[论文解读] Pitot-Aided Attitude and Air Velocity Estimation with Almost Global Asymptotic Stability Guarantees

Méloné Nyoba Tchonkeu, Soulaimane Berkane+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2026

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一句话总结

论文提出一个两阶段级联观测器，融合 IMU 和 Pitot 测量来估计空气速度和倾斜度，然后利用磁力计数据在 SO(3) 上实现全姿态估计，具有几乎全局渐近稳定性保证，并在真实飞行数据上验证。

ABSTRACT

This paper investigates the problem of attitude and air velocity estimation for fixed-wing unmanned aerial vehicles (UAVs) using IMU measurements and at least one Pitot tube measurement, with almost global asymptotic stability (AGAS) guarantees. A cascade observer architecture is developed, in which a Riccati/Kalman-type filter estimates the body-fixed frame air velocity and the vehicle's tilt using IMU data as inputs and Pitot measurements as outputs. Under mild excitation conditions, the resulting air velocity and tilt estimation error dynamics are shown to be uniformly observable. The estimated tilt is then combined with magnetometer measurements in a nonlinear observer on SO(3) to recover the full attitude. Rigorous analysis establishes AGAS of the overall cascade structure under the uniform observability (UO) condition. The effectiveness of the proposed approach is demonstrated through validation on real flight data.

研究动机与目标

• 在 GNSS 丢失或动态环境中，动机是为无人机提供可靠的姿态估计，其中加速度计单独使用不足以实现鲁棒性。
• 开发一个级联观测器，在温和激励条件下从 IMU 和 Pitot 测量中估计空气速度和倾斜度。
• 将估计的倾斜与磁力计数据融合，以在 SO(3) 上恢复全姿态，并提供 AGAS 保证。
• 提供严格的可观测性分析，以确立统一可观测性和全局收敛性。
• 在真实飞行数据上验证该方法，以验证在实际条件下的性能。

提出的方法

• 建立一个简化的卡尔曼/黎卡提型观测器，联合估计机体固定的空气速度 V_a 和倾斜 z，在 IMU 输入和 Pitot 输出下工作。
• 将 Pitot 测量建模为 y_p = B^T V_a，并推导用于增广状态 x = [V_a^T, z^T]^T 的线性时变系统。
• 在方向 Sigma(t) = phi(t)B 的持续激励条件下证明统一可观测性，确保估计误差的全局指数稳定性。
• 利用陀螺仪数据和磁力计修正应用非线性 SO(3) 姿态观测器以恢复全姿态，在统一可观测性下实现 AGAS。
• 给出与 IMU 采样和多速感应兼容的离散时间实现，使用 Rodrigues 公式表示增量旋转。

Figure 3 : Onboard Air-velocity Components.

实验结果

研究问题

• RQ1 在什么激励条件下 Pitot 辅助观测能够全球可观测空气速度和倾斜度？
• RQ2 结合基于 Riccati 的空气速度/倾斜估计与 SO(3) 姿态观测器的两阶段级联观测器是否能够实现全姿态的 AGAS？
• RQ3 引入零滑移伪测量是否能在实际飞行中改善可观测性和估计精度？
• RQ4 在真实飞行数据及现实传感器配置（单 Pitot vs 多 Pitot，有无磁力计）下，该方法的表现如何？

主要发现

• Riccati 观测器在持续激励条件下实现空气速度和倾斜度估计误差的统一可观测性和全局指数收敛性。
• 两阶段级联估计器能够在 SO(3) 上实现全姿态估计，具备几乎全局渐近稳定性保证。
• 零滑移伪测量在实际协调飞行中增强可观测性并降低估计误差。
• 在真实飞行数据上的实验结果显示空气速度和姿态估计的收敛性，并展示激励对可观测性的影响。
• 该方法对风输入假设具有鲁棒性，并在固定翼无人机场景中用 Pitot、IMU 和磁力计数据验证了架构。

Figure 4 : Comparison between measurement of $V_{a,1}$ (Red) and $\bar{V}_{a,1}$ (Blue) in the real flight data set.