三维地形不变性特征描述及其在地形匹配中的应用

 针对实时地形图与基准地形图之间存在旋转、缩放和平移等相似变换的地形匹配问题,提出一种基于地形不变性特征描述的匹配方法。分析了地形的凹凸特征,根据三维地形表面的局部极值点相对位置分布稳定的特点,采用极值点相对位置归一化表示的方法构造了地形的不变性特征向量,基于二维地形特征向量间的距离比较,实现了适应相似变换的地形匹配。该地形描述与匹配方法不依赖于地形的绝对尺度值,仿真实验表明了方法具有较好的实用性,是解决导航定位中存在缩放变换的地形匹配的有效方法。     

复杂地形下基于三视约束的景象匹配方法

 景象匹配通过将飞行器实拍图像与机载的基准图像比较而进行导航。当飞行高度较低时,由地面大起伏引起的实时图几何变形会严重影响匹配性能,造成匹配精度下降甚至出现误匹配,这一问题严重制约了现有景象匹配系统的应用范围,比如无法应用于建筑林立的城镇地区和梯田、丘陵地带。本文首先推导了小视场内无几何变形的高空竖直透视投影模型;在此基础上,依据三视约束关系,把相邻两幅下视实时图像的特征赋给该透视模型所成的像,得到消除几何变形的特征模板,再和基准图进行匹配。因此,所提方法不仅能处理由飞行器姿态引起的实时图几何变形问题,而且适用于城镇等地面存在较大起伏的地形。理论分析和仿真实验表明,该算法取得了较好的结果,具有良好的环境适应能力,实用性较强。     

InSAR成像匹配制导技术

为了解决飞行器远程全天候高精度自主导航的问题,提出一种InSAR成像匹配制导技术,利用InSAR生成的高程数据与基准高程图进行精确匹配,并通过构象模型反演出飞行器的空间位置。分析对比了多种精确地形匹配方法,采用基于F.Leberl数学模型的空间定位方法并分析了误差影响。仿真结果表明,该方法可以实现飞行器高精度自主导航定位,大大提高飞行器的适应性和抗干扰能力。     

航天器相对位姿参数光学测量解析算法

研究了利用4个非共面特征光标和单光学测量敏感器的测量方法。基于比例正交投影近似假设,简化了光学成像数学模型,以解析的形式给出了航天器间相对位姿参数(相对位置和姿态),并对解析解进行修正。最后,对该算法进行数学仿真,仿真结果表明该算法简单可靠,能够满足航天器相对位姿确定精度和实时计算要求。     

基于三频外差法的异构铸件三维测量系统

惯性平台中的台体和本体均为复杂异构铸件，目前多采用人工划线法建立多个基准来进行测量，效率和精度低，易漏检误检。基于多频外差法的三维光学测量系统已广泛应用于航空、航天等制造领域，根据被测铸件异构的特点，结合双目视觉和相位光栅法较高的检测效率和精度，搭建了一套三维测量系统。首先通过平板标定法得到系统的固定参数和可变参数，然后利用数字光栅投影仪向被测零件表面投射三套不同频率的相移条纹图，相机同步采集变形条纹图，再利用四步相移和三频外差法得到周期为1的相位分布，以此为基准展开得到连续分布的绝对相位，结合极线约束和相位匹配重建出被测零件的三维点云数据，最后在三维软件中完成点云处理、曲面重构和三维测量。实验结果表明，系统的绝对测量精度小于0.1mm，能够实现异构铸件的三维尺寸测量，具有较高的检测效率。     

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。     

CNS/SINS姿态组合导航系统仿真

针对大部分飞行器导航采用地理坐标系导航,天文导航在地理坐标系下姿态解算依赖导航位置而容易发生精度发散的问题,文章研究了地理坐标系下,天文,质性姿态组合导航系统滤波算法,以有效提高导航系统的精度。首先,对天文愤性组合导航系统数学模型进行分析;然后,用Matlab软件根据实际情况设定参数并获得仿真数据,在仿真数据的基础上进行标准的卡尔曼滤波的仿真研究。仿真结果表明,当惯导与天文导航进行姿态组合后,各导航参数精度明显提高,在短期内可认为是收敛的,但仿真时间较长后,各导航参数出现缓慢的发散趋势。     

基于电磁波三维结构向量的飞行器姿态估计

以电磁波三维空间结构向量为参照的飞行器姿态/航向测量研究，可弥补空间参照物缺乏，丰富空间飞行器姿态/航向测量工具。本文根据各缺损电磁矢量传感器姿态位置与接收信号之间的变化规律，建立飞行器载电磁矢量传感器阵列导向矢量。根据协同导航的多个信号空间谱和最大化，实现平台姿态/航向测量。飞行器多位置的多个传感器共同测量姿态可避免遮挡，获得更高姿态精度的同时拓展了系统的适用领域。接收电磁信息完备状态下，不需导航信号，测绘平稳的杂波就能作为姿态基准。仿真试验验证了姿态估计的有效性。     

面向山地区域光照变化下的鲁棒景象匹配方法

提出了一种面向山地区域光照变化下的鲁棒景象匹配导航方法。该方法针对山区景象匹配导航中光照环境不同造成的基准图与实时图像不一致问题,采取在高程数据上使用光照模型生成光照明暗图,利用数字高程图(DEM)得到水流汇集数据并生成山谷显著图,将光照明暗图与山谷显著图融合作为基准图;针对基准图与实时图中细节边缘的差异带来的误匹配问题,提出了基于形态学约束的Hausdorff距离边缘匹配算法。采用LANDSAT图像与ASTERDEM高程数据进行实验分析,结果表明提出的方法匹配正确率高且鲁棒性好。     

INS/SAR组合导航参数传递建模及精度分析

 对合成孔径雷达景象匹配辅助（INS/SAR）组合导航中地面合成孔径雷达(SAR)匹配点位置参数向飞行器主惯导中心的传递过程进行研究。分析了SAR匹配点位置传递过程中所涉及的各环节及其相互关系,以此为基础建立了测量参数传递过程数学模型,提出适合该模型的误差分析与精度估计方法,结合理论和实验结果对各测量参数误差所造成的传递误差进行分析和比较,得出单一测量参数误差影响程度的排序,并在此基础上得出总精度的估计值。参数传递模型及精度实验结果与实际情况相符,可为组合导航中合理的精度分配提供依据。     

Relative navigation for multi-spacecraft system with GPS

A type of multi-spacecraft system with kinematical restraint but no structural restraint and force action is considered. Both the absolute and relative navigation information is required for this multi-spacecraft system, but the relative information is more critical and the accuracy requirements for relative information will be much higher than those for the absolute information. In this paper, the Global Positioning System (GPS)/Differential GPS (DGPS) are introduced and used for relative navigation. Relative motion of space vehicles is modeled. Relative position, relative velocity and relative attitude are represented and solved by GPS/DGPS measurements. Using a type of commercial GPS receiver onboard spacecraft and relative differential GPS technique, the relative navigation of space vehicles can be implemented in real-time     

基于TERCOM-ICP联合算法的水下地形匹配方法研究

水下地形辅助导航一直是应用于AUV的热点和前沿问题,有助于修正惯导随时间积累的定位误差,以实现精确的导航定位。对经典地形匹配方法TERCOM算法进行了简单的介绍,引入点云配准领域的ICP算法,针对多波束测深系统可以获取地形剖面的特点,提出了一种TERCOM-ICP联合匹配算法。首先使用TERCOM算法粗匹配,将粗匹配后的大致位置作为指示输入ICP算法中进行精匹配,通过仿真实验对TERCOM算法的匹配结果和ICP算法的匹配时间作对比分析。仿真结果表明：TERCOM-ICP算法可以有效提高水下地形匹配精度,经过仿真实验测试,平均匹配误差可以达到20 m以内,所用时间在160 s以内,验证了该算法应用在水下地形匹配领域的可行性,更好地满足了水下辅助导航的要求。     

基于鲁棒扩展卡尔曼滤波的双目视觉测量相对导航技术研究

针对非合作目标相对导航问题,为提高相对导航的精度和可靠性,采用双目视觉测量方法实现追踪器与目标器之间相对状态的测量,并基于鲁棒扩展卡尔曼滤波方法,提出了一种鲁棒相对导航滤波方法。仿真结果表明,该方法对相对导航系统模型中的不确定性具有良好的鲁棒性,且滤波精度较高。     

Optical guidance for autonomous landing of spacecraft

An autonomous rendezvous guidance scheme for spacecraft to descend to small celestial bodies by using optical information is presented. First, a new guidance, navigation, and control (GNC) method based on fixation-point (FP) inheritance is proposed. A spacecraft can safely descend toward the target point on the celestial body by tracking and autonomously renewing the FPs on the surface. Next, we deal with the method of extracting the FPs. A spatial band-pass filter (BPF) is applied to pictures taken to enhance features having comparable size with the tracking window. Local variance of the filtered image is used as a criterion of the extraction. Then, the relative information between the spacecraft and the celestial body (position, velocity, attitude, etc.) is calculated from the image coordinates and the range measurements of the FPs from the spacecraft. To suppress observation noise and improve navigation accuracy, an application of the extended Kalman filter is also presented. Finally, simulations are conducted to verify the guidance precision and the fuel consumption of the proposed guidance scheme     

Automobile Navigation: Where is it Going?

Automobile navigation systems based on dead reckoning, map matching, satellite positioning and other navigation technologies are under active development. ``Map intelligent' systems achieve high relative accuracy by matching dead-reckoned paths with road geometry encoded in a digital map data base that may also serve other functions such as vehicle routing and geocoding. Satellite-based navigation systems achieve high absolute accuracy but require dead reckoning augmentation because of signal aberrations in the automotive environment. Future systems will probably include multiple navigation technologies. Issues influencing the design of future systems include safety concerns regarding the driver interface, and the future availability of comprehensive map data bases, real-time traffic data, and mobile data communication links necessary for on-board generation of optimum routes.     

面向结构化场景的激光雷达点云高精度配准与定位方法

在基于先验地图的激光雷达室内导航方案中,通常采用点云配准的方法进行无人设备位姿初始化。在结构化场景下,传统配准算法特征鲁棒性较差,导致点云配准的误差较大且易陷入局部最优。针对该问题,提出了一种基于多平面空间模型的点云快速配准方法。首先该方法利用特征直方图的思想对空间点云进行快速粗聚类,根据平面一致性将粗聚类后的点集进行合并形成面特征,从而对密闭空间进行平面模型化表示。随后通过空间平面排序实现了面特征的快速关联,并利用线性匹配方法实现了两帧点云的精确配准,从而解算出机体在先验地图中的相对位姿。最后通过Gazebo搭建的仿真环境与室内结构化模拟环境对算法进行了验证。结果表明,在大型结构化场景下,算法具有更好的适应性以及更高的计算效率,能够快速为无人系统提供精准的地图初始位姿。     

月面环境三维激光SLAM技术

同步建图与定位（SLAM）可实现月球车在未知复杂月面环境下的定位与导航,月球表面由陨坑、石头等起伏地形构成,缺乏树木、建筑物等地面存有的显著特征,大量特征不显著的点云数据会对月球车定位精度和实时性造成影响。本文提出了一种针对月面环境的显著特征点云提取方法以及基于曲面定位能力估计的增量式优化算法,通过Fisher信息矩阵计算曲面定位能力指标,获取机器人位姿估计的不确定性测量,利用增量式的SLAM方案进行优化,用于提高定位精度与实时性。通过在Gazebo （物理仿真平台）仿真场景下的测试,验证了算法性能。     

航天器自主导航状态估计方法研究综述

自主导航是航天器自主运行的核心关键技术。状态估计是实现航天器自主导航的核心手段,是指实时确定航天器在轨位置、速度和姿态等导航参数,是航天器自主导航技术的重点发展方向之一。首先,针对航天器自主导航的实际需求,阐述了研究航天器自主导航状态估计方法的必要性,具体从导航系统可观测性分析、导航滤波算法、导航系统误差补偿3个方面介绍了航天器自主导航状态估计方法的研究现状;然后,分析并总结状态估计方法在航天器自主导航系统中的实际应用;最后,结合理论研究和实际应用,给出了状态估计方法目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望。     

视觉辅助惯性定位定姿技术研究

在利用视觉系统辅助捷联惯性导航系统( SINS)进行定位定姿时,由于两者输出的位置表示方法不同,在信息融合时会存在匹配问题。以相对地理坐标系作为定位定姿系统的导航坐标系,重新对SINS进行了力学编排,分析了其误差传递特性,建立了相对地理坐标系下的状态方程模型,并利用Kalman滤波器实现了视觉辅助惯性定位定姿算法。仿真结果表明,方法避免了信息融合时位置匹配问题,同时降低了系统的计算量,满足了定位定姿系统的精度要求。