基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法技术

本发明专利技术属于相对导航与组合导航领域，涉及基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法。该方法包括：基于直升机和舰船之间的相对运动建立系统的相对惯性导航方程，以视觉传感器测量的机载导航相机与舰船上光标点间的相对视线矢量作为量测建立量测方程；从而建立惯性/视觉相对导航系统模型；利用变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波对惯性导航和视觉导航系统输出的信息进行滤波融合，同时对相对导航系统状态和视觉量测噪声协方差进行估计，以得到精确的舰机相对位置、速度和姿态信息。速度和姿态信息。速度和姿态信息。

【技术实现步骤摘要】
基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法


[0001]本专利技术属于相对导航与组合导航领域，涉及基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法。

技术介绍

[0002]直升机具有垂直起降、可定点悬停、低空飞行、机动灵活、无需专用机场/滑行跑道等特点，在海战中可用于执行空中预警、反潜反舰、远程打击、战场监视与侦查等多种任务，已然成为海上武器装备的一个重要种类。舰载直升机得以成功大范围应用的重要前提是解决舰载直升机的着舰问题。为了保证直升机顺利在不断运动的舰船上顺利自主着陆，精确的舰机相对导航信息是必不可少的。
[0003]惯性/视觉组合相对导航是一种无需与外界进行信息交互而可以提供舰机间相对位置、速度和姿态信息的方法。该方法以机载和舰载惯性导航系统输出为基础建立舰机相对惯性模型，基于机载导航相机对安装在舰船上的光标点进行测量，通过容积卡尔曼滤波等非线性滤波方法对惯性传感器数据和导航相机测量的相对视线矢量信息进行融合，从而估计出舰机间的相对位置、速度和姿态。传统的相对导航方法需要精确的传感器量测噪声统计特性来设计相对导航滤波器，但是在实际系统中，视觉传感器的量测噪声统计特性往往是未知的。在这种情况下，传统的相对导航方法估计精度急剧下降甚至出现发散现象。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的：为了解决现有惯性/视觉组合相对导航方法在视觉量测噪声统计特性先验信息不足情况下导航精度差的问题，提出了基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法。
[0005]本专利技术的技术方案：
[0006]基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法，包括：
[0007]基于直升机和舰船之间的相对运动建立系统的相对惯性导航方程，以视觉传感器测量的机载导航相机与舰船上光标点间的相对视线矢量作为量测建立量测方程；从而建立惯性/视觉相对导航系统模型；
[0008]利用变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波对惯性导航和视觉导航系统输出的信息进行滤波融合，同时对相对导航系统状态和视觉量测噪声协方差进行估计，以得到精确的舰机相对位置、速度和姿态信息；
[0009]其中，变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波器是将系统状态和量测噪声协方差联合分布建模为高斯分布
×
逆威舍特分布形式，根据变分贝叶斯理论获得系统状态和量测噪声协方差递推模型，采用三阶球面
‑
径向容积准则计算非线性系统中高斯加权积分，通过高斯
‑
牛顿迭代法获得系统状态和量测噪声协方差的估计值，构建得到的。
[0010]基于直升机和舰船之间的相对运动建立系统的相对惯性导航方程，以视觉传感器测量的机载导航相机与舰船上光标点间的相对视线矢量作为量测建立量测方程，包括：
[0011]建立相对姿态运动方程、相对质心运动方程；
[0012]相对姿态运动方程为：
[0013][0014]其中，直升机本体系h相对于舰船本体系w的角速度在h系下的投影；q
h|w
为相对姿态四元数；
[0015][0016]其中，q
13
为相对姿态四元数矢量部分，q4为相对姿态四元数标量部分；
[0017]相对质心运动方程为：
[0018][0019]和分别为的一、二阶导，I为惯性坐标系，为直升机本体系相对于惯性坐标系I的角速度在h系下的表示，为的二阶导，为的二阶导，为直升机相对于舰船的位置矢量在直升机本体系下的表示，和分别为直升机和舰船在惯性坐标系中的位置矢量在惯性坐标系下的表示，表示惯性坐标系至直升机本体系的姿态转换矩阵；
[0020]相对视线矢量作为量测建立量测方程为：
[0021][0022]其中，为相机坐标系至直升机本体系的姿态转换矩阵；b
s
为单位视线矢量；光标点在舰船上的位置为[x
ws y
ws z
ws
]T
(s＝1,2,
…
,N
s
)，N
s
为光标点数，[x y z]T
为直升机与舰船之间的相对位置矢量
[0023]利用变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波对惯性导航和视觉导航系统输出的信息进行滤波融合，同时对相对导航系统状态和视觉量测噪声协方差进行估计，以得到精确的舰机相对位置、速度和姿态信息，包括：
[0024](1)选择相对导航系统状态向量；
[0025]采用三参数罗德里格斯参数表示姿态偏差来传播和更新相对姿态四元数，定义状态矢量x
k
为：
[0026][0027]其中，δs
k
为罗德里格斯参数，为相对位置矢量，为相对速度矢量，为加速度计漂移，为陀螺仪漂移；
[0028](2)计算经相对惯性导航模型传播后的导航状态；
[0029]将k
‑
1时刻罗德里格斯参数转换成相对姿态四元数偏差；
[0030][0031][0032][0033]其中，为第k
‑
1时刻相对姿态四元数的偏差，i＝1,2,
…
,N为三阶球面
‑
径向容积点序列号，N＝2n为容积点个数，n为状态向量x
k
的维数；α是取值范围在0到1之间的参数，λ是尺度因子，容积点计算如下：
[0034][0035]其中，和P
k
‑
1/k
‑1分别为k
‑
1时刻状态向量和状态协方差，[1]i
为集合[1]中的第i个列向量：
[0036][0037]根据k
‑
1时刻估计的相对姿态四元数和相对姿态四元数误差得到：
[0038][0039][0040]求取姿态微分和速度微分方程，
[0041][0042][0043]其中，
[0044][0045]其中，为舰船本体系相对于惯性坐标系I的角速度在w系下的表示；
[0046]利用四阶
‑
五步龙格库塔积分获得经相对惯性导航模型传播后的相对姿态相对位置相对速度加速度计偏移预测和陀螺仪偏移预测
[0047]计算传播后的相对姿态四元数误差
[0048][0049]由传播后的相对姿态四元数误差计算传播后的罗德里格斯参数
[0050][0051]其中，
[0052]根据罗德里格斯参数预测位置预测速度预测加速度计偏移预测和陀螺仪偏移预测计算得到经相对惯性导航模型传播后的状态及其协方差P
k/k
‑1；同时计算量测噪声协方差阵所需变量自由度参数预测和逆尺度矩阵预测
[0053](3)融合视觉相对视线矢量信息得到修正后的相对导航状态；
[0054]计算量测预测
[0055][0056]其中，第s个信标光点量测
[0057][0058][0059]利用视觉导航量测信息和量测预测修正系统状态
[0060][0061]按下式计算修正后的相对姿态本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于变分贝叶斯自适应滤波的直升机着舰相对导航方法，其特征在于，包括：基于直升机和舰船之间的相对运动建立系统的相对惯性导航方程，以视觉传感器测量的机载导航相机与舰船上光标点间的相对视线矢量作为量测建立量测方程；从而建立惯性/视觉相对导航系统模型；利用变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波对惯性导航和视觉导航系统输出的信息进行滤波融合，同时对相对导航系统状态和视觉量测噪声协方差进行估计，以得到精确的舰机相对位置、速度和姿态信息；其中，变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波器是将系统状态和量测噪声协方差联合分布建模为高斯分布
×
逆威舍特分布形式，根据变分贝叶斯理论获得系统状态和量测噪声协方差递推模型，采用三阶球面
‑
径向容积准则计算非线性系统中高斯加权积分，通过高斯
‑
牛顿迭代法获得系统状态和量测噪声协方差的估计值，构建得到的。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于直升机和舰船之间的相对运动建立系统的相对惯性导航方程，以视觉传感器测量的机载导航相机与舰船上光标点间的相对视线矢量作为量测建立量测方程，包括：建立相对姿态运动方程、相对质心运动方程；相对姿态运动方程为：其中，直升机本体系h相对于舰船本体系w的角速度在h系下的投影；q
h|w
为相对姿态四元数；其中，q
13
为相对姿态四元数矢量部分，q4为相对姿态四元数标量部分；相对质心运动方程为：为：和分别为的一、二阶导，I为惯性坐标系，为直升机本体系相对于惯性坐标系I的角速度在h系下的表示，为的二阶导，为的二阶导，为直升机相对于舰船的位置矢量在直升机本体系下的表示，和分别为直升机和舰船在惯性坐标系中的位置矢量在惯性坐标系下的表示，表示惯性坐标系至直升机本体系的姿态转换矩阵；相对视线矢量作为量测建立量测方程为：
其中，为相机坐标系至直升机本体系的姿态转换矩阵；b
s
为单位视线矢量；光标点在舰船上的位置为[x
ws y
ws z
ws
]
T
(s＝1,2,
…
,N
s
)，N
s
为光标点数，[x y z]
T
为直升机与舰船之间的相对位置矢量3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，利用变分贝叶斯自适应容积卡尔曼滤波对惯性导航和视觉导航系统输出的信息进行滤波融合，同时对相对导航系统状态和视觉量测噪声协方差进行估计，以得到精确的舰机相对位置、速度和姿态信息，包括：(1)选择相对导航系统状态向量；采用三参数罗德里格斯参数表示姿态偏差来传播和更新相对姿态四元数，定义状态矢量x
k
为：其中，δs
k
为罗德里格斯参数，为相对位置矢量，为相对速度矢量，为加速度计漂移，为陀螺仪漂移；(2)计算经相对惯性导航模型传播后的导航状态；将k
‑
1时刻罗德里格斯参数转换成相对姿态四元数偏差；1时刻罗德里格斯参数转换成相对姿态四元数偏差；1时刻罗德里格斯参数转换成相对姿态四元数偏差；其中，为第k
‑
1时刻相对姿态四元数的偏差，i＝1,2,
…
,N为三阶球面
‑
径向容积点序列号，N＝2n为容积点个数，n为状态向量x
k
的维数；α是取值范围在0到1之间的参数，λ是尺度因子，容积点计算如下：...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏炳志，洪彬，何权荣，曹晞，江忠英，
申请(专利权)人：中国直升机设计研究所，
类型：发明
国别省市：