一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法

技术领域

本发明涉及车辆，运动体以及无人飞行器的高精度高度测量领域，具体而言，涉及一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法的设计方法。

背景技术

高度的精确测量对飞行器的空中控制安全性、稳定性均有着毋庸置疑的重要作用与意义。但各种高度测量装置往往只能工作于某一区间范围区域，或者在某一区域中数据精度较好，而在另一高度区间精度较差。因此如何对多种测量仪器测量所获得的数据进行相互深度融合，取长补短，是混合高度测量所研究与关心的重要问题。基于上述背景原因，本发明研究了一类采用三合一体的卡尔曼滤波的方式，设计一个综合的卡尔曼滤波器，分别对惯性高度、气压高度、GPS高度同时进行卡尔曼滤波，最终得到的数据进行融合后形成高度误差进一步反馈调节卡尔曼滤波器的方差数据，从而使得整个测量高度数据能够具有较高的精度与可靠性；同时由于惯性高度具有较好的独立性与自主性，但其会随着时间累积而发散，因此最后对卡尔曼滤波综合高度与惯性高度进行两级修正补偿，从而获得了良好的高度测量精度。

需要说明的是，在上述背景技术部分发明的信号仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的多种高度测量数据融合困难的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法，包括以下步骤：

步骤S10，在载体上安装SiA200 MEMS加速度传感器，并进行积分得到惯性速度与惯性高度；在载体上安装GPS接收器，测量载体GPS高度；在载体上安装气压高度表，测量载体的气压电高度如下：

v＝∫adt；

y

其中a(n)对应的是时间t＝n*ΔT时刻采用SiA200 MEMS加速度传感器测量的载体加速度信号，简写为a，其中ΔT为数据的输出采样周期，dt表示对时间信号的积分，v为惯性速度信号，y

步骤S20，设置三合一体组合卡尔曼滤波器中的误差协方差信号的初始值，设置滤波器的误差协方差的预测值信号的初始值为0，求解误差协方差信号；然后设置滤波器前验方差信号初始为0，求解误差协方差的预测值信号；再设置滤波器观测方差信号初始值为0，求解卡尔曼滤波器的增益信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与气压高度信号，求解滤波器的惯性气压混合高度信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的惯性GPS混合高度信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入气压高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的气压GPS混合高度信号。

步骤S30，根据所述的惯性气压混合高度信号、惯性GPS混合高度信号、气压GPS混合高度信号进行平均，求解卡尔曼滤波三合一体高度综合信号；然后分别根据惯性高度信号、气压高度信号、GPS高度信号求解其相对卡尔曼滤波三合一体高度综合信号的惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号；然后采用上述相对滤波误差信号进行非线性积分，分别得到惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号；再采用惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号进行综合反馈得到滤波器前验方差信号；采用惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号进行综合反馈得到滤波器观测方差信号；从而完成滤波器的方差反馈闭环调节滤波器的输出。

步骤S40，设置惯性补偿高度的初始值为惯性高度的初始值，将卡尔曼滤波三合一体高度综合信号与惯性补偿高度信号进行对比，得到惯性综合误差信号；然后进行两次非线性变换，分别得到惯性综合误差加速度非线性信号与惯性综合误差速度非线性信号；采用惯性综合误差加速度非线性信号叠加载体加速度信号得到加速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿速度信号；再叠加惯性综合误差速度非线性信号后得到速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿高度信号，并将惯性补偿高度信号作为三合一体组合卡尔曼滤波测高方法的高度输出信号。

在本发明的一种示例实施例中，设置三合一体组合卡尔曼滤波器中的误差协方差信号的初始值，设置滤波器的误差协方差的预测值信号的初始值为0，求解误差协方差信号；然后设置滤波器前验方差信号初始为0，求解误差协方差的预测值信号；再设置滤波器观测方差信号初始值为0，求解卡尔曼滤波器的增益信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与气压高度信号，求解滤波器的惯性气压混合高度信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的惯性GPS混合高度信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入气压高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的气压GPS混合高度信号包括：

p

b

y

y

y

其中p

在本发明的一种示例实施例中，根据所述的惯性气压混合高度信号、惯性GPS混合高度信号、气压GPS混合高度信号进行平均，求解卡尔曼滤波三合一体高度综合信号；然后分别根据惯性高度信号、气压高度信号、GPS高度信号求解其相对卡尔曼滤波三合一体高度综合信号的惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号；然后采用上述相对滤波误差信号进行非线性积分，分别得到惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号；再采用惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号进行综合反馈得到滤波器前验方差信号；采用惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号进行综合反馈得到滤波器观测方差信号；从而完成滤波器的方差反馈闭环调节滤波器的输出如下：

e

e

e

其中y

在本发明的一种示例实施例中，设置惯性补偿高度的初始值为惯性高度的初始值，将卡尔曼滤波三合一体高度综合信号与惯性补偿高度信号进行对比，得到惯性综合误差信号；然后进行两次非线性变换，分别得到惯性综合误差加速度非线性信号与惯性综合误差速度非线性信号；采用惯性综合误差加速度非线性信号叠加载体加速度信号得到加速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿速度信号；再叠加惯性综合误差速度非线性信号后得到速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿高度信号，并将惯性补偿高度信号作为三合一体组合卡尔曼滤波测高方法的高度输出信号包括：

e

a

v

其中ea为惯性综合误差信号；l

最终将惯性补偿高度信号作为三合一体组合卡尔曼滤波测高方法的高度输出信号，其具有良好的精度与稳定特性，同时又避免了惯性测量高度随时间累积误差越来越大的缺点。

有益效果

本发明提供的一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法，其主要创新之处有两点：其一在于提出了一种三合一体式的卡尔曼滤波器，其能同时并行处理惯性高度、气压高度、GPS高度之间的两两卡尔曼滤波关系，从而避免了常规的采用三个单独的卡尔曼滤波器分别进行处理的设计繁琐之处。其二是通过三者的深度融合并形成相对误差数据，从而反馈调节三合一体的组合卡尔曼滤波器的前验方差与观测方差数据，实现了卡尔曼滤波器的三合一体动态组合，并与惯性高度组成修正反馈补偿，从而获得了很好的精度与数据融合效果。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法的流程图；

图2是本发明实施例所提供方法的ACS100高精度mems加速度计实物图；

图3是本发明实施例所提供方法的载体的加速度信号曲线(单位：米每秒方)；

图4是本发明实施例所提供方法的载体的惯性速度信号曲线(单位：米每秒)；

图5是本发明实施例所提供方法的载体的惯性高度信号曲线(单位：米)；

图6是本发明实施例所提供方法的载体的GPS高度信号曲线(单位：米)；

图7是本发明实施例所提供方法的载体的气压电高度信号(单位：米)；

图8是本发明实施例所提供方法的惯性气压混合高度信号曲线(单位：米)；

图9是本发明实施例所提供方法的卡尔曼滤波三合一体高度综合信号曲线(单位：米)；

图10是本发明实施例所提供方法的惯性补偿高度信号(单位：米)。

具体实施方式

现在将参考附图基础上更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。

本发明提供了一种采用惯性导航设备、气压计与GPS进行混合测高的方法，其中采用惯性加速度积分两次得到惯性高度，然后合气压计测量的气压高度、GPS测量得到的GPS三者联合组成三合一体的卡尔曼滤波器，首先得到两两之间的卡尔曼滤波高度，然后进行三者平均得到卡尔曼滤波器的输出高度；再采用卡尔曼滤波器的输出高度对惯性高度、气压高度、GPS高度以及两两之间的混合高度求差得到三个高度误差，然后根据误差调节三合一体卡尔曼滤波器的前验方差数据；根据三个高度误差的积分值调节三合一体卡尔曼滤波器的观测方差数据；最终根据卡尔曼滤波器的三合一体高度综合信号与惯性补偿高度对比形成惯性综合误差，然后进行非线性变换后反馈补偿给惯性加速度与惯性速度信号，进行修正补偿积分，最终形成惯性补偿高度信号，作为三合一体组合卡尔曼滤波测高方法的最终输出。

下面，将结合附图对本发明的一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法进行进一步的解释以及说明。参考图1所示，该一种采用三合一体组合卡尔曼滤波的飞行器高度测量方法包括以下步骤：

步骤S10，在载体上安装SiA200 MEMS加速度传感器，并进行积分得到惯性速度与惯性高度；在载体上安装GPS接收器，测量载体GPS高度；在载体上安装气压高度表，测量载体的气压电高度。

具体的，首先，在载体上安装SiA200 MEMS加速度传感器，其物理尺寸为小封装9*9nm

其次，对载体加速度测量数据进行积分，得到惯性速度信号，记作v(n)，然后对速度信号进一步积分，得到惯性高度信号，记作y

v＝∫adt；

y

其中dt表示对时间信号积分。

再次，在载体上安装GPS接收器，测量载体GPS高度，记作y

最后，在载体上安装气压高度表，测量载体气压高度，记作y

步骤S20，设置三合一体组合卡尔曼滤波器中的误差协方差信号的初始值，设置滤波器的误差协方差的预测值信号的初始值为0，求解误差协方差信号；然后设置滤波器前验方差信号初始为0，求解误差协方差的预测值信号；再设置滤波器观测方差信号初始值为0，求解卡尔曼滤波器的增益信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与气压高度信号，求解滤波器的惯性气压混合高度信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的惯性GPS混合高度信号；再根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入气压高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的气压GPS混合高度信号。

具体的，可以分解为如下六小步。第一步，设置三合一体组合卡尔曼滤波器中的误差协方差信号的初始值，设置滤波器的误差协方差的预测值信号的初始值为0，求解误差协方差信号如下：

其中p

第二步，设置滤波器前验方差信号初始为0，求解误差协方差的预测值信号如下：

p

其中Q

第三步，设置滤波器观测方差信号初始值为0，求解卡尔曼滤波器的增益信号如下：

b

其中R

第四步，根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与气压高度信号，求解滤波器的惯性气压混合高度信号如下：

y

其中y

第五步，根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入惯性高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的惯性GPS混合高度信号如下：

y

其中y

第六步，根据卡尔曼滤波器的增益信号，输入气压高度信号与GPS高度信号，求解滤波器的气压GPS混合高度信号如下：

y

其中y

步骤S30，根据所述的惯性气压混合高度信号、惯性GPS混合高度信号、气压GPS混合高度信号进行平均，求解卡尔曼滤波三合一体高度综合信号；然后分别根据惯性高度信号、气压高度信号、GPS高度信号求解其相对卡尔曼滤波三合一体高度综合信号的惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号；然后采用上述相对滤波误差信号进行非线性积分，分别得到惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号；再采用惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号进行综合反馈得到滤波器前验方差信号；采用惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号进行综合反馈得到滤波器观测方差信号；从而完成滤波器的方差反馈闭环调节滤波器的输出。

具体的，可以分解为如下四小步。第一步，根据所述的惯性气压混合高度信号、惯性GPS混合高度信号、气压GPS混合高度信号进行平均，求解卡尔曼滤波三合一体高度综合信号如下；

其中y

第二步，分别根据惯性高度信号、气压高度信号、GPS高度信号求解其相对卡尔曼滤波三合一体高度综合信号的惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号如下：

e

e

e

其中e

第三步，采用上述相对滤波误差信号进行非线性积分，分别得到惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号如下：

其中s

第四步，采用惯性相对滤波误差信号、气压相对滤波误差信号、GPS相对滤波误差信号进行综合反馈得到滤波器前验方差信号；采用惯性误差非线性积分信号、气压误差非线性积分信号与GPS误差相对积分信号进行综合反馈得到滤波器观测方差信号如下：

其中k

步骤S40，设置惯性补偿高度的初始值为惯性高度的初始值，将卡尔曼滤波三合一体高度综合信号与惯性补偿高度信号进行对比，得到惯性综合误差信号；然后进行两次非线性变换，分别得到惯性综合误差加速度非线性信号与惯性综合误差速度非线性信号；采用惯性综合误差加速度非线性信号叠加载体加速度信号得到加速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿速度信号；再叠加惯性综合误差速度非线性信号后得到速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿高度信号，并将惯性补偿高度信号作为三合一体组合卡尔曼滤波测高方法的高度输出信号。

具体的，可以分解为如下四步。第一步，设置惯性补偿高度的初始值为惯性高度的初始值，将卡尔曼滤波三合一体高度综合信号与惯性补偿高度信号进行对比，得到惯性综合误差信号如下：

e

其中ea为惯性综合误差信号。

第二步，采用惯性综合误差信号进行两次非线性变换，分别得到惯性综合误差加速度非线性信号与惯性综合误差速度非线性信号如下：

/>

其中l

第三步，采用惯性综合误差加速度非线性信号叠加载体加速度信号得到加速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿速度信号如下：

a

其中ad为加速度综合信号，v

第四步，采用惯性补偿速度信号叠加惯性综合误差速度非线性信号后得到速度综合信号，然后进行积分，得到惯性补偿高度信号如下：

v

其中vd为速度综合信号，h

案例实施与计算机仿真模拟结果分析

在步骤S10中，设置ΔT＝0.001，在载体上安装SiA200 MEMS加速度传感器，测量载体的加速度信号如图3所示，进行积分得到载体的惯性速度信号如图4所示，再积分得到载体的惯性高度信号如图5所示，采用GPS测量得到载体的GPS高度如图6所示，采用气压高度表测量载体的气压电高度如图7所示。在步骤S20中，得到惯性气压混合高度信号如图8所示。在步骤S30中，选取k

由图3可以看出，在加速度测量上存在随机误差，该类随机误差随着时间累积，由图4可以看出，会造成速度上的误差，再积分后会造成位置上的误差，如图5所示。但短期时间内，惯性高度的精度较大，而图6的GPS高度以及图7的气压高度精度均比惯性高度差，但GPS高度与气压高度的误差比较稳定，不随着时间累积而增大。而惯性高度则在时间增大的情况下，弱于GPS高度与气压高度。由图8可以看出，混合高度较之气压高度精度有所提高；由图9可以看出，卡尔曼滤波三合一体高度综合信号精度以及有明显改善；利用该数据得到的惯性补偿高度信号精度还会略有增加，如图10所示。从而表明本发明所提出的三合一体组合高度测量方案是有效的，具有很高的工程实用价值。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这类的发明后，将容易想到本发明的其他实施例。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未指明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。