卡尔曼滤波及其在INS-GPS组合导航组合导航中的应用

编号：（）字号本科生毕业设计（论文）题目：姓名：学号：班级：二〇一五年六月卡尔曼滤波及其在INS/GPS组合导航中的应用李滢07113036测绘工程11-3班中国矿业大学本科生毕业论文姓名：李滢学号：07113036学院：环境与测绘学院专业：测绘工程设计题目：卡尔曼滤波及其在INS/GPS组合导航中的应用指导教师：郑南山职称：教授2015年6月徐州中国矿业大学毕业论文任务书学院环测学院专业年级测绘工程2011级学生姓名李滢任务下达日期：2015年3月23日毕业论文日期：2015年3月23日至2015年6月15日毕业论文题目：卡尔曼滤波及其在INS/GPS组合导航中的应用毕业论文专题题目：卡尔曼滤波及其在INS/GPS组合导航中的应用毕业论文主要内容和要求：主要内容：通过学习GPS/INS组合导航数据处理的滤波理论方法，研究Kalman滤波及其变化形式CKF等滤波性能，并进行分析比较。论文要求：参照学校本科毕业设计的模板要求进行撰写。要求有目的、意义、基本理论、研究方法、仿真实验分析、结论与展望等、专业文献翻译、英文摘要。参考文献要有一定数量，不少于15篇，最好有英文参考资料。文章语句通顺、图表清晰。院长签字：指导教师签字：中国矿业大学毕业论文指导教师评阅书指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：指导教师签字：年月日中国矿业大学毕业论文评阅教师评阅书评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：成绩：评阅教师签字：年月日中国矿业大学毕业论文答辩及综合成绩答辩情况提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会主任签字：年月日学院领导小组综合评定成绩：学院领导小组负责人：年月日摘要Kalman滤波是以最小线性方差估计为估计准则的一种实时递推算法。它能根据上一时刻的状态估计和当前的观测值来更新当前的状态估计，不需要存储大量数据，算法简单方便，得到了广泛应用。本文在在总结Kalman滤波的基本原理以及介绍INS/GPS组合导航理论的基础上，探究Kalman滤波INS/GPS组合导航方面的应用。论文的主要工作有：在介绍线性离散系统的Kalman滤波方程并对方程作分析的基础上，探究影响常规Kalman滤波精度的因素。通过在MATLAB环境下对目标常速度模型进行仿真分析,得出影响滤波精度的因素有:系统状态方程准确性、测量方程准确性、过程噪声和测量噪声强度和仿真初始条件设置合理性。在概述CKF原理和算法的基础上，选取典型的一维单变量非平稳模型和常见的四维纯方位跟踪模型，采用参数设置不同的两种UKF、CKF和EKF进行仿真分析，比较UKF、EKF和CKF的估计精度。验证了以下结论：一般情况下，特别是系统非线性程度比较高时，UKF和CKF的估计精度都高于EKF。UKF和CKF的滤波精度高低取决于系统维数，当系统维数小于2时，UKF滤波精度高于CKF；当维数大于3时，CKF滤波精度大于UKF。在系统状态方程非线性较强的情况下，UKF参数设置对滤波结果影响较大，参数设置不当可能引起滤波精度下降甚至滤波发散。在介绍INS/GPS组合导航基础理论和构建INS/GPS松组合系统模型的基础上，将EKF用于INS/GPS组合导航系统，仿真结果表明EKF的有效性。关键字：Kalman滤波；滤波精度；CKF；UKF；EKF；INS/GPS组合导航AbstractKalmanfilterisoneofreal-timerecursivealgorithmbasedonthetheoryoflinearminimumvarianceestimation.Itcanupdatethecurrentstateestimationaccordingtopreviouslystateestimationandcurrentobservation,whichnotneedtorestorelotsofdataandithadbeenwidelyutilizebecauseofitssimplyalgorithm.ThepapersummarizesthebasictheoryofKalmanfilter,andintroducetheINS/GPSintegratednavigationtheory,andtrytodiscusstheapplicationofKalmanfilterinINS/GPSintegratednavigationarea.Themaincontentsofthestudyareasfollows:IntroducingandanalyzingthediscretelinearstochasticKalmanfilterequation,anddiscussingtheinfluenceelementofcommonKalmanfilterprecision.AccordingtotheemulationoftargetconstantspeedmodelinMatlab,weknowthatthefactorofinfluentfilter’sprecisionhavetheaccuracyofstateequation,measurementequation,andtherationalityofprocessnoise,measurementnoiseandemulation’sinitialconditionsetting.Thepaperselectthetypicalonedegreesinglevariablenon-stablemodelandfourdegreepureazimuthtrackingmodel,usingdifferentUKF,CKF,EKFmodeltoemulationandcomparethem.Itverifytheconclusionlikefollows:Ingeneralcase,especiallyinthehighnonlineardegree,thefilterprecisionofUKFandCKFwouldbetterthanEKF.Whenthedegreeislessthan2,UKFbetterthanCKF.Whilethedegreeis3,CKFbetterthanUKF.Inthestudyofnonlinearcondition,UKFwasinfluenceserious.Thewrongparametersettingmaydeclinetheprecision.AfterintroduceofINS/GPScombinationnavigationtheoryandINS/GPSloosecombinationsystemmedel,usingEKFforINS/GPSloosedcombination,theemulationshowstheEKFeffectiveness.Keywords:Kalmanfilter;theprecisionoffilter;CKF;UKF;EKF;INS/GPScombinationnavigation目录1绪论......................................................................11.1Kalman滤波理论的发展................................................11.2INS/GPS组合导航系统概述.............................................11.2.1组合导航系统.................................................21.2.2INS/GPS组合导航系统..........................................21.2.3INS/GPS组合导航系统的发展....................................21.3Kalman滤波在组合导航中的应用现状....................................31.4论文主要内容........................................................32Kalman滤波基础理论.......................................................52.1Kalman滤波的理论基础................................................52.1.1估计与滤波...................................................52.1.2线性最小方差估计.............................................62.1.3正交投影定理.................................................62.1.4白噪声过程...................................................72.2Kalman滤波的基本方程................................................82.2.1随机线性离散系统的Kalman滤波方程.............................82.2.2滤波基本方程分析.............................................92.2.3算例分析....................................................102.3离散非线性系统滤波.................................................122.3.1EKF.........................................................132.3.2UKF.........................................................153UKF及CKF的估计精度比较.................................................173.1CKF................................................................173.2仿真分析...........................................................183.2.1单变量非平稳模型............................................183.2.2纯方位跟踪模型..............................................204INS/GPS组合导航理论基础.................................................234.1全球定位系统.......................................................234.1.1GPS系统简介................................................234.2INS基础理论与导