SINS/GNSS组合导航系统可视化仿真

针对惯性导航系统随时间误差积累的特性,设计了一种基于VC++的SINS/GNSS组合导航的仿真系统。根据飞控模块模拟飞机实际飞行轨迹,从而产生惯性测量器件的真值数据。利用Visual Studio2005完成捷联惯导实时解算和全球导航定位系统仿真,完成输出校正,从而实现组合导航系统的动态数字化仿真。程序结果表明组合导航系统可以克服惯性导航系统随时间误差积累的特性,导航参数误差不随时间漂移,可以用于长时间导航。     

Optical/radio/pulsars integrated navigation for Mars orbiter

In this paper, we address the issue of the integrated navigation algorithm with different combination of measurements for Mars orbiter. First, system dynamic model and navigation measurement models using optical measurement information, radio measurement information and X-ray pulsars measurement information are respectively established. Second, optical/radio/pulsars integrated navigation algorithm is proposed, and observability analysis of the integrated navigation system is also conducted. Third, adaptive extended Kalman filter is adopted to fuse measurement information and suppress measurement and process noise to optimally estimate the state of Mars orbiter. Monte Carlo simulation results show that optical/radio/pulsars integrated navigation can effectively improve the navigation accuracy and satisfy the navigation requirements of Mars orbiter.     

一种巡视器惯性/视觉组合导航新方法

在以运动参数误差为状态量、视觉导航与惯导导航相对运动参数差为观测量 的传统惯性/视觉组合导航方法中, 为解决相对运动参数同时与前后两个时 刻状态相关的问题, 采用将前一时刻位置和姿态误差增广到状态量中的方法, 并且假设增广的状态量为常值, 导致状态模型中引入了较大的误差. 基于 真实位置、姿态建立观测量误差模型, 导致观测量同时与前后两个时刻的状 态相关. 本文以惯导误差方程为状态模型, 采用四元数差形式的相对运动 参数差作为观测量, 基于上一时刻组合导航位置、姿态估计值建立观测量误 差模型, 实现了状态的增广, 并使得量测信息仅与当前时刻的位置误差和平 台失准角相关, 克服了状态模型误差较大的问题. 月面仿真和地面模拟实验 均表明, 该方法能够达到较高的位置和姿态估计精度.     

环火星自主导航系统设计及参数优化研究

当前火星探测器环绕段的导航信息主要依赖地面深空探测网提供,基于光学成像的导航方式尚不能提供较高的导航精度。因此提出一种应用相对测量的探测器实现火星环绕段的自主导航。两颗编队飞行的探测器进行相对测量,观测信息为探测器之间的相对视线矢量(LOS)。同时利用主星的星敏感器确定星体在惯性空间的姿态,将观测信息转换至惯性系下获得简化的观测方程,使用扩展卡尔曼滤波器(EKF)对卫星的轨道进行确定。介绍了具体导航方案的实现方法和技术细节,使用粒子群优化方法(PSO)对模型设计的相关参数进行优化,导航精度得到明显提高。实现位置确定精度10 m,速度确定精度0.01 m/s。为设计最优的编队导航系统参数提供了有效思路。     

基于ASUKF的火星探测器脉冲星自主导航方法

脉冲星导航可靠、稳定、精度高, 是实现火星探测器自主导航的有效手段之一.针对脉冲星导航中脉冲到达时间的微小误差会引起巨大的位置估计误差这一问题,提出了一种基于扩维Unsented卡尔曼滤波(ASUKF,Augmented State Unscented Kalman Filter)的火星探测器脉冲星自主导航方法,建立了以位置、速度和脉冲到达时间的常值测量误差作为状态量的导航系统数学模型,可在对探测器位置、速度进行估计的同时有效估计并修正脉冲到达时间的常值测量误差,并降低随机测量误差的影响.仿真结果表明该方法的导航定位精度可达350m以内,可以满足火星探测自主导航的需要.     

基于MIMU的SINS／GPS／EMC组合导航系统半物理仿真研究

针对低成本的MIMU元件的特点,设计了SINS／GPS／EMC组合导航系统结构以及相应的Kalman滤波器,并进行了半物理仿真研究。实验结果分析表明,在使用EMC测量航向来弥补MIMU的不足后,所设计的SINS／GPS／EMC组合导航系统可克服各自的不足,有效的提高导航定位准确度及系统可靠性,且在很大程度上可以放宽对低成本MIMU准确度的要求。     

An innovative navigation scheme of powered descent phase for Mars pinpoint landing

Pinpoint landing (within 100 m from the target) is essential for future Mars exploration missions. This paper deals with one aspect of the pinpoint landing architecture—the navigation performance improvement during the powered descent phase, and proposes an innovative navigation scheme to obtain the vehicle complete and accurate states. On the basis of dead reckoning relying on the Inertial Measurement Unit, measurements of the Integrated Doppler Radar are adopted to correct the vehicle velocity and altitude. Distance between the vehicle and one Mars Orbiter as well as their line-of-sight relative velocity is measured by a radio sensor, and integrated in the filter to correct the vehicle horizontal position. The innovative navigation system is based on an Extend Kalman Filter. Two observation schemes are developed. One considers measurements of the Integrated Doppler Radar and radio range measurement. Another further considers radio velocity measurement. The performance of the innovative navigation scheme is greatly influenced by the position of the Mars Orbiter with respect to the target. Stochastic analyses are performed to obtain optimal locations of Mars Orbiter. Finally, the innovative navigation scheme performances are assessed through stochastic simulations. Its performance improvements are demonstrated by comparison with the Integrated Doppler Radar only navigation scheme.     

厘米级高精度GPS—SINS组合系统研究

成像传感器和定位子系统是先进机载成像系统的两个重要组成部分。以东、北、天坐标系为导航基准坐标系,建立了GPS－SINS组合系统状态的数学模型,详细推导了利用GPS双差相位及双差相位率的组合系统观测方程。仿真结果表明,该组合系统能达到厘米级定位精度,姿态精度为10″左右,可满足先进机载成像系统的要求。     

火星着陆自主导航方案研究进展

火星着陆导航技术是火星着陆过程的核心技术之一。围绕火星着陆环境特点与导航技术遇到的挑战,分析了目前火星着陆过程的导航能力和自主导航的发展趋势,并针对火星着陆过程的特殊性和导航需求,概述了火星着陆过程各阶段自主导航方案的研究现状与进展。进而从导航方案设计与配置、导航模型建立与仿真、导航方案性能分析等方面,对自主导航方案的最新研究进展进行了分析,并在火星着陆全过程自主导航方案综合仿真的基础上,获得了满足火星定点着陆要求的各阶段交接点应满足的导航精度。最后,基于目前技术现状和发展趋势,提出了构建\"递进式三阶段\"火星着陆自主导航方案的设想,可为未来火星着陆自主导航方案的设计与论证提供参考。     

低阶卡尔曼滤波器在低成本SIAHRS中的实现研究

在导航系统的工程应用中 ,高阶滤波器将给导航计算机带来沉重的计算负担 ,也会带来较大的模型误差 ,从而影响系统的滤波精度和性能。文章介绍了低成本捷联惯性航姿系统 (SIAHRS)中低阶卡尔曼滤波器的设计和实现 ,针对航姿系统提出了一种低阶滤波器结构 ,结合磁传感器对航姿系统的航向角进行了组合修正 ;并且以实际研制的低成本航姿系统为例 ,讨论了航姿系统的组成 ,将低阶滤波器应用于该航姿系统。实践结果表明 ,这种低阶滤波器能完全保证低成本捷联航姿系统的姿态精度 ,是一种具有实际应用价值的滤波器 ,有广泛的应用前景     

火星进入段探测器自校准状态估计

由于大气密度、气动参数、突风和沙尘暴等因素的影响,火星探测器在进入段高速飞行的动力学模型中往往带来未知输入,这些未知输入使传统的滤波方法出现较大的偏差。研究采用一种新的自校准扩展Kalman滤波方法,对火星进入段的探测器进行状态估计,可以成功地消除这些未知输入带来的影响。数值仿真结果表明,该方法能有效提高导航精度。     

一种顾及厄特沃思效应的水下重力辅助导航方法

水下相对于水面环境,准确估计厄特沃思效应更为困难,进而影响重力测量精度。由于传统重力匹配算法未考虑水下厄特沃思估计误差对重力辅助导航定位性能的影响,根据不同导航参数对厄特沃思估计误差的影响程度,构建了水下惯导系统/计程仪/重力仪组合导航框架,采用UKF非线性滤波算法,分析了不同导航模式下厄特沃思估计误差特性,并评估了有无厄特沃思估计误差时重力辅助导航性能的差异。半物理仿真结果表明采用DVL的辅助导航方式可有效抑制惯导误差积累,INS/DVL/Gravimeter三者信息融合导航模式定位性能得到了进一步提高,即使在考虑厄特沃思估计误差的情况下,与仅采用DVL作为辅助信息源相比,水平径向误差定位精度依然提升了17.02%。     

火星探测器捕获段自适应卡尔曼滤波方法

天文导航是一种广泛应用于深空探测任务中的节能、高效的导航方式。基于轨道动力学模型和星光角距的卡尔曼滤波方法已经被成功应用在天文导航系统中。在捕获段由于探测器所处动力学环境复杂,未建模的加速度误差,星历误差等都会造成过程噪声统计特性不完全。针对以上问题,提出一种根据新息和残差序列的变化趋势来调节过程噪声协方差阵的自适应平方根容积卡尔曼的方法（AQSCKF）。该方法先分别利用新息和残差计算调节因子,然后判断新息和残差的变化趋势,当新息和残差的变化趋势一致时,取二者调节因子的均值作为过程噪声方差阵的调节因子,对其进行调节。此外,本文还将该方法与传统的只利用新息或残差在线调节协方差阵的平方根容积卡尔曼滤波（SCKF）方法进行对比,仿真结果表明,在解决由于过程噪声统计特性不能完全已知的问题上,AQSCKF算法不仅能显著提高导航精度,并且具有很好的稳定性。     

卫星自主导航系统存在常值偏差的滤波方法研究

由于敏感器常值偏差对导航精度影响较大,因此有必要对其进行标定。考虑到传统常偏扩维算法计算量大,且可能出现数值病态的问题,提出了两步UKF算法,该算法对状态和偏差实施分离估计,从而达到解耦目的。不仅能够准确标定常值偏差,而且还可以提高导航精度。近地卫星自主导航系统仿真结果验证了该算法的有效性。     

基于SSUKF的航天器自主导航算法

针对航天器自主导航系统对稳定性、精确性和实时性的要求,将超球面分布采 样点变换SSUT(Spherical Simplex Unscented Transformation)和Unscented卡尔曼滤波(UK F)相结合,研究了基于SSUT的UKF(SSUKF)导航滤波算法.由于SSUT减少了采样点个 数,在保证滤波精度和标准UKF相当的条件下减轻了计算负担.根据UKF和扩展卡尔曼滤波(E KF)计算过程相似的特点,设计了SSUKF和EKF相结合的混合卡尔曼滤波算法.算法通过能够 度量估计误差的模式切换函数,可以自适应地在SSUKF和EKF之间切换,避免了UKF计算效率低 以及EKF对滤波参数敏感、容易发散的缺点.数值仿真结果表明,混合卡尔曼滤波器提高了 计算效率,保证了估计精度,具有良好的鲁棒性,适合于航天器自主导航系统.      

基于UKF的雷达高度计自主定轨

探讨了利用推广卡尔曼滤波估计非线性系统状态时存在的问题,从而介绍了目前广泛使用的分步逼近的卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter).为了提高导航的可靠性和准确性,在星敏感器导航系统中引入雷达高度计作为一个新的测量设备,提出了一种基于星上雷达测高仪及星敏感器联合进行卫星自主定轨的算法.建立了比较复杂的地球海平面模型,并考虑了其中风生重力波的影响. 利用雷达测高仪的测量结果和地球形状模型,计算地心矢量在卫星本体中坐标系的方向.利用UKF滤波定轨算法,明显提高了自主定轨的精度.数值仿真结果表明,UKF定轨精度要远优于推广卡尔曼滤波.