專利名稱：：一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于定位、導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理方法，尤其涉及一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法。
背景技術(shù)：
：車載定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)機(jī)動(dòng)化的必要條件，在車載定位領(lǐng)域中，高程投影誤差一直是制約定位精度的主要因素，為了滿足現(xiàn)代機(jī)動(dòng)武器系統(tǒng)的高精度定位需求，必須對(duì)高程投影誤差進(jìn)行抑制，從而提高定位系統(tǒng)的精度。產(chǎn)生高程投影誤差的主要原因是高程計(jì)的測(cè)量誤差，目前的高程測(cè)量主要是通過氣壓高度計(jì)來實(shí)現(xiàn)，由于本身的原理所致，采用這種方法的測(cè)量分辨率和精度都較低，目前最高分辨率的高度計(jì)也只有l(wèi)m左右，但測(cè)量誤差卻可以達(dá)到幾百米，直接使用難以滿足車載定位的使用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)出一種性能優(yōu)良的高程數(shù)據(jù)處理方法，提高高程數(shù)據(jù)的精度和分辨率，對(duì)高程投影誤差進(jìn)行抑制。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法，包括如下步驟步驟一、通過車輛的俯仰角以及行駛速度計(jì)算車輛在高度方向上的速度、=vsina"va，v車輛行駛速度；a為車輛俯仰角；步驟二、通過GPS高程數(shù)據(jù)對(duì)高程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正通過以下公式實(shí)現(xiàn)h=h,+Kh(hfh)，h為校正后的高程數(shù)據(jù)；hq為高程計(jì)輸出；he為GPS高程數(shù)據(jù)；Kh為校正增益；步驟三、通過步驟一、步驟二中得到的h與vz建立狀態(tài)變量，構(gòu)建對(duì)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的卡爾曼濾波模型I飛-—ir—01"JXk+1=①Xk+Wk+1，方差E[WkWj]Zk=Xk+Vk，方差E[VkVj]=QSk,j;式中k表示當(dāng)前時(shí)刻，X為狀態(tài)變量，Xk為第k時(shí)刻的狀態(tài)；T為濾波周期；①為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Zk為第k時(shí)刻的量測(cè)量；S為狄拉克函數(shù)；W，V為模型誤差與量測(cè)誤差；R，Q為模型誤差與量測(cè)誤差的方差；步驟四、通過步驟三中構(gòu)建的濾波模型，進(jìn)行卡爾曼濾波，濾波所依據(jù)的數(shù)學(xué)方禾為、王碰=叫=X4+1/4+KAi(Z4+1_X4+1/i)rk+l/k(Pk+1/k+R)—1Pk+1/k=OPkOT+QPk+1=(I-Kk+1)Pk+1/k式中P為方差矩陣；K為濾波增益；&為Xk的最優(yōu)估計(jì)值；步驟五、最后將狀態(tài)變量i^中的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出=^(1,1)即為最后得到的k時(shí)刻的高程數(shù)據(jù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是首先建立里程計(jì)及姿態(tài)傳感器或慣性平臺(tái)進(jìn)行高程測(cè)量的模型，利用里程計(jì)可以測(cè)量車輛前進(jìn)里程的特點(diǎn)，將里程數(shù)據(jù)與車輛俯仰角結(jié)合，就可以將里程投影到垂直通道，進(jìn)行高程計(jì)算。然后，結(jié)合上述計(jì)算出的高程與氣壓式高程計(jì)的輸出，建立高程濾波模型，以慣性平臺(tái)、氣壓高度計(jì)、里程計(jì)為基礎(chǔ)，利用高程、俯仰角與車輛前進(jìn)速度之間的聯(lián)系，采用合理的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法將測(cè)量信息通過卡爾曼濾波器進(jìn)行融合，構(gòu)成濾波方案，同時(shí)利用GPS高程測(cè)量的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，進(jìn)一步對(duì)高程進(jìn)行修正，得到更高精度的高程數(shù)據(jù)。將高程數(shù)據(jù)的分辨率由lm提高到0.02m，精度提高了8%。通過使用此濾波方法，在車載定位系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用，較強(qiáng)地抑制了車載定位系統(tǒng)中的高程投影誤差，使車載定位精度由0.3%(CEP)提高至0.25%，精度提高了18%。圖1是一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法流程示意圖；圖2是應(yīng)用一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法的硬件系統(tǒng)示意圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明如圖1所示，一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法實(shí)現(xiàn)過程具體包括如下步驟步驟一、通過慣性平臺(tái)測(cè)量得到的俯仰角以及里程數(shù)據(jù)計(jì)算在高度方向上的速度；vz=vsina"va式中v——里程計(jì)輸出，車輛行駛速度；a--慣性平臺(tái)輸出，車輛俯仰角；步驟二、通過GPS高程數(shù)據(jù)對(duì)高程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正通過以下公式實(shí)現(xiàn)h=hq+Kh(hG_h)式中h——校正后的高程數(shù)據(jù)；hq——?dú)鈮焊叨扔?jì)輸出；he——GPS高程數(shù)據(jù)；Kh~校正增益，此數(shù)據(jù)是校正關(guān)鍵，需要根據(jù)試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定，不同的GPS和氣壓高度計(jì)可能導(dǎo)致不同的校正增益；標(biāo)定時(shí)，是在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，采集hq，he，利用已知的h，計(jì)算得到Kh。步驟三、通過步驟一、步驟二中計(jì)算出的數(shù)據(jù)h與vz建立狀態(tài)變量，構(gòu)建對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的卡爾曼濾波模型匿ir—義=，o=匿v01Xk+1=①Xk+Wk+1，方差E[WkWj]=RSk,」；Zk=Xk+Vk，方差E[VkVj]=QSk,」式中k——濾波進(jìn)行到的當(dāng)前時(shí)刻，X——狀態(tài)變量，Xk——第k時(shí)刻的狀態(tài)；T——濾波周期；①——狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Zk——第k時(shí)刻的量測(cè)；S——為狄拉克函數(shù)；W，V——為模型誤差與量測(cè)誤差；R，Q——為模型誤差與量測(cè)誤差的方差，此數(shù)據(jù)為常量，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，測(cè)定的方法為公知技術(shù)，測(cè)定結(jié)果的精度將影響濾波性能。步驟四、通過步驟三中構(gòu)建的濾波模型，進(jìn)行卡爾曼濾波，并實(shí)時(shí)輸出濾波后的高程數(shù)據(jù)，濾波所依據(jù)的數(shù)學(xué)方程為4Kk+1=Pk+i/k(Pk+i/k+R)1Pk+l/k-=OPkOT+QPk+1—(I_Kk+1)Pk+1/k式中P——方差矩陣，初值P?？梢匀我庠O(shè)定，只要能夠使卡爾曼濾波收斂即可，經(jīng)濾波一段時(shí)間會(huì)自動(dòng)穩(wěn)定；K——濾波增益，根據(jù)模型誤差與量測(cè)誤差的方差R，Q以及方差矩陣P經(jīng)過遞推得出；——k時(shí)刻得到的最優(yōu)的估計(jì)值，初值i。可以任意給定。步驟五、最后將狀態(tài)變量i^中的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出/ze=&(1,1)即為最后得到的k時(shí)刻的高程數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)本方法可以利用如圖2所示的硬件平臺(tái)，通過導(dǎo)航計(jì)算機(jī)將GPS高程數(shù)據(jù)、氣壓高度計(jì)數(shù)據(jù)、里程計(jì)數(shù)據(jù)以及慣性平臺(tái)俯仰角數(shù)據(jù)采集進(jìn)來，然后導(dǎo)航計(jì)算機(jī)利用本方法對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常，GPS、氣壓高度計(jì)以及慣性平臺(tái)通過串行口將數(shù)據(jù)送至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，里程計(jì)將輸出脈沖送至導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用了卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)處理方法，利用多個(gè)數(shù)據(jù)源對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，將高程數(shù)據(jù)的分辨率由lm提高到0.02m，精度提高了8%。通過使用此濾波方法，在車載定位系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用，較強(qiáng)地抑制了車載定位系統(tǒng)中的高程投影誤差，使車載定位精度由0.3%(CEP)提高至0.25%，精度提高了18%。權(quán)利要求一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法，包括如下步驟步驟一、通過車輛的俯仰角以及行駛速度計(jì)算車輛在高度方向上的速度vz＝vsinα≈vα，v車輛行駛速度；α為車輛俯仰角；步驟二、通過GPS高程數(shù)據(jù)對(duì)高程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，校正通過以下公式實(shí)現(xiàn)h＝hq+Kh(hG-h)，h為校正后的高程數(shù)據(jù)；hq為高程計(jì)輸出；hG為GPS高程數(shù)據(jù)；Kh為校正增益；步驟三、通過步驟一、步驟二中得到的h與vz建立狀態(tài)變量，構(gòu)建對(duì)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的卡爾曼濾波模型<mrow><mi>X</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mi>h</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>v</mi><mi>z</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>,</mo></mrow><mrow><mi>&Phi;</mi><mo>=</mo><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><mi>T</mi></mtd></mtr><mtr><mtd><mn>0</mn></mtd><mtd><mn>1</mn></mtd></mtr></mtable></mfenced></mrow>Xk+1＝ΦXk+Wk+1，方差E[WkWj]＝R·δk，j；Zk＝Xk+Vk，方差E[VkVj]＝Q·δk，j；式中k表示當(dāng)前時(shí)刻，X為狀態(tài)變量，Xk為第k時(shí)刻的狀態(tài)；T為濾波周期；Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；Zk為第k時(shí)刻的量測(cè)量；δ為狄拉克函數(shù)；W，V為模型誤差與量測(cè)誤差；R，Q為模型誤差與量測(cè)誤差的方差；步驟四、通過步驟三中構(gòu)建的濾波模型，進(jìn)行卡爾曼濾波，濾波所依據(jù)的數(shù)學(xué)方程為<mrow><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>&Phi;</mi><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mi>k</mi></msub></mrow><mrow><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>K</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>-</mo><msub><mover><mi>X</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mo>+</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>k</mi></mrow></msub><mo>)</mo></mrow></mrow>Kk+1＝Pk+1/k(Pk+1/k+R)-1Pk+1/k＝ΦPkΦT+QPk+1＝(I-Kk+1)Pk+1/k式中P為方差矩陣；K為濾波增益；為Xk的最優(yōu)估計(jì)值；步驟五、最后將狀態(tài)變量中的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出即為最后得到的k時(shí)刻的高程數(shù)據(jù)。F200810180520XC0000021.tif,F200810180520XC0000022.tif,F200810180520XC0000023.tif全文摘要本發(fā)明屬于定位、導(dǎo)航數(shù)據(jù)的處理方法，是一種提高高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的濾波方法。目的是設(shè)計(jì)出一種性能優(yōu)良的高程數(shù)據(jù)處理方法，提高高程數(shù)據(jù)的精度和分辨率，對(duì)高程投影誤差的進(jìn)行抑制。本發(fā)明包括如下步驟步驟一、通過車輛的俯仰角以及前進(jìn)速度計(jì)算車輛在高度方向上的速度；步驟二、通過GPS高程數(shù)據(jù)對(duì)高程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校正；步驟三、構(gòu)建對(duì)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)的卡爾曼濾波模型；步驟四、通過步驟三中構(gòu)建的濾波模型，進(jìn)行卡爾曼濾波；步驟五、最后將高程數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用了卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)處理方法，利用多個(gè)數(shù)據(jù)源對(duì)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，較強(qiáng)地抑制了車載定位系統(tǒng)中的高程投影誤差，使車載定位精度提高了18％。文檔編號(hào)G01C5/00GK101750050SQ200810180520公開日2010年6月23日申請(qǐng)日期2008年11月28日優(yōu)先權(quán)日2008年11月28日發(fā)明者何定洲,佟艷艷,白煥旭,辛廷慧,陳令剛申請(qǐng)人:北京航天發(fā)射技術(shù)研究所