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基于改进神经网络增强自适应UKF的组合导航系统

陈光武 程鉴皓 杨菊花 刘昊 张琳婧

引用本文: 陈光武, 程鉴皓, 杨菊花, 刘昊, 张琳婧. 基于改进神经网络增强自适应UKF的组合导航系统[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(7): 1766-1773. doi: 10.11999/JEIT181171 shu
Citation:  Guangwu CHEN, Jianhao CHENG, Juhua YANG, Hao LIU, Linjing ZHANG. Improved Neural Network Enhanced Navigation System of Adaptive Unsented Kalman Filter[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2019, 41(7): 1766-1773. doi: 10.11999/JEIT181171 shu

基于改进神经网络增强自适应UKF的组合导航系统

    作者简介: 陈光武: 男,1976年生,博士后,研究方向为惯性导航和组合导航;
    程鉴皓: 男,1995年生,硕士生,研究方向为惯性导航和组合导航;
    杨菊花: 女,1978年生,博士,研究方向为交通运输工程;
    刘昊: 男,1995年生,硕士生,研究方向为惯性导航和组合导航;
    张琳婧: 女,1994年生,硕士生,研究方向为惯性导航和组合导航;
    通讯作者: 程鉴皓, cjhwww2005@163.com
  • 基金项目: 国家自然科学基金(61863024),甘肃省基础研究创新群体计划(1606RJIA327),甘肃省高等学校科研项目(2018C-11),甘肃省自然基金(18JR3RA107),甘肃省科技计划资助(18CX3ZA004)

摘要: 基于微机电系统(MEMS)的惯性器件和全球定位系统(GPS)的组合导航系统在卫星信号失锁时存在误差发散的问题,该文提出一种基于人工蜂群算法(ABC)改进的径向基函数(RBF)神经网络增强改进的自适应无迹卡尔曼滤波算法(AUKF)。在GPS信号失锁的情况下利用训练好的神经网络输出预测信息来对捷联惯导系统进行误差校正。最后通过车载半实物仿真实验验证该方法的性能。实验结果表明该方法在失锁情况下对于捷联惯导系统的误差发散有较为明显的抑制效果。

English

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  • 图 1  组合导航系统结构图

    图 2  改进神经网络训练流程

    图 3  仿真轨迹速度误差对比

    图 4  仿真轨迹位置误差对比

    图 5  仿真轨迹天向速度、位置误差对比

    图 6  车载轨迹与实验设备示意图

    图 7  失锁时间15 s的误差对比图

    图 8  失锁时间20 s的误差对比图

    表 1  传感器误差参数

    性能指标 陀螺仪 加速度计 更新频率
    分辨率 零偏 随机游走 分辨率 零偏 随机游走
    参数 0.007°/s 0.007°/s 2.4°/(s·$\sqrt {{\rm{Hz}}} $) 0.3 mg 0.2 mg 0.2 mg/$\sqrt {{\rm{Hz}}} $ 100 Hz
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    表 2  仿真轨迹误差

    算法 东向速度(m/s) 北向速度(m/s) 东向位置(m) 北向位置(m)
    均值 标准差 均值 标准差 均值 标准差 均值 标准差
    UKF 0.0020 0.0176 –0.0051 0.0151 –0.0372 0.5383 –0.3385 0.5731
    AUKF 0.0014 0.0133 –0.0045 0.0115 –0.0231 0.333 –0.1554 0.3662
    改进的AUKF 0.0012 0.0062 –0.0016 0.0063 –0.017 0.1516 –0.0134 0.1901
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    表 3  失锁15 s误差对比

    算法 东向速度 (m/s) 北向速度 (m/s) 东向位置 (m) 北向位置 (m)
    最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差
    SINS 6.8848 3.4896 17.1512 8.3593 48.1258 15.5383 113.5873 36.453
    RBF/UKF 2.0323 0.6450 5.8072 2.5089 11.6579 1.0626 42.2483 19.0634
    RBF/AUKF 1.1013 0.3399 4.0176 1.9044 6.2061 1.1394 30.6046 13.1792
    ABC_RBF/AUKF 0.4931 0.1887 1.1604 0.5895 2.1414 0.7315 5.7511 2.2276
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    表 4  误差收敛幅度(%)

    算法 东向速度 北向速度 东向位置 北向位置
    最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差
    RBF/UKF 70.48 81.52 66.14 69.99 75.78 93.16 62.81 50.47
    RBF/AUKF 84.00 90.26 76.58 77.22 87.10 92.67 73.06 63.85
    ABC_RBF/AUKF 92.84 94.59 93.24 92.95 95.50 95.29 94.94 93.90
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    表 5  失锁20 s误差对比结果

    算法 东向速度 (m/s) 北向速度 (m/s) 东向位置 (m) 北向位置 (m)
    最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差
    SINS 3.8304 1.9431 42.3022 21.2832 31.6512 9.5199 397.7599 131.2909
    RBF/UKF 1.4031 0.6460 2.1983 0.6543 13.4591 6.9092 10.5738 6.545
    RBF/AUKF 0.7504 0.4599 1.4436 0.5315 10.2079 5.3060 4.9074 2.8413
    ABC_RBF/AUKF 0.4424 0.1527 1.4165 0.4434 4.6339 2.1145 4.3115 1.5682
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    表 6  误差收敛幅度对比(%)

    算法 东向速度 北向速度 东向位置 北向位置
    最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差 最大误差 标准差
    RBF/UKF 63.37 66.75 94.8 96.93 57.48 27.42 97.34 95.01
    RBF/AUKF 80.41 76.33 96.59 97.52 67.75 44.26 98.77 97.84
    ABC_RBF/AUKF 88.45 92.14 96.65 97.92 85.36 77.79 98.92 98.81
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  • 通讯作者:  程鉴皓, cjhwww2005@163.com
  • 收稿日期:  2018-12-19
  • 录用日期:  2019-04-22
  • 网络出版日期:  2019-05-22
  • 刊出日期:  2019-07-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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