文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174938
中文引用格式: 梁龍凱,張麗英,,何文超,,等. 概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多模型卡爾曼濾波定位導(dǎo)航算法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2018,44(6):60-62,,67.
英文引用格式: Liang Longkai,,Zhang Liying,He Wenchao,,et al. Probabilistic neural network multi-model Kalman filter navigation algorithm[J]. Application of Electronic Technique,,2018,44(6):60-62,,67.
0 引言
擴(kuò)展卡爾曼濾波(Extend Kalman Filter,EKF)需要一個(gè)準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)模型,,如果運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不確定,,則擴(kuò)展卡爾曼濾波的估計(jì)偏差將會(huì)很大甚至估計(jì)失敗。針對(duì)這種模型不確定的情況,,BLOM H和BAR-SHALOM Y于1988年提出了交互式多模型(Interacting Multiple Model,,IMM)的次優(yōu)算法[1]。因此采用交互式多模型擴(kuò)展卡爾曼濾波(Interacting Multiple Model- Extend Kalman Filter,,IMM-EKF)算法可實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模型不確定的非線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)載體的衛(wèi)星定位,。
然而IMM-EKF在計(jì)算過(guò)程中需要計(jì)算模型集中所有模型的卡爾曼濾波結(jié)果,運(yùn)算量隨模型集規(guī)模增加[2],,即使在運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)符合模型集中的某一模型的情況下,,依然要進(jìn)行其他模型的計(jì)算,,且得到次優(yōu)的估計(jì)結(jié)果[3],。
針對(duì)上述不足,,本文引入概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PNN)算法,通過(guò)離線訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分類(lèi),,若運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與模型集中某模型類(lèi)型匹配,,則采用單一模型進(jìn)行EKF得到最優(yōu)估計(jì);若運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與模型集中任何模型分類(lèi)都不匹配,,則采用IMM-EKF定位,。
1 擴(kuò)展卡爾曼濾波(EKF)
離散非線性系統(tǒng)的狀態(tài)空間描述為[4]:
2 GPS/BDS系統(tǒng)濾波模型的建立
選取GPS/BDS系統(tǒng)的狀態(tài)變量為[5]:
式中Wk-1為k-1時(shí)刻的系統(tǒng)過(guò)程噪聲,是零均值的高斯白噪聲[6],。式中Φ的具體表達(dá)形式取決于運(yùn)動(dòng)模型的形式[7],,運(yùn)動(dòng)模型可參考文獻(xiàn)[5]和[7]中提到的模型。
3 交互式多模型卡爾曼濾波
4 引入反饋的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP-PNN)
概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由SPECHT D F于1990年提出的,,用于解決模式分類(lèi)及決策問(wèn)題[8],。李永立等人在此基礎(chǔ)上提出了引入反向傳播機(jī)制的概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9],使概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的空間開(kāi)銷(xiāo)減小,,分類(lèi)精度提高,。BP-PNN結(jié)構(gòu)如圖1所示,算法如下,。
5 仿真
運(yùn)動(dòng)軌跡分4個(gè)階段,,分別采用不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),各運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可遵循不同的狀態(tài)模型,,具體運(yùn)動(dòng)軌跡如表1所示,。
5.1 實(shí)驗(yàn)1:概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線學(xué)習(xí)、訓(xùn)練
在表1的數(shù)據(jù)中分別提取第一階段“勻速轉(zhuǎn)彎”前3 s的數(shù)據(jù)和第三階段“勻加速直線”前3 s的數(shù)據(jù),,將第一階段數(shù)據(jù)目標(biāo)歸類(lèi)定義為1,;將第三階段數(shù)據(jù)目標(biāo)歸類(lèi)定義為2;其他兩個(gè)階段各提取前3 s數(shù)據(jù),,目標(biāo)歸類(lèi)定義為3,。利用各階段前3 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí),再利用各階段4~6 s數(shù)據(jù)進(jìn)行概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練,。采用任意軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試,,仿真結(jié)果顯示如表2所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明經(jīng)過(guò)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線訓(xùn)練,,可以比較精確地對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi),,尤其是勻加速直線運(yùn)動(dòng)的分類(lèi)準(zhǔn)確率最高。
5.2 實(shí)驗(yàn)2:PNN-EKF的準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)
仿真結(jié)果如圖2所示,。
從仿真結(jié)果可以看出PNN-EKF的定位精度要高于IMM-EKF,,但在x軸方向起始階段由于概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)狀態(tài)判斷不準(zhǔn)確造成一定程度的偏差,后續(xù)階段及y軸整體精度都優(yōu)于IMM-EKF。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文提出一種利用概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)判斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而采用對(duì)應(yīng)模型進(jìn)行EKF的GPS/BDS導(dǎo)航定位算法,。該算法當(dāng)概率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠判斷其對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)模型時(shí),,采用單一模型進(jìn)行最優(yōu)解計(jì)算,如不能判斷準(zhǔn)確模型則歸類(lèi)為“其他”,,“其他”類(lèi)的數(shù)據(jù)采用IMM-EKF算法,。這樣就可以在多數(shù)情況下求得最優(yōu)解,從而提高精度,。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明相較于IMM-EKF,,本文算法定位精度有所提高,從理論推導(dǎo)中可以判斷本文算法當(dāng)模型集較大時(shí)運(yùn)算時(shí)間會(huì)有所減少,。
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作者信息:
梁龍凱1,2,,張麗英1,,何文超1,2,,呂緒浩1,,2
(1.東北師范大學(xué) 人文學(xué)院 理工學(xué)院 汽車(chē)電子與服務(wù)工程系,吉林 長(zhǎng)春130117,;
2.吉林省高校汽車(chē)電子技術(shù)工程研究中心,,吉林 長(zhǎng)春130117)