朱榮華 楊德林 李林美 蔣體浩

摘要

本文針對現(xiàn)在應(yīng)用的GPS導(dǎo)航定位方法精度還有待提高的不足，提出了基于自適應(yīng)Kalman濾波的GPS導(dǎo)航方法研究。經(jīng)過仿真實(shí)驗(yàn)證明，其大大提高了導(dǎo)航精度，可以滿足實(shí)際導(dǎo)航定位的需要。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)航 GPS Kalman濾波

1 引言

導(dǎo)航是獲取載體運(yùn)動(dòng)參數(shù)（載體的即時(shí)姿態(tài)、速度和位置）的技術(shù)或方法。導(dǎo)航是現(xiàn)在很多系統(tǒng)諸如無人機(jī)、無人駕駛等的關(guān)鍵。有了導(dǎo)航系統(tǒng)，就可以獲取導(dǎo)航參數(shù)，進(jìn)行導(dǎo)航定位，然后，就可以進(jìn)行控制，進(jìn)行制導(dǎo)。

2 GPS導(dǎo)航原理

基于GPS定位導(dǎo)航已經(jīng)應(yīng)用到諸如車載導(dǎo)航，船舶導(dǎo)航定位，自主農(nóng)業(yè)收割。GPS全系統(tǒng)由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)、用戶接收設(shè)備組成。GPS的空間部分由21顆衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這樣可以使地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻都能接收至少4顆衛(wèi)星的信號。GPS就是利用空間可觀測的4顆衛(wèi)星的位置數(shù)據(jù)，然后再利用衛(wèi)星到接收用戶間的偽距計(jì)算絕對位置。GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)穩(wěn)定性好，精度高，但是它也含有誤差和大氣傳播誤差。

3 基于自適應(yīng)Kalman濾波的GPS導(dǎo)航方法

實(shí)際信號中均含有噪聲，這會影響測量，需要過濾。當(dāng)前線性系統(tǒng)的模型可以假設(shè)為：

Kalman濾波需要對當(dāng)前時(shí)刻信號作出最優(yōu)估計(jì)，即使得估計(jì)值與實(shí)際值間的均方誤差達(dá)到最小。它的時(shí)間更新方程如下：

其量測更新方程為：

濾波過程主要分兩個(gè)階段：時(shí)間更新階段和量測修正階段。前者利用系統(tǒng)初始值估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和協(xié)方差;后者在前者的基礎(chǔ)上，即利用先驗(yàn)的系統(tǒng)狀態(tài)和協(xié)方差以及新得到的量測值來計(jì)算Kalman增益以及估計(jì)后驗(yàn)值。

狀態(tài)數(shù)據(jù)是可以觀測的，所以可以不斷地得到新的估計(jì)值與實(shí)際值，使Kalman濾波的估計(jì)值與實(shí)際值間的均方誤差達(dá)到最小。采用自適應(yīng)Kalman濾波的方法（圖1），即判斷系統(tǒng)狀態(tài)和估計(jì)值間的差值，不斷根據(jù)噪聲統(tǒng)計(jì)來調(diào)整模型參數(shù)，可以更加減小均方誤差，既做到系統(tǒng)辨識，又做到濾波估計(jì)，并且能動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

用基于自適應(yīng)Kalman濾波的GPS導(dǎo)航方法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，其仿真實(shí)驗(yàn)的導(dǎo)航軌跡見圖2，由圖中可看出，導(dǎo)航的精度誤差由10米級以上降到基本在5米以內(nèi)，仿真實(shí)驗(yàn)證明了基于自適應(yīng)Kalman濾波的GPS導(dǎo)航方法是有效的，可以大大提高導(dǎo)航與定位精度。

5 結(jié)論

本文引入自適應(yīng)Kalman濾波的GPS導(dǎo)航方法對信號進(jìn)行處理，可以大大提高精度，滿足實(shí)際導(dǎo)航定位的需要。

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