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无人机组合导航直接法与间接法滤波方式比较

王均晖 孙蕊 程琦 张文宇

王均晖, 孙蕊, 程琦, 等 . 无人机组合导航直接法与间接法滤波方式比较[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(11): 2156-2167. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0578
引用本文: 王均晖, 孙蕊, 程琦, 等 . 无人机组合导航直接法与间接法滤波方式比较[J]. 北京航空航天大学学报, 2020, 46(11): 2156-2167. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0578
WANG Junhui, SUN Rui, CHENG Qi, et al. Comparison of direct and indirect filtering modes for UAV integrated navigation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(11): 2156-2167. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0578(in Chinese)
Citation: WANG Junhui, SUN Rui, CHENG Qi, et al. Comparison of direct and indirect filtering modes for UAV integrated navigation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2020, 46(11): 2156-2167. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0578(in Chinese)

无人机组合导航直接法与间接法滤波方式比较

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2019.0578
基金项目: 

国家自然科学基金 41704022

国家自然科学基金 41974033

国家自然科学基金 61773202

中国博士后科学基金 2017M623360

江苏省自然科学基金 BK20170780

中央高校基本科研业务费专项资金 KFJJ20190727

详细信息
    作者简介:

    王均晖  女, 硕士研究生。主要研究方向:城市环境中组合导航技术及应用

    孙蕊  女, 博士, 副教授, 硕士生导师。主要研究方向:导航定位及智能交通

    通讯作者:

    孙蕊, E-mail: rui.sun@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: V249.3

Comparison of direct and indirect filtering modes for UAV integrated navigation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41704022

National Natural Science Foundation of China 41974033

National Natural Science Foundation of China 61773202

China Postdoctoral Science Foundation 2017M623360

Natural Science Foundation of Jiangsu Province BK20170780

the Fundamental Research Funds for the Central Universities KFJJ20190727

More Information
  • 摘要:

    全球导航卫星系统/惯性导航系统(GNSS/INS)组合导航可以提供连续、高精度的位置、速度、姿态信息,被广泛应用于无人机的状态估计。其中滤波算法的构建是其组合关键。不同组合导航的模式会对导航定位结果产生相应的影响。针对直接法和间接法这2种常见的组合模式,分别构建了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的全球定位系统/惯性导航系统(GPS/INS)松组合模式,并将其运用于不同飞行场景下无人机(UAV)的实时动态状态估计。仿真场景以及实际数据验证结果表明,间接法在精度和稳定性方面优于直接法,直接法在滤波计算速率方面优于间接法。因此,当系统具有较高的计算性能,且面向高精度的应用情况下可选择间接法作为无人机导航的技术方案;对于快速求解但精度要求不高的应用情况下,选择直接法作为无人机导航的技术方案可以在一定程度上降低系统的成本。

     

  • 图 1  直接法滤波

    Figure 1.  Direct mode of filtering

    图 2  间接法滤波

    Figure 2.  Indirect mode of filtering

    图 3  无人机的三维飞行轨迹

    Figure 3.  3D flight trajectory of UAV

    图 4  仿真飞行轨迹的速度

    Figure 4.  Velocity of simulated flight trajectory

    图 5  场景1仿真飞行轨迹

    Figure 5.  Simulated flight trajectory in Scenario 1

    图 6  场景1位置误差

    Figure 6.  Position errors in Scenario 1

    图 7  场景2仿真飞行轨迹(水平维度)

    Figure 7.  Simulated flight trajectory in Scenario 2 (horizontal dimension)

    图 8  场景2仿真飞行轨迹(竖直维度)

    Figure 8.  Simulated flight trajectory in Scenario 2(vertical dimension)

    图 9  场景2位置误差

    Figure 9.  Position errors in Scenario 2

    图 10  场景2速度误差

    Figure 10.  Velocity errors in Scenario 2

    图 11  场景2姿态误差

    Figure 11.  Attitude errors in Scenario 2

    图 12  所用无人机和试验环境

    Figure 12.  UAV used and test environment

    图 13  试验场地与飞行轨迹鸟瞰图

    Figure 13.  Test site and aerial view of flight path

    图 14  试验飞行轨迹(水平维度)

    Figure 14.  Test flight trajectory (horizontal dimension)

    图 15  试验飞行轨迹(竖直维度)

    Figure 15.  Test flight trajectory (vertical dimension)

    图 16  试验飞行轨迹的位置误差

    Figure 16.  Position errors of test flight trajectory

    图 17  试验飞行轨迹的速度误差

    Figure 17.  Velocity errors of test flight trajectory

    图 18  试验飞行轨迹的姿态误差

    Figure 18.  Attitude errors of test flight trajectory

    表  1  惯性导航系统参数设置

    Table  1.   Parameter setting of INS

    传感器 参数 数值
    陀螺仪 随机常数/((°)·h-1) 0.05
    随机漂移均方差/((°)·h-1) 0.05
    一阶马尔可夫驱动白噪声方差/((°)·h-1) 1×10-9
    相关时间/s 10000
    加速度计 一阶马尔可夫驱动白噪声
    方差/(m·s-2)
    相关时间/s
    0.3×9.81×10-6
    10000
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    表  2  仿真环境下丢星场景1设置

    Table  2.   Setting of lost star in Scenario 1 under simulation environment

    飞行阶段 丢星时间/s 间隔/s
    上升段 60~75 15
    平飞段 220~235 15
    下降段 400~415 15
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    表  3  仿真环境下丢星场景2设置

    Table  3.   Setting of lost star in Scenario 2 undersimulation environment

    飞行阶段 丢星时间/s 间隔/s
    上升段 60~65 5
    平飞段 220~225 5
    下降段 400~405 5
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    表  4  场景1最大位置误差

    Table  4.   Maximum position error in Scenario 1

    方向 最大位置误差/m
    直接法 间接法
    东向 102.8 9.5
    北向 81.3 9.1
    天向 271.1 1.9
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    表  5  场景2下直接法、间接法和GPS的位置RMSE

    Table  5.   Position RMSE of direct mode, indirect mode and GPS in Scenario 2

    组合模式 位置RMSE/m
    东向 北向 天向 2D 3D
    直接法 0.89 0.86 2.08 1.24 2.42
    间接法 0.49 0.53 0.87 0.71 1.12
    直接法(不计丢星部分) 0.24 0.49 0.85 0.55 1.01
    间接法(不计丢星部分) 0.22 0.46 0.89 0.51 1.02
    GPS(不计丢星部分) 0.68 1.20 1.81 1.38 2.27
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    表  6  场景2下直接法和间接法的速度RMSE

    Table  6.   Velocity RMSE of direct mode and indirect mode in Scenario 2

    组合模式 速度RMSE/(m·s-1)
    东向 北向 天向 2D 3D
    直接法 0.34 0.66 0.26 0.74 0.78
    间接法 0.04 0.04 0.04 0.05 0.06
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    表  7  场景2下直接法和间接法的姿态RMSE

    Table  7.   Attitude RMSE of direct mode and indirect mode in Scenario 2

    组合模式 姿态RMSE/rad
    横滚角 俯仰角 偏航角
    直接法 0.7685 1.1931 1.0991
    间接法 0.0380 0.0378 0.0407
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    表  8  场景2下直接法和间接法运行时间

    Table  8.   Runtime of direct mode and indirect mode in Scenario 2

    组合模式 运行时间/s
    直接法 10.38
    间接法 24.30
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    表  9  组合导航系统测量精度

    Table  9.   Measurement accuracy of integrated navigation system

    传感器 参数 数值
    IMU 采样率/Hz 100
    陀螺仪零偏/((°)·h-1) 2
    陀螺角速率随机游走/((°)· ) 0.12
    加速度计零偏/μ g 300
    加速度随机游走/(m·s-1· ) 0.12
    GPS 采样率/Hz 10
    位置测量噪声/m 0.04
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    表  10  直接法、间接法和GPS的位置RMSE(与Inertial Explorer相比)

    Table  10.   Position RMSE of direct mode, indirect mode and GPS (compared to Inertial Explorer)

    组合模式 位置RMSE/m
    东向 北向 天向 2D 3D
    直接法 0.67 1.14 2.59 1.33 2.90
    间接法 0.52 1.69 1.86 1.77 2.56
    GPS(不计丢星) 0.68 1.75 2.81 1.88 3.38
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    表  11  直接法和间接法的速度RMSE

    Table  11.   Velocity RMSE of direct mode and indirect mode

    组合模式 速度RMSE/(m·s-1)
    东向 北向 天向 2D 3D
    直接法 0.68 0.70 1.03 0.98 1.42
    间接法 0.16 0.16 0.18 0.22 0.28
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    表  12  直接法和间接法的姿态RMSE

    Table  12.   Attitude RMSE of direct mode and indirect mode

    组合模式 姿态RMSE/rad
    横滚角 俯仰角 偏航角
    直接法 0.9085 0.3232 1.2498
    间接法 0.0067 0.0124 0.3835
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    表  13  直接法和间接法运行时间

    Table  13.   Runtime of direct mode and indirect mode

    组合模式 运行时间/s
    直接法 18.47
    间接法 33.22
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    表  14  各丢星部分最大位置误差

    Table  14.   Maximum position error in lost-star parts

    飞行阶段 丢星时间/s 间隔/s 最大位置误差/m
    直接法 间接法
    上升段 189~193.8 4.8 10.0 3.0
    平飞段 769.2~771.5 2.3 4.2 1.5
    下降段 822.2~824.8 2.6 6.1 1.7
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-11
  • 录用日期:  2020-01-12
  • 网络出版日期:  2020-11-20

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