基于四元數(shù)的高階CKF飛行器姿態(tài)確定算法研究.pdf

1、非線性濾波是飛行器姿態(tài)估計(jì)中關(guān)鍵的技術(shù)，非線性濾波的性能直接決定了姿態(tài)估計(jì)的性能。目前，四元數(shù)無(wú)跡卡爾曼濾波器(Quaternion Unscented Kalman Filter, QUKF)因具有實(shí)施簡(jiǎn)單、濾波精度適中、收斂性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為一種有效的姿態(tài)估計(jì)方法。但是，QUKF因存在負(fù)的權(quán)值使得它具有差的數(shù)值精度和數(shù)值穩(wěn)定性，這大大地降低了它的姿態(tài)估計(jì)精度和工程實(shí)用價(jià)值。為了解決這些問(wèn)題，本文做出了如下的工作：
　　為了改

2、善QUKF的數(shù)值性能，本文首先基于三階球徑容積準(zhǔn)則提出了一種四元數(shù)容積卡爾曼濾波器（Quaternion Cubature Kalman Filter，QCKF）。與現(xiàn)有的QUKF相比，它所有的權(quán)值都是正數(shù)，從而它具有更好的數(shù)值精度和數(shù)值穩(wěn)定性，大大地提高了姿態(tài)估計(jì)精度。此外，因QCKF比QUKF使用了更少的sigma點(diǎn)，使得其比現(xiàn)有的QUKF具有更低計(jì)算負(fù)擔(dān)。
　　為了進(jìn)一步提高QCKF的估計(jì)精度，本文基于高階球徑容積準(zhǔn)則提出了

3、一種四元數(shù)高階容積卡爾曼濾波器(Quaternion High-degree Cubature Kalman Filter，QHCKF)。與QCKF相比，QHCKF比QCKF能捕捉到非線性系統(tǒng)函數(shù)和量測(cè)函數(shù)更高階的泰勒展開(kāi)項(xiàng)，因此QHCKF比QCKF具有更高的估計(jì)精度。
　　為了解決噪聲在非線性傳播時(shí)QCKF和QHCKF精度下降問(wèn)題，本文提出了四元數(shù)擴(kuò)展CKF(Quaternion Augmented CKF, QACKF)和四元

4、數(shù)擴(kuò)展HCKF(Quaternion Augmented HCKF, QAHCKF)。與QCKF和QHCKF相比，雖然QACKF和QAHCKF在一定程度上提高了姿態(tài)估計(jì)精度，但是它的計(jì)算復(fù)雜度遠(yuǎn)高于QCKF和QHCKF。為了降低QACKF和QAHCKF的計(jì)算負(fù)擔(dān)，本文提出了四元數(shù)狀態(tài)切換CKF(Quaternion State Switching CKF, QSSCKF)和四元數(shù)狀態(tài)切換HCKF(Quaternion State Swi

5、tching HCKF, QSSHCKF)。與先前的QACKF和QAHCKF相比，QSSCKF和QSSHCKF具有與其相當(dāng)?shù)墓烙?jì)精度，但是具有更低的計(jì)算負(fù)擔(dān)。
　　本文采用陀螺/CCD組合姿態(tài)估計(jì)平臺(tái)。驗(yàn)證本文提出方法的優(yōu)越性。仿真結(jié)果顯示，本文提出的QCKF和QHCKF比現(xiàn)有的QUKF具有更高的姿態(tài)估計(jì)精度，并且QHCKF比 QCKF具有更高的估計(jì)精度。此外本文提出的QACKF和QSSCKF優(yōu)于QCKF，QAHCKF和QSSHC