晃动环境下组合导航系统精度事后评估算法研究

海风、波浪、海流等因素会产生舰船的摇摆晃动,从而给舰船导航系统精度带来严重干扰.固定区间平滑滤波处理算法能够利用观测时间间隔内全部观测信息得到状态的最小方差估计,对导航精度进行事后评估.在研究晃动环境下的SINS/GP S组合导航应用平滑滤波算法的相关原理的基础上,首先利用Kalman滤波器进行组合导航,存储相关信息后按时间逆序利用固定区间平滑滤波算法进行事后分析.该方法可以针对不同的海况以及不同的海上作业需求,有效地为组合导航系统精度提供检验标准,考核各种海洋环境下的导航系统精度.     

基于PnP和自适应线性卡尔曼滤波的实时位姿估计

针对实时位姿估计中扩展卡尔曼滤波(EKF)线性化引入非线性误差和依赖已知噪声分布的缺点,提出一种基于PnP的自适应线性卡尔曼滤波位姿估计求解方法。将PnP位姿估计求解策略引入卡尔曼滤波观测方程,通过对动态方程误差统计参数实时估计,自适应调节卡尔曼滤波递推参数。所提算法求解精度高,固定了观测方程的观测向量维度,提高了算法实用性。通过仿真试验,比较了该算法与EKF的位姿估计精度,通过量化误差分析,证明了该方法可以提高三维运动位姿估计精度,也验证了该方法的有效性。     

无人飞行器集群仅测距初始相对位姿确定方法研究CSCD

针对全球导航卫星系统(GNSS)拒止环境下无人飞行器集群成员间的相对定位问题,研究了一种基于机载惯性测量单元(IMU)、气压高度计与数据链测距组合的初始相对位姿求解算法。首先,在高度计稳定输出较为精确的高度信息的前提下,将飞行器的三维运动解耦成二维水平运动,给出了三维加速度和角速度、测距信息的水平坐标系投影等效模型。在此基础上,以待求量相对位置和航向角的非线性形式构造了新的待求状态量,并将相对位置和航向角的非线性求解问题转化成了新状态量的线性模型最小二乘求解问题。然后,通过引入递推最小二乘算法(RLS),建立了该相对位姿求解算法的实时输出递推形式,有效降低了机载在线计算的负载。接着,对所提算法进行了可观测性分析,并给出了使系统状态量不可观测的几种相对运动形式。最后,对所提算法进行了数值仿真实验,仿真结果表明,该算法能够有效、快速求解初始相对位姿,位置误差在初始相对距离的10%以内,航向角误差在初始相对角度的1%以内。     

基于扩维QLEKF的脉冲星/星间定向组合导航

面向星座卫星高精度自主导航技术需求,设计了一种融合X射线脉冲星和星间定向观测信息的组合导航方法。通过X射线探测器获得脉冲到达时间观测量,照相观测星相机和星间链路设备获得星间相对位置矢量观测量,设计导航滤波器对观测量进行处理,估计参与导航的星座卫星的运动状态。针对地球星历误差影响组合导航性能的问题,将地球相对于太阳系质心的位置扩充为状态向量,设计了扩维扩展卡尔曼滤波器,利用敏感器观测量对导航所需的地球位置矢量进行实时估计,从而削弱地球星历误差的影响。进而,针对滤波器参数选取影响状态估计精度的问题,设计了一种Q学习扩展卡尔曼滤波器（QLEKF）,主要思路是利用Q学习方法的决策能力,自适应地选择适当的滤波器参数以改善估计性能。数学仿真结果表明,所提方法能够有效减小地球星历误差对星座自主导航的影响,取得优于传统滤波算法的定位精度。     

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。     

基于冗余伪观测的自适应滤波算法

现有的二阶互差分(SOMD)算法能够给出与状态估计误差解耦的观测噪声协方差估计，但是需要满足冗余测量的条件，但这一条件往往难以满足。 针对这一问题，提出了一种利用状态预测值构造相邻2个时刻伪观测的方法，将原SOMD算法扩展到具有单测量的系统中。使用目标跟踪问题对该算法的有效性进行验证。仿真结果表明，当采样周期较小时，该算法能够忽略状态估计误差的影响并给出较准确的观测噪声方差，在精度和鲁棒性方面优于其他参考算法。     

水下单信标导航航路规划和最优航路接近方法

相比于传统的长基线和超短基线等导航方式，水下单信标导航具有布放简单的优点，但其导航精度有待进一步提高。为此，提出了单信标导航的航路规划方案，通过泰勒级数展开推导了水平位置精度因子的表达式，并分析了导航点和声信标的相对几何位置关系对导航精度的影响，最终提出了航路规划方案。在此基础上，还提出了自主水下航行器(autonomous underwater vehicle，AUV)从其他位置接近最优航路的方法，包括两部分：一是建立以时延为观测量的滤波模型，利用滤波算法实时获取AUV的位置估计值；二是基于可观测度分析结果对最优航路接近过程的轨迹进行了设计。二者的结合使得AUV高效率且高精度地逼近最优航路。仿真证明了采用所提出的航路规划方案和最优航路接近方法可以提高导航精度，航路规划方案使得AUV位置估计的均方根误差近似为2 m。     

基于蒙特卡洛方法的导航机器人的误差分析

根据导航机器人的结构求出运动方程,建立了机器人的误差数学模型,利用蒙特卡罗方法对导航机器人的位姿精度进行了分析,介绍了机器人在工作空间内的位姿精度的分布情况及其统计特征。     

基于改进UKF的组合导航系统航向角估计方法研究

为满足运载体长航时、高精度的导航需求,解决系统可观测性弱导致的航向角易发散的问题,提出了一种基于MEMS非线性组合导航系统的用于提高航向角估计精度的算法。通过采用单天线GNSS航向角作为量测量进行航向约束,解决了MEMS-SINS/GNSS姿态估计中航向角可观测性弱、估计值收敛差的问题;通过转弯判断规则和常规无迹卡尔曼滤波改进算法,抑制了偏流角对系统估计精度的影响。仿真结果表明,该算法有效地抑制了航向角估计精度差的问题,水平姿态精度达到0.01°,航向角精度达到0.1°,提高了系统的导航精度及可靠性。     

X射线脉冲星导航的最优观测周期确定

最优观测周期的确定对脉冲星导航计算具有重要意义。首先推导了航天器处观测脉冲相位估计方差的理论下界，然后给出了观测脉冲相位估计误差与脉冲星观测周期之间的关系式，并以观测脉冲相位估计的均方误差最小为准则，给出了最优观测周期的近似计算公式，最后利用脉冲星PSR B0531+21的实测数据验证了该关系式的正确性。仿真结果表明所给最优观测周期计算公式对脉冲星PSR B0531+21的预测误差为44 s，证明了所给公式的正确性，为导航中脉冲星观测周期的确定提供了理论基础。     

基于地标信息的车载惯导姿态修正技术

惯导与速率计构成的组合系统是机动作战车辆较常使用的自主定位定向系统,其惯导姿态精度将直接影响组合定位精度。文章利用车辆运动途中的地标信息,讨论了车载惯导姿态误差估计与修正技术,通过仿真分析了地标位置与车辆零速信息在惯导姿态修正过程中的作用。结果表明：利用地标信息是进行车载惯导姿态修正较为实用的途径,在此基础上可以有效提高车载惯导／速率计组合定位系统的精度。     

绕月探测器的自主光学导航研究

提出了一种利用高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的绕月探测器自主光学导航算法。针对很难事先确定精确地绕月探测器轨道动力学模型问题,提出利用高斯-马尔科夫过程来近似轨道动力学中的无模型加速度,进而提高了轨道动力学模型的精度;考虑到基于扩展卡尔曼滤波的轨道确定存在的问题,提出利用基于Unscented卡尔曼滤波来估计探测器的位置、速度及无模型加速度,提高了轨道估计精度和保证了算法的稳定性。最后,通过数学仿真验证了自主光学导航算法的有效性。     

Wavelet de-noising for IMU alignment

Inertial navigation system (INS) is presently used in several applications related to aerospace systems and land vehicle navigation. An INS determines the position, velocity, and attitude of a moving platform by processing the accelerations and angular velocity measurements of an inertial measurement unit (IMU). Accurate estimation of the initial attitude angles of an IMU is essential to ensure precise determination of the position and attitude of the moving platform. These initial attitude angles are usually estimated using alignment techniques. Due to the relatively low signal-to-noise ratio of the sensor measurement (especially for the gyroscopes), the initial attitude angles may not be computed accurately enough. In addition, the estimated initial attitude angles may have relatively large uncertainties that may affect the accuracy of other navigation parameters. This article suggests processing the gyro and accelerometer measurements with multiple levels of wavelet decomposition to remove the high frequency noise components. The proposed wavelet de-noising method was applied on a navigational grade inertial measurement unit (LTN90-100). The results showed that accurate alignment procedure and fast convergence of the estimation algorithm, in addition to reducing the estimation covariance of the three attitude angles, could be obtained.     

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     

自主姿态测量最优算法研究

针对利用地球重力场和磁场矢量观测进行自主姿态测量的应用问题,提出了一种新的最优递推估计算法。该算法采用卡尔曼滤波框架,利用加权统计线性回归并结合自适应滤波技术进行测量更新,与现有方法相比,在提高测量精度的同时,增加了同步提供姿态速率信息的功能。仿真结果表明,新算法的姿态估计精度比目前常用的直接计算方法提高近两倍。     

基于运动捕捉系统的多旋翼飞行器实时测姿算法

旋翼飞行器的室内自主飞行是目前研究的热点之一。在室内飞行过程中,飞行器姿态和位置信息可以通过运动捕捉系统（Motion Capture System,MCS）来进行实时测量,从而为机载低成本MEMS惯性导航系统提供校正信息。结合四旋翼飞行器的结构特性,提出了一种五点实时测姿算法。相对于目前MCS常用的测姿算法,该算法可以降低标记点安装引起的测姿误差。室内实验结果表明,该算法测姿精度高,并且能够有效实现四旋翼飞行器室内动态实时姿态测量,具有较好的工程应用价值。     

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     

基于三级滤波的民用飞机组合导航融合算法研究

高精度导航系统是民用飞机必备的机载航电设备。针对民用飞机导航传感器冗余配置特点,设计了一种基于三级滤波的组合导航融合算法。首先根据民用飞机传感器配置特点设计三级滤波架构,然后通过第一级卡尔曼滤波器的局部估计、第二级联邦滤波器的全局估计和第三级全局滤波器的最优全局估计,最终实现导航参数的最优全局估计。最后,通过计算机仿真证明该方法具有很好的位置、速度和姿态估计精度,能够满足民用飞机导航系统的高精度测量要求。     

基于卫星和星敏感器的冗余激光惯组在轨标定

采用高精度卫星导航速度、位置信息以及星敏感器提供的姿态信息设计十表冗余捷联惯组的标定模型,包含陀螺和加速度计的零次项和标度因数,对卫星和星敏感器辅助的冗余激光陀螺捷联惯组进行实时在轨标定.利用标准Kalman滤波和Sage-Husa自适应滤波作为估计算法,对十表冗余捷联惯组参数进行在线估计.数值仿真结果表明:参数标定精度均在7％以内,是一种实时的在轨标定方法,满足误差补偿要求.冗余惯组在轨标定方法为航天器高精度定姿和定轨提供了一种理论参考.