论文摘要：机载POS系统误差状态可观测度分析及滤波方法研究

高分辨率航空遥感系统以有人或无人飞行器为观测平台，利用遥感载荷连续地获取地球表面与表层的大范围、高精度、多层次空间信息，目前已广泛应用于重大自然灾害监测、资源调查与环境监测、无人侦查与海岛礁测绘等领域。受阵风、湍流等影响，飞行平台偏离理想匀速直线运动轨迹容易导致成像质量退化，严重时甚至无法成像，因此，需要对飞行平台运动误差进行测量和补偿。机载高精度位置姿态测量系统（POS）是高分辨率航空遥感系统实时运动补偿的一种关键技术，它由机载高精度惯性测量单元(IMU)，POS系统实时导航计算机(PCS)以及实时及离线滤波软件组成，其中GPS接收机集成于POS系统实时导航计算机内部。它充分利用捷联惯性导航系统(SINS)在短时间内能够输出连续、高精度的位置、速度、姿态信息和GPS系统输出的不随时间发散的位置信息和速度信息的优势，不仅可以获取长时间内连续稳定，不随时间发散的高精度位置、速度、姿态信息，而且短时间内运动测量精度更高，更稳定，为航空遥感载荷进行实时及事后运动误差补偿提供高精度的运动信息参考基准。

本文主要针对POS系统中的随机误差以及遥感应用带来的误差，为提高机载高精度POS系统运动参数测量精度，开展了机载高精度POS系统状态可观测度分析，机载高精度POS系统实时自适应滤波方法研究，机载高精度POS系统实时组合方案及POS系统离线滤波方法研究，并完成了机载高精度POS系统实时嵌入式软件研制。主要创新性研究内容如下：

1、机载POS实时应用中，当惯性器件随机常值误差可观测度低时将其进行反馈校正容易引起POS解算精度的下降甚至滤波器的发散。由于传统的方法计算量大导致无法实时动态地获取到误差状态的可观测度，本文提出一种解耦可观测度矩阵奇异值分解(SVD)方法来获取惯性器件误差状态的时变可观测度，并依据其可观测度大小控制其反馈校正的比例，实现基于其可观测度的自适应反馈控制。最后利用飞机拐弯处的飞行数据进行了半物理仿真验证，结果表明对惯性器件随机常值误差进行实时自适应的可观测度反馈校正提高了POS系统参数测量精度。

2、由于在实际飞行环境中温度变化范围大、振动剧烈、飞机大机动等均会引起机载高精度POS系统的系统噪声、量测噪声异常，常规Kalman滤波器(KF)无法响应噪声异常现象而导致的滤波精度下降，严重时甚至会使滤波器崩溃。针对传统的自适应滤波算法无法有效区分噪声异常来源的问题，本文提出一种QR分类自适应滤波方法，该方法依据滤波新息正交性原则判断具有噪声异常现象，依据滤波周期内的捷联解算位置增量和GPS位置增量变化来判断是系统噪声异常还是量测噪声异常。并分别给出了在量测噪声异常和系统噪声异常时的自适应滤波方法。对车载和飞行试验中量测噪声异常情况的处理表明，自适应滤波可以显著提高在噪声异常状态下的滤波精度。

3、机载高精度POS系统要求比传统的SINS/GPS组合导航系统具有更高的长期稳定精度及短期平稳性。针对传统实时组合导航系统的校正方案没有考虑状态可观测度及噪声异常情况，为满足航空遥感系统实时运动补偿需求，对传统的SINS/GPS组合导航系统进行了改进。在传统组合模型基础上增加了基于可观测度的反馈校正，消除了传统组合模型不分利用估计信息优劣的弊端。在此基础上，通过引入QR分类自适应滤波降低了实际飞行环境引起的噪声异常变化带来的解算精度降低问题。同时，针对机载航空应用中各传感器位置不重合引起的多级杆臂误差，在基于可观测度反馈校正及QR分类自适应滤波的基础上，进行了多级杆臂补偿，同时根据载荷任务需求，进行了双捷联解算，提升了机载POS系统实时应用的相对输出精度。

4、机载高精度POS系统离线滤波方法能够充分利用飞行全程的量测信息，使得每一时刻的误差状态估计均具有最高的可观测度，从而获得最高的组合估计精度。针对传统离线滤波的RTS平滑没有考虑到GPS流动站与基站间距超过标称精度作用距离时引起的GPS精度下降问题做了改进，并以杆臂估计误差对改进RTS算法进行了验证。针对RTS平滑方法仅能消除滤波时刻的估计误差而对于滤波区间内的误差未做修正的问题，本文提出了在滤波区间进行双向捷联解算，在每前1/2滤波区间内采用前向捷联算法，在每后1/2滤波区间内进行反向捷联解算，能将每个滤波区间内的位置误差降低75%，具有重要的工程应用价值。

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