微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。     

基于极限学习机的黑障区智能导航算法

在黑障区飞行阶段中,惯性导航系统会因缺少辅助导航系统而持续累积误差,导致飞行器导航系统可靠性下降。针对这一问题,提出了一种新的基于极限学习机的黑障区智能导航算法,通过极限学习机(ELM)对GPS正常工作的导航信息进行学习。在黑障区,利用学习得到的模型对惯性导航系统进行误差补偿,较好地修正了当GPS失锁时惯性导航系统的误差,避免了因误差累积而导致的导航信息发散。仿真结果表明,该算法能够保证在GPS失锁的黑障区中导航系统输出的信息有较好的可靠性和精度,能够为接下来的姿态调整和着陆准备提供良好的基础。     

一种改进的地形轮廓预测匹配辅助导航算法

传统的地形轮廓匹配 (TERCOM )辅助导航系统 ,由于其实时性差 ,已不能满足飞行器超低空高速的导航需要。本文引入预测控制的思想 ,提出了一种基于高度特征的地形轮廓预测匹配方法 ,减少了计算量 ,提高了导航系统的实时性和机动性。     

飞行器再入时GNC系统一体化仿真研究

首先建立了飞行器再入时制导、导航和姿控ＧＮＣ系统一体的六自由度数学仿真模型。然后对如何消除控制系统和运动方程的交连影响和导航误差给落点精度带来的影响进行了分析和讨论同时还研究了六自由度弹道计算对导引和制导规律的影响，最后对飞行器再入时如针制导，导航和姿控系统组合在一起进行六自由度数学仿真进行了分析和研究，并讨论了一体化仿真可怕一些问题。     

临近空间无人飞行器多余度容错导航系统设计

临近空间无人飞行器导航系统的故障直接影响到飞行器的任务执行和飞行安全,因此必须能够长时间地保持稳定性和精确性,为达到此目的必须设计由惯性导航、卫星导航等多种导航传感器组成的多源多余度容错导航系统,提高系统的可靠性。针对临近空间飞行器制导控制对导航信息的需求,提出了一种标准的三余度导航系统架构,并设计了采用新型加权平均表决子算法,具备故障检测和隔离以及故障重构功能的容错重构算法,构建了适用于临近空间无人飞行器的多余度容错导航系统,通过实测试验数据仿真验证了容错导航系统的性能,展示了系统一次故障工作的故障容错能力。所研究内容也可被其他类型的无人飞行器借鉴和参考。     

组合导航在现代精确制导兵器中的运用

通过对组合导航系统的研究,介绍了GPS、INS、北斗卫星导航系统、地形匹配辅助等精确导航系统原理。同时,通过GPS和我国北斗卫星导航系统制导方法的比较,探讨了适合我国国情的精确制导武器制导方法。     

基于UKF的高动态飞行器无源组合导航系统研究

针对飞行器在进行高动态飞行中卫星导航系统易受干扰、GPS可能被屏蔽,从而导致导航系统失稳甚至发散的问题,采用无迹卡尔曼滤波(UKF)算法对基于捷联惯导系统(SINS)、地磁导航系统(GNS)和嵌入式大气数据系统(FADS)的组合无源导航系统性能进行了改进.建立了地磁数据模型和无源组合导航模型,并针对新的组合导航系统观测方程非线性程度较高问题,提出了利用非线性UKF对导航数据进行融合的方法.利用高动态飞行轨迹对所提出的组合导航系统进行了仿真及误差分析,结果表明该系统对SINS误差估计具有适中的精度.     

基于GNSS速度信息辅助的飞行器姿态保持技术研究

为了提高飞行器精确打击和侦察探测能力,针对飞行器组合导航系统高精度、长航时和高可靠的姿态保持问题,研究了一种基于GNSS速度信息辅助的飞行器姿态保持技术。通过采用开环修正和闭环修正结合的工作方式,克服了惯性导航误差随时间不断积累引起的滤波精度下降问题;通过对GNSS信息进行χ~2检测,避免飞行器作大机动飞行或有外部干扰时引起的GNSS信息异常,确保GNSS信息的有效性;通过对GNSS速度信息的时间延迟进行扩展建模,抑制GNSS数据延迟对姿态保持算法的影响。仿真和实际数据处理结果表明:该姿态保持技术充分利用惯性导航系统和GNSS的优点,技术方案合理,能够满足飞行器高精度、长航时和高可靠姿态保持的需求,具有较好的工程应用价值。     

巡航导弹组合导航中综合地形匹配算法研究

为了克服惯导误差随时间累积的不足,提高巡航导弹的目标命中精度,提出了基于惯导/地形匹配组合导航的巡航导弹中制导方案.其中,地形轮廓匹配技术采用MSD算法和COR算法相结合的综合地形匹配算法,通过粗配和精配两步完成地形匹配过程.组合导航仿真结果表明,采用综合地形匹配算法的地形匹配辅助导航方法可以明显提高惯导精度,因而基于惯导/地形匹配组合导航的巡航导弹中制导方案是可行的.     

考虑扰动及控制饱和的多约束末制导方法

在末制导阶段,飞行器受到建模误差、风、目标运动等多种扰动的影响,且导引头视场、攻角及落角受到约束。为此,提出一种多约束及扰动下的末制导方法。将制导问题转化为存在扰动与控制饱和的系统的镇定问题。设计低增益状态反馈律镇定系统,利用线性扩张状态观测器观测系统中的扰动并在反馈律中对其进行补偿。以此为基础推导得到末制导律。基于Lambert W函数研究制导律参数对视线角收敛的影响,并提出制导律参数的自适应整定方法。通过在线调整制导律参数,保证全部约束得到满足。在多种扰动下,通过数值仿真验证提出的制导方法。仿真结果表明,制导律满足所有约束且获得的制导精度较高。     

不同参数对地形等值线匹配算法精度影响的评估分析

影响地形辅助导航匹配算法性能的因素很多,而目前基于信噪比的分析方法不能全面准确地评估匹配精度受各种参数的影响情况。本文以等值线(ICCP)算法为研究对象:首先,通过理论分析指出目前基于信噪比的分析方法的局限性和算法灵敏度受航向的影响情况;然后,通过仿真分别研究高度测量精度、惯导(INS)航迹精度、初始位置误差、航向误差、采样设置等因素对匹配精度的影响,并进一步从地图独特性、高度测量误差和INS航迹误差3个方面综合分析了各类误差和具体的误差参数对匹配性能的综合影响;最后,从算法的匹配精度和实时性等角度总结了各种参数的影响情况,为ICCP算法的工程应用提供理论基础。     

基于改进容积卡尔曼滤波的惯性/光流组合自主测速方法

针对容积卡尔曼滤波算法在惯性/光流组合测速数据融合时出现由于各系统输出数据频率不一致导致融合精度有限的问题,提出了一种基于多速率残差校正的改进容积卡尔曼滤波算法.通过当前时刻误差估算组合导航系统残差,再使用估算后的残差对速度估计值进行补偿,最终实现惯性/光流组合系统速度测量值的数据融合.实验结果表明,通过提出的改进容积卡尔曼滤波对惯性/光流数据进行融合后,东向速度均方根误差为0.2964m/s,北向速度均方根误差为0.06m/s,与现有其他卡尔曼滤波算法相比,此方法可显著提高惯性/光流组合系统的速度测量精度.     

地形景象匹配辅助导航可视化仿真研究及软件实现

为了直观有效验证地形景象匹配算法和演示地形辅助导航的过程,设计了地形景象辅助导航可视化仿真软件系统.利用Visual C 和OpenGL的功能实现了对导航数据和飞行过程的动态二维可视化曲线显示,对匹配区域中的实测图和参考图进行动态显示,能够直观地分析匹配结果的正确性;并在此基础上着重对地形景象匹配辅助导航过程实现了可视化仿真显示,能形象直观地演示地形景象辅助导航的过程及其性能.通过多次试验表明,该软件能很好地演示地形景象辅助导航系统的全过程及其性能,具有很好的实际应用价值.     

一种具有高收敛速度的地形辅助制导系统

本文研究一种适用于为大起始位置误差飞行器定位的卡尔曼滤波地形辅助制导系统。并行滤波体制是位置误差允许范围得以扩大的基础。针对其中正确估计的判决和计算的实时性问题,文中提出一种降阶系统模型和对此模型的自适应判决方法。最后,对如何进一步提高系统的收敛速度进行了分析,并得到了有意义的结果。     

Design of a practical tracking algorithm with radar measurements

The extended Kalman filter (EKF) has been widely used as a nonlinear filtering method for radar tracking problems. However, it has been found that if cross-range measurement errors of the target position are large, the performance of the conventional EKF degrades considerably due to nonnegligible nonlinear effects. A new filtering algorithm for improving the tracking performance with radar measurements is developed based on the fact that correct evaluation of the measurement error covariance is possible in the Cartesian coordinate system. The proposed algorithm may be viewed as a modification of the EKF in which the variance of the range measurement errors is evaluated in an adaptive manner. The filter structure facilitates the incorporation of the sequential measurement processing scheme, and this makes the resulting algorithm favorable to both estimation accuracy and computational efficiency. Computer simulation results show that the proposed method offers superior performance in comparison to previous methods. Moreover, our developed algorithm provides some useful insight into the radar tracking problem     

Improvement of strapdown inertial navigation using PDAF

A new application of PDAF (probabilistic data association filter) for improving the accuracy of autonomous strapdown inertial navigation systems (SINS) is presented. The proposed method is a terrain-aided navigation (TAN) algorithm based on landmark detection combined with a classical SINS. It is shown via a set of simulations that the method can improve significantly the precision of autonomous navigation if the landmark spatial density and quality of landmark detectors are good enough. This new concept of navigation called PDANF (probabilistic data association navigation filter) can be integrated with a relatively low cost in existing operational TAN systems     

基于相对导航的多平台INS误差联合修正方法

在机群协同编队飞行中,编队成员仅装载惯性导航系统(INS)的方式具有隐蔽、抗干扰等明显的优势,但随着航时的增加,INS误差将不断累积.使导航系统失效,为此,提出基于相对导航的多平台INS误差联合修正方法.首先,建立了编队成员相对导航运动模型及非线性观测模型,采用量测重构技术构造了伪线性观测模型并推导了观测噪声协方差矩阵...     

基于对偶四元数的INS/GPS组合导航算法研究

在基于对偶四元数的捷联惯导解算方法的基础上,推导了以惯性系作为导航系的惯导误差方程,在此基础上设计了卡尔曼滤波组合导航算法。通过激光惯导跑车采集数据,进行了仿真分析,试验结果表明,该组合导航算法能有效的消除惯导累积的速度误差和位置误差,相比于目前广泛应用的INS/GPS组合导航算法,本文描述了INS/GPS组合导航的另一种实现方式,获得了相当的精度,具有一定的工程应用价值。     

基于计算机视觉/GPS/MG姿态测量的盲人行走组合导航方法研究

电子导盲辅助装置(ETA)是解决盲人出行困难的重要手段,而导航是ETA的关键技术.现有的ETA主要用GPS来定位定向,但在城市环境中经常存在GPS信号遮挡导致导航信息丢失的问题.针对该问题,利用视觉导航短时间内定位精度高,输出连续的优点以及 MG(Magnetic Gravity)姿态测量可补偿姿态积累误差的优点,提出一种基于视觉、GPS和MG姿态测量的盲人行走组合导航算法.该方法构建系统误差模型并以Kalman滤波为框架.仿真和实验结果表明,提出的组合导航算法准确度优于单独的导航算法,满足盲人户外安全出行导航的需求.     

Prototype personal navigation system

Honeywell Laboratories recently funded the development of a prototype personal navigation system based on MEMS technologies. The system components include a MEMS inertial measurement unit, a three-axis magnetometer, a barometric pressure sensor, and a SAASM GPS receiver. The system also uses Honeywell's human motion-based pedometry algorithm. The navigation process is based on a strap-down inertial navigator aided by feedback from a Kalman filter using typical measurements from the GPS, magnetometer and barometer when available. A key innovation is the addition of an independent measurement of distance traveled based on the use of a human motion algorithm. The navigation system combines the best features of dead reckoning and inertial navigation, resulting in positioning performance exceeding that achieved with either method alone. Subsequent to the Honeywell effort, DARPA funded an individual Personal Inertial Navigation System (iPINS) seedling program. Honeywell worked to improve the baseline personal navigation system with the objective of demonstrating the feasibility of reliably achieving navigation accuracy < 1 % of distance traveled in GPS-denied scenarios. In addition, an analysis was conducted to determine the benefit of incorporating terrain correlation into the personal navigation system. The results of this analysis indicate that overall navigation accuracy can be significantly improved through the application of terrain correlation. This presents an are presented. In addition, conclusions from the terrain correlation analysis conducted under the iPINS seedling program are included.