自適應(yīng)sage濾波在gps sins組合導(dǎo)航中應(yīng)用

SCIENCE&TECHNOLOGY科技信劉培 黃春 馬明 吉 長（長春工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院【摘要】為了提高導(dǎo)彈命中目標(biāo)的精度，研究了GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。以組合導(dǎo)航系統(tǒng)為應(yīng)用背景，在常規(guī)Kalman數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了改進的自適應(yīng)Sage-Husa濾波方法。試驗結(jié)果證明：在噪聲的統(tǒng)計特性不能確定時，改進的自適應(yīng)Sage-HusaSCIENCE&TECHNOLOGY科技信劉培 黃春 馬明 吉 長（長春工業(yè)大學(xué)計算機科學(xué)與工程學(xué)院【摘要】為了提高導(dǎo)彈命中目標(biāo)的精度，研究了GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。以組合導(dǎo)航系統(tǒng)為應(yīng)用背景，在常規(guī)Kalman數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了改進的自適應(yīng)Sage-Husa濾波方法。試驗結(jié)果證明：在噪聲的統(tǒng)計特性不能確定時，改進的自適應(yīng)Sage-Husa濾波與常規(guī)濾波相比，導(dǎo)彈命中目標(biāo)的圓概率誤差(CEP)由原來的導(dǎo)精度和可靠性是十分有效的【關(guān)鍵詞】組合導(dǎo)航；卡爾曼濾波；信息融合；自適應(yīng)濾21mSage-Husa濾波方法對提高提高到改進的自適應(yīng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)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的導(dǎo)航精度在導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)預(yù)處理完成后，得到一套完整的導(dǎo)航傳感器數(shù)據(jù)：慣導(dǎo)、GPS接收機數(shù)據(jù)，然后在此基礎(chǔ)上對上述的傳感器信息采用不同的卡爾曼濾波器進行信息融合。．引現(xiàn)代化戰(zhàn)爭對導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)技術(shù)的要求越來越高，單一導(dǎo)航系統(tǒng)（如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)）己遠遠不能滿足實際要求（GPS能為全球用戶提供精確的位置、速度和時間修正；但獨立的GPS通常不能實現(xiàn)快速連續(xù)高精度地導(dǎo)航。獨立的SINS由于存在無限制的位置誤差，使得它不能在動態(tài)環(huán)境中長時間地完成高精度的連續(xù)導(dǎo)航任務(wù)， 而組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以將多種傳感器的導(dǎo)航信息通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)有機的結(jié)合起來，彌補了單一導(dǎo)航系統(tǒng)的固有缺陷，使最終的導(dǎo)航精度更高更可靠。上世紀(jì)70年代，現(xiàn)代組合導(dǎo)航系統(tǒng)在航海、航空與航天等領(lǐng)域隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展應(yīng)運而生，隨著電子計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制系統(tǒng)理論的進步，組合導(dǎo)航技術(shù)開始迅猛發(fā)展起來。GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以充分利用GPS和SINS具有極強的互補性和非相似性，因此二者的組合不是簡單的組合，而是回避了各自的缺點，充分發(fā)揮各自的優(yōu)點于一體，無論在精度、性能、可靠性等各方面，組合系統(tǒng)都優(yōu)于單獨的子系統(tǒng)，提高導(dǎo)航精度和可靠性，擴大使用范圍]。在信息融合方法比較2.1常規(guī)Kalman一階離散線性狀態(tài)方程和測量方程式中∞Φ nF(t/n!n=Σ∞n-G(tkn=在離散系統(tǒng)差分方程中，Xk為系統(tǒng)在k時刻的n維狀態(tài)矢量，Zk為k時刻的量測矢量，Φ/1為k-1時刻到k時刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Hk為k時刻的量測矩陣，W1為k-1時刻的系統(tǒng)噪聲矢量，Γ1為系統(tǒng)噪聲矩陣，Vk為k時刻量測噪聲矢量[6]。常規(guī)卡爾曼濾波器（標(biāo)準(zhǔn)卡爾曼濾波器），采用最小方差估計方法對動態(tài)系統(tǒng)量測值處理其離散卡爾曼濾波遞推算法如下：實際的GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，由于慣性元件之間不確定因素的影響，給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確建立帶來了困難，常規(guī)卡爾曼濾波不能保證濾波的最優(yōu)性。為彌補上述缺點，本文介紹了改進的自適應(yīng)Sage-Husa濾波算法的推導(dǎo)過程，并結(jié)合MATLAB7.0/Simulink對濾波算法進行仿真驗證。．GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)模型GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合的本質(zhì)，實際上就是將GPS和SINS兩個導(dǎo)航子系統(tǒng)所測量的信息進行互聯(lián)與狀態(tài)矢量估計。即利用GPS接收機、慣性陀螺和加速度計的量測作為多源信息，Kalmankk/k-1kkkk/k-TTK=PH(HPH+Rkk/k- kk圖1波器根據(jù)這些信息給出關(guān)于導(dǎo)航參數(shù)誤差的最優(yōu)估計量GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理[5]TTk-P=ΦP +ΓQ一方面利用量測值去修 k/k-1k-k-1k-k/k-TkTP=(I-KH)P(I-KH)+KR kkk/k- k k常規(guī)Kalman濾波算法在濾波過程中預(yù)測值，另一方面對未知的或不確切知道的干擾和噪聲統(tǒng)計參數(shù)進行估計。該算法適用于一般線性離散系統(tǒng)，遞推計算簡單，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。但是，算法所采取的方法是在濾波的同時，在線估計各自適應(yīng)參數(shù)，這將增加濾波的復(fù)雜性，實時性變差，對噪聲特性未知的或不確切的系統(tǒng)適應(yīng)較差，工程實現(xiàn)較困難。同時，還有可能隨著Qk（系統(tǒng)噪聲方差陣）和Rk（量測噪聲方差陣）失去半正定性和正定性導(dǎo)致濾波發(fā)散，無法保證濾波正常進行。2.2改進的自適應(yīng)Sage-Husa自適應(yīng)Sage-Husa濾波是在常規(guī)Kalman濾波算法的基礎(chǔ)上改進的一種算法，為了提高估計值的精度，用贊k/k近似的代替贊k/k-1，得到極圖1GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理基于卡爾曼濾波器的信息融合算法的設(shè)計，是整個組合系統(tǒng)的核心部分。它用于實時地估計系統(tǒng)的誤差狀態(tài)，然后依據(jù)最小均方誤差估計的控制規(guī)律，對慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行反饋修正，從而提高整個系統(tǒng)SCIENCE&TECHNOLOGY科技信TT度計隨機零偏均方根為3mg，相關(guān)時間為1200s，仿真時間的位置誤差為10m，速度誤差為0.1m/s，相關(guān)時間200s系統(tǒng)Kalman濾波器的狀態(tài)初值均為0，初始估計均方差P為T1TTTT +d K+P-SCIENCE&TECHNOLOGY科技信TT度計隨機零偏均方根為3mg，相關(guān)時間為1200s，仿真時間的位置誤差為10m，速度誤差為0.1m/s，相關(guān)時間200s系統(tǒng)Kalman濾波器的狀態(tài)初值均為0，初始估計均方差P為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)為量測噪聲方差的估計方程，式中dk用于指數(shù)加權(quán)，為了滿足權(quán)系數(shù)序列要求，令dk=(1-b)/(1-)0b1，遺忘因子b需要根據(jù)實際情況而定，一般取0.95~0.99。為了提高組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度和消除模型誤差所引起的濾波發(fā)散，在指數(shù)加權(quán)衰減記憶濾波的基礎(chǔ)上，依據(jù)式6)一步預(yù)測均方誤差，可自適應(yīng)的調(diào)節(jié)遺忘因子b。令，η0=命中誤差（m）%射程通常情況下，系統(tǒng)噪聲Qk是由光纖陀螺和加速度計誤差的白噪聲部分構(gòu)成，所以系統(tǒng)噪聲方差陣Qk的初值為： {(0.02°/h),(0.02°/h),(0.02°/h),(0.3°/h),(0.3°/h),(0.3°/h),量測噪聲方差陣Rk的初值為Qηk=εkb=0.97取遺忘因子初值3.3仿真結(jié)其中：εk為k時刻導(dǎo)彈與預(yù)定軌跡的誤差，Mk為k時刻導(dǎo)彈當(dāng)前ηk<η時，b不變；ηk>η時，P/k的跡的變化，b進行微調(diào)b，使得在k+1時刻量測信息到來時ηk<η，這里取△b=0.001。將式(8)、式()與常規(guī)Klmn濾波方程式(3)～式()聯(lián)立，可以得到改進的自適應(yīng)Sg-usa濾波算法：在上述條件下分別對常規(guī)Kalman濾波和改進的自適應(yīng)Sage-Husa進行仿真驗證，仿真結(jié)果如圖3~圖6。KkTTK=PH(HH+Rkk/k- kk/k- kkTTk-圖圖東向位置誤北向位置誤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改進的自適應(yīng)Sage-Husa算法減小了常規(guī)Kalman算法的復(fù)雜度，保證了濾波計算的實時性和自適應(yīng)能力，提高了信息融合的精度。系統(tǒng)仿仿真?，F(xiàn)有的進行組合導(dǎo)航仿真研究時，由于涉及到很多較為復(fù)雜的運算，所以主要是基于isulC++編程實現(xiàn)的，這樣做雖然可以獲得良好的應(yīng)用界面，但是程序中的運算相當(dāng)復(fù)雜，算法程序的編寫非常麻煩，也不利于在此基礎(chǔ)上進一步展開研究；而基于Matlb的附加組件Simulink進行組合仿真平臺的構(gòu)建卻可以利用Mtlab先進的運算功能，可以借鑒己有的優(yōu)秀算法進行組合系統(tǒng)的進一步研究GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。從圖2可以看出仿真系統(tǒng)模型由軌跡發(fā)生器模塊、SINS模塊、GPS模塊、Kalman濾波模塊四部分組成，其中Kalman濾波部分采用M文件編寫，其余模塊采用Sinulink建模實現(xiàn)，利用MATLAB7.0/Simulink的信息交互功能實現(xiàn)整個模型的仿真。圖圖高度誤圓概率通過對上述兩種導(dǎo)航算法仿真試驗結(jié)果對比分析，得出表1的分析數(shù)據(jù)。由分析數(shù)據(jù)得知，在噪聲統(tǒng)計特性未知時，改進的自適應(yīng)Sage-度濾波明顯優(yōu)于常規(guī)Kalman濾波，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精表1兩種導(dǎo)航算法參數(shù)誤差對比（單位：米方常規(guī)自適應(yīng)Sage-參東向位置誤北向位置誤高度誤6圓概率．結(jié)從實驗結(jié)果可以看出，改進的自適應(yīng)Sage-Husa濾波算法增強了濾波的穩(wěn)定性，在噪聲的統(tǒng)計特性不能確定時，濾波效果明顯優(yōu)于常規(guī)Kalman，它大大降低了組合導(dǎo)航參數(shù)誤差將組合導(dǎo)航系統(tǒng)的率誤差由常規(guī)Kalman濾波的62m，提高到了19m。實驗證明改進的自適應(yīng)Sage-Husa方法對提高GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性是十分有效的?？啤瘛緟⒖嘉墨I［1］秦永元．慣性導(dǎo)航[M].北京：科學(xué)出版社［2］張濤，徐曉蘇.基于模糊自適應(yīng)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)信息融合算法J.中國慣性技術(shù)學(xué)報0,1:192［3］李靖宇，姜斌，劉劍慰．INGNASGS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的故障檢測研究J.控制工程,0,1:67［4］石忠，霍星．多傳感器信息融合技術(shù)在INS/GPS組合導(dǎo)航（下轉(zhuǎn)第892頁圖2GPS/SINS組合導(dǎo)航系統(tǒng)仿真模型3.2仿真條仿真條件如下：初始位置為北緯44°、東經(jīng)°，東向和北向速度均為300m/s；三個單自由度光纖陀螺儀的常值漂移為h，一階馬爾可夫均方根為°h，高斯白噪聲為°h，相關(guān)時間為1800s；加速○高校講壇SCIENCE&TECHNOLOGY科技信根據(jù)語言學(xué)科教學(xué)特點，高職英語課堂教學(xué)有效性設(shè)計必須克服忽視聽說讀寫技能訓(xùn)練的弱點，加大對學(xué)生實用交際能力的訓(xùn)練，把培養(yǎng)一定的實用交際能力作為教學(xué)的一項重要任務(wù)。我們在以往的教學(xué)中，往往只注重對課文和詞匯的講解，而對于訓(xùn)練學(xué)生的聽說讀寫技能，尤其是在聽說方面卻花費的時間很少，甚至沒有○高校講壇SCIENCE&TECHNOLOGY科技信根據(jù)語言學(xué)科教學(xué)特點，高職英語課堂教學(xué)有效性設(shè)計必須克服忽視聽說讀寫技能訓(xùn)練的弱點，加大對學(xué)生實用交際能力的訓(xùn)練，把培養(yǎng)一定的實用交際能力作為教學(xué)的一項重要任務(wù)。我們在以往的教學(xué)中，往往只注重對課文和詞匯的講解，而對于訓(xùn)練學(xué)生的聽說讀寫技能，尤其是在聽說方面卻花費的時間很少，甚至沒有。為了克服這一弱點，教師應(yīng)該結(jié)合教材和高職生英語學(xué)習(xí)的特點，有效設(shè)計課堂訓(xùn)練：為過程性評價和結(jié)果性評價并重；變以教師為主體進行評價為學(xué)生自評、互評和教師評價相結(jié)合；變紙筆測驗為各種考試相結(jié)合。既關(guān)注結(jié)果，又關(guān)注過程，使對學(xué)習(xí)過程和對學(xué)習(xí)結(jié)果的評價達到和諧統(tǒng)一。具體而言，在測試的內(nèi)容和方法上，要做到語言能力和交際能力并重，比如說可以利用調(diào)頻電臺、錄音等電子設(shè)備進行聽力、口語表達能力測試。要探索借鑒多種試題類型，除了客觀題外，還可設(shè)計一些更加靈活的主觀題，從而充分地評估學(xué)生的綜合能力。2．4適時進行課堂教學(xué)有效性反教學(xué)實踐之后的反思是課堂教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)，是教師專業(yè)發(fā)展和自我成長的核心因素。高職英語課堂有效教學(xué)有效教學(xué)不是一蹴而就的，而是通過有效的反思來實現(xiàn)的，以反思教學(xué)促進有效教學(xué)。專家型教師在教學(xué)過程中常常要結(jié)合自身教學(xué)風(fēng)格和特定教學(xué)對象對課堂教學(xué)教法和教材內(nèi)容進行認真審視，提出質(zhì)疑和可商榷之處，進而提高自我反思能力。尤其作為高職英語教師，考慮到所任教學(xué)科的特點及高職學(xué)生的年齡特點，則更有必要對自己的課堂教學(xué)有效性進行反思。如是否表達清晰、富有趣味性和感染力、體態(tài)語言是否親切自然等等。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，富有學(xué)識、修養(yǎng)并善于創(chuàng)設(shè)愉悅課堂氣氛的英語教師更受學(xué)生歡迎。因此，英語教師應(yīng)盡可能地反思自己的課堂教學(xué)，掌握優(yōu)美的英語語音語調(diào)，形成親切得體的教姿教態(tài)，提升自己一是練習(xí)有方對癥下藥總比濫施藥方有用得多。英語教學(xué)必須是知識與能力相結(jié)合的教學(xué)。語言能力是交際能力的一部分，交際能力是語言能力的最終發(fā)展高職英語教學(xué)要在重視語言共核的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生的語言運用能力，讓學(xué)生能用英語進行交流。這才是我們教學(xué)的目標(biāo)。為了這個目標(biāo)，我們就要把聽說能力的培養(yǎng)放到教學(xué)的突出位置上。所以，設(shè)計的練習(xí)既要有利于學(xué)生對重點、難點的理解和掌握，又要有利于學(xué)生語言交際能力的提高。二是練習(xí)有“味”：英語課程從本質(zhì)上來說是一門技能訓(xùn)練課，無論是具有很好的聽力，還是很好的口語，都離不開大量的操練。訓(xùn)練強度與能力的提高是成正比的。在傳統(tǒng)的課堂里，由于班級規(guī)模和教學(xué)時間的限制，課堂操練機械枯燥，技能訓(xùn)練相對不足，教學(xué)軟件可以替代教師的這部分工作，克服傳統(tǒng)課堂模式無法加大聽說訓(xùn)練的時間和強度的缺陷。在網(wǎng)絡(luò)上學(xué)生可以直接點播英語電影，電視節(jié)目和英語的教學(xué)風(fēng)格和教學(xué)魅力③教學(xué)片等，可以和教師甚至英語國家的人用英語進行交流。提供了比較真實的語言環(huán)境，增強了學(xué)生語言操練的趣味性。這為總之，高職英語課堂有效教學(xué)是真正體現(xiàn)以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，在教學(xué)過程中，要始終關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)的狀態(tài)，學(xué)習(xí)的興趣，動機的激發(fā)以及互動，合作學(xué)習(xí)方式的運用，采取有效的教學(xué)策略達到有效的學(xué)習(xí)效果。高職英語課堂教學(xué)不只是實現(xiàn)教學(xué)任務(wù)，達到教學(xué)目標(biāo)的過程，而且更應(yīng)該是師生生命共同經(jīng)歷成長的過程，事實上也只有這樣的教學(xué)才是真正的有效教學(xué)?？啤袢蔷毩?xí)有“層”：高職生不但英語基礎(chǔ)差別很大，而且學(xué)習(xí)潛力、智能、個性等方面也存在著差異。教師決不能漠視這種差異，應(yīng)該把它作為英語課堂有效教學(xué)的出發(fā)點。考慮到五年制高職教育的職業(yè)特色和學(xué)生特點，教師在英語課堂有效教學(xué)中運用具體的目標(biāo)定位與分層策略是十分必要的。語言是靠“習(xí)得”的，操練分層能讓學(xué)生積極投入不同層次的操練中各有所獲。教師要精心設(shè)計層次不同的三種操練題，由淺入深地讓差、中、優(yōu)三個層次的學(xué)生都得到充分的操練。這里的具體分層為A是重復(fù)和模仿B是初步運用C是綜合運用。操練分層必須有分有合，即整體與部分相結(jié)合。操練A要求全體參加，以差生為主；操練B中等生和優(yōu)等生必須參加，鼓勵有能力的差生試做；操練C以優(yōu)等生為主，只有這樣，才能避免輪流操作的刻板模式，激發(fā)全體學(xué)生的興趣并使之持之以恒。四是練習(xí)有“時”：心理學(xué)研究表明，人們在對事物的認識過程中確實存在著遺忘。遺忘對于知識的掌握和思維的發(fā)展都有很大的影響。學(xué)生常常因遺忘而出現(xiàn)思想干擾或障礙。因此，語言操練要把握“時機教師應(yīng)搶在知識遺忘的規(guī)律先快后慢教師對每個知識點循環(huán)練習(xí)的間隔時間也應(yīng)由短而長，以確保練習(xí)的最佳效果。2．3科學(xué)開展課堂教學(xué)綜合評課堂教學(xué)評價是考核大學(xué)英語教學(xué)質(zhì)量,促進英語教師專業(yè)成長的重要環(huán)節(jié)及有效途徑隨著高職院校英語教學(xué)改革的不斷深化形成【參考文獻［1］教育部高等教育司.高職高專教育英語課程教學(xué)基本要求[].北京：高等教育出版社，0［2］劉濤川，等.有效教學(xué)方法全集[M].北京：藝術(shù)與科學(xué)電子出版社4．［3］基礎(chǔ)教育英語教學(xué)評價研究與探索[M].北京教育出版社1．［4］李庭薌.英語教學(xué)法[M].高等教育出版社．［5］牛素敏.構(gòu)建健康課堂,引領(lǐng)學(xué)生幸福成長．中小學(xué)心理健康教育，2008，11期［6］袁振國.教育新理念[M].北京：教育科學(xué)出版社4．［7］束定芳，莊智象．現(xiàn)代外語教學(xué)—理論、實踐與方法M．上海外