КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 23-19-00626
НазваниеРазработка состоятельных алгоритмов оценивания, основанных на байесовском подходе и методах оптимизации на графах, в нелинейных задачах обработки навигационной информации
Руководитель Степанов Олег Андреевич, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург
Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-606 - Навигация, наведение и управление подвижными объектами
Ключевые слова навигация, наведение, гравиметрия, траекторное слежение, подвижные объекты, инерциально-спутниковые системы, интегрированные системы, обработка информации, управление, фильтрация, комплексирование
Код ГРНТИ28.15.23, 59.01.77
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность развития методов обработки избыточной измерительной информации при решении задач навигации и наведения обусловлена широким внедрением различных автономных подвижных объектов и появлением нового класса датчиков, привлекаемых при решении задач определения местоположения и ориентации в пространстве. Традиционной основой для построения алгоритмов обработки навигационной информации является байесовский подход, в рамках которого разрабатываются различного рода рекуррентные алгоритмы оценивания. При этом наибольшая сложность возникает при решении нелинейных задач. В области разработки таких алгоритмов проводятся активные исследования, порождающие различные алгоритмы калмановского типа и алгоритмы, основанные на последовательных методах Монте-Карло и их модификациях. Успешность построения нелинейных алгоритмов, как известно, существенно зависит от учета специфики решаемых задач. Расширение класса автономных объектов и появление дополнительных датчиков порождает необходимость решения специфичных задач нелинейного оценивания, что в свою очередь требует разработки соответствующих алгоритмов.
В проекте будут рассмотрены две группы задач нелинейного оценивания, необходимость которых возникает при обработке навигационной информации.
Первая из них связана с задачами оценивания марковских процессов, описываемых линейными формирующими фильтрами с использованием линейных измерений при наличии неопределенности моделей, определяющих свойства оцениваемых сигналов и погрешностей измерения. Нелинейность здесь возникает в силу необходимости наряду с решением задачи оценивания решать задачу идентификации моделей. К первой группе примыкают задачи начальной выставки и калибровки инерциальных навигационных систем (НС), задачи комплексирования в инерциально-спутниковых НС при наличии неопределенности в описании моделей, задачи, связанные с обработкой результатов морской гравиметрической съемки, направленной на определение вектора возмущений силы тяжести.
Вторая группа задач связана с оцениванием сигнала, включающего стационарный марковский процесс и постоянный вектор или винеровский процесс с использованием измерений, зависимость которых от сигнала существенно нелинейная. Ярким примером этой группы является задача коррекции показаний НС по данным о геофизических полях при длительном времени проведения обсервации, где требуется учесть низкочастотную изменчивость ошибок НС. Аналогичная специфика возникает в задаче коррекции по данным о точечных ориентирах и задачах траекторного слежения по данным измерения пеленгов. К этой же группе относится и задача одновременной навигации и картографирования – simultanious localisation and mapping – SLAM. Здесь эта задача будет рассматриваться с ориентацией на работу с геофизическими полями, как обобщение задачи навигации с их использованием, в которой, традиционно этапы картографирования и позиционирования, в отличие от SLAM, разнесены по времени.
Можно выделить три момента, отражающих научную новизну проводимых исследований. В рамках настоящего проекта, в отличие от традиционно рассматриваемых рекуррентных схем обработки, акцент при синтезе алгоритмов будет сделан на нерекуррентных схемах, применение которых, как показывают результаты предварительного исследования, могут оказаться более эффективными при решении ряда задач обработки навигационной информации. Кроме того, к построению алгоритмов предлагается привлечь методы оптимизации на графах – factor graph optimization (FGO), что открывает новые возможности к повышению эффективности именно нерекуррентых алгоритмов. И наконец, при проектировании алгоритмов оценивания значительное внимание будет уделено обеспечению их состоятельности. Это означает, что вырабатываемая в них характеристика текущей точности оценивания будет согласована с действительной точностью оценки алгоритма, что создает предпосылки эффективного решения задач комплексной обработки навигационной информации.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Богомолов В.В.
AUV positioning by the ranges to less than three acoustic beacons based on recursive Bayesian estimation
2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS), 2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS) (год публикации - 2023)
10.1109/ICOS60708.2023.10425637
2.
Степанов О.А., Исаев А.М.
A Procedure of Comparative Analysis of Recursive Nonlinear Filtering Algorithms in Navigation Data Processing Based on Predictive Simulation
Gyroscopy and Navigation, Vol. 14, No. 3, pp. 213–224 (год публикации - 2023)
10.1134/S2075108723030094
3.
Соколов А.В., Степанов О.А., Моторин А.В., Краснов А.А.
Comparison of Wiener and Kalman Filters in Processing the Results of Marine Gravimetric Survey
30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 1-7 (год публикации - 2023)
10.23919/ICINS51816.2023.10168435
4.
Степанов О.А., Васильев В.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М.
Map-Aided Navigation Taking into Account a Priori Information on the Object Trajectory
30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 1-6 (год публикации - 2023)
10.23919/ICINS51816.2023.10168423
5.
Караулов В.Г., Грузликов А.М., Золотаревич В.П.
Recursive Algorithm for AUV Positioning and Determining its Orientation
30th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (ICINS), 1-4 (год публикации - 2023)
10.23919/ICINS51816.2023.10168436
6. Драницына Е.В., Соколов А.И. Автокомпенсационное вращение как способ повышения точности бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Аналитический обзор Гироскопия и навигация, Том 31. №4 (123), 2023, с.22-43 (год публикации - 2023)
7.
Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М.
Comparative analysis of recursive Kalman type algorithms for polynomial filtering problems
2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS), 2023 International Conference on Ocean Studies (ICOS) (год публикации - 2023)
10.1109/ICOS60708.2023.10425075
8. Степанов О.А., Исаев А.М. Сравнительный анализ эффективности алгоритмов оценивания в задачах обработки навигационной информации на основе предсказательного моделирования материалы XVI всероссийской мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2023), XVI ВСЕРОССИЙСКАЯ МУЛЬТИКОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (МКПУ-2023), Волгоград, 11–15 сентября 2023 года, с. 219-222 (год публикации - 2023)
9. Степанов О.А., Золотаревич В.П. Анализ эффективности алгоритма слежения по измерениям пеленга цели с использованием методов фактор-граф оптимизации материалы XVI всероссийской мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2023), XVI ВСЕРОССИЙСКАЯ МУЛЬТИКОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (МКПУ-2023), Волгоград, 11–15 сентября 2023 года, с. 160-163 (год публикации - 2023)
10. Золотаревич В.П., Грузликов А.М. Траекторное сопровождение объекта с использованием сиамской нейронной сети глубоководного слежения материалы XVI всероссийской мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2023), XVI ВСЕРОССИЙСКАЯ МУЛЬТИКОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (МКПУ-2023) Волгоград, 11–15 сентября 2023 года, т.1, стр. 142-145 (год публикации - 2023)
11. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М. Приближенный анализ точности решения задачи навигации по геофизическим полям для инвариантной и неинвариантной схем обработки материалы Международного семинара «Навигация и управление движением», 71-75 (год публикации - 2023)
12. Степанов О.А., Исаев А.М., Васильев В.А. Субоптимальный алгоритм решения задачи коррекции навигационной системы при изменчивом характере ее погрешностей по данным о геофизических полях материалы Международного семинара «Навигация и управление движением», 90-95 (год публикации - 2023)
13. Караулов В.Г., Золотаревич В.П., Грузликов А.М. Оценка углов ориентации АНПА в задаче приведения к базовой станции материалы Международного семинара «Навигация и управление движением», 53-56 (год публикации - 2023)
14. Степанов О.А., Моторин А.В., Васильев В.А. Идентификация модели погрешностей навигационной системы счисления материалы Международного семинара «Навигация и управление движением», стр. 115-120 (год публикации - 2023)
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
По результатам исследований в 2024 году подготовлено 35 публикации, из них 7 Scopus, 4 RSCI, 4 «Белый список» и 31 РИНЦ. Коллектив, в том числе молодые участники, принял активное участие в 13 конференциях, связанных с тематикой проекта, включая Санкт-Петербургскую международную конференцию по интегрированным навигационным системам (МКИНС-2024), Всероссийское совещание по проблемам управления (ВСПУ), ХIХ Всероссийскую научно-практическую конференцию «Перспективные системы и задачи управления», XXXIV конференцию памяти Н.Н.Острякова, 2024 International Conference on Ocean Studies (ICOS 2024), 2024 10th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT2024), 9 International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2024), 16th International Conference «Intelligent Systems» (INTELS’24). В ходе проведения исследований получены следующие результаты:
1. Показано что алгоритмы, основанные на фактор-граф оптимизации при решении линейных задач оценивания марковских последовательностей и процессов не имеют преимуществ относительно алгоритмов байесовского сглаживания. Предложен байесовский рекуррентный итерационный сглаживающий пачечный линеаризованный фильтр, обеспечивающий более высокую точность по сравнению с обобщенным ФК и обладающий меньшим объемом вычислений по сравнению с нерекуррентным алгоритмом.
2. Для решения методического примера разработаны состоятельные рекуррентные квазилинейные алгоритмы оценивания калмановского типа и нерекуррентные итерационные алгоритмы калмановского типа, основанные на линеаризации. Для решения задачи навигации группы автономных необитаемых подводных аппаратов в случае наличия в погрешностях измерений аномальных выбросов разработаны робастные алгоритмы калмановского типа : обобщённый ФК с процедурой отбраковки измерений и коррэнтропийный обобщённый ФК.
3. Предложены рекуррентные и нерекуррентные байесовские алгоритмы оценивания для решения задач оценивания марковских процессов по линейным измерениям при наличии неопределенностей моделей, возникающих при решении задач начальной выставки и калибровки БИНС, а также решении задачи оценивания аномалии силы тяжести. Проведен сравнительный анализ рекуррентных и нерекуррентных алгоритмов идентификации моделей погрешностей инерциальных датчиков БИНС и анализ чувствительности результатов калибровки таких датчиков к неточности задания параметров моделей их погрешностей.
4. Предложен подход к построению состоятельных рекуррентных и нерекуррентных алгоритмов, основанный на выделении в составе оцениваемого процесса квазидетерминированной и случайной составляющих. Разработан алгоритм, способный при выполнении ряда допущений достигать точности оптимального оценивания, быть состоятельным и при этом экономичным в вычислительном соотношении.
5. Разработана модификация рекуррентного алгоритма, позволяющая решать задачу коррекции опорной навигационной системы ведущего АНПА по измерениям геофизических полей, поступающих от ведомого АНПА. Показана и обоснована эффективность применения рекуррентного итерационного сглаживающего пачечного линеаризованного фильтра для решения этой задачи при длительном характере обсервации.
6 Разработан состоятельный рекуррентный алгоритм коррекции навигационной системы АНПА по данным серии разномоментных измерений дальностей до гидроакустических маяков для работы в реальном времени при длительном характере обсервации. Проведена его отработка на модельных и натурных данных и сравнение с нерекуррентным алгоритмом. Показана эффективность предложенного итерационного сглаживающего пачечного линеаризованного фильтра для решения задачи коррекции навигационной системы ведомого АНПА по данным измерений до ведущих.
7. Предложены и сопоставлены рекуррентные стационарные и нестационарные байесовские алгоритмы оценивания вертикальной составляющей вектора силы тяжести на море с использованием как платформенного, так и бесплатформенного скалярного гравиметра. Показана чувствительность таких алгоритмов к неточности задания моделей и целесообразность применения адаптивных фильтров. Апробация алгоритмов проведена при помощи компьютерного моделирования, по данным стендовых и натурных испытаний.
8. Разработан состоятельный фильтр частиц, направленный на получение оптимальной в среднеквадратическом смысле оценки при решении задачи автономной начальной выставки БИНС. Проанализирована эффективность обобщённого ФК при её решении. Разработан алгоритм калибровки погрешностей инерциальных датчиков бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Проанализирована его чувствительность.
9 Проведен анализ возможности и исследована эффективности применения методов оптимизации на графах при синтезе алгоритмов федеративной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. Применительно к нерекуррентным схемам реализации алгоритмов оценивания, к которым относится метод оптимизации на графах, сформулирована задача оценивания методами федеративной фильтрации и приведены условия так называемой согласованной настройки частных фильтров. Доказано, что в отличие от традиционных рекуррентных алгоритмов, выполнение условий согласованной настройки обеспечивает совпадение оценки, полученной в нерекуррентном федеративным фильром с оптимальной оценкой.
10. Разработан алгоритм одновременной навигации и картографирования для шагающего четвероногого робота, показавший в результате апробации относительную ошибку позиционирования менее двух процентов. Показано, что использование фактор-графов в задаче одновременной навигации и картографирования может приводить к снижению вычислительной сложности алгоритмов при использовании информации о геофизических полях.
11. Разработан алгоритм оценивания, использующий методы оптимизации на графах для решения задачи относительной навигации и ориентации автономного необитаемого подводного аппарата по данным от гидроакустических маяков в интересах приведения к донной станции. Проведено сравнение трех алгоритмов оптимизации фактор-графа: dogleg, Левенберга-Марквардта и ISAM2. Реализованы и проанализированы рекуррентные и нерекуррентный алгоритмы оценивания координат и параметров движения объекта по измерениям пеленга в задаче траекторного слежения.
12. Разработан набор моделирующих программ, обеспечивающих отработку состоятельных рекуррентных и нерекуррентных алгоритмов оценивания при решении ряда задач, включая задачи траекторного слежения, визуально-инерциальной одометрии оценивания состояния асинхронного двигателя, начальной автономной выставки бесплатформенной инерциальной навигационной системы калибровки инерциальных датчиков в рамках фильтрации погрешностей БИНС, прямого и косвенного оценивания вертикальной составляющей вектора возмущений силы тяжести и методического примера.
Публикации
1.
Степанов О.А., Исаев А.М., Васильев В.А.
Suboptimal Algorithms for Markov Process Filtering Using Nonlinear Measurements
2024 10th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT), Vallette, Malta, 2024, pp. 1287-1292 (год публикации - 2024)
10.1109/CoDIT62066.2024.10708633
2.
Исаев А.М., Литвиненко Ю.А., Степанов О.А.
Recursive Estimation Algorithms for AUV Collaborative Navigation in Case of Abnormal Outliers in Measurements
9 International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2024),October 14-18, 2024, Mexico City, Mexico, ICR 2024, LNAI 14898, pp. 88–100, 2024 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-71360-6_7
3. Исаев А.М., Степанов О.А., Литвиненко Ю.А. Сравнение рекуррентных и нерекуррентных схем построения алгоритмов, основанных на линеаризации, при решении одного класса задач нелинейного оценивания XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва, с. 582-587, ВСПУ-2024 (год публикации - 2024)
4. Ведяков А.А., Ведякова А.О., Беспалов В.В. Сравнительный анализ наблюдателей состояния асинхронного двигателя XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва, с. 603-608, ВСПУ-2024 (год публикации - 2024)
5. Васильев В.А. Решение задачи групповой навигации с использованием цифровой карты рельефа дна и бортовых эхолотов Труды XXXIV конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н.Острякова, 1-3 октября 2024 г., г. Санкт-Петербург, с.212-217, 2024 г. (год публикации - 2024)
6. Драницына Е.В., Гонтарь Д.А. Анализ чувствительности навигационной калибровки бесплатформенных инерциальных навигационных систем к неточности знания параметров оцениваемых величин Труды XXXIV конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н.Острякова, 1-3 октября 2024 г., г. Санкт-Петербург, с.86-89, 2024 г. (год публикации - 2024)
7. Исаев А.М. Коррэнтропийный обобщённый фильтр Калмана при решении задачи навигации группы АНПА в случае наличия аномальных выбросов в измерениях Труды XXVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" (год публикации - 2024)
8. Караулов В.Г., Грузликов А.М. Оценка нижней границы Крамера-Рао для задачи позиционирования и определения углов ориентации АНПА относительно стационарной посадочной платформы Труды XXVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" (год публикации - 2024)
9. Исаев А.М., Кудрявцев Д.Р. Сравнительный анализ алгоритмов калмановского типа в задаче групповой навигации АНПА Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024], Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024] (год публикации - 2024)
10.
Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М.
Сравнительный анализ квазилинейных алгоритмов калмановского типа в задаче оценивания марковской последовательности при наличии нелинейностей в уравнениях динамики и измерений
МЕХАТРОНИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, УПРАВЛЕНИЕ, том 25, № 11, с. 585 - 595 (год публикации - 2024)
25.585-595
11.
Богомолов В.В., Кошаев Д.А.
Алгоритм длиннобазовой навигации автономного необитаемого подводного аппарата при отсутствии априорных данных о его местоположении и разреженном расположении маяков
Известия высших учебных заведений. Приборостроение, №12, 2024 г. (год публикации - 2024)
10.17586/0021-3454
12. Ведяков А.А., Чергинец Д.А. Design of Visual-Inertial Odometry Algorithm for a Four-Legged Walking Robotwith a Stereo Camera 31st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems , pp. 453-456, 2024, ICINS 2024 (год публикации - 2024)
13.
Исаев А.М.
Сравнительный анализ реккурентных алгоритмов оценивания при решении задачи навигации группы автономных необитаемых подводных аппаратов в случае наличия аномальных выбросов в измерениях
Известия высших учебных заведений. Приборостроение, №12, 2024 г. (год публикации - 2024)
10.17586/0021-3454
14. Литвиненко Ю.А., Исаев А.М., Мещеряков А.С. Алгоритм вычисления потенциальной точности решения задачи начальной выставки корабельной БИНС в условиях качки Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024], Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2024] (год публикации - 2024)
15.
Богомолов В.В.
Позиционирование автономного необитаемого подводного аппарата с одновременной обработкой текущих и сохраненных измерений дальностей от менее трех гидроакустических маяков
Подводные исследования и робототехника, 2024 г., №2 (48), стр.58-67 (год публикации - 2024)
10.37102/1992-4429_2024_48_02_07
16. Исаев А.М., Степанов О.А., Васильев В.В. Сопоставление субоптимальных алгоритмов фильтрации марковского процесса по измерениям нелинейного типа XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва, с. 627-631, ВСПУ-2024 (год публикации - 2024)
17. Драницына Е.В., Моторин А.В., Гонтарь Д.А. Сравнительный анализ методов идентификации параметров стохастических составляющих модели погрешностей инерциальных датчиков Труды XXVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" (год публикации - 2024)
18.
Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М.
Comparison of recursive and nonrecursive linearization-based algorithms for one class of nonlinear estimation problems
2024 10th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT), Vallette, Malta, 2024, pp. 2698-2703 (год публикации - 2024)
10.1109/CoDIT62066.2024.10708550
19. Исаев А.М., Литвиненко Ю.А. Анализ эффективности обобщённого фильтр Калмана при решении задачи автономной начальной выставки БИНС Труды XXVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" (год публикации - 2024)
20. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М. Итерационный сглаживающий пачечный линеаризованный фильтр в задаче навигации группы АНПА Труды конференции ХXXI Международной научно-технической конференции «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», с. 117-118, 2024 (год публикации - 2024)
21. Богомолов В.В., Кошаев Д.А. Решение задачи длинобазовой навигации автономного необитаемого подводного аппарата при отсутствии априорных данных о его местоположжении и недостаточном для одномоментного позиционирования числе доступных маяков Труды XXXIV конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н.Острякова, 1-3 октября 2024 г., г. Санкт-Петербург, с.121-127, 2024 г. (год публикации - 2024)
22. Исаев А.М., Степанов О.А. Рекуррентный итерационный сглаживающий пачечный линеаризованный фильтр в задаче коррекции показаний навигационной системы по информации о геофизических полях Труды XXXIV конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н.Острякова, 1-3 октября 2024 г., г. Санкт-Петербург, с.200-207, 2024 г. (год публикации - 2024)
23. Богомолов В.В. Определение координат автономного необитаемого подводного аппарата с одновременной обработкой гидроакустических дальномерных измерений в прямом и обратном времени и разрешением неоднозначности при использовании двух маяков Труды XXVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" (год публикации - 2024)
24. Караулов В.Г., Грузликов А.М. Фреймворк для алгоритмов траекторного сопровождения морских объектов по угломерной информации Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления", с.1-10, 2024 г., сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции "Перспективные системы и задачи управления" (год публикации - 2024)
25.
Караулов В.Г., Степанов О.А., Грузликов А.М., Литвиненко Ю.А.
Comparison of Algorithms for Estimating the AUVs Coordinates and Heading Angle in the Task of Approaching the Stationary Landing Platform
Communications in Computer and Information Science (CCIS) Springer, INTELS 2024. Communications in Computer and Information Science, vol 2604. Springer, Cham, pp 19–30 (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-032-04761-8_2
26. Степанов О.А., Исаев А.М., Моторин В.А., Золотаревич В.П., Литвиненко Ю.А. Recursive and Nonrecursive Algorithms Applied to Navigation Data Processing: Differencesand Interrelation with Factor Graph Optimization Algorithms 31st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems , pp. 424-431, 2024, ICINS 2024 (год публикации - 2024)
27. Литвиненко Ю.А., Степанов О.А. Особенности реализации методов федеративной фильтрации в нерекуррентных схемах обработки измерений Сборник материалов международного семинара "Навигация и управление", п. Цзянсу, Китай, декабрь 2024 г. (год публикации - 2024)
28. Степанов О.А., Моторин А.В., Краснов А.А., Соколов А.В. Сопоставление винеровскового и калмановского подходов при решении задачи обработки результатов морской гравиметрической съемки Гироскопия и навигация, Том 32. №1 (124), 2024, стр.15-40 (год публикации - 2024)
29.
Степанов О.А., Золотаревич В.П., Моторин А.В., Иванов М.С.
Recursive and Nonrecursive Passive Target Localization Algorithms with Bearing-Only Measurements
2024 International Conference on Ocean Studies (ICOS), 8 – 10 october 2024, Vladivostok, 2024 IEEE, стр. 014-017, 2024 International Conference on Ocean Studies (ICOS), 08-11 October 2024 (год публикации - 2024)
10.1109/ICOS63634.2024.10775434
30. Степанов О.А., Моторин А.В., Золотаревич В.П., Иванов М.С. Comparing Recursiveand Nonrecursive Bayesian Estimation Algorithmsin Trajectory Tracking Using Bearing-Only Measurements 31st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems , pp. 450-452, 2024, ICINS 2024 (год публикации - 2024)
31. Степанов О.А., Караулов В.В., Грузликов А.М., Литвиненко Ю.А. Solution of the Problem of AUV Positioning Relative to a Stationary Docking StationUsing a Factor Graph Optimization Algorithm 31st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems , pp. 457-460, 2024, ICINS 2024 (год публикации - 2024)
32. Драницына Е.В., Моторин А.В., Степанов О.А., Краснов А.А. Comparison of Gravity Anomaly Determination Methodsusinga Strapdown Scalar Gravimeter 31st Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems , pp. 242-245, 2024, ICINS 2024 (год публикации - 2024)
33. Караулов В.Г., Грузликов А.М. Использование неравенства Рао-Крамера при решении задачи относительной навигации подводного аппарата XIV ВСЕРОССИЙСКОЕ СОВЕЩАНИЕ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (ВСПУ-2024) : сборник научных трудов, 17-20 июня 2024 г., Москва, с. 1896-1901, ВСПУ-2024 (год публикации - 2024)
34. Караулов В.Г., Грузликов А.М., Кораблева М.Д. Решение задачи относительной навигации с использованием глубоких нейронных сетей Сборник материалов международного семинара "Навигация и управление", п. Цзянсу, Китай, декабрь 2024 г. (год публикации - 2024)
35. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М. Рекуррентный итерационный сглаживающий пачечный линеаризованный фильтр в задачах обработки навигационной информации Сборник материалов международного семинара "Навигация и управление", п. Цзянсу, Китай, декабрь 2024 г. (год публикации - 2024)
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
По результатам исследований в 2025 году подготовлено 30 публикаций, из них 13 Scopus, 7 RSCI, 6 «Белый список» и 21 РИНЦ. Коллектив, в том числе молодые участники, принял активное участие в 9 конференциях, связанных с тематикой проекта, включая Санкт-Петербургскую международную конференцию по интегрированным навигационным системам (МКИНС-2025), XVIII Всероссийскую мультиконференцию по проблемам управления (МКПУ-2025); 2025 International Conference on Ocean Studies (ICOS 2025, г. Владивосток); 2025 10th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT2025, Split, Croatia); 10 International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025, Вьетнам); XXX Байкальскую Всероссийскую конференцию с международным участием (Иркутск).
В ходе проведения исследований получены следующие перечисляемые результаты:
1. Выявлены причины выигрыша в точности, состоятельности и вычислительной загрузке алгоритмов, основанных на методах оптимизации на графах по сравнению с традиционными рекуррентными байесовскими алгоритмами калмановского типа. Предложены алгоритмы оценивания, основанные на комбинированном подходе, идея которого заключается в том, что задача формулируется в рамках байесовской постановки, а для построения субоптимального алгоритма привлекаются методы фактор-граф оптимизации (ФГО). Получены результаты сопоставления методов ФГО и байесовских алгоритмов оценивания при решении практических задач, связанных с обработкой навигационной информации.
2. Для решения задачи навигации группы автономных необитаемых аппаратов (АНПА) разработаны итерационные алгоритмы калмановского типа, основанные на линеаризации, проведено их сопоставление. Для решения нелинейной задачи оценивания местоположения мобильного робота, разработан адаптивный алгоритм, основанный на методах ФГО.
3. Предложены состоятельные рекуррентные и нерекуррентные алгоритмы, основанные на комбинированном использовании байесовского подхода и методов ФГО, для решения задач оценивания марковских процессов с использованием линейных измерений при наличии неопределенности моделей, определяющих свойства сигналов и погрешностей измерения. Предложен метод на основе ФГО, позволяющий оценивать состояние системы при неизвестных ковариациях шумов и комбинированный метод на основе алгоритмов ФГО и байесовского подхода на основе банка фильтров Калмана. Эффективность комбинированного метода продемонстрирована на примере задачи определения местоположения и ориентации мобильного робота.
4. Разработаны состоятельные рекуррентные и нерекуррентные алгоритмы, основанные на комбинированном использовании байесовского подхода и методов ФГО, для решения задачи оценивания сигналов, представленных в виде суммы винеровского и стационарного марковского процессов, с использованием измерений с существенной нелинейностью, в том числе при наличии неопределенностей моделей, определяющих свойства сигналов и погрешностей измерений. Проанализированы возможности сокращения объема вычислений при реализации алгоритмов, в которых применяется нерекуррентная обработка измерений, и алгоритмов, предполагающих комбинированное применение рекуррентных и нерекуррентных схем обработки.
5. Разработан алгоритм решения задачи навигации по геофизическим полям, направленный на вычисление оптимальной в среднеквадратическом смысле оценки. Разработан нерекуррентный (пачечный) алгоритм решения задачи навигации по геофизическим полям на основе рекуррентного итерационного сглаживающего пачечного линеаризованного фильтра. Разработан простой в вычислительном отношении алгоритм решения задачи навигации по геофизическим полям, основанный на многократной линеаризации и комбинированном использовании рекуррентной и нерекуррентной схем обработки измерений.
6 Разработан состоятельный алгоритм коррекции навигационной системы АНПА по измерениям дальностей до маяков с использованием комбинированного подхода, при этом для оптимизационной задачи применяется алгоритм ISAM2. Проведена его отработка на модельных данных и сравнении с рекуррентным и нерекуррентным алгоритмом калмановского типа и итерационным сглаживающим пачечным линеаризованным фильтром.
7. Разработан нерекуррентный байесовский алгоритм оценивания вектора возмущения силы тяжести (ВВСТ) при реализации которого используются методы ФГО, что уменьшает его вычислительную сложность. Показано, что отличие такого алгоритма от субоптимального рекуррентного алгоритма, основанного на линейной аппроксимации горизонтальных компонент ВВСТ, заключается лишь в использовании другой модели ВВСТ, которая также требует уточнения неопределенностей её параметров, как и стохастическая модель ВВСТ в байесовском алгоритме. Показана взаимосвязь рекуррентных и нерекуррентных алгоритмов оценивания ВВСТ, а также их взаимосвязь с методами ФГО.
8. Разработаны состоятельные рекуррентные и нерекуррентные алгоритмы фильтрации, основанные на комбинированном использовании байесовского подхода и методов ФГО, для решения задач калибровки навигационных систем в условиях неопределённости моделей сигналов и погрешностей измерений. Проведено исследование эффективности применения алгебры Ли для построения алгоритмов коррекции навигационной системы.
9 Разработаны алгоритмы, основанные на комбинированном использовании байесовского подхода и методах ФГО, для решения задачи одновременной навигации и картографирования (SLAM), при использовании информации о геофизических полях. Показано, что задача SLAM обладает специфическими особенностями, заключающимися в наличии в векторе состояния постоянного вектора большой размерности, представляющего карту, который состоит из большого числа независимых подвекторов, и малого числа измерений этих подвекторов. Отмечено, что перечисленные особенности позволяют говорить о эффективности комбинированного использования байесовского подхода и ФГО.
10. Разработаны состоятельные рекуррентные и нерекуррентные алгоритмы оценивания, основанные на комбинированном использовании байесовского подхода и методов ФГО, для решения задачи траекторного слежения при использовании информации только о пеленге. На основании комбинированного подхода, разработаны алгоритмы, решающий задачу оценивания координат и параметров движения при сопровождении источника шумоизлучения пассивными средствами наблюдения. Показана состоятельность разработанных алгоритмов.
11. Разработан набор моделирующих программ, обеспечивающих отработку состоятельных рекуррентных и нерекуррентных алгоритмов оценивания при решении ряда задач, включая задачи траекторного слежения, визуально-инерциальной одометрии, калибровки инерциальных датчиков, прямого и косвенного оценивания ВВСТ, и задач федеративной фильтрациипри рекуррентной и нерекурентной схеме обработки измерений.
Публикации
1.
О.А. Степанов, Ю.А. Литвиненко, А.М. Исаев
Comparative analysis of recursive and nonrecursivelinearization-based estimation algorithms.
Springer International Publishing AG, International Journal of Dynamics and Control, Volume 13, article number 95, (2025) (год публикации - 2025)
10.1007/s40435-025-01592-y
2. О.А. Степанов, Ю.А. Литвиненко Comparison of recursive and nonrecursive measurement processing schemes in the federated filtering problem. 11th International Conference on Control, Decision and Information Technologies (CoDIT2025), Split, Croatia, 11th International Conference on Control, Decision and Information Technologies 2025, 15-18.07.25 (год публикации - 2025)
3. Степанов О.А., Моторин А.В., Золотаревич В.П. Bayesian Estimation Algorithms for Solution of SLAM Problem. Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Collection of the plenary and poster papers of the 32nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (3–4 June 2025), стр. 9-13 (год публикации - 2025)
4. О.А. Степанов, Ю.А Литвиненко Federated Filtering Methods for Non-Recursive Navigation Data Processing. Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Collection of the plenary and poster papers of the 32nd Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (3–4 June 2025), стр. 9-13 (год публикации - 2025)
5. Моторин А.В., Драницына Е.В., Воробьев Р.Г. Адаптивная настройка фильтра Калмана при решении задачи ориентации. Труды XXVII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", стр.29-32 , Навигация и управление движением. Труды XXVII конференции молодых ученых, стр.29-32 (год публикации - 2025)
6. Исаев А.М. Анализ характера апостериорной плотности при реализации пачечного алгоритма с многократной линеаризацией. Труды XXVII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", Навигация и управление движением. Труды XXVII конференции молодых ученых, стр. 13-16 (год публикации - 2024)
7. Исаев А.М. Алгоритм с многократной линеаризацией для решения одного класса задач нелинейного оценивания. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2025], Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2025] (год публикации - 2025)
8. Степанов О.А., Васильев В.А., Исаев А.М., Торопов А.Б. Методы Монте-Карло при решении задач оценивания и идентификации в робототехнических системах. Издательство ТулГУ, Материалы XVIII Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Том 1 Робототехника и мехатроника, Материалы XVIII Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Том 1 Робототехника и мехатроника, с.262-265 (год публикации - 2025)
9. Богомолов В.В., Караулов В.Г. Анализ алгоритма коррекции навигационной системы подводного аппарата на основе метода длинной базы. Информационные и математические технологии в науке и управлении: тезисы XXX Байкальской Всероссийской конференции с международным участием. Сборник, Иркутск: ИСЭМ СО РАН, Информационные и математические технологии в науке и управлении: тезисы XXX Байкальской Всероссийской конференции с международным участием. Сборник, Иркутск: ИСЭМ СО РАН, стр. 9-11 (год публикации - 2025)
10. Степанов О.А., Моторин А.В., Исаев А.М. Взаимосвязь и отличия байесовских алгоритмов оценивания и методов оптимизации на фактор-графах. Сборник докладов Молодежной школы-семинара «Навигация и управление движением» (Navigation And Motion Control, NMC 2025), Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Сборник докладов Молодежной школы-семинара «Навигация и управление движением» (Navigation And Motion Control, NMC 2025), с. 83-88. (год публикации - 2025)
11. Караулов В.Г., Грузликов А.М. Coordinate and Motion Parameter Estimation for an AUV Based on Passive Sensor Data. журнал "Подводные исследования и робототехника", 2025 International Conference on Ocean Studies (ICOS), 08-10.10.2025, Владивосток (год публикации - 2025)
12. Степанов О.А., Исаев А.М. Recursive Batch Smoother with Multiple Linearization for Single-Beacon Navigation Problem 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), г. Ханой, Вьетнам, 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25 (год публикации - 2025)
13. Моторин А.В., Чергинец Д.А., Ведяков А.А. Comparison of methods for covariance estimation for factor graph optimization of the Bayesian estimation problem 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25, 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25 (год публикации - 2025)
14. Степанов О.А., Исаев А.М., Васильев. В.А., Торопов А.Б. Методы Монте-Карло в задачах обработки измерительной информации с использованием процедур перевыборки Известия РАН. Теория и системы управления., Известия РАН. Теория и системы управления. №1-2026 (год публикации - 2026)
15. Богомолов В.В., Кошаев Д.А. Длиннобазовое подводное позиционирование с комплексированием измерений, полученных до и после начала решения, и устранением неоднозначности. Часть 1. Математическое описание. Гироскопия и навигация, Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Гироскопия и навигация. Том 33. №1 (128), 2025, стр. 125-145 (год публикации - 2025)
16. Богомолов В.В., Кошаев Д.А. Длиннобазовое подводное позиционирование с комплексированием измерений, полученных до и после начала решения, и устранением неоднозначности. Часть 2. Оценка эффективности. Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Том 33. №2 (129), 2025, стр. 91-102 (год публикации - 2025)
17. Ведяков А.А., Исаев А.М., Чергинец Д. А. Исследование оптимизации на факторных графах с оцениванием матрицы ковариации измерительных и порождающих шумов. Труды XXVII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", Навигация и управление движением. Труды XXVII конференции молодых ученых, стр.71-73 (год публикации - 2025)
18. Литвиненко Ю.А., Исаев А.М., Полухина Д.А. Анализ чувствительности фильтра Калмана к неопределенности модели погрешности гироскопов при решении задачи калибровки навигационной системы. Труды XXVII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", Навигация и управление движением. Труды XXVII конференции молодых ученых, стр.39-42 (год публикации - 2025)
19. Степанов О.А., Васильев В.А., Исаев А.М. Решение задачи коррекции показаний навигационной системы при комплексном использовании данных о геофизических полях. Издательство ТулГУ, Материалы XVIII Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Том 1 Робототехника и мехатроника, Материалы XVIII Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Том 1 Робототехника и мехатроника, с. 265-268 (год публикации - 2025)
20. Степанов О.А., Исаев А.М. Нерекуррентный алгоритм с многократной линеаризацией при решении задачи одномаяковой навигации автономного необитаемого подводного аппарата. Сборник докладов Молодежной школы-семинара «Навигация и управление движением» (Navigation And Motion Control, NMC 2025), Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Сборник докладов Молодежной школы-семинара «Навигация и управление движением» (Navigation And Motion Control, NMC 2025), с. 83-88. (год публикации - 2025)
21. Караулов В.Г., Грузликов А.М. Решение задачи относительной навигации в дальнем и ближнем поле. Сборник докладов Молодежной школы-семинара «Навигация и управление движением» (Navigation And Motion Control, NMC 2025), Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Сборник докладов Молодежной школы-семинара «Навигация и управление движением» (Navigation And Motion Control, NMC 2025), с. 94-98. (год публикации - 2025)
22. Исаев А.М. Сравнительный анализ процедур перевыборки при реализации последовательных методов Монте-Карло. Управление большими системами [Электронный ресурс] : материалы XXI Всероссийской школы-конференции молодых ученых : в 2-х т. – Тамбов : Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2025, Материалы XXI Всероссийской школы-конференции молодых ученых «Управление большими системами» (УБС-2025), том 2, г. Тамбов 08–11.09.2025 г., с.88-95 (год публикации - 2025)
23. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А. Research of Nonrecursive Federated Filtering Algorithms Under Non-White Noise Measurement Errors 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25, 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25 (год публикации - 2025)
24. Грузликов А.М., Караулов В.Г. Estimation of Coordinates and Motion Parameters of an Accompanied Vessel Based on Factor-Graph Optimization 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25, 10th International Conference on Interactive Collaborative Robotics (ICR 2025), Вьетнам, Ханой 10-13.11.25 (год публикации - 2025)
25. Богомолов В.В., Караулов В.Г. Сравнение рекуррентных и нерекуррентных байесовских алгоритмов оценивания с алгоритмами оптимизации на фактор-графах в задаче навигации по точечным ориентирам Гироскопия и навигация, Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Гироскопия и навигация (год публикации - 2026)
26. Степанов О.А., Исаев А.М., Драницына Е.В., Литвиненнко Ю.А. Recursive Batch Smoother with Multiple Linearization for One Class of Nonlinear Estimation Problems: Application for Multisensor Navigation Data Fusion журнал Sensors-3968784, издательство MDPI (Basel, Switzerland), Mdpi, Sensors, 2025 (год публикации - 2025)
27. Степанов О.А., Исаев А.М., Васильев В.А. Обобщенный метод частичного аналитического интегрирования по части переменных в задачах обработки навигационной информации Гироскопия и навигация, Государственный научный центр Российской Федерации AO «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» (год публикации - 2026)
28. Богомолов В.В., Караулов В.Г. Анализ алгоритмов навигации подводного аппарата в неблагоприятных условиях при разных уровнях априорной неопределённости его местоположения. Труды XXVII конференции молодых ученых "Навигация и управление движением", Навигация и управление движением. Труды XXVII конференции молодых ученых, стр. 9-12 (год публикации - 2025)
29. Литвиненко Ю.А., Исаев А.М., Полухина Д.А. Анализ чувствительности фильтра калмановского типа к неопределенности модели погрешности гироскопов при калибровке корабельной навигационной системы. Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2025], Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. – СПб: Университет ИТМО, [2025] (год публикации - 2025)
30. Степанов О.А., Литвиненко Ю.А., Исаев А.М., Золотаревич В.П, Нин Тан Сравнительный анализ обобщенного фильтра Калмана и инвариантного фильтра, основанного на использовании групп Ли. Издательство ТулГУ, Материалы XVIII Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Том 3 Управление аэрокосмическими системами им.академика Е.А. Микрина, Материалы XVIII Всероссийской мультиконференции по проблемам управления. Том 3 Управление аэрокосмическими системами им.академика Е.А. Микрина, с. 62-65 (год публикации - 2025)