Sage-Husa随机加权无迹卡尔曼滤波及其在导航中的应用

在吸收Sage-Husa滤波和无迹卡尔曼滤波优点的基础上,利用随机加权估计算法将传统的定义在线性系统上的Sage-Husa噪声估计器推广到非线性系统中,提出一种非线性Sage-Husa随机加权无迹卡尔曼滤波算法。该算法首先利用Sage滤波的开窗平滑方法求得观测残差向量和新息(预测残差)向量的协方差阵;然后用随机加权自适应因子对观测残差和预测残差进行调节;最后对状态预报向量的协方差矩阵进行自适应随机加权估计,以控制观测残差和预测残差对导航精度的影响。计算结果表明,提出的非线性Sage-Husa随机加权无迹卡尔曼滤波算法,滤波精度明显优于无迹卡尔曼滤波和自适应无迹卡尔曼滤波算法,能够提高组合导航的解算精度。     

鲁棒无迹卡尔曼滤波组合导航定位方法

针对无迹卡尔曼滤波(UKF)在非高斯噪声或统计特性不准确时滤波精度会下降甚至发散等问题,提出了一种基于Huber-M估计的无迹卡尔曼滤波导航算法。首先采用奇异值分解(SVD)迭代计算代替协方差矩阵的迭代变换;然后将Huber方法用于UKF框架中,使先验信息和量测信息进行重构;最终以达到克服传统UKF滤波器稳定性差的问题,提高滤波抗差能力。对提出算法进行GPS/UWB组合导航仿真验证,并与EKF和UKF进行了比较。实验结果表明,加入M估计的SVD-UKF在噪声统计特性不准确时和加入随机观测异常状态下都可以将滤波器性能提高25%～40%,与其他两种算法相比,本文所提算法的定位误差能快速收敛,并保持较高滤波精度。     

北斗/惯导的快速混合高斯UKF算法

为进一步改善北斗/惯导中无迹卡尔曼滤波的精度,针对导航系统中噪声随机模型本质上的非高斯分布特性,结合有限高斯概率分布可近似任意概率密度函数的理论,以混合高斯UKF滤波为框架,提出了一种快速混合高斯UKF算法。该算法使用奇异值分解替代无迹变换产生采样点中的协方差平方根计算,和迭代中构造有限分量混合高斯模型二次近似后验二阶矩减少子滤波器数量的思路,改善了传统算法子滤波器数量随迭代次数成指数变化而增加计算成本的状况,一定程度上提高了计算的实时性。通过对北斗/惯导紧耦合系统的数据仿真实验,结果分析表明:相对于传统算法,本文提出的新算法在保证滤波精度的同时,计算量较低、实时性较好,适合于处理非高斯非线性北斗/惯导组合导航定位的滤波计算问题。     

移动机器人SLAM位姿估计的改进四元数无迹卡尔曼滤波EI北大核心CSCD

在全自主运动控制的移动机器人系统中,自身位姿的估计和校正对于移动机器人的运动至关重要。卡尔曼滤波是解决移动机器人同步定位与地图构建(SLAM)常用方法。相较于卡尔曼滤波,无迹卡尔曼滤波(UKF)无须对复杂的非线性函数进行雅可比矩阵运算。本文基于无迹卡尔曼滤波,根据先验协方差的平方根选择sigma点,计算协方差以及加权均值。用四元数表示姿态,将四元数矢量转换为旋转空间进行矩阵运算,在此基础上设计了一种位姿估计算法——基于四元数平方根的无迹卡尔曼滤波(QSR-UKF)算法。试验将EKF、QSR-UKF、SR-UKFEKF 3种算法的位姿估计结果进行仿真分析,并通过相关定量指标进行了描述,验证了本文算法的有效性。     

无迹卡尔曼滤波衰减记忆算法研究

无迹卡尔曼滤波算法作为典型的卡尔曼滤波改进算法,有效地解决了线性化时高阶项的舍弃误差和强非线性模型的无法线性化问题。但是常规的无迹卡尔曼滤波对旧的数据和当前数据的利用率是相同的,很容易导致滤波的发散。通过引进衰减因子加强了对当前数据的利用,降低了旧数据对滤波结果的影响。本文基于此提出了衰减记忆无迹卡尔曼滤波算法,并对衰减因子的确定进行了分析。仿真试验分析表明,衰减记忆无迹卡尔曼滤波算法能够提高滤波结果的精度。     

自适应抗差KF-UKF的超宽带导航定位方法

针对超宽带导航定位中量测信息异常误差和非线性滤波问题,该文提出了一种基于自适应抗差卡尔曼滤波-无迹卡尔曼滤波(KF-UKF)的超宽带导航定位算法。该算法首先利用卡尔曼滤波计算预测状态向量及其协方差矩阵,利用无迹卡尔曼滤波进行量测更新;然后利用先验阈值和预测残差构建量测噪声的抗差协方差矩阵,以减少量测信息异常误差的影响,同时利用自适应因子对算法进行调节和修正。结果表明,该算法能有效地抑制并消除超宽带测距中量测信息异常误差的影响,能有效地处理状态模型误差的影响,提高超宽带导航定位的精度和稳定性,同时拥有比无迹卡尔曼滤波算法更高的计算效率。     

GPS码跟踪环自适应多径消除算法

根据多径信号的产生机理,在对GPS接收机中的码跟踪环多径信号模型研究的基础上,提出了采用自适应滤波的来消除GPS多径效应的算法。自适应滤波的方法不需要估计模型的系统参数,而直接通过自适应滤波将多径信号滤除。在有噪声的情况下,自适应滤波的RLS算法是最小二乘意义下的最优估计,仿真的结果表明采用自适应滤波算法可以快速的消除多径的影响,修正鉴相函数的过零点偏差,提高码跟踪环的跟踪精度。由于自适应滤波算法是递推算法,易于软、硬件实现。     

有色观测噪声下的无迹卡尔曼滤波算法

传统的无迹卡尔曼滤波算法(UKF)要求噪声是高斯白噪声,但在实际应用中,噪声往往呈现非高斯特性。本文在有色观测噪声满足一阶AR模型的条件下,基于观测信息扩增法及最小方差估计准则,通过Unscented变换(UT变换)计算出非线性状态后验均值,进而得出一类具有处理有色观测噪声的无迹卡尔曼滤波处理算法。通过实际数据验证了该算法能有效控制有色噪声的影响。     

变分优化的高斯混合滤波及其在导航中的应用

针对时间差分载波相位/捷联惯导紧组合系统在非高斯噪声环境工作时,采用高斯混合滤波遇到的混合模型参数估计问题,提出了一种变分贝叶斯学习优化的高斯混合自适应滤波算法。该算法借鉴变分学习理论,准确高效地实现了高斯混合模型参数的自适应估计,进一步精化了滤波算法中的随机模型,能够显著提高估计精度,降低计算负担,改善滤波性能。实验结果表明,相比传统滤波算法,该算法的估计精度得到了进一步改善,运算耗时仅与拓展卡尔曼滤波相当。     

一种组合导航的直接法滤波算法

提出了一种基于直接法无迹卡尔曼粒子滤波的组合导航系统滤波方法。以惯性导航系统参数和平台误差角作为系统状态,惯导力学编排方程及姿态误差方程作为系统状态方程,卫星导航接收机输出的导航信息作为观测值,采用粒子滤波方法对导航参数进行估计。仿真结果表明,无迹卡尔曼粒子滤波算法可简化滤波参数的调整过程,有效地解决了系统非线性复杂性问题、简化了滤波过程并提高了定位精度。     

Wavelet packets based denoising method for measurement domain repeat-time multipath filtering in GPS static high-precision positioning

Repeatable satellite orbits can be used for multipath mitigation in GPS-based deformation monitoring and other high-precision GPS applications that involve continuous observation with static antennas. Multipath signals at a static station repeat when the GPS constellation repeats given the same site environment. Repeat-time multipath filtering techniques need noise reduction methods to remove the white noise in carrier phase measurement residuals in order to retrieve the carrier phase multipath corrections for the next day. We propose a generic and robust three-level wavelet packets based denoising method for repeat-time-based carrier phase multipath filtering in relative positioning; the method does not need tuning to work with different data sets. The proposed denoising method is tested rigorously and compared with two other denoising methods. Three rooftop data sets collected at the University of Nottingham Ningbo China and two data sets collected at three Southern California Integrated GPS Network high-rate stations are used in the performance assessment. Test results of the wavelet packets denoising method are compared with the results of the resistor–capacitor (RC) low-pass filter and the single-level discrete wavelet transform (DWT) denoising method. Multipath mitigation efficiency in carrier phase measurement domain is shown by spectrum analysis of two selected satellites in two data sets. The positioning performance of the repeat-time-based multipath filtering techniques is assessed. The results show that the performance of the three noise reduction techniques is about 1–46 % improvement on positioning accuracy when compared with no multipath filtering. The statistical results show that the wavelet packets based denoising method is always better than the RC filter by 2–4 %, and better than the DWT method by 6–15 %. These results suggest that the proposed wavelet packets based denoising method is better than both the DWT method and the relatively simple RC low-pass filter for noise reduction in multipath filtering. However, the wavelet packets based denoising method is not significantly better than the RC filter.     

一种新的混合迭代UKF

从统计线性回归的角度对无味变换(unscented transformation,UT)进行分析,推导了迭代无味卡尔曼滤波(iterated unscented Kalman filter,IUKF)。针对IUKF计算量大的问题,结合弦线迭代法和IUKF,得到了一种新的混合迭代无味卡尔曼滤波器。数值仿真的结果表明,新滤波算法的精度优于扩展卡尔曼滤波、迭代扩展卡尔曼滤波和无味卡尔曼滤波,并可以有效降低IUKF的计算量。     

GNSS多路径和信噪比相关性分析

在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)接收机附近的反射、衍射、干扰信号等所造成的多路径效应是影响定位的主要误差来源。信噪比(Signal-Noise Ratio,SNR)的振荡是由多路径信号叠加在直接信号上引起的,基于此原理学者们提出了很多检测和缓解多路径误差的方法。本文通过谱分析的方法对多路径时间序列进行了分析,并研究多路径与信噪比之间的相关性,对基于信噪比检测和缓解多路径误差的方法的适用性进行了说明。实验表明:多路径和信噪比振荡值的时间序列具有显著的相关性,能够利用信噪比观测值削弱多路径影响。     

UKF在GPS/INS组合导航系统中的应用

扩展卡尔曼滤波(EKF)是GPS/INS组合导航系统工程实现中常用的一种数据融合方式。但EKF线性化误差在一定程度上影响了GPS/INS组合导航系统精度的提高。Unscented卡尔曼滤波器(UKF)是一种非线性滤波器,它能有效地减小线性化误差对GPS/INS组合导航系统精度的影响。基于四元数法建立了GPS/INS组合导航系统的非线性误差方程模型;最后通过数字仿真验证了UKF组合导航系统应用中的性能。     

附加运动学约束的BDS抗差UKF导航算法

针对城市复杂环境中单一BDS导航受多路径（multipath,MP）和非视距（non-line-of-sight,NLOS）信号干扰导致精度下降的问题,提出一种附加运动学约束的抗差无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter,UKF）算法。该算法基于新息向量构造等价权函数,克服了位置及接收机钟差初值不准确引起的抗差性能下降问题。同时,利用载体的近似运动方向和高程约束,进一步增强滤波解。实测车载试验结果表明,本文方法可有效抑制MP和NLOS信号的干扰,提高城市环境中的BDS导航精度。     

一种采样型平方根滤波及其应用

探讨了非线性系统的滤波问题，提出了将采样型平方根滤波SR-UKF（square root unscented Kalmanfilter）用于星载GPS卫星实时定轨。在滤波过程中，以协方差阵的平方根代替协方差阵参加递推运算，有效地提高了滤波算法的计算效率和数值稳定性。实例计算结果表明，SR-UKF的性能要优于推广卡尔曼滤波（extended Kalmanfilter）和Unscented卡尔曼滤波（unscented Kalmanfilter）。     

Application of unscented Kalman filter in satellite orbit simulation

IntroductionAs is well known,the Kal manfilter(KF) is al-ways usedto deal withthe system whose dynam-ics and observation models are linear , and theextended Kal manfilter(EKF) is the most widelyused esti mator for nonlinear systems . In theEKFthe kal man …     

融合小波变换和自适应Kalman滤波在GPS监测中的应用研究

针对自适应卡尔曼滤波只适用于滤除高斯分布的白噪声,本文提出了融合小波变换和自适应卡尔曼滤波的算法。该算法利用小波变换的多尺度分解,将GPS高频的监测时间序列进行多层分解,重构出新的GPS监测时间序列,将其作为新的自适应卡尔曼滤波初始值,进行滤波处理。将融合算法的滤波结果与单一的自适应卡尔曼滤波结果进行对比分析,结果表明融合算法的滤波效果较为显著。同时,对融合算法滤除的噪声信息进行统计分析,结果表明融合算法滤除的噪声符合正态分布,进一步说明了该融合算法的有效性,为GPS的高频率、高精度的监测提供了技术支持。     

Application of unscented Kalman filter in satellite orbit simulation

A new estimate method is proposed, which takes advantage of the unscented transform method, thus the true mean and covariance are approximated more accurately. The new method can be applied to nonlinear systems without the linearization process necessary for the EKF, and it does not demand a Gaussian distribution of noise and what's more, its ease of implementation and more accurate estimation features enables it to demonstrate its good performance in the experiment of satellite orbit simulation. Numerical experiments show that the application of the unscented Kalman filter is more effective than the EKF.