High accuracy navigation and landing system using GPS/IMU systemintegration

In this paper, the accuracy, integrity and continuity of function requirements for automatic landing systems using satellite navigation systems are discussed. Such a landing system is the integrated navigation and landing system (INLS) developed by Deutsche Aerospace (DASA/Ulm, Germany). The system concepts of the INLS are presented. It is shown how an INLS, based on system integration of a satellite navigation system (e.g., GPS) in realtime differential mode with an inertial measurement unit (IMU) in the accuracy class of an attitude and heading reference system (AHRS), can meet the requirements: the results given are mainly devoted to the accuracy issues. Using Kalman filter techniques, an in-flight calibration of the IMU is performed. The advantage of system integration, especially in dynamic flight conditions and during phases of flight with satellite masking, is explained. The accuracy, integrity and continuity of function of the INLS were proven by means of flight tests in a commuter aircraft using a laser tracker as a reference. These flight tests have shown that the short-term accuracy (<60 seconds) of the AHRS used within the INLS has been improved from low cost sensor quality to the accuracy of a high quality laser inertial navigation system (LNIS). With the presented INLS, a landing at any airfield, not equipped with conventional Instrument Landing System (ILS) or Microwave Landing System (MLS), is possible by using a very cost effective system. The INLS is a high accuracy navigation and landing system designed to be used instead of conventional landing systems at small airfields and to fill operational gaps of conventional navigation and landing systems in cruise and approach on large airports     

Increased Aircraft Close-Support Mission Effectiveness Through Optimized Selection of Avionic Systems

The selection of avionic subsystems, which constitute an optimum integrated military aircraft electronic system, involves the analysis of three major factors: reliability, logistic compatibility, and performance. This is a discussion of the analysis of performance only, as an illustration of one major consideration in synthesizing a new aircraft avionic system. The quantitative result of this analysis would be combined with the results of analysis of the other two major factors for comparison with alternate systems similarly analyzed. One important type of close-support mission and its related avionic functions are described in terms of a required series of tasks, including navigation to the IP (identification point) and target, acquisition of the IP and target, and weapon delivery. The method of evaluating the avionic subsystems for their respective tasks is discussed, and the analytical method of evaluating system effectiveness is presented.     

基于车载平台的飞行管理系统DR/GPS 导航试验验证

飞行管理系统是民用飞机的关键航空电子系统。飞行管理系统制造商有责任对飞行管理系统开展大 量的试验以验证飞行管理系统功能和性能的符合性。考虑数字验证的局限性和飞行试验验证的巨大代价,本文 利用车载平台开展飞行管理系统综合导航功能的验证,试验结果表明设计的飞行管理系统DR/GPS 导航方法能 够满足95% 的飞行时间水平方向达到0.1 海里的导航精度要求,为实际的飞行测试提供了试验数据参考。     

低成本的多普勒-捷联惯性组合导航系统

本文研究了一种采用低精度的惯性器件,应用卡尔曼滤波技术的多普勒捷联惯性组合导航系统。讨论了组合方案,推导了系统的动态方程,设计了一种最优和四种次优卡尔曼滤波器。对系统进行了协方差分析。分析结果表明,采用随机漂移为0.1°/h的陀螺仪,零位误差为10^-4g的加速度计,应用卡尔曼滤波技术可以实现1nmile/h的导航精度,成为一种低成本、中等精度的导航系统。     

小型无人机的导航与制导仿真系统研究

研究了基于飞行器动力学模型的小型无人机的惯性组合导航与制导系统仿真技术,组合导航系统嵌入了飞行器的轨迹和姿态控制回路,建立了基于MATLAB/AEROSIM的组合导航计算机仿真系统,仿真系统包括惯性组合导航仿真模块、传感器仿真支持模块、飞行器6自由度动力学模型模块、飞行器轨迹生成、轨迹控制与姿态控制模块、导航仿真评估模块。基于该仿真系统,目前已开展惯性/卫星深组合、惯性/大气数据融合等理论算法和技术研究。     

航模直升机微型组合导航与控制系统研究

以JR-260型航模直升机为研究对象,基于嵌入式Linux操作系统,开发一套微型组合导航与控制系统。系统硬件采用了组合导航系统MNAV100CA和嵌入式飞行控制计算机Stargate,集成了固态的加速度计、角速率传感器、磁航向计、大气机和GPS接收机,以及R/C接收机脉位调制（PPM）航模舵机接口。软件设计采用扩展的卡尔曼滤波和状态监视方法实现了导航系统设计,基于实时Linux线程机制编制了航模舵机的驱动程序,以802.11b无线网络实现空中飞参信号的实时下传,并在便携式地面站上实现了实时监控功能。     

基于交互式多模型的飞机编队相对导航算法研究

在飞机编队飞行时,成员间的相对位置信息是实现系统协同作战的重要保证,为了提高机群编队飞行的相对导航定位精度,在无地面基准的机群编队飞行JTIDS/GPS/TACAN/IFDL组合的相对导航系统中,采用交互式多模型扩展卡尔曼滤波(IMM-EKF)算法,设计实现了多传感器相对导航系统,克服了飞机动态模型参数变化导致使用单一动态模型滤波精度下降的问题。仿真分析结果表明,交互式多模型算法可以提高相对导航系统的定位精度和可靠性,特别在GPS可见卫星很少的情况下,依然能够具有良好的定位性能。     

基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)因频点单一、落地功率低、易受电磁干扰以及存在覆盖较差区域等潜在的被拒止或被干扰导致的导航系统性能降低甚至失效的问题,提出了一种基于星链(Starlink)机会信号融合惯性导航系统(INS)的飞行器动态组合导航方法。首先分析了星链信号体制,建立了基于星链星座卫星下行机会信号的瞬时多普勒定位观测模型,设计了一种基于频率细分的快速最大似然多普勒频率估计方法,然后建立了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Starlink机会信号/INS的组合导航模型,并对该导航方法进行了实验及分析。结果表明,该方法可为飞行器提供长航时、连续、高精度的导航。动态飞行情况下,该方法可实现平均优于25 m的三维定位精度和平均优于0.1 m/s的速度估计精度,比相同观测时间下的惯导精度提高了1～2个数量级,显著提高了飞行器的导航精度,可为战略导航提供方法和技术支撑。     

多天线/GPS光纤陀螺IMU组合车载定姿系统研究

利用GPS多天线定姿系统与低成本光纤陀螺IMU组合,以PC104作为组合导航计算平台,采用重调式松散组合算法,构建了低成本、高精度、高可靠性的车载航姿保持系统,并成功应用于移动卫星通讯系统。经测试,组合系统静态初始化时间小于2min,动态定姿精度优于0.1度,更新率为100Hz。该项技术可进一步拓展应用于舰载、机载等运动平台,前景可观。     

Low cost inertial/GPS integrated position and orientation systemfor marine applications

This paper describes the Low Cost Position and Orientation System (LCPOS), comprising the integration of a low cost “tactical grade” inertial measurement unit with GPS position, velocity and heading aiding data. LCPOS was designed to be a cost-effective alternative to a high performance costly ship INS (SINS). The demonstrated accuracy of the LCPOS integrated navigation solution is comparable to that of the SINS     

Drag derived altitude aided navigation method

The navigation problem of the lifting reentry vehicles has attracted much research interest in the past decade.This paper researches the navigation in the blackout zone during the reentry phase of the aircraft,when the communication signals are attenuated and even interrupted by the blackout zone.However,when calculating altitude,a pure classic inertial navigation algorithm appears imprecise and divergent.In order to obtain a more precise aircraft altitude,this paper applies an integrated navigation method based on inertial navigation algorithms,which uses drag derived altitude to aid the inertial navigation during the blackout zone.This method can overcome the shortcomings of the inertial navigation system and improve the navigation accuracy.To further improve the navigation accuracy,the applicable condition and the main error factors,such as the atmospheric coefficient error and drag coefficient error are analyzed in detail.Then the damping circuit design of the navigation control system and the damping coefficients determination is introduced.The feasibility of the method is verified by the typical reentry trajectory simulation,and the influence of the iterative times on the accuracy is analyzed.Simulation results show that iterative three times achieves the best effect.     

卫星拒止情况下低精度惯导系统航姿算法研究

在卫星拒止情况下,低精度MEMS惯导系统由于惯性器件性能较差,无法长时间保持姿态精度。从重力矢量及飞行器的动力学特性出发,提出了一种基于动态检测和Kalman数据融合的航姿算法。该算法从导航与飞控一体化的理念出发,实时判断飞行器机动和飞控状态,在低动态时利用Kalman滤波器对水平加速度和惯性解算的姿态角进行数据融合,估计和修正水平姿态误差,从而提高水平姿态精度。经过飞行仿真验证,该算法可有效完成飞行器的动态检测,并保证在系统机动情况下水平姿态误差在2°以内。     

信息融合技术在组合导航系统中的应用

提出了无线电近程导航系统(RSRN S)与IN S/GPS的综合过程,探讨了RSRN S和IN S/GPS综合应用过程中的信息融合技术问题。采用GPS伪距、伪距率以及无线电近程导航定位与IN S组合,建立了卡尔曼滤波方程,设计了飞行轨迹,对相关的信息融合技术进行了初步讨论,并给出了惯性元件精度较低时组合系统的仿真输出。这种组合导航方案可以充分利用各种导航传感器的信息,有效提高导航系统的精度。     

基于双ARM系统的MIMU航姿测量系统的 研究及实现

针对小型无人机武器平台对航姿系统小型化、低成本、集成化的设计要求,提出了一种基于双ARM系统的MIMU航姿测量系统,实现了单板集成所有惯性测量、初始对准、惯性导航、组合导航,以及航姿测量等功能.通过车载导航试验及飞行试验考核,该系统可以满足用户应用需求.     

高精度中远程导航系统发展述评

介绍和分析了以多普勒速度传感器(DVS)加航姿基准系统(AHRS)为基准的高精度中远程导航系统(DNS)的基本工作原理、所具有的成本低、精度高等优点,及其在国外各种飞行器上的广泛应用。并展望了以多普勒导航传感器加AHRS和其他设备组合为基准构成的组合导航系统的发展前景。     

一种常规机动下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性分析

为保证机载捷联惯组的导航精度能够达到要求,需要对惯组定期进行返厂标定,成本高、周期长,也影响载机的使用效率,故而机载惯组在线标校技术的研究一直在不断进行中。对大中型运输机的机载惯组而言,由于其机体较大、机动能力较差,很难完成诸如S机动等复杂的机动动作,故而需要对其常规飞行机动状态下机载SINS/GPS组合导航系统的可观测性进行分析。利用GPS提供的速度和位置信息作为外部观测量来设计Kalman滤波器,采用基于分段线性定常系统(PWCS)的奇异值分解法(SVD),对飞机静止、起降、匀速飞行、匀加减速飞行、转弯等一系列常规机动条件下系统的可观测性和可观测度进行研究。通过Matlab仿真和转台实验,验证了组合导航系统可观测性分析结论的有效性,可为机载惯组的在线标校提供一定参考。     

空天飞行器星敏感器安装误差在线标定方法

空天飞行器高动态、长航时的运动特性可能导致一体化安装的惯性/天文组合导航系统中星敏感器与惯导间产生安装误差角。设计了一种星敏感器安装误差角动态辨识方法,建立了星敏感器安装误差角模型,设计了基于天文角度观测的星敏感器安装误差角动态辨识方案,分析了不同机动飞行方式下星敏感器安装误差角的可观测度。仿真结果表明,所设计的基于卡尔曼滤波的动态辨识方法能够在飞行器机动过程中快速地对星敏感器安装误差角进行在线标定,对安装误差角的标定值可以达到实际误差值的85%以上,有效地提高了组合导航系统的精度。     

基于奇异值分解的组合导航可观测度计算

以捷联惯组为主惯导的组合导航系统具有短时定位精度高、可靠性强等优点,但其依然存在长时间导航精度不高、运算量大、组合效率不高等问题。为更好地完善组合导航系统的误差补偿和抑制技术,对SINS/DVL组合导航系统的可观测性能进行了研究。在分段定常系统(Piece-wise Constant System,PWCS)的可观测性分析方法及基于奇异值分解的系统状态可观测度分析方法基础上,结合可观测性矩阵的遗传特性,提出了一种简化的状态量可观测性分析方法,并对该方法进行了理论仿真。为方便比较状态量的可观测程度,对各状态的可观测度进行了归一化处理。最后,通过湖面跑船实验设计了不同的航迹机动方式,计算了关键导航参数的可观测性能。实验证明,该方法可以实时计算组合导航参数的可观测度,根据可观测度设计的航迹可以有效提高导航精度,定位精度可提高1个量级,收敛速度也获得了明显提高。     

SINS/BDS紧组合系统中自适应 两阶段扩展卡尔曼滤波

在实际应用中，以伪距/伪距率为观测量的SINS/BDS紧组合导航系统，存在量测噪声的统计特性与实际不相符的情况，传统扩展卡尔曼滤波（EKF）方法无法有效解决这一问题，从而引起滤波误差增大。提出了一种SINS/BDS紧组合导航系统的GDOP估算及在线估计量测噪声的自适应两阶段EKF（ATEKF）方法，该方法使用经过紧组合修正后的SINS输出的位置，并结合星历数据中提供的卫星位置求解GDOP。在此基础上，利用GDOP值以及新息，实现了紧组合导航系统的量测噪声方差阵（Rk）的在线实时估计，从而达到自适应滤波的效果，改善导航精度。     

考虑飞机排放因素的飞机巡航性能参数优化方法

巡航是民航飞机主要的飞行阶段,航班飞行中绝大多数的燃油消耗、飞行时间和污染物排放均发生在该阶段。基于国际民航组织（ICAO）基准排放数据和BM2方法,建立了污染物排放量和排放成本计算模型;提出污染物排放价格权重、成本指数排放因子和综合成本指数概念,以改进飞行成本计算模型,考虑污染物排放对飞行成本优化的影响;通过计算分析输入成本指数对性能参数和飞行成本的影响,建立了基于搜索方法的综合成本指数优化流程,并采用Visual Studio予以开发实现;然后计算了综合成本指数飞行的经济效益,以及飞机质量、成本指数和巡航高度对飞行成本的影响。结果表明,选择合适的综合成本指数和巡航高度,可使总飞行成本达到最小,提高运行经济性。与传统巡航相比,在典型情况下采用综合成本指数巡航可以降低相同条件下的总飞行成本的0.15%。