留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

联合神经网络和对角加载的GNSS中断定位算法

卢丹 高鹏桦

卢丹, 高鹏桦. 联合神经网络和对角加载的GNSS中断定位算法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(1): 82-88. doi: 10.12265/j.gnss.2023176
引用本文: 卢丹, 高鹏桦. 联合神经网络和对角加载的GNSS中断定位算法[J]. 全球定位系统, 2024, 49(1): 82-88. doi: 10.12265/j.gnss.2023176
LU Dan, GAO Penghua. Joint neural network and diagonal loading-based GNSS outage positioning algorithm[J]. GNSS World of China, 2024, 49(1): 82-88. doi: 10.12265/j.gnss.2023176
Citation: LU Dan, GAO Penghua. Joint neural network and diagonal loading-based GNSS outage positioning algorithm[J]. GNSS World of China, 2024, 49(1): 82-88. doi: 10.12265/j.gnss.2023176

联合神经网络和对角加载的GNSS中断定位算法

doi: 10.12265/j.gnss.2023176
基金项目: 国家自然科学基金项目(U2133204);国家重点研发计划(2020YFB0505603)
详细信息
    作者简介:

    卢丹:(1978—),女,博士,副教授、研究生导师,研究方向为阵列信号处理、卫星导航、无线电通信等领域. E-mail: dlu@cauc.edu.cn

    高鹏桦:(1999—),男,硕士研究生,研究方向为卫星导航技术、组合导航系统. E-mail: gaoph2009@163.com

    通信作者:

    高鹏桦 E-mail: gaoph2009@163.com

  • 中图分类号: TN967.2;P228.4

Joint neural network and diagonal loading-based GNSS outage positioning algorithm

  • 摘要: GNSS/INS组合导航系统可以为移动载体提供长时间、高精度的导航信息,然而当载体处于恶劣环境中,无法获得滤波量测向量,导致导航定位结果迅速发散. 为应对这一问题,越来越多的学者利用人工神经网络辅助组合导航系统直接进行信息融合. 但惯性导航系统(inertial navigation system,INS)本身特性使得上一时间训练好的网络模型存在误差,中断时刻INS误差仍不断累积,因此提出了一种GNSS中断时的智能定位算法. 该算法利用反向传播(back propagation,BP)神经网络训练得到滤波量测向量,再通过对角加载重构量测噪声协方差矩阵,对卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)进行更新. 所提方法减弱了神经网络训练误差对组合导航算法的影响,从而可以在GNSS信号长时间中断情况下,导航系统仍拥有较为可靠的导航性能.

     

  • 图  1  传统神经网络辅助组合导航原理框图

    图  2  神经网络辅助组合导航训练模式框图

    图  3  神经网络辅助组合导航预测模式框图

    图  4  飞行轨迹图

    图  5  网络预测的量测值与参考值对比

    图  6  不同预测方法下导航定位误差对比

    图  7  不同中断时间下各种辅助方法的定位误差对比

    表  1  INS误差参数

    参数
    陀螺仪零偏 0.015°/h
    陀螺仪随机游走 0.01°/$\sqrt {\mathrm{h}} $
    加速度计常值零偏 100 μg
    加速度计随机游走 10 μg/$\sqrt {\mathrm{Hz}} $
    下载: 导出CSV

    表  2  BP神经网络参数设置

    参数
    隐层神经元个数 13
    训练函数 trainlm
    训练次数 2 000
    学习效率 0.001
    训练目标最小误差 1×10−8
    训练最小梯度 1×10−7
    下载: 导出CSV

    表  3  不同辅助方法下位置误差统计特性 m

    采用的方法 位置误差的均值 位置误差均方根值
    东向 北向 天向 东向 北向 天向
    传统组合
    导航
    41.77 82.34 85.25 48.34 96.11 100.23
    BP网络
    代替KF
    7.43 31.81 38.41 10.23 39.38 47.09
    BP-KF 8.31 11.86 18.06 8.32 11.86 24.52
    BP-RCMKF 2.75 6.33 2.46 3.33 7.43 7.89
    下载: 导出CSV
  • [1] 秦永元. 惯性导航[M]. 北京: 科学出版社, 2006.
    [2] LEICK A, PAPOPORT L, TATARNIKOV D. GNSS Positioning Approaches [M]. USA: John Wiley & Sons, Inc, 2015.
    [3] BATUWANGALA E, RAMASAMY S, BOGODA L, et al. An interoperability assessment model for CNS/ATM systems[C]//The 38th Australasian Transport Research Forum, Melbourne, Australia, 2016: 01627442.
    [4] ISMAIL M, ABDELKAWY E. A hybrid error modeling for MEMS IMU in integrated GPS/INS navigation system[J]. The journal of Global Positioning Systems, 2018, 16(1): 6. DOI: 10.1186/s41445-018-0016-5
    [5] ABDEL KAREEM JARADAT M, ABDEL-HAFEZ M F. Non-linear autoregressive delay-dependent INS/GPS navigation system using neural networks[J]. IEEE sensors journal, 2017, 17(4): 1105-1115. DOI: 10.1109/JSEN.2016.2642040
    [6] AL BITAR N, GAVRILOV A. A new method for compensating the errors of integrated navigation systems using artificial neural networks[J]. Measurement, 2021, 168(1): 108391.
    [7] 关翔中, 蔡晨晓, 翟文华, 等. 基于神经网络补偿的室内无人机组合导航系统[J]. 航空学报, 2020, 41(S1): 723790.
    [8] 王超, 周军, 黄浩乾, 等. BP神经网络辅助的SINS/GPS组合导航姿态误差补偿方法研究[J]. 电子器件, 2021, 44(4): 987-993.
    [9] 方伟, 江金光, 谢东鹏. 基于MLP神经网络改进组合导航算法[J]. 计算机工程与设计, 2021, 42(1): 65-69.
    [10] CHEN L, FANG J C. A hybrid prediction method for bridging GPS outages in high-precision POS application[J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement, 2014, 63(6): 1656-1665. DOI: 10.1109/TIM.2013.2292277
    [11] 白相文, 杨建华, 杨志强. 神经网络辅助的组合导航算法研究[J]. 导航定位学报, 2020, 8(1): 93-98. DOI: 10.3969/j.issn.2095-4999.2020.01.017
    [12] ABDOLKARIMI E S, ABAEI G, MOSAVI M R. A wavelet-extreme learning machine for low-cost INS/GPS navigation system in high-speed applications[J]. GPS solutions, 2018, 22(1): 1-13. DOI: 10.1007/s10291-017-0682-x
    [13] YUE S, CONG L, QIN H L, et al. A robust fusion methodology for MEMS-based land vehicle navigation in GNSS-challenged environments[J]. IEEE access, 2020, 8: 44087-44099. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2977474
    [14] 徐博, 李盛新, 王连钊, 等. 一种基于自适应神经模糊推理系统的多AUV协同定位方法[J]. 中国惯性技术学报, 2019, 27(4): 440-447.
    [15] DAI H F, BIAN H W, WANG R Y, et al. An INS/GNSS integrated navigation in GNSS denied environment using recurrent neural network[J]. Defence technology, 2020, 16(2): 334-340. DOI: 10.1016/j.dt.2019.08.011
    [16] WU F, LUO H Y, JIA Hongwei, et al. Predicting the noise covariance with a multitask learning model for Kalman filter-based GNSS/INS integrated navigation[J]. IEEE transactions on instrumentation and measurement, 2021, 70(1): 1-13.
    [17] WANG G Q, HAN Y, CHEN J, et al. A GNSS/INS integrated navigation algorithm based on Kalman filter[J]. IFAC-PapersOnLine, 2018, 51(17): 232-237. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.151
  • 加载中
图(7) / 表(3)
计量
  • 文章访问数:  197
  • HTML全文浏览量:  53
  • PDF下载量:  17
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2023-09-08
  • 录用日期:  2024-01-02
  • 网络出版日期:  2024-02-06

目录

    /

    返回文章
    返回