联邦滤波器在INS/GPS/DVS组合导航系统中的新应用刘明雍，王小峰，赵涛，周良荣(西北工业大学航海学院，西安710072)摘要：针对某机载导航系统不能满足高精度导航定位需要的问题，采用了动态信息分配系数方法，提出了一种新的基于联邦滤波器的INS/GPS/DVS组合导航方案，通过对各子滤波器的信息分配系数进行优化，增强了组合系统的导航性能。仿真结果表明，该方案充分提取了导航传感器的信息，有效地提高了组合导航系统的精度和故障检测能力。关键词：联邦滤波；信息分配；组合导航；卡尔曼滤波器中图分类号：U666.11文献标志码：ANewApplicationofFederatedFilterinINS/GPS/DVSIntegratedNavigationSystemLiuMing-yong，WangXiao-feng，ZhaoTao，ZhouLiang-rong(CollegeofMarineEngineering,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China)Abstract:Aimattheproblemthatsomenavigationsystemcannotfulfilltherequirementofhighprecisioninnavigationandlocation.AnewschemebasedonfederatedfilterinINS/GPS/DVSintegratednavigationsystemisproposedusingthedynamicinformationsharingcoefficientmethod.Whentheinformationsharingcoefficientsofsubsystemsareoptimized,integratednavigationsystemperformanceimproved.Computersimulationwasdoneanditsresultsshowthattheschemecaneffectivelyimprovenavigationsystem’sprecisionandtheabilitytofaultdetectionandcanfullydistillinformationfromnavigationsensors.Keywords:federatedfilter;informationsharing;integratednavigation;Kalmanfilter引言单一的导航系统由于自身存在的不足，已经无法满足现代导航系统高精度高可靠性的要求。惯性导航系统（INS）是一种完全自主的导航系统，可提供速度，姿态和位置信息，但导航误差随时间积累。全球定位系统（GPS）具有全球性、全天候、高精度、三维定位的优点，但不能提供载体的姿态信息且动态性能差。多普勒雷达（DVS）同样也存在着误差随时间积累的缺点。将上述三种系统适当的组合起来，可取长补短，大大提高导航精度。然而，组合方式的不同将会影响导航系统的精度，计算量和容错能力。为了克服单一导航系统的缺点，大幅提高导航系统的精度，本文利用联邦滤波器理论[1,2,3]和动态最优信息分配系数方法[4]提出了一种新的INS/GPS/DVS组合导航方案，通过对各滤波器的信息分配系数进行优化，增强了组合系统的导航性能。数字仿真结果表明：该方案能充分利用导航传感器的信息使子滤波器输出为最优，可以有效提高导航系统的精度和故障检测能力。1联邦滤波器算法原理联邦滤波器是一种两级数据融合结构，子滤波器和主滤波器并行工作。如图1所示，图中公共参考系统为惯导系统，它的输出一方面直接给主滤波器，另一方面它可以输给各子滤波器作为量测值。各子系统的输出只给相应的子滤波器。各子滤波器的局部估计及其协方差阵送入主滤波器和主滤波器的估计值一起进行融合以得到全局最优估计。此外，从图1中还可以看到，由子滤波器与主滤波器合成的全局估计值及其相应的协方差阵被放大为后再反馈到子滤波器以重置子滤波器的估计值，即（1）同时主滤波器预报误差的协方差也可重置为全局协方差阵的倍，即为。称为信息分配系数，它是根据信息分配原则来确定的，不同的值可以获得联邦滤波器的不同结构和不同特性（即容错性、精度和计算量）。图1联邦滤波器的一般结构设系统的状态方程和第个子系统的量测方程的离散化形式分别为：（2）其中，系统噪声方差强度阵为，量测噪声方差阵为。则联邦滤波器可由下列方程描述：（3）（4）式（1）（3）（4）组成信息分配方程。时间更新（5）量测更新（6）信息融合（7）2INS/GPS/DVS组合导航方案以惯导系统作为参考系统，选取联邦滤波器的一般结构中的子系统分别为GPS和DVS进行方案设计和联邦滤波。2.1动态信息分配系数采用的动态最优信息分配系数确定的方法[4]，在时刻选取信息分配系数为：（8）其中，，是子系统状态与总系统状态之间存在的关系矩阵。2.2各子系统的误差模型INS的状态方程如下式所述：（9）式中（10）（10）式中的状态依次为航向角、俯...
