[发明专利]一种基于鲁棒耗散滤波的组合导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种组合导航方法，是一种基于鲁棒耗散滤波的组合导航方法，适用于航空导航技术领域，可应用于航空器导航，也可适用于航天、航海导航定位。

背景技术

导航系统就是测量并解算出运载体的运动信息，提供给驾驶员或自动驾驶仪实现对运载体的正确操纵或控制。各种导航系统单独使用时是很难满足导航性能要求的，提高导航系统整体性能的有效途径是采用组合导航技术，即用两种或两种以上的非相似的导航系统对同一导航信息作量测并解算以形成量测量，从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。采用组合导航技术的系统称为组合导航系统。

惯性导航系统作为一种自主式的导航系统。这种系统不受外界干扰，隐蔽性好。但是，惯性导航系统有它难以克服的缺点，其导航定位误差随时间增长，因而难以长时间的独立工作；70年代发展起来的GPS全球定位系统，它的特点是定位和测速精度高，但是，接收机信号输出不连续，更新频率一般在1-2Hz，易受遮挡和干扰；天文导航系统依靠天体敏感器观测天体的方位信息进行定位导航，是一种自主式的导航系统，但易受环境影响，且定位精度较低。因此，将三者进行组合得到的组合导航系统可以取得很好导航精度。

目前组合导航系统的数据处理最经典的方法是Kalman滤波。通过Kalman滤波估计出惯性导航系统的误差，然后对惯导进行校正，以达到提高精度的目的。但是，由于Kalman滤波器的运算时间与系统阶次的三次方成正比。所以当系统阶次很高时，滤波器会失去实时性，特别是当系统存在有色噪声或建模误差时，容易出现滤波的发散现象，虽然有EKF、UKF等改进方法但仍然受制于假设条件太强使得实际应用情况不理想。现在采用的基于Riccati方程的H_∞滤波技术对系统噪声的不确定性则具有较强的鲁棒性，但初始参数设置不当仍然可能导致滤波发散，且参数选取仅能凭经验而无系统的方法，给工程实践带来一定困难；同时Riccati方程的求解多基于递推算法，其运算量大且收敛性不一定能得到保证。上述方法都是基于单一性能指标的滤波方法，仅能针对系统的方差或H_∞范数优化，并且容易出现滤波发散。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于鲁棒耗散滤波的组合导航方法，解决导航系统冗余信息的融合，在模型不确定、噪声非高斯且统计特性未知的情况下改善导航精度的同时提高系统的可靠性，降低工程实施难度。

本发明的技术解决方案为：一种基于鲁棒耗散滤波的组合导航方法，利用捷联惯性导航系统、GPS、天文导航系统输出的速度、位置、姿态信息获取导航数据，鲁棒耗散滤波器通过LMI技术对耗散性能指标寻优求取最优解，其实现步骤如下：

(1)将地理坐标系下的捷联惯性导航系统误差状态方程转化为仿射参数依赖模型描述；

(2)以捷联惯导输出的位置数据和GPS系统位置数据的差，捷联惯导输出的速度数据和GPS系统速度数据的差，以及捷联惯导输出的姿态数据和天文导航系统姿态数据的差，做为量测数据建立组合导航系统的量测方程；捷联惯导系统、GPS、天文导航系统输出的速度、位置、姿态数据作为组合导航系统输入数据，GPS和天文导航系统数据作为量测数据建立系统量测方程；

(3)将地理坐标系捷联惯导误差状态方程、系统量测方程、系统保性能滤波器联立构成闭环系统，对系统的噪声输入通道矩阵进行加权处理；

(4)针对系统输出的精度要求设计系统鲁棒耗散滤波器，并LMI算法求解系统鲁棒耗散滤波器，完成组合导航。

所述步骤(1)中的捷联惯导地理坐标系误差状态方程的仿射参数依赖模型描述方法为：将时变的地理坐标系下捷联惯导误差状态方程中的参数变化作为系统的不确定性，并使用不确定系统的仿射参数依赖模型来描述地理坐标系下的捷联惯导误差状态方程，其中主要是确定载体位置、速度变化域，取其顶点并将其代入捷联惯导误差状态方程，得到仿射参数依赖模型描述的捷联惯导误差状态方程的顶点，进而得到仿射参数依赖模型描述的捷联惯导误差状态方程。

所述步骤(3)中的闭环系统的联立以及对噪声输入通道矩阵进行加权处理的方法如下：

(1)闭环系统状态方程

将地理坐标系捷联惯性导航系统误差状态方程、系统量测方程与系统鲁棒耗散滤波器联立构成滤波误差状态方程：

∑_e：e(k+1)＝(A-K·C)·e(k)+(B-K·D)·ω(k)

其中滤波误差状态e(k)＝x(k)-x_f(k)，B为组合导航系统的噪声增益阵，D为量测输出中噪声增益阵；

(2)闭环系统鲁棒耗散可调输出