بهبود دقت و پایداری فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری با استفاده از الگوریتم ژنتیک در سامانه های ناوبری تلفیقی INS/GNSS

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

چکیده

با پیشرفت سریع فناوری وسایل نقلیه خودران و متصل (CAV)، دقت موقعیت‏یابی به یکی از الزامات حیاتی سامانه‌های ناوبری تبدیل شده است. سامانه‌های موقعیت‌یابی مانند سامانه ناوبری ماهواره‌ای جهانی و سامانه ناوبری اینرسی در محیط‌های شهری با چالش‌هایی مانند مسدود شدن سیگنال‌های سامانه ناوبری ماهواره‌ای جهانی و تجمع خطای زمانی در سامانه ناوبری اینرسی مواجه هستند. فیلتر کالمن استاندارد و روش‌های تطبیقی مانند فیلتر کالمن تطبیقی و فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری قادر به کاهش تأثیر داده‌های ناهنجار و جلوگیری از واگرایی فیلتر در شرایط اختلال سیگنال سامانه ناوبری جهانی نیستند. این مقاله یک روش بهبودیافته به نام فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری بهینه‌شده با الگوریتم ژنتیک پیشنهاد می‌دهد که شامل دو مرحله است: (۱) استفاده از فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری برای به‌روزرسانی تطبیقی ماتریس کوواریانس نویز اندازه‌گیری به‌صورت برخط و تشخیص داده‌های ناهنجار با آزمون کای‌دو ؛ (۲) بهینه‌سازی دقیق‌تر ماتریس کوواریانس نویز اندازه‌گیری با الگوریتم ژنتیک. این روش قادر است تأثیر داده‌های ناهنجار را کاهش دهد و پایداری فیلتر را در برابر تغییرات نویز محیطی افزایش دهد. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که روش فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری بهینه‌شده با الگوریتم ژنتیک نسبت به فیلتر کالمن استاندارد، فیلتر کالمن تطبیقی و فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری عملکرد بهتری در کاهش خطای موقعیت‌یابی و حفظ پایداری فیلتر در شرایط چالش‌برانگیز محیط‌های شهری ارائه می‌دهد. این بهبود نشان‌دهنده توانایی فیلتر کالمن تطبیقی مبتنی بر نوآوری بهینه‌شده با الگوریتم ژنتیک در افزایش دقت موقعیت‌یابی و حفظ پایداری فیلتر در سامانه‌های ناوبری تلفیقی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Improving the Accuracy and Stability of the Innovation-Based Adaptive Kalman Filter Using Genetic Algorithm in Integrated INS/GNSS Navigation Systems

نویسندگان [English]

  • mahmoud salehi mazrae akhound
  • Seyed Ali Zahiripour
  • alireza faraji
University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده [English]

With the rapid advancement of autonomous and connected vehicle technology, positioning accuracy has become a critical requirement in navigation systems. Positioning systems such as Global Navigation Satellite System and Inertial Navigation System face challenges in urban environments, including Global Navigation Satellite System signal blockage and the accumulation of temporal errors in Inertial Navigation System. Standard Kalman Filter and adaptive methods like the Adaptive Kalman Filter and Innovation-Based Adaptive Kalman Filter are unable to effectively reduce the impact of outlier data and prevent filter divergence under Global Positioning System signal disturbances. This paper proposes an improved method called the Innovation-Based Adaptive Kalman Filter optimized with a Genetic Algorithm, which consists of two stages: (1) using Improved Adaptive Kalman Filter to adaptively update the measurement noise covariance matrix online and detect outlier data through the Chi-squared test; (2) further optimizing the measurement noise covariance matrix using a Genetic Algorithm. This approach reduces the impact of outlier data and enhances filter stability against environmental noise variations. Simulation results demonstrate that the Improved Innovation Adaptive Kalman Filter with Genetic Algorithm method outperforms Kalman Filter, Adaptive Kalman Filter, and Improved Adaptive Kalman Filter in reducing positioning errors and maintaining filter stability in challenging urban environments. These improvements indicate the capability of Improved Innovation Adaptive Kalman Filter with Genetic Algorithm to enhance positioning accuracy and preserve filter stability in integrated navigation systems.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Improved Adaptive Kalman Filter (IAKF)
  • Genetic Algorithm (GA)
  • Integrated Navigation System (INS/GNSS)
  • Optimization
  • connected and autonomous vehicles