Резидуальний нейронний фільтр Калмана для підвищення завадостійкості навігації БпЛА
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2026-1(97)-382-396Ключові слова:
фільтр Калмана, резидуальний нейронний фільтр Калмана, завадостійка навігація, злиття даних датчиків, інерціальний вимірювальний модуль, глобальна навігаційна супутникова система, магнітометр, оптична камера, радіоелектронна боротьба, безпілотний літальний апаратАнотація
Розв’язано задачу підвищення завадостійкості навігації безпілотних літальних апаратів в умовах радіоелектронної боротьби, деградації вимірювальних каналів і негаусівських збурень. Запропоновано резидуальний нейронний фільтр Калмана, у якому нейромережевий модуль формує резидуальну корекцію оцінки стану та інтерпретований вектор довіри до сенсорних каналів для адаптивного налаштування матриці коваріації шуму вимірювань. Імітаційне дослідження виконано на спрощеному тривимірному кінематичному стенді з інерціальним вимірювальним модулем, супутниковим навігаційним каналом, магнітометром та оптичною камерою для сценаріїв номінального польоту, інтенсивних маневрів, деградації супутникового каналу та комбінованого погіршення кількох сенсорів. Встановлено, що повний резидуальний нейронний фільтр Калмана забезпечує найбільший виграш у деградованих сценаріях: середня середньоквадратична похибка координат зменшилася з 39,20 до 9,71 м, а середня кількість зривів фільтрації зменшилася з 322,33 до 9,00 порівняно з базовим розширеним фільтром Калмана. У номінальному режимі найменшу похибку координат показала схема лише з резидуальною корекцією стану, що свідчить про доцільність застосування адаптивного механізму довіри насамперед у складних завадових умовах. Практичне значення одержаних результатів полягає у формуванні відтворюваної експериментальної бази та кількісному підтвердженні ефективності інтерпретованого перерозподілу довіри між сенсорними каналами.
Посилання
Zimchuk, I.V., Shapar, T.M., Kovba, M.V. and Miroshnichenko, S.I. (2024), «Syntez alhorytmiv kompleksovanoi filtratsii vymiriuvan dlia system suputnykovoi navihatsii bezpilotnykh litalnykh aparativ», Tekhnichna inzheneriia, No. 1 (93), рр. 262–271, doi: 10.26642/ten-2024-1(93)-262-271.
Zimchuk, I.V. and Shapar, T.M. (2025), «Parametrychnyi syntez alhorytmiv filtratsii dlia inertsialnykh navihatsiinykh system bezpilotnykh litalnykh aparativ», Problemy stvorennia, vyprobuvannia, zastosuvannia ta ekspluatatsii skladnykh informatsiinykh system, Issue 28 (I), рр. 37–50, doi: 10.46972/2076-1546.2025.28.04.
Zimchuk, I.V., Shapar, T.M. and Kovba, M.V. (2024), «Alhorytm filtratsii vymiriuvan akselerometrychnykh datchykiv u bezplatformenykh inertsialnykh systemakh navihatsii bezpilotnykh litalnykh aparativ», Problemy stvorennia, vyprobuvannia, zastosuvannia ta ekspluatatsii skladnykh informatsiinykh system, Issue 27 (I), рр. 44–55, doi: 10.46972/2076-1546.2024.27.04.
Kovbasiuk, S.V., Osadchuk, R.M., Romanchuk, M.P. and Naumchak, L.M. (2022), «Alhorytm formuvannia naboru apriornykh danykh neironnoi merezhi dlia obrobky tsyfrovykh aeroznimkiv», Problemy stvorennia, vyprobuvannia, zastosuvannia ta ekspluatatsii skladnykh informatsiinykh system, Issue 23, рр. 77–88, doi: 10.46972/2076-1546.2022.23.06.
Kovbasiuk, S.V. and Ukrainets, M.O. (2025), «Analiz vymoh do navihatsiinoho zabezpechennia bezpilotnoho aviatsiinoho kompleksu pid chas vykonannia zavdan u nespryiatlyvykh umovakh», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (96), рр. 90–94, doi: 10.26642/ten-2025-2(96)-90-94.
Kravchuk, A.R., Tkachuk, A.H., Dobrzhanskyi, O.O. et al. (2025), «Analiz metodiv avtonomnoi navihatsii BPLA v umovakh vidsutnosti GPS-syhnalu», Tekhnichna inzheneriia, No. 1 (95), рр. 235–242, doi: 10.26642/ten-2025-1(95)-235-242.
Artamonov, Ye.B., Zhultynska, A.K., Zaloznyi, T.I. et al. (2024), «Vykorystannia filtra Kalmana dlia intehratsii danykh GPS ta IMU v zashumlenomu seredovyshchi», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (94), рр. 69–80, doi: 10.26642/ten-2024-2(94)-69-80.
Hula, V.S. and Hryha, V.M. (2024), «Analiz suchasnoho stanu sensoriv dlia inertsialnoi navihatsii bezpilotnykh litalnykh aparativ», Tekhnolohii ta inzhynirynh, No. 4 (21), рр. 29–47, doi: 10.30857/2786-5371.2024.4.3.
Muzychenko, A. and Dunanets, R. (2024), «Vybir ta realizatsiia metodiv navihatsii dlia bezpilotnykh litalnykh aparativ na suchasnykh kompiuternykh komponentakh», Computer Systems and Networks, Vol. 6, No. 2, рр. 158–170, doi: 10.23939/csn2024.02.158.
Turianytsia, M. and Chetverikov, B. (2025), «Zastosuvannia filtra Kalmana dlia utochnennia danykh HNSS-znimannia z urakhuvanniam spufinhu», Suchasni dosiahnennia heodezychnoi nauky ta vyrobnytstva, No. 1 (49), рр. 61–70, [Online], available at: https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/118523
Sporyshev, K., Bordunova, K. and Bilan, I. (2025), «Shliakhy pidvyshchennia stiikosti upravlinnia bezpilotnym litalnym aparatom u zavadovii obstanovtsi», Zbirnyk naukovykh prats Natsionalnoi akademii Natsionalnoi hvardii Ukrainy, Issue 1 (45), рр. 124–130, doi: 10.33405/2409-7470/2025/1/45/339292.
Zhuang, Y., Sun, X., Li, Y. et al. (2023), «Multi-Sensor Integrated Navigation/Positioning Systems Using Data Fusion: From Analytics-Based to Learning-Based Approaches», Information Fusion, Vol. 95, рр. 62–90, doi: 10.1016/j.inffus.2023.01.025.
Yin, Y., Zhang, J., Guo, M. et al. (2023), «Sensor Fusion of GNSS and IMU Data for Robust Localization via Smoothed Error State Kalman Filter», Sensors, Vol. 23, No. 7, doi: 10.3390/s23073676.
Sun, J., Tao, L., Niu, Z. and Zhu, B. (2020), «An Improved Adaptive Unscented Kalman Filter With Application in the Deeply Integrated BDS/INS Navigation System», IEEE Access, Vol. 8, рр. 95321–95332, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2995746.
Wang, G. and Ma, H. (2020), «An INS/GNSS Integrated Navigation in GNSS Denied Environment Using Recurrent Neural Network», Defence Technology, Vol. 16, No. 2, рр. 334–340, doi: 10.1016/j.dt.2019.04.007.
Takayama, Y., Urakubo, T. and Tamaki, H. (2021), «Novel Process Noise Model for GNSS Kalman Filter Based on Sensitivity Analysis of Covariance with Poor Satellite Geometry», Sensors, Vol. 21, No. 18, doi: 10.3390/s21186056.
Campos, C., Elvira, R., Rodriguez, J.J.G. et al. (2021), «ORB-SLAM3: An Accurate Open-Source Library for Visual, Visual-Inertial, and Multimap SLAM», IEEE Transactions on Robotics, Vol. 37, No. 6, рр. 1874–1890, doi: 10.1109/TRO.2021.3075644.
Khan, J., Zaman, U., Lee, E. et al. (2024), «Optimizing Prediction Accuracy in Dynamic Systems Through Neural Network Integration with Kalman and Alpha-Beta Filters», PLOS ONE, Vol. 19, No. 10, doi: 10.1371/journal.pone.0311734.
Pang, Z., Hu, Y., Wang, H. et al. (2024), «Application of IMU/GPS Integrated Navigation System Based on Adaptive Unscented Kalman Filter Algorithm in 3D Positioning of Forest Rescue Personnel», Sensors, Vol. 24, No. 13, doi: 10.3390/s24134411.
Xu, Z., Rong, Z. and Wu, Y. (2021), «A Survey: Which features are Required for Dynamic Visual Simultaneous Localization and Mapping?», Visual Computing for Industry, Biomedicine, and Art, Vol. 4, doi: 10.1186/s42492-021-00086-w.
Neyestani, M.H., Daneshmand, L., Deligiannis, F. and De Vleeschouwer, L. (2024), «From Pixels to Precision: A Survey of Monocular Visual Odometry in Digital Twin Applications», Sensors, Vol. 24, No. 4, doi: 10.3390/s24041274.
Zhao, H., Hong, X., He, S. et al. (2025), «Tightly Coupled Fusion of UWB, VIO, and Altitude Sensors for Indoor UAV Localization in Complex Environments», Sensors, Vol. 25, No. 24, doi: 10.3390/s25247673.
Romanko V.A. and Sribnyi, O.M. (2025), «Intehratsiia neironnoho filtra Kalmana v systemu navedennia vysokodynamichnykh aparativ», Problemy stvorennia, vyprobuvannia, zastosuvannia ta ekspluatatsii skladnykh informatsiinykh system, Issue 29, рр. 125–139, doi: 10.46972/2076-1546.2025.29.09.
Romanko, V.A., Pat. Sposib adaptyvnoho navedennia vysokodynamichnoho aparata z vykorystanniam rezydualnoho neironnoho filtra Kalmana, zaiavka na vynakhid Ukrainy, No. a202506585, Perebuvaie na kvalifikatsiinii ekspertyzi.
Список використаної літератури:
Синтез алгоритмів комплексованої фільтрації вимірювань для систем супутникової навігації безпілотних літальних апаратів / І.В. Зімчук, Т.М. Шапар, М.В. Ковба, С.І. Мірошніченко // Технічна інженерія. – 2024. – № 1 (93). – С. 262–271. DOI: 10.26642/ten-2024-1(93)-262-271.
Зімчук І.В. Параметричний синтез алгоритмів фільтрації для інерціальних навігаційних систем безпілотних літальних апаратів / І.В. Зімчук, Т.М. Шапар // Проблеми створення, випробування, застосування та експлуатації складних інформаційних систем. – 2025. – Вип. 28 (I). – С. 37–50. DOI: 10.46972/2076-1546.2025.28.04.
Зімчук І.В. Алгоритм фільтрації вимірювань акселерометричних датчиків у безплатформених інерціальних системах навігації безпілотних літальних апаратів / І.В. Зімчук, Т.М. Шапар, М.В. Ковба // Проблеми створення, випробування, застосування та експлуатації складних інформаційних систем. – 2024. – Вип. 27 (I). – С. 44–55. DOI: 10.46972/2076-1546.2024.27.04.
Алгоритм формування набору апріорних даних нейронної мережі для обробки цифрових аерознімків / С.В. Ковбасюк, Р.М. Осадчук, М.П. Романчук, Л.М. Наумчак // Проблеми створення, випробування, застосування та експлуатації складних інформаційних систем. – 2022. – Вип. 23. – С. 77–88. DOI: 10.46972/2076-1546.2022.23.06.
Ковбасюк С.В. Аналіз вимог до навігаційного забезпечення безпілотного авіаційного комплексу під час виконання завдань у несприятливих умовах / С.В. Ковбасюк, М.О. Українець // Технічна інженерія. – 2025. – № 2 (96). – С. 90–94. DOI: 10.26642/ten-2025-2(96)-90-94.
Аналіз методів автономної навігації БПЛА в умовах відсутності GPS-сигналу / А.Р. Кравчук, А.Г. Ткачук, О.О. Добржанський та ін. // Технічна інженерія. – 2025. – № 1 (95). – С. 235–242. DOI: 10.26642/ten-2025-1(95)-235-242.
Використання фільтра Калмана для інтеграції даних GPS та IMU в зашумленому середовищі / Є.Б. Артамонов, А.К. Жултинська, Т.І. Залозний та ін. // Технічна інженерія. – 2024. – № 2 (94). – С. 69–80. DOI: 10.26642/ten-2024-2(94)-69-80.
Гула В.С. Аналіз сучасного стану сенсорів для інерціальної навігації безпілотних літальних апаратів / В.С. Гула, В.М. Грига // Технології та інжиніринг. – 2024. – № 4 (21). – С. 29–47. DOI: 10.30857/2786-5371.2024.4.3.
Музиченко А. Вибір та реалізація методів навігації для безпілотних літальних апаратів на сучасних комп’ютерних компонентах / А.Музиченко, Р.Дунанець // Computer Systems and Networks. – 2024. – Vol. 6, No. 2. – Р. 158–170. DOI: 10.23939/csn2024.02.158.
Туряниця М. Застосування фільтра Калмана для уточнення даних ГНСС-знімання з урахуванням спуфінгу / М.Туряниця, Б.Четверіков // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. – 2025. – № 1 (49). – С. 61–70 [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://ena.lpnu.ua/handle/ntb/118523.
Споришев К. Шляхи підвищення стійкості управління безпілотним літальним апаратом у завадовій обстановці / К.Споришев, К.Бордунова, І.Білан // Збірник наукових праць Національної академії Національної гвардії України. – 2025. – Вип. 1 (45). – С. 124–130. DOI: 10.33405/2409-7470/2025/1/45/339292.
Multi-Sensor Integrated Navigation/Positioning Systems Using Data Fusion: From Analytics-Based to Learning-Based Approaches / Y.Zhuang, X.Sun, Y.Li and other // Information Fusion. – 2023. – Vol. 95. – Р. 62–90. DOI: 10.1016/j.inffus.2023.01.025.
Sensor Fusion of GNSS and IMU Data for Robust Localization via Smoothed Error State Kalman Filter / Y.Yin, J.Zhang, M.Guo and other // Sensors. – 2023. – Vol. 23, № 7. DOI: 10.3390/s23073676.
An Improved Adaptive Unscented Kalman Filter With Application in the Deeply Integrated BDS/INS Navigation System / J.Sun, L.Tao, Z.Niu, B.Zhu // IEEE Access. – 2020. – Vol. 8. – Р. 95321–95332. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2995746.
Wang G. An INS/GNSS Integrated Navigation in GNSS Denied Environment Using Recurrent Neural Network / G.Wang, H.Ma // Defence Technology. – 2020. – Vol. 16, No. 2. – Р. 334–340. DOI: 10.1016/j.dt.2019.04.007.
Takayama Y. Novel Process Noise Model for GNSS Kalman Filter Based on Sensitivity Analysis of Covariance with Poor Satellite Geometry / Y.Takayama, T.Urakubo, H.Tamaki // Sensors. – 2021. – Vol. 21, № 18. DOI: 10.3390/s21186056.
ORB-SLAM3: An Accurate Open-Source Library for Visual, Visual-Inertial, and Multimap SLAM / C.Campos, R.Elvira, J.J.G. Rodriguez and other // IEEE Transactions on Robotics. – 2021. – Vol. 37, № 6. – Р. 1874–1890. DOI: 10.1109/TRO.2021.3075644.
Optimizing Prediction Accuracy in Dynamic Systems Through Neural Network Integration with Kalman and Alpha-Beta Filters / J.Khan, U.Zaman, E.Lee and other // PLOS ONE. – 2024. – Vol. 19, № 10. DOI: 10.1371/journal.pone.0311734.
Application of IMU/GPS Integrated Navigation System Based on Adaptive Unscented Kalman Filter Algorithm in 3D Positioning of Forest Rescue Personnel / Z.Pang, Y.Hu, H.Wang and other // Sensors. – 2024. – Vol. 24, № 13. DOI: 10.3390/s24134411.
Xu Z. A Survey: Which Features are Required for Dynamic Visual Simultaneous Localization and Mapping? / Z.Xu, Z.Rong, Y.Wu // Visual Computing for Industry, Biomedicine, and Art. – 2021. – Vol. 4. DOI: 10.1186/s42492-021-00086-w.
From Pixels to Precision: A Survey of Monocular Visual Odometry in Digital Twin Applications / M.H. Neyestani, L.Daneshmand, F.Deligiannis, L.De Vleeschouwer // Sensors. – 2024. – Vol. 24, № 4. DOI: 10.3390/s24041274.
Tightly Coupled Fusion of UWB, VIO, and Altitude Sensors for Indoor UAV Localization in Complex Environments / H.Zhao, X.Hong, S.He and other // Sensors. – 2025. – Vol. 25, № 24. DOI: 10.3390/s25247673.
Романько В.А. Інтеграція нейронного фільтра Калмана в систему наведення високодинамічних апаратів / В.А. Романько, О.М. Срібний // Проблеми створення, випробування, застосування та експлуатації складних інформаційних систем. – 2025. – Вип. 29. – С. 125–139. DOI: 10.46972/2076-1546.2025.29.09.
Пат. Спосіб адаптивного наведення високодинамічного апарата з використанням резидуального нейронного фільтра Калмана / В.А. Романько ; заявка на винахід України. – № a202506585. – Перебуває на кваліфікаційній експертизі.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Вадим Анатолійович Романько, Руслан Михайлович Жовноватюк
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
