SIGMA点非线性滤波器及应用研究
发布时间：2020-07-09 20:39
【摘要】：本文主要研究了Sigma点非线性卡尔曼滤波算法(SPKF)并设计炮位侦查仿真系统。首先,对UKF、CDKF、CKF这几种典型的SPKF进行分析,介绍了各算法中Sigma点的采样规则及详细算法流程。在此基础上提出了一种基于噪声补偿的迭代平方根CKF算法(NISRCKF),在继承SRCKF快速和鲁棒等优点的基础上,结合Gauss-Newton迭代理论和噪声补偿方法,设计了一种对SRCKF的量测更新过程进行迭代更新的新算法,充分利用了最新的量测信息,通过选取合适的噪声补偿因子进一步提高滤波效果,在再入弹道目标状态估计仿真实验中体现了相对其他SPKF的优势,且滤波精度随迭代次数的增加有所提高。其次,针对非线性滤波算法的运算效率问题,提出了一种比例最小偏度单形平方根UCKF(SSRUCKF)算法。在预测阶段,SSRUCKF将最小偏度单形采样策略引入SRUKF中的UT变换中,用较少的采样点进行非线性传递;在量测更新阶段,其利用Spherical-Radial Cubature规则选取Sigma点并传递误差协方差的平方根。相比其他SPKF,SSRUCKF预测过程的采样点更少,在保持良好滤波精度的同时能较大地提高运算效率,适用于实时性要求较高的非线性系统。最后,分析火炮在飞行过程中的动力学模型,以此为基础设计炮位侦察仿真系统软件,验证了非线性滤波算法的实用性能,相关实验表明该系统具有一定可用性。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713
【图文】：
图 3.2 六种滤波算法的位置均方根误差曲线 图 3.3 六种滤波算法的速度均方根误差曲线为精确分析不同滤波算法的精度，比较各个滤波算法的平均累加均方根误差（averageaccumulated mean square root error，AAMSRE）。定义目标位置的 AAMSRE 如下：( ) 2 ( ) 2 ( ) 21 11 1AAMSRE ( ) ( ) ( )N Mi i ip k k ki Ksqrt x y zN M (3.42)式中， N 为 Monte-Carlo 仿真次数；M 为跟踪滤波的数据点数；目标的速度和距离、方位角、俯仰角的 AAMSRE 均可由此类似推出。对各个算法的滤波精度进行了定量分析，统计 100 次仿真实验中目标位置和速度的AAMSRE，结果如表 3.1 所示。从统计结果可见，NISRCKF 算法的滤波精度相对于 UKF，CDKF，CKF 这三种 SPKF 有 24.65%~50.44%的提高，相对于 SRCKF，ISRCKF 分别有 7.82%和 3.1%的提高。表 3.1 6 种滤波算法的平均累加均方根误差
图 3.2 六种滤波算法的位置均方根误差曲线 图 3.3 六种滤波算法的速度均方根误差曲线为精确分析不同滤波算法的精度，比较各个滤波算法的平均累加均方根误差（averageaccumulated mean square root error，AAMSRE）。定义目标位置的 AAMSRE 如下：( ) 2 ( ) 2 ( ) 21 11 1AAMSRE ( ) ( ) ( )N Mi i ip k k ki Ksqrt x y zN M (3.42)式中， N 为 Monte-Carlo 仿真次数；M 为跟踪滤波的数据点数；目标的速度和距离、方位角、俯仰角的 AAMSRE 均可由此类似推出。对各个算法的滤波精度进行了定量分析，统计 100 次仿真实验中目标位置和速度的AAMSRE，结果如表 3.1 所示。从统计结果可见，NISRCKF 算法的滤波精度相对于 UKF，CDKF，CKF 这三种 SPKF 有 24.65%~50.44%的提高，相对于 SRCKF，ISRCKF 分别有 7.82%和 3.1%的提高。表 3.1 6 种滤波算法的平均累加均方根误差
图 3.4 NISRCKF 不同迭代次数的位置均方根误差曲线图 3.5 NISRCKF 不同迭代次数的速度均方根误差曲线对 NISRCKF 不同迭代次数时的滤波精度进行了定量分析，统计 100 次仿真实验中目标位置和速度的 AAMSRE，结果如表 3.2 所示。从统计结果可见，NISRCKF 算法的迭代次数为 2 次和 3 次时，其滤波精度比迭代一次有 9.04%和 12.91%的提高。在实际应用中，当迭代次数增加到一定次数后，继续迭代对滤波精度提高不明显，所以应根据实际情况设置合适的迭代次数。表 3.2 NISRCKF 算法不同迭代次数下的平均累加均方根误差滤波算法 位置 AAMSRE（m） 速度 AAMSRE（m/s） =1 41.15 31.12 =2 37.43 25.26 =3 35.84 24.12运算效率是评价滤波性能的重要指标之一，为了对比迭代次数对 NISRCKF 运算效率的影响，对 100 次 Monte-Carlo 仿真实验的平均运算时间消耗进行统计，结果如表 3.3 所示：
本文编号：2747951
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN713
【图文】：
图 3.2 六种滤波算法的位置均方根误差曲线 图 3.3 六种滤波算法的速度均方根误差曲线为精确分析不同滤波算法的精度，比较各个滤波算法的平均累加均方根误差（averageaccumulated mean square root error，AAMSRE）。定义目标位置的 AAMSRE 如下：( ) 2 ( ) 2 ( ) 21 11 1AAMSRE ( ) ( ) ( )N Mi i ip k k ki Ksqrt x y zN M (3.42)式中， N 为 Monte-Carlo 仿真次数；M 为跟踪滤波的数据点数；目标的速度和距离、方位角、俯仰角的 AAMSRE 均可由此类似推出。对各个算法的滤波精度进行了定量分析，统计 100 次仿真实验中目标位置和速度的AAMSRE，结果如表 3.1 所示。从统计结果可见，NISRCKF 算法的滤波精度相对于 UKF，CDKF，CKF 这三种 SPKF 有 24.65%~50.44%的提高，相对于 SRCKF，ISRCKF 分别有 7.82%和 3.1%的提高。表 3.1 6 种滤波算法的平均累加均方根误差
图 3.2 六种滤波算法的位置均方根误差曲线 图 3.3 六种滤波算法的速度均方根误差曲线为精确分析不同滤波算法的精度，比较各个滤波算法的平均累加均方根误差（averageaccumulated mean square root error，AAMSRE）。定义目标位置的 AAMSRE 如下：( ) 2 ( ) 2 ( ) 21 11 1AAMSRE ( ) ( ) ( )N Mi i ip k k ki Ksqrt x y zN M (3.42)式中， N 为 Monte-Carlo 仿真次数；M 为跟踪滤波的数据点数；目标的速度和距离、方位角、俯仰角的 AAMSRE 均可由此类似推出。对各个算法的滤波精度进行了定量分析，统计 100 次仿真实验中目标位置和速度的AAMSRE，结果如表 3.1 所示。从统计结果可见，NISRCKF 算法的滤波精度相对于 UKF，CDKF，CKF 这三种 SPKF 有 24.65%~50.44%的提高，相对于 SRCKF，ISRCKF 分别有 7.82%和 3.1%的提高。表 3.1 6 种滤波算法的平均累加均方根误差
图 3.4 NISRCKF 不同迭代次数的位置均方根误差曲线图 3.5 NISRCKF 不同迭代次数的速度均方根误差曲线对 NISRCKF 不同迭代次数时的滤波精度进行了定量分析，统计 100 次仿真实验中目标位置和速度的 AAMSRE，结果如表 3.2 所示。从统计结果可见，NISRCKF 算法的迭代次数为 2 次和 3 次时，其滤波精度比迭代一次有 9.04%和 12.91%的提高。在实际应用中，当迭代次数增加到一定次数后，继续迭代对滤波精度提高不明显，所以应根据实际情况设置合适的迭代次数。表 3.2 NISRCKF 算法不同迭代次数下的平均累加均方根误差滤波算法 位置 AAMSRE（m） 速度 AAMSRE（m/s） =1 41.15 31.12 =2 37.43 25.26 =3 35.84 24.12运算效率是评价滤波性能的重要指标之一，为了对比迭代次数对 NISRCKF 运算效率的影响，对 100 次 Monte-Carlo 仿真实验的平均运算时间消耗进行统计，结果如表 3.3 所示：
【参考文献】
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本文编号：2747951
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