一種基于聯(lián)邦濾波的機載分布式pos實時傳遞對準方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于聯(lián)邦濾波的機載分布式POS實時傳遞對準方法，可用于機載 或艦載分布式POS系統(tǒng)中子IMU的位置、速度和姿態(tài)解算，特別適合于對實時性要求較高的 情況。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，機載多任務(wù)遙感載荷高精度對地觀測已經(jīng)成為空基對地觀測的重要發(fā)展方 向，如集成高分辨率測繪相機、成像光譜儀、大視場紅外掃描儀、合成孔徑雷達（Synthetic ApertureRadar，SAR)于同一載機的多任務(wù)載荷，機載分布式陣列天線SAR和柔性多基線 干涉SAR等。機載多任務(wù)遙感載荷高精度對地觀測系統(tǒng)要實現(xiàn)高精度成像，需要獲取各載 荷安置點的高精度運動參數(shù)。
[0003] 位置姿態(tài)測量系統(tǒng)（PositionandOrientationSystem,P0S)包括慣性測量單元 (InertialMeasurementUnit，IMU)、全球定位系統(tǒng)（GlobalPositionSystem，GPS)接收 機、POS計算機（P0SComputerSystem，PCS)和后處理軟件。POS系統(tǒng)能夠為載機及其遙感 設(shè)備提供高精度的位置、速度、姿態(tài)等信息。但是對于機載多任務(wù)遙感載荷對地觀測系統(tǒng)， 傳統(tǒng)的單一POS已經(jīng)無法滿足不同載荷安置點的高精度運動參數(shù)測量需求。因此，必須建 立起高精度機載分布式POS系統(tǒng)，從而為機載對地觀測系統(tǒng)中遙感載荷各安置點提供高精 度的運動參數(shù)。
[0004] 機載分布式POS系統(tǒng)一般由一個高精度主POS和多個分布在機體（包括機翼）上 的低精度子頂U組成。主POS通過傳遞對準將高精度位置、速度、姿態(tài)等運動參數(shù)傳遞給子 IMU，從而獲得各子節(jié)點的高精度運動參數(shù)信息。機載對地觀測成像有實時成像和離線成像 兩種工作模式，在實時成像的時候要求POS做實時傳遞對準，且對實時性的要求較高。但是 在實際飛行中機體存在彈性變形，且主、子系統(tǒng)之間存在安裝誤差角，因此采用傳統(tǒng)的基于 集中式濾波結(jié)構(gòu)的傳遞對準數(shù)學模型，需要將彈性變形角和安裝誤差角均擴充為狀態(tài)變量 進行估計，子MU的誤差包括速度誤差、姿態(tài)誤差、位置誤差和慣性儀表誤差，這樣完整的 傳遞對準狀態(tài)變量維數(shù)通常高達24維甚至更高，而傳遞對準濾波算法計算量與狀態(tài)變量 維數(shù)成正比（p3+pq2,其中，P為系統(tǒng)模型的狀態(tài)變量維數(shù)，q為觀測量維數(shù)），從而導致實時 導航解算計算量很大，難以滿足實時傳遞對準要求。因此，提高機載分布式POS實時傳遞對 準的實時性有著十分重要的意義。
[0005] 聯(lián)邦濾波是一種并行的分散化濾波，將高維狀態(tài)變量分散到各子濾波器中，降低 了濾波器的維數(shù)，從而提高運算速度。但是目前基于聯(lián)邦濾波的傳遞對準方法大多應(yīng)用 于艦載和機載戰(zhàn)術(shù)武器的初始對準中，即只需通過傳遞對準獲得艦載和機載武器的初始位 置、姿態(tài)和速度等初始信息，因此對準時間比較短。子系統(tǒng)的姿態(tài)誤差方程和速度誤差方程 中、8<和5<的值比較小，因此可以將其忽略以簡化誤差方程，從而使狀態(tài)變量維數(shù) 得到降低（王勇軍，徐景碩，高揚.艦載機慣導快速傳遞對準的聯(lián)邦濾波器設(shè)計[J].壓 電與聲光.2014, 36 (1):42-46.;宋麗君，秦永元.聯(lián)邦模糊自適應(yīng)卡爾曼濾波在速度+姿 態(tài)傳遞對準中的應(yīng)用[J].測控技術(shù).2013, 32 (5) : 130-133.)。但是在機載多任務(wù)遙感載荷 實時成像中，整個作業(yè)過程都需要利用主POS系統(tǒng)的高精度運動參數(shù)對子MU進行傳遞對 準，來獲取子頂U的速度、位置和姿態(tài)信息，且要求傳遞對準算法既要滿足實時性要求又要 滿足運動參數(shù)的高精度測量要求。此時，5<、和對傳遞對準的精度影響就不能忽 略，而和中含有速度誤差和位置誤差項，考慮這些因素又會增加狀態(tài)維數(shù)， 增加計算量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于聯(lián)邦濾波的機載 分布式POS實時傳遞對準方法，該方法可降低濾波器維數(shù)、減小計算量、提高運算速度，從 而滿足機載多任務(wù)遙感載荷對地觀測用分布式POS對實時性的要求。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于聯(lián)邦濾波的機載分布式POS實時傳遞對準方 法。其具體步驟如下：
[0008] (1)進行聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括兩個子濾波器和一個主濾波器；
[0009] 在子濾波器1中子MU和主POS采用速度匹配方式進行局部濾波得到局部狀態(tài)估 計值和協(xié)方差陣Pv;在子濾波器2中子IMU與主POS采用姿態(tài)匹配方式進行局部濾波得 到局部狀態(tài)估計值I和協(xié)方差陣Pa;最后將各子濾波器公共狀態(tài)的估計值A(chǔ)v和、協(xié)方 差陣PcJnPM送入主濾波器并與主濾波器的狀態(tài)估計值和協(xié)方差陣Pn進行融合，得到 全局最優(yōu)估計值&和協(xié)方差陣Pg;
[0010] (2)建立兩個子濾波器的數(shù)學模型，并進行卡爾曼濾波，獲得局部估計；
[0011] 1)選取子濾波器的狀態(tài)變量
[0012] 相關(guān)參考坐標系的定義包括：記i為地心慣性坐標系；e為地球坐標系；主POS和 子MU導航坐標系均為東北天地理坐標系，分別用n和Ii1表示；載體坐標系原點為載體重 心，X軸沿載體橫軸向右，y軸沿載體縱軸向前，z軸沿載體堅軸向上，該坐標系固定在載體 上，通常稱為右前上載體坐標系，用bm和b分別代表主POS和子MU的載體坐標系；
[0013] ①子濾波器1的狀態(tài)變量
[0014]
[0015] 其中，小/、(6/和小/分別為子濾波器1中子MU的東向、北向和天向失準角，下 標E、N和U分別表示東向、北向和天向；SVE、6%和別為子IMU的東向、北向和天 向速度誤差；e/、e/和ezv分別為子濾波器1中子MU載體坐標系X軸、y軸和z軸的陀 螺常值漂移；▽X、Vy和▽ 2分別為子MU載體坐標系X軸、y軸和z軸的加計常值偏置；
[0016] ②子濾波器2的狀態(tài)變量
[0017] 由于安裝誤差角和彈性變形角對子IMU的姿態(tài)角精度影響較大，所以在子濾波器 2中將安裝誤差角和彈性變形角以及彈性變形角速率均擴充為狀態(tài)變量，子濾波器2的狀 態(tài)變量\共15維，具體為；
[0018]^ll
[0019]其中，小/、(6/和小/分別為子濾波器2中子MU的東向、北向和天向失準角；e/、e/和e /分別為子濾波器2中子MU載體坐標系X軸、y軸和z軸的陀螺常值漂移； px、P7和pz分別為子頂U相對于主POS的安裝誤差角在子MU載體坐標系X軸、y軸和 z軸上的分量；0 x、0y和0 2分別為子MU相對于主POS的彈性變形角在子MU載體坐標 系X軸、y軸和z軸上的分量，眾、4和<分別為對應(yīng)的彈性變形角速率；
[0020] 2)建立子濾波器的數(shù)學模型
[0021] ①建立子濾波器1的數(shù)學模型
[0022] a)狀態(tài)方程
[0023] 子濾波器1的系統(tǒng)狀態(tài)方程如下：
[0024] Xv = FiXx +Ga
[0025]其中，F(xiàn)v、匕和《 別為子濾波器1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣、系統(tǒng)噪聲驅(qū)動陣和系統(tǒng)噪 聲向量；wv=[<ofyCO二(Ov''氣]T，<、<、<和氣、?▽,、氣分別 為子MU載體坐標系X軸、y軸、Z軸陀螺和加計的隨機誤差，不包括隨機常值誤差，其方差 陣Qv包含Qav和Qct兩部分，其中Qct=I/PP1= 1/3,Q為陀螺隨機誤差噪聲方差陣， 根據(jù)陀螺的噪聲水平進行選取，Qav為加計隨機誤差噪聲方差陣，根據(jù)加計的噪聲水平進行 選??；
[0026]根據(jù)對子濾波器1中狀態(tài)變量的選取可知，子濾波器1中的誤差方程包括姿態(tài)誤 差方程、速度誤差方程和慣性儀表誤差方程，分別為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于聯(lián)邦濾波的機載分布式POS實時傳遞對準方法，其特征在于具體步驟為： (1) 進行聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括兩個子濾波器和一個主濾波器； 在子濾波器1中子MU和主POS采用速度匹配方式進行局部濾波得到局部狀態(tài)估計值 i；和協(xié)方差陣Pv;在子濾波器2中子IMU與主POS采用姿態(tài)匹配方式進行局部濾波得到局 部狀態(tài)估計值和協(xié)方差陣Pa;最后將各子濾波器公共狀態(tài)的估計值；和次d、協(xié)方差 陣Pc^P P。3送入主濾波器并與主濾波器的狀態(tài)估計值次"和協(xié)方差陣？111進行融合，得到全 局最優(yōu)估計值I g和協(xié)方差陣Pg。 (2) 建立兩個子濾波器的數(shù)學模型，并進行卡爾曼濾波，獲得局部估計； 1) 選取子濾波器的狀態(tài)變量 相關(guān)參考坐標系的定義包括：記i為地心慣性坐標系；e為地球坐標系；主POS和子MU 導航坐標系均為東北天地理坐標系，分別用η和nl表示；載體坐標系原點為載體重心，X軸 沿載體橫軸向右，y軸沿載體縱軸向前，z軸沿載體堅軸向上，該坐標系固定在載體上，通常 稱為右前上載體坐標系，用bm和b分別代表主POS和子MU的載體坐標系； ① 子濾波器1的狀態(tài)變量 其中，φ/、φ/和Φ /分別為子濾波器1中子頂U的東向、北向和天向失準角，下標E、 N和U分別表示東向、北向和天向；δ νΕ、δ %和δ ^分別為子IMU的東向、北向和天向速度 誤差；ε /、ε /和ε J分別為子濾波器1中子頂U載體坐標系X軸、y軸和ζ軸的陀螺常值 漂移；▽ X、V jPV z分別為子頂U載體坐標系X軸、y軸和z軸的加計常值偏置； ② 子濾波器2的狀態(tài)變量 由于安裝誤差角和彈性變形角對子MU的姿態(tài)角精度影響較大，所以在子濾波器2中 將安裝誤差角和彈性變形角以及彈性變形角速率均擴充為狀態(tài)變量，子濾波器2的狀態(tài)變 量\共15維，具體為； 其中，φ/、φ/和φ /分別為子濾波器2中子IMU的東向、北向和天向失準角；ε xa、 ε ya和ε za分別為子濾波器2中子MU載體坐標系x軸、y軸和z軸的陀螺常值漂移；P x、 P P z分別為子頂U相對于主POS的安裝誤差角在子MU載體坐標系X軸、y軸和z軸 上的分量；θ χ、Θ jP θ z分別為子頂U相對于主POS的彈