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第 卷第期 年月系统工程与电子技术 文章编号：（）网址：收稿日期：；修回日期：；网络优先出版日期：。网络优先出版地址：通讯作者引用格式：李建利，魏梦笛，王其朋，等联邦实时组合算法系统工程与电子技术，（）：犚犲 犳 犲 狉 犲 狀 犮 犲犳 狅 狉犿犪 狋：，（）：犕犘犗犛联邦实时组合算法李建利，魏梦笛，王其朋，张武（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 ）摘要：微小型位置姿态测量系统（，）是为成像载荷提供实时高精度运动补偿信息的关键装置，其测量精度严重制约成像精度的提升。针对集中滤波实时性差的问题，在基于双（）硬件平台的基础上，采用联邦滤波实时组合算法对多组传感器数据进行最优信息融合。以微惯性测量单元为公共参考系统，双天线全球导航卫星系统（，）和磁强计作为子系统提供量测信息，将各个子系统得到的局部误差协方差及状态估计值在主滤波器中进行信息融合得到最优估计值。通过动态实验验证了基于联邦滤波实时组合方法的，其位置、速度、航向角及水平姿态角精度可达，。关键词：微小型位置姿态测量系统；联邦滤波；实时组合；全球导航卫星系统；磁强计中图分类号：文献标志码：犇犗犐：犕犘犗犛犳 犲 犱 犲 狉 犪 狋 犲 犱狉 犲 犪 犾 狋 犻 犿犲犻 狀 狋 犲 犵 狉 犪 狋 犻 狅 狀犿犲 狋 犺 狅 犱 ，（犛 犮 犺 狅 狅 犾狅 犳犐 狀 狊 狋 狉 狌犿犲 狀 狋 犪 狋 狅 狀犪 狀犱犗狆 狋 狅 犲 犾 犲 犮 狋 狉 狅 狀 犻 犮犈狀犵 犻 狀 犲 犲 狉 犻 狀犵，犅犲 犻 犺 犪 狀犵犝狀 犻 狏 犲 狉 狊 犻 狋 狔，犅犲 犻 犼 犻 狀犵 ，犆犺 犻 狀 犪）犃犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（），（），（），犓犲 狔狑狅 狉 犱 狊：（）；（）；引言微小型位置姿态测量系统（，）是机载高分辨率对地观测载荷运动补偿的惯性组合测量设备，由微惯性测量单元（，）、全球导航卫星系统（，）、微磁强计（，）等传感器组成。通过滤波进行有机组合，弥补各自的不足，得到载体的实时运动参数信息，具有低成本、低功耗、体积小等优势，因此在航空测绘、自然环境监测等对地观测领域起到了至关重要的作用。其测量精度严重制约成像精度的提升，由此需要选第期李建利等：联邦实时组合算法 择合适的滤波方法来提升系统整体性能。常见滤波结构有集中式滤波，其采用一个滤波器处理所有信息，得到最佳估计结果，但计算量大，实时性差。另外，由于所有的量测信息集中在一个滤波器处理，当某个量测信息发生异常时，将会对其他无异常的量测信息造成污染，系统的容错性能较差 。与之相对的是分散式滤波，其中最典型实用的是联邦滤波 ，联邦滤波包含多个并行子滤波器和一个主滤波器，由于各个子滤波器独立，可以有效地避免交叉污染，同时由于并行处理，有利于进行实时运算 。本文设计了基于双天线微磁强计的联邦实时组合算法，作为主参考系统，双天线与磁强计提供量测信息，以此设计主子滤波器，并成功应用于基于双（）架构的硬件平台，最后通过动态实验验证了基于联邦滤波算法的组合精度。犕犘犗犛硬件平台硬件平台主要由模块、模块、磁强计模块、数据处理电路部分组成，其整体硬件集成如图所示。图硬件平台 惯性器件选用中国电子科技集团公司第十三研究所研制的。其内部集成了三轴陀螺仪和加速度计，零偏稳定性分别优于，。选用 多模高精度双天线定位模块，水平定位精度为，提供位置、速度、航向角量测信息。磁强计模块选用采用美国 公司研制生产的系列磁传感器，选择 单双轴磁传感器组成三轴磁传感器，测量三轴的磁感应强度，从而可以计算得出磁航向角。数据处理电路采用双架构，能够支持快速导航运算的功能。其中，主要负责数据采集、时钟同步、数据存储等功能。的陀螺和加速度计数据、数据和磁强计数据通过数据输入模块的串行外设接口（，）、晶体管 晶体管逻辑（，）串口和模拟数字（，）电路进行定时采集，并向发送原始数据，同时在安全数码（，）卡进行数据存储。则通过响应中断负责数据处理功能，包括误差补偿、初始对准、捷联解算、联邦滤波、反馈校正等模块，并实时将解算后的位置速度姿态信息通过 通信接口输送给上位机进行监控和存储。工作时需要个模块共同协调工作，其整体工作流程如图所示。图工作流程图 犕犘犗犛联邦滤波算法利用联邦滤波实现多传感器的信息融合，其中为主参考系统，与双天线构成子滤波器，与构成子滤波器，其量测信息输入到相应的子滤波器中，进行局部滤波后，其估计结果输入到主滤波器，实现全局的状态估计。其系统状态空间模型如下：犡犽犽，犽犡犽犽犠犽（）式中：犽，犽、犽和犠犽为状态转移矩阵、系统噪声驱动阵和噪声向量；其状态变量为犡犽犈，犖，犝，犞犈，犞犖，犞犝，犔，犎，狓，狔，狕，狓，狔，狕，其中包括失准角误差（犈，犖，犝），速度误差（犞犈，犞犖，犞犝），位置误差（犔，犎），陀螺仪随机常值漂移（狓，狔，狕），加速度计常值偏置（狓，狔，狕）。系统噪声向量犠犽狓，狔，狕，狓，狔，狕为零均值高斯白噪声，其方差阵为犙犽。狓、狔、狕和狓、狔、狕为器件随机误差。设每个子系统的状态向量和量测向量为犡犻，犽犻，（犽，犽）犡犻，犽犻，犽犠犻，犽犣犻，犽犎犻，犽犡犻，犽犞犻，烅烄烆犽（）式中：犻，。其中，子系统状态变量与主滤波器相同。系统工程与电子技术第 卷双天线构成的子滤波器，双天线提供位置、速度、航向量测信息，则子滤波器的系统观测量为犣，犽犞 犈，犞 犖，犞 犝，犔，犺，犞 犈、犞 犖和犞 犝分别为与双天线东向、北向、天向速度的差值，犔、和 犺 分别为与双天线纬度、经度、高度的差值，为与双天线解算出的航向角的差值。量测噪声犞，犽狏 犞犈，狏 犞犖，狏 犞犝，狏 犔，狏 ，狏犎，狏，量测噪声方差阵根据的位置、速度、航向角噪声水平选取。构成子滤波器，提供由三轴磁场强度解算得到的磁航向角信息，则子滤波器的系统观测量为犣，犽 ，为与磁强计之间的航向角之差；系统量测噪声为犞，犽狏 ，狏 为磁强计解算出的航向角噪声，由磁强计的精度决定。联邦滤波算法包括给定初值、信息更新、信息融合、信息重置个过程 。其具体计算流程如下。步骤给定初值狓犻犘犻犻犘，犻，犿犙犻犻烅烄烆犙（）式中：犘和犙分别为协方差阵和过程噪声阵；犻为信息分配系数，犻，代表子滤波器，犻犿为主滤波器。步骤信息更新步骤 时间更新狓犻犽犽犻犽，犽狓犻犽犘犻犽犽犻犽，犽犘犻犽（犻犽，犽）犻犽犙犻犽（犻犽）烅烄烆（）式中：犻，犿；狓犻犽犽和犘犻犽犽分别为狋犽时刻滤波器犻的状态向量一步预测值和一步预测均方误差阵；狓犻犽犘犻犽和犙犻犽分别为状态向量估计值、均方误差阵系统和噪声方差阵。步骤 量测更新犓犻犽犘犻犽犽（犎犻犽）犎犻犽犘犻犽犽（犎犻犽）犚犻犽狓犻犽狓犻犽犽犓犻犽（狕犻犽犎犻犽狓犻犽犽）犘犻犽（犐犓犻犽犎犻犽）犘犻犽犽（犐犓犻犽犎犻犽）犓犻犽犚犻犽（犓犻犽）烅烄烆（）式中：犻，；犓犻犽、狓犻犽和犘犻犽分别为滤波器犻中狋犽时刻的滤波增益、状态估计值和均方误差阵，主滤波器无量测更新 。步骤信息融合将狋犽时刻各子滤波器输出的犘犻犽和狓犻犽与主滤波器中犘犿犽和狓犿犽进行融合得到全局滤波解。犘犵犖犻（犘犻犽）（犘犿犽）狓犵犘犵犖犻（犘犻犽）狓犻犽（犘犿犽）狓犿烅烄烆犽（）式中：狓犵和犘犵分别表示全局滤波估计值和协方差阵。步骤信息重置通过全局滤波解进行信息重置：狓犻犽狓犵犘犻犽犻犘烅烄烆犵（）信息分配系数的选取对联邦滤波的性能有很大影响。为了兼顾容错性和精度选取部分重置结构（，），即主滤波器其信息分配系数犿，且满足。联邦实时组合算法流程图如图所示。图联邦实时组合算法流程图 实验验证为了测试基于联邦滤波实时组合算法的精度，进行动态实验。将高精度光纤位置姿态测量系统（，）基准与固定在结构梁上，并将结构梁放置在大理石台上保持稳定，两端分别安装主子天线，连接上位机，电源，设备安装完毕后开始上电工作，进行动态实验。系统实际安装如图所示。图实验实际安装图 第期李建利等：联邦实时组合算法 该实验全程运动轨迹图如图所示，实验基准采用高精度光纤系统后处理数据，其全程运动误差如图图所示。图实验轨迹图 图位置误差图 图速度误差图 系统工程与电子技术第 卷图姿态误差图 对全程的位置、速度、姿态估计误差进行标准差（，）统计，以高精度后处理数据作为基准，计算公式为狀犻（狕犻狕）槡狀式中：狀表示采样数据点数，狕犻表示第犻个实时数据的位置、速度和姿态的各个分量与后处理的第犻个位置、速度和姿态各个分量的差值；狕表示位置、速度和姿态的各个分量差值的均值。与加拿大 公司 产品的实时单点精度相对比，精度统计结果如表所示。表位置、速度、姿态犛犜犇精度统计结果犜 犪 犫 犾 犲犛 犜犇狆 狉 犲 犮 犻 狊 犻 狅 狀狊 狋 犪 狋 犻 狊 狋 犻 犮 犪 犾狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀，狊 狆 犲 犲 犱犪 狀 犱犪 狋 狋 犻 狋 狌 犱 犲产品位置精度纬度 经度 高度速度精度（）东向 北向 天向姿态精度（）航向角俯仰角 横滚角本文 由上述精度统计结果可以得到，在动态平稳运动环境下，基于联邦滤波的位置、速度、航向角、水平姿态角精度分别可以达到、，由于精度统计为水平匀速直线段，其精度优于 精度，验证了联邦实时组合算法的有效性。结论是为成像载荷提供实时高精度运动补偿信息的关键装置，其测量精度严重制约成像精度的提升，主要由、等传感器组成，选择合适的组合滤波方法是测量精度的关键。联邦滤波与集中滤波相比实时性强，容错性高，由此本文提出了基于双天线的联邦实时组合算法。设计以为公共参考系统，双天线和作为子系统的联邦滤波结构，并成功应用于双架构的硬件平台。通过动态实验验证了联邦实时组合算法的精度，其位置、速度、航向角、水平姿态角精度分别可以达到、，该精度与加拿大 公司 产品的实时单点精度相当，为机载对地观测实际应用提供了理论和实验基础。参考文献，（）：，（）：，：张晶宇，李涛，吴美平强磁计组合导航系统序贯抗差自适应滤波器设计导航与控制，（）：，（）：，：，：，：，（）：，第期李建利等：联邦实时组合算法 ，：，?，（）：张亚文，莫明岗，马小艳，等一种基于集中滤波的 水下组合导航算法导航定位与授时，（）：，（）：，（）：，：崔展博，景博，焦晓璇，等基于联邦卡尔曼滤波器的容错组合导航系统设计电子测量与仪器学报，（）：，（）：，（）：顾涛，陈帅，谭聚豪，等基于联邦滤波的 高度计多源组合导航算法研究导航定位与授时，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，：杨波，单斌，王跃钢，等航向信息辅助的高精度组合导航方法中国惯性技术学报，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：作者简介李建利（），男，教授，博士，主要研究方向为微小型惯性导航、高精度惯性导航、惯性导航系统全球导航卫星系统组合导航系统技术。魏梦笛（），女，硕士研究生，主要研究方向为微小型惯性导航。王其朋（），男，博士研究生，主要研究方向为微小型惯性导航。张武（），男，硕士研究生，主要研究方向为微小型惯性导航。