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主管单位 中华人民共和国
工业和信息化部
主办单位 哈尔滨工业大学 主编 李隆球 国际刊号ISSN 0367-6234 国内刊号CN 23-1235/T

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引用本文:黄蔚.量测不确定的四元数约束CKF姿态估计[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(4):116.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.201509022
HUANG Wei.Quaternion constrained cubature Kalman filter attitude estimation based on uncertain measurements[J].Journal of Harbin Institute of Technology,2017,49(4):116.DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.201509022
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量测不确定的四元数约束CKF姿态估计
黄蔚
(中国舰船研究设计中心,武汉430064)
摘要:
针对姿态估计系统在量测不确定和四元数约束下存在发散及估计精度差的缺陷,提出了一种基于不确定量测的四元数约束容积卡尔曼滤波算法 (quaternion constrained cubature Kalman filter based on uncertain measurements, UCCKF).该算法克服了约束容积卡尔曼滤波算法的局限性,采用独立的伯努利随机变量来描述量测的不确定性,利用三阶球面-相径容积规则近似计算非线性函数的后验均值和协方差.并针对四元数规范化问题,采用两步投影理论来解决四元数约束限制.仿真结果表明,相比较于约束容积卡尔曼滤波 (constrained cubature Kalman filter, CCKF) 和无迹混合滤波 (unscented mixture filter, UMF),提出的UCCKF算法在量测不确定情况下具有更好的收敛性和更高的估计精度,说明该算法对量测不确定下的非线性姿态估计系统是有效、可行的.
关键词:  姿态估计  四元数约束  不确定量测  容积卡尔曼滤波  两步投影理论
DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.201509022
分类号:U666.12
文献标识码:A
基金项目:国家自然科学基金(61573113)
Quaternion constrained cubature Kalman filter attitude estimation based on uncertain measurements
HUANG Wei
(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)
Abstract:
In terms of the uncertainty measurement and the constraint on the attitude quaternion, this paper proposes a quaternion constrained cubature Kalman filter based on uncertain measurements (UCCKF) for the spacecraft attitude estimation system. The proposed filter algorithm overcomes the limitation of the quaternion-constrained cubature Kalman filter. An independent Bernoulli random process is introduced to describe the measurement uncertainty, and the three degree spherical radial cubature rule is adopted to computer the posterior mean and covariance of the system state. To deal with quaternion normalization problem, the two-step projection theory is applied to solve the quaternion constraint. Simulation results show that, compared with constrained cubature Kalman filter and unscented mixture filter, the proposed UCCKF can help to implement the better convergence and higher estimation accuracy in the case of measurement uncertainty. This illustrates that the proposed algorithm is effective and feasible for the nonlinear attitude estimation system.
Key words:  attitude estimation  quaternion constraint  uncertainty measurement  cubature Kalman filter  two-step projection theory

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