基于RTS滤波的GPS+BDS非差非组合PPP/INS紧组合模型

GPS高精度定位技术在动态复杂环境中,其定位精度、可靠性和连续性因卫星信号频繁失锁而变差。为此,提出了采用基于RTS滤波(Rauch-Tung-Striebel Filter)的GPS+BDS非差非组合PPP(Precise Point Positioning)与INS(Inertial Navigation System)紧组合模型的策略来克服GPS在动态定位中的弱点。其中,采用GPS+BDS双系统观测数据,可提高PPP解算中的可用卫星数,改善星站间定位几何强度和提高PPP收敛速度;采用PPP/INS紧组合,利用INS的自主定位特性和短期高精度特性,可有效改善复杂环境下的定位精度和连续性;采用RTS滤波,可进一步提高PPP/INS紧组合性能。首先推导了GPS+BDS非差非组合函数模型、PPP/INS紧组合函数模型和RTS滤波函数模型,然后利用一组车载动态数据,对动态GPS PPP、GPS+BDS PPP、GPS/INS紧组合、GPS+BDS PPP/INS紧组合和基于RTS的GPS+BDS PPP/IMU紧组合的定位、测速和定姿性能进行分析。实验结果表明,该方案可有效提高定位(58%～72%)、测速(74%～82%)和定姿(4%～23%)精度,特别是对卫星失锁期间的定位性能改善尤为明显。     

基于神经网络的航天器GPS/INS组合定姿系统

基于GPS和惯性技术的组合导航系统是近年来导航系统的研究热点和主要发展方向.目前基于卡尔曼滤波方法的算法在稳定性、计算量、算法鲁棒性以及系统可观测性等方面仍然存在问题.基于神经网络技术研究了一种新的GPS/INS组合定姿自适应卡尔曼滤波方法,理论分析表明,该方法不但对姿态信息具有较好的估计性能,而且对系统模型的精确性、噪声特性具备良好的鲁棒性.最后,利用模拟数据对所研究算法进行了分析计算,与传统的卡尔曼滤波方法进行了比较、分析,结果表明所设计组合算法在精度、稳定性以及鲁棒性等方面较传统卡尔曼方法具有良好的特性.     

改进的格网惯导系统无阻尼综合校正方法

综合校正技术可作为抑制格网惯导系统（INS）导航误差的有效手段。加速度计零偏所造成的水平姿态误差是导致综合校正中陀螺漂移估计精度受限的重要因素。针对这一问题，提出了一种改进的无阻尼综合校正方法。首先，推导了格网坐标系框架下估计加速度计零偏和姿态的目标函数；其次，介绍了无阻尼条件下综合校正的两个核心方程；最后设计了无阻尼两点校策略。综合校正前，在多普勒计程仪（DVL）提供的速度辅助下完成加速度计零偏的估计和补偿，以此消除加速度计零偏所造成的水平姿态误差对综合校正中陀螺漂移估计精度的影响。在两次间断的外部位置和航向辅助下通过所设计的综合校正策略完成对陀螺漂移的估计。校正策略中所涉及的水平姿态误差在DVL辅助下由参数估计方法估计得到。仿真及实验结果表明：与现有的研究相比，所设计的综合校正方案进一步减少了DVL的辅助时间，同时由于准确地估计和补偿了加速度计零偏，陀螺漂移的估计精度显著提高，该方案在抑制导航误差方面具备更明显的优势。     

基于规划航迹的“三自”光纤惯导系统航向耦合效应抑制技术

目前,国内"三自"(自标定、自对准、自检测)光纤惯导系统在长航时高精度自主导航领域已逐渐开展应用,但光纤陀螺安装误差、安装不正交度以及标度因数等参数稳定性大大限制了"三自"光纤惯导系统精度的提升,其主要原因是载体运动诱发的航向耦合效应严重影响了旋转调制效果。从航向耦合效应机理分析入手,指出了"三自"惯导系统航向耦合效应的不可解耦性,但针对无人飞行器和无人潜航器等通常需要规划航迹的载体,提出了一种基于规划航迹的旋转方案自适应调整技术,有效地抑制了航向耦合效应。试验结果表明,该方法可将系统的导航精度提升80%以上。     

智能方法在惯性系统误差参数辨识中的应用

总结了目前我国提高惯性系统导航精度的技术途径,阐述了国内外惯性系统误差参数辨识方法的研究现状,介绍了当前滤波算法、智能优化算法和人工神经网络方法在惯性系统导航领域的应用情况以及存在的不足。最后,分析了空间飞行器惯性系统误差参数辨识技术的未来研究方向,即智能优化算法和人工神经网络方法等智能方法将在惯性系统误差参数辨识中发挥越来越重要的作用,通过将误差系数标定问题转换为参数辨识问题,采用智能方法在庞大的解空间内实现对惯性系统误差参数的快速辨识。     

双轴旋转惯导系统误差自标定技术研究

惯导系统受限于目前惯性器件长期稳定性水平，对服役期内武器装备的使用和维护提出了定期标定的保障需求。当前主要有两种标定方式：不拆卸情况下的武器装备整体标定与拆卸情况下的惯导系统单机标定。上述两种方式能够准确分离和标定的误差参数较少，且对设备、场地、人力、时间等保障条件提出了较高的要求。基于双轴旋转惯导系统开展自标定技术研究，设计了一种能够实现绝大部分误差分离和标定的转位方案，提出了一种大幅缩短标定时间的数据处理方案，实现了武器装备不拆卸、不转动条件下误差参数的快速、高精度、自动化标定，大大降低了武器装备的使用维护成本、减轻了部队的保障负担，试验结果验证了该自标定方法的正确性和有效性。     

基于SAR图像匹配结果可信度评价的INS/SAR自适应Kalman滤波算法

在惯性导航系统（INS）/合成孔径雷达（SAR）组合导航系统中，SAR图像易受斑点噪声的影响，图像匹配的精度对整个导航系统精度的影响十分明显，能够准确地分析SAR图像匹配过程中的误差特性，利用有效的图像匹配信息辅助INS进行组合定位尤为重要。针对上述问题，在加权Hausdorff距离匹配算法的基础上，对影响SAR图像匹配精度的因素进行了分析，提出了一种基于模糊推理的匹配结果可信度评价准则，经过可信度筛选，将有效的匹配信息与INS进行组合；对合理范围内的匹配误差变化引起量测噪声统计特性发生变化，进而导致Kalman滤波精度下降的问题，研究采用改进的Sage-Husa自适应滤波算法对量测噪声方差阵进行动态调整，使其更加接近系统的当前状态。搭建仿真验证平台对所提算法进行了验证，结果表明，该算法能够在合理的匹配误差范围内，有效地筛选出可信的图像匹配结果，相比常规Kalman滤波算法，显著地提升了INS/SAR组合导航系统水平方向的定位精度。     

Architectures and GPS/INS integration: impact on missionaccomplishment

The GPS (Global Positioning System) signal contains information which, when properly combined with information from INS and other sensors, provides exceptionally high accuracy position, velocity, attitude, and time measurements. These ten elements of information (three each in position, velocity, and attitude, and one in time) are common, in various combinations, to most avionics functions. When viewed from a system perspective, this high-precision information can be thought of as an integration basis, or a reference set, which offers opportunities for reconfiguration of the offensive, defensive, communication, navigation, and other sensors. Various integration architectures for fusion of these sensors can inherently enhance, enable, or severely limit these potential mission capabilities. The choice of integration architecture, can directly and profoundly affect performance, cost of integration, cost of ownership, and exploitation of much greater mission capability. This is illustrated by an example     

Mahalanobis distance-based fading cubature Kalman filter with augmented mechanism for hypersonic vehicle INS/CNS autonomous integration

Inertial Navigation System/Celestial Navigation System(INS/CNS) integration, especially for the tightly-coupled mode, provides a promising autonomous tactics for Hypersonic Vehicle(HV) in military demands. However, INS/CNS integration is a challenging research task due to its special characteristics such as strong nonlinearity, non-additive noise and dynamic complexity.This paper presents a novel nonlinear filtering method for INS/CNS integration by adopting the emerging Cubature Kalman Filter(C...     

INS Simulator for Debugging INS/GNSS Data

The Inertial Navigation System's (INS) Simulator models in real-time are a data stream from INS describing a maneuver object's motion along the reference trajectory previously specified - the same trajectory which is used at same time for modeling a radio signal with GNSS Simulator. INS Simulator's specific features are as follows: converting the GNSS Simulator (coordinate and velocities of a rate of 1 Hz) data into the data of the autonomous navigation facility (coordinate and velocities of a rate of 100 Hz) with the addition of a selected model for INS error; possible synchronization of data streams against the external event (with an accuracy of up to 100 us)     

地磁辅助的无缝INS/GPS组合导航研究

INS/GPS组合导航已经成为当前无人机导航系统的主要实现形式,由于GPS信号容易受到干扰,在恶劣的电磁环境下信号易丢失,从而导致GPS卫星信号失锁而无法使用。地磁导航作为一种无源导航方法,其难以受到外界干扰且具有较强的自主性,从而为克服GPS在干扰情况下无法对INS误差实现持续无缝修正的不足提供了很好的途径。针对INS/GPS组合导航中GPS卫星信号失锁的情况,设计提出了使用地磁匹配导航进行辅助实现无人机无缝导航的实现方案,设计了基于地磁特征的地磁匹配算法和地磁匹配辅助的INS/GPS组合无缝自主导航算法,并通过仿真验证了采用地磁匹配辅助导航方法,可以在GPS无效的情况下,实现对INS导航误差的持续无缝修正,从而提高导航系统性能。     

低轨星座/惯导紧组合导航技术研究CSCD

现有低轨(LEO)卫星导航研究主要以低轨星座独立导航定位和增强全球卫星导航系统(GNSS)导航定位为主,对低轨卫星和惯性导航系统(INS)组合导航技术研究较少。本文面向应用较小规模低轨星座资源实现米级定位精度的需求,提出了一种低轨星座/惯导紧组合导航方法,系统性地分析了不同规模低轨星座、不同精度级别惯导器件以及不同导航信号播发频度下组合导航定位的性能,并利用构建的仿真试验系统进行了低轨星座/惯导紧组合导航方法的仿真试验验证。试验结果表明,相较于低轨星座独立导航,低轨星座/惯导紧组合导航在星座不满足四重覆盖时仍能达到米级定位精度,并且在低轨星座规模较小和导航信号播发频度较低时,惯导测量精度对组合导航定位精度影响明显。研究结果表明,在利用低轨卫星进行导航时,通过引入惯性观测辅助低轨卫星导航,可有效提高导航效能和精度,为低轨星座和导航信号播发方式设计带来更多的选择。     

有色噪声作用下的机载INS/GPS组合导航方法

针对机载导航过程中有色噪声模型系数难以精确获取的问题,提出了一种基于滤波残差处理有色噪声的方法,并将其应用到INS/GPS组合导航系统中。首先分析了有色状态噪声和有色量测噪声对状态参数估值的影响,接着分别将状态残差和量测残差作为有色状态噪声和有色量测噪声的样本观测值,通过滤波所得的多个历元的残差序列获取拟合模型参数,然后计算有色噪声的预报值并将其进行补偿,从而得到有色噪声修正后的组合导航模型。最后设计了转台试验验证提出的有色噪声作用下的INS/GPS组合导航方法,结果表明该方法能有效地减小有色噪声对组合系统的影响,且当GPS暂时失效时,能显著提高系统的导航精度。     

INS/GNSS组合导航系统空中快速对准方法

针对机载惯性/全球导航卫星系统(INS/GNSS)组合导航系统地面静基座对准时间较长、航向对准精度较低以及惯导空中故障重启后无法快速得到精确姿态信息重新进入导航状态等问题,提出一种快速初始对准方法。该对准方法基于惯性导航比力方程,利用GNSS的定位、测速信息与惯性测量组件(IMU)的输出信息解算载体姿态信息,并结合遗传-牛顿算法与求和自回归滑动平均(ARIMA)模型卡尔曼滤波信号降噪技术提高姿态信息的解算精度。基于实测飞行数据的解算验证了该方法的有效性、对准精度以及在实际工程应用中的优越性。     

GPS/BDS/INS tightly coupled integration accuracy improvement using an improved adaptive interacting multiple model with classified measurement update

An Extended Kalman Filter (EKF) is commonly used to fuse raw Global Navigation Satellite System (GNSS) measurements and Inertial Navigation System (INS) derived measurements. However, the Conventional EKF (CEKF) suffers the problem for which the uncertainty of the statistical properties to dynamic and measurement models will degrade the performance. In this research, an Adaptive Interacting Multiple Model (AIMM) filter is developed to enhance performance. The soft-switching property of Interacting Multiple Model (IMM) algorithm allows the adaptation between two levels of process noise, namely lower and upper bounds of the process noise. In particular, the Sage adaptive filtering is applied to adapt the measurement covariance on line. In addition, a classified measurement update strategy is utilized, which updates the pseudorange and Doppler observations sequentially. A field experiment was conducted to validate the proposed algorithm, the pseudorange and Doppler observations from Global Positioning System (GPS) and BeiDou Navigation Satellite System (BDS) were post-processed in differential mode. The results indicate that decimeter-level positioning accuracy is achievable with AIMM for GPS/INS and GPS/BDS/INS configurations, and the position accuracy is improved by 35.8%, 34.3% and 33.9% for north, east and height components, respectively, compared to the CEKF counterpart for GPS/BDS/INS. Degraded performance for BDS/INS is obtained due to the lower precision of BDS pseudorange observations.     

嫦娥三号巡视器的惯导与视觉组合定姿定位

针对“嫦娥三号”的“玉兔号”巡视器在月面未知环境中避障与安全行进的要求,分析和阐述了“玉兔号”巡视器在地面遥操作中心的控制下利用惯导和视觉组合进行月面导航与精确定位的实现方法,并结合现有的导航定位研究对“玉兔号”巡视器导航与定位的工程创新性进行了总结,阐明了惯导定位和视觉定位技术在“玉兔号”巡视器月面探测过程中的工程应用特点.最后,通过“玉兔号”巡视器着月点的精确定位实验,验证惯导和视觉相结合的定位方法的有效性,定位精度近似达到总行驶里程的1％,这对“玉兔号”巡视器开展月面探索和准确抵达科学目标位置具有重要作用.     

Fuzzy corrections in a GPS/INS hybrid navigation system

A new concept regarding GPS/INS integration, based on artificial intelligence, i.e. adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) is presented. The GPS is used as reference during the time it is available. The data from GPS and inertial navigation system (INS) are used to build a structured knowledge base consisting of behavior of the INS in some special scenarios of vehicle motion. With the same data, the proposed fuzzy system is trained to obtain the corrected navigation data. In the absence of the GPS information, the system will perform its task only with the data from INS and with the fuzzy correction algorithm. This paper shows, using Matlab simulations, that as long as the GPS unavailability time is no longer than the previous training time and for the scenarios a priori defined, the accuracy of trained ANFIS, in absence of data from a reference navigation system, is better than the accuracy of stand-alone INS. The flexibility of model is also analyzed.     

惯导/北斗/里程计一体化紧组合导航方法研究

当前,主要通过采用惯导/卫星导航组合或者惯导/里程计组合的方式来实现 车辆的定位定向;卫星信号良好时,惯导系统与卫星导航组合实现车辆定位定向,当卫 星导航信号不好甚至没有信号无法正常工作时,惯导系统与里程计组合实现车辆定位定 向。提出一种惯导/卫星导航/里程计三者的一体化组合方案,针对惯导、北斗、里程计 这三项测量设备构成的组合系统建立了统一的误差状态模型、组合量测模型以及反馈修 正模型,并通过卡尔曼滤波器来实现三者的一体化紧组合,这种惯导/北斗/里程计一体 化的紧组合方式,能更好地实现三者信号之间的充分交流与融合。将这种一体化紧组合 方法与传统的惯导/北斗组合、惯导/里程计组合方法进行了仿真比较,结果表明：惯导/ 北斗/里程计一体化的紧组合方法能更加快速、准确得到传感器误差（ 包含惯组误差、 北斗误差、里程计误差）的在线估计,更能有效提高各传感器的测量精度。     

惯导系统动基座对准精度试验评估

舰船、飞机武器装备出航前,其装备的惯性导航系统需要进行初始对准,由于实际使用环境的影响,载体可能受到扰动而产生摇摆运动,从而对惯导系统的对准造成干扰.为了提高惯导系统的对准导航精度,需要研究惯导系统在动基座条件下的对准技术方案,基于实际系统的试验验证是技术研究和产品检验交付的重要环节,为了有效评估惯导系统动基座对准的精...     

机载双轴旋转调制激光惯导系统误差特性及关键技术分析

在未来作战环境下,长航时远程作战飞机对全自主长航时高精度导航系统提出了迫切的需求,对提高作战能力起着重要作用.对比各种导航手段,其中双轴旋转调制激光惯导系统是目前唯一一种可行的全天候全自主高精度导航手段,从双轴旋转调制惯导系统的原理出发,对双轴旋转调制激光惯导系统机载应用的误差特性及关键技术进行深入分析,结果表明:对于1n mile/12h的导航精度,双轴旋转调制惯导系统较捷联惯导系统对陀螺漂移精度要求降低一个数量级,关键技术实现方案合理可行.