算單元，并且將捷聯(lián)慣性測量單元作為公共參考系統(tǒng)。每一個導航子系統(tǒng)的輸出分別與一個導航解算單元相應的輸出一起構成子濾波器的量測，每個子濾波器的h∞濾波運算獨立地并行運行，并且每個子濾波器都采用反饋校正方式對各自導航解算單元的誤差進行修正。各個分立的經(jīng)過反饋校正的導航解算單元輸出的導航參數(shù)是局部****的，將這些局部****的導航參數(shù)輸入到主濾波器中，通過主濾波器得到導航參數(shù)的全局估計。濾波器結構，如圖1所示。
基于h∞濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器是通過對導航參數(shù)向量的局部****估計進行信息融合，從而直接得到導航參數(shù)向量的全周估計。它與carlson提出的無重置聯(lián)邦濾波器在獲得導航參數(shù)的全局估計途徑上有所差異，但兩者都是在得到局部****估計的條件下通過****加權最小二乘估計來得到全局估計。由于兩者得到局部****估計所用的量測信息相同，且局部****估計和全局信息融合的****性準則相同，因此在系統(tǒng)模型準確的情況下，基于h∞濾波的局部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器和無重置聯(lián)邦濾波器所得到的導航參數(shù)的全局估計的精度應該是相當?shù)摹Ｈ欢捎谧酉到y(tǒng)的狀方
程均為采用一階近似的誤差模型，故無重置聯(lián)邦濾波器中子系統(tǒng)的狀態(tài)方程將會隨時間的推移而趨于不準確，從而使得子濾波器得到的局部****估計的精度下降。同時，由于卡爾曼濾波要求系統(tǒng)噪聲和量測噪聲為白噪聲，考慮到在很多實際應用中系統(tǒng)噪聲和量測噪聲不一定為白噪聲，或者模型建模比較困難或所建模型存在很大的誤差，此時且。濾波的魯棒性將得到充分的體現(xiàn)，因此基于h∞濾波的部反饋校正無重置聯(lián)邦濾波器在保證系統(tǒng)的容錯性能的同時具有更高的精度和魯棒性。
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