多传感器信息融合技术在INS／GPS组合导航系统中的应用

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1、第29卷第4期渤海大学学报(自然科学版)V01．29N0．42OO8年l2月JournalofBohaiUniversity(NaturalScienceEtion)Ic．2OO8多传感器信息融合技术在INS／GPS组合导航系统中的应用石忠。，霍星(1．滨州职业学院，山东滨州2566OO；2．渤海大学信息科学与工程学院，辽宁锦，fI121OO0#3．中国民航大学，天津300300)摘要：针对INS／GPS组合导航系统在数据处理时存在的计算量大和故障数据相互干扰的问题，提出了一种基于信息融合的导航参数最优估

2、计滤波方法。文中首先介绍了信息融合的基本原理、关键技术以及常用方法，然后以INS／GPS组合为例，对组合导航系统的工作原理和模型建立进行了分析．最后对基于联合卡尔曼滤波的多传感器信息融合算法进行了论述与分析．该方法可提高导航系统的计算精度和速度．有较好的容错性和环境适应性，可有效地提高导航系统的精度和可靠性，为融合导航系统的数据分析和处理提供了一个有效途径。具有实际使用价值。关键词：INS／GPS组合导航；信息融合；联合卡尔曼滤波中图分类号：TP72文献标识码：A文章编号：1673一O569(2oo8)O

3、4一O4O3一O50引言自本世纪7O年代．随着现代数学、现代控制理论和计算机技术的不断进步．组合导航技术也得到了迅速发展．取得了令人瞩目的成就。然而多传感器组合导航系统在数据处理问题上却存在较为严重的问题，例如：在导航信息大量冗余的情况下，计算时检测出并隔离掉时，故障数据会污染整个系统，使可靠性降低。本文针对组合导航系统量测信息量多．数据处理困难这一特定问题．讨论了多传感器信息融合的基本原理和方法，将信息融合这一理论性概念，与组合导航系统的结构设计联系起来．从而建立一种系统化的思想，并对目前最有发展前途的

4、INS／GPS组合导航系统进行了分析，最后对基于联合卡尔曼滤波的多传感器信息融合算法进行了论述与分析。1信息融合技术1．1基本原理随着传感器技术获得了迅猛发展，各种面向复杂应用背景的多传感器信息系统也随之大量涌现。在这些系统中，信息的表现形式是多种多样的，信息容量以及对处理速度的要求已大大超出人脑的信息综合处理能力．信息融合这一崭新的数据处理技术便应运而生。迄今为止。信息融合技术的研究已涉及到很多领域．理论上已形成了一个全新的研究方向。多传感器信息融合的基本原理和出发点就是充分利用多个传感器的资源．通过对

5、这些传感器及其观测信息的合理支配和使用．把多个传感器在空间和时间上的冗余或互补信息．依据某种准则进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述．使该系统由此获得收稿日期：2OO8O9—3O．作者简介：石忠(1962一)．男．教授，博士，从事自动化研究4O4渤海大学学报(自然科学版)第29卷比它的各组成部分更优异的性能和更可靠的决策。可以证明：应用最优理论融合来自多个传感器的信息总能得到比单个传感器信息更好的对象状态估计。但并不是说所有的有多个信息源或者多个传感器的系统都可以称得上是信息融合系统，关键是看系统如

6、何处理这些信息。信息之间可能是相互补充、相互确认、也可能是相互矛盾或竞争的，也就是说，信息对象之间有一种关系。基于这种想法．可以将信息融合技术与某一种系统结构的设计联系起来，从而建立一种系统化的概念。对于组合导航系统而言．多源传感器如惯性导航系统的陀螺仪和加速度计、GPS接收机等是信息融合导航系统的硬件基础，它们获得的原始量测数据是融合的对象．将其按照一定的结构方式进行融合处理，则具有最优估计的融合算法就是整个系统的核心。这样就形成了基于信息融合的组合导航系统。信息融合技术的采用能够扩展系统在时间、空间上

7、的覆盖率．增加系统的信息利用率并提高整个系统的精度和可靠性。1．2信息融合技术的组成结构多传感器信息融合技术是近几年发展起来的一门实践应用技术，是针对一个系统使用多种传感器这一特定问题而展开的一种关于数据处理的研究，它利用多个传感器获得的多种信息，得出对环境或对象特征的全面、正确认识，克服了单一传感器给系统带来的误报风险大、可靠性和容错性低的缺陷，为人类探索未知的环境提供了一种技术解决途径。概括地说，多传感器信息融合技术就是指通过一定的算法“合并”来自多个信息源的信息，以产生比单个传感器所得到数据更可靠、

8、更准确的信息，并根据这些信息做出最可靠的决策。信息融合技术的采用能够扩展整个系统的时间、空间覆盖率，增加系统的信息利用率并提高整个系统的可靠性和精度。信息融合系统的关键技术有两部分：1)信息的转换；2)信息的融合就组合导航系统而言，各子系统所量测的信息在种类和形式上都有所不同．可能有距离、速度，也可能有角度、加速度等。融合系统首先对这些数据进行预处理以完成数据配准，即通过坐标变换和单位换算，把各传感器输入的数据变换成统一的表达