基于GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的可行性分析

研究利用GPS对地球同步轨道自动转移飞行器进行导航的方法,分析了飞行器在转移过程中可用的GPS卫星数目,在地心惯性坐标系下建立了惯导误差和GPS的伪距、伪距变率模型,采用渐消因子的自适应卡尔曼滤波对飞行器进行组合导航.仿真结果表明,可用GPS卫星的数目随着飞行器高度的增高而减少,因此无法利用单一历元观测信息直接对飞行器导航.但采用多历元观测信息和动力学模型相结合的滤波方法可对飞行器进行组合导航,当飞行器初始位置偏差为1 km,初始速度偏差为1 m/s,伪距及伪距变率观测均方差分别为10 m和0.05 m/s时,地球同步轨道自动转移飞行器的最终位置偏差小于50 m,速度偏差小于0.02 m/s.      

无人飞行器三维类脑SLAM自主导航方法

随着动物大脑中导航细胞的发现以及人工智能的快速发展，受动物启发的类脑SLAM自主导航方法为突破现有导航方式的瓶颈提供了新的思路。本文针对无人飞行器类脑SLAM自主导航技术的研究进展进行了综述， 包括：1）论述无人飞行器SLAM技术研究现状；2）在二维SLAM导航技术的基础上介绍了三维空间以及单一环境下的类脑SLAM自主导航方案；3）分析了二维及三维类脑SLAM自主导航方案的关键技术；4）最后对现有三维导航方案进行分析验证并指出目前类脑SLAM在无人飞行器上应用时亟需解决的问题。类脑SLAM技术不依赖于高精度传感器、对环境适应性强、自主智能性高，更加适用于无人飞行器复杂动态的飞行环境。     

直接敏感地平的空天飞行器惯性/天文组合方法

传统的惯性/天文位置组合导航系统中,由于天文定位观测输出耦合了水平观测平台基准误差,往往存在系统噪声与量测噪声不完全独立的问题.针对此问题,分析了利用天文观测量修正惯性系下陀螺漂移的原理,提出了一种直接敏感地平进行天文解析定位及组合滤波的空天飞行器自主导航定位方案,并建立了相应的组合滤波模型.所提出的方法采用星敏感器和陀螺仪构造惯性基准,并在此基础上进行基于红外地平仪的天文定位解算,最后进行惯性/天文组合定位.该方案充分利用了星光敏感器在惯性系下姿态测量精度高的优点,并使惯性/天文组合定位滤波中状态噪声和观测噪声完全独立,仿真结果验证了该定位方法的有效性.     

无人飞行器自主着舰实时场景的仿真实现

为给垂直起降无人飞行器视觉自主着舰算法研究提供经济可行的解决方案,实现了无人机自主着舰场景的软件仿真以提供算法研究中所需的合格场景图片.基于机器视觉理论,通过分析无人飞行器机载摄像机在自主着舰时考虑了透镜畸变参数的针孔成像模型,给出了无人飞行器着舰靶标的成像公式,并介绍了软件仿真中畸变模型实现时出现的问题及解决办法.为了使仿真图像更逼真,综合考虑了无人飞行器着舰实时场景中所存在的主要干扰,如光照不匀,运动拖影及电气噪声和大气流动和海面悬浮颗粒造成的白噪声等,在C+ +和Windows环境下实现了无人飞行器自主着舰的仿真图像和数据的实时生成.最后展示了部分仿真结果.     

空间机器人自主定位定向方法研究

针对机器人在月球或火星上进行采矿的应用背景,研究了切平面捷联惯导方案、视觉定位方案、静态和动态的视觉/惯性组合定位定向方案.所提出的视觉/惯性组合导航系统使惯导系统的导航精度有很大的提高,同时只要求机器人携带很少的设备,大大降低了系统的成本.仿真结果表示该方案可行.      

伪卫星/惯性组合导航的非线性补偿

伪卫星具有抗干扰能力强和布置灵活机动的特点,在增强卫星系统和独立组网为用户提供更高精度导航定位信息方面具有广阔的应用前景.研究了一种伪卫星/惯性组合导航的非线性补偿算法.由于伪卫星与用户的距离比卫星近得多,其非线性量测的影响也严重得多.采用二次项修正一定程度上弥补了传统线性化方法存在的模型误差大、滤波效果差甚至发散的问题.为避免求解非线性方程的困难使用了两步估计方法,大大降低了算法的复杂度.仿真结果表明,该算法可以显著提高伪卫星/惯性组合导航系统的性能,具有很高的实用性.     

一种面向空间飞行器视觉导航的椭圆检测算法

基于椭圆特征的空间飞行器视觉导航技术是一种新颖的高精度空间探测自主导航方法,如何对空间目标的环形边缘进行精准提取和高效拟合是实现空间飞行器视觉导航的必要条件。针对该问题,提出一种面向空间飞行器视觉导航的椭圆检测算法。利用多项式逼近导航图像连续边缘段的方式提取椭圆弧段;通过基于极大似然假设检验理论构建的模型选择判据,对来自同一个椭圆的椭圆弧段进行准确合并;对合并后的椭圆弧段进行拟合,得到空间飞行器视觉导航的椭圆检测结果。大量的仿真实验表明：与传统的椭圆检测算法相比,所提算法具有较高的精度和更高的鲁棒性,可以广泛应用于空间飞行器视觉导航图像椭圆检测,为空间飞行器视觉导航算法提供精准的二次曲线输入。     

磁暴期间的地磁导航精度分析

地磁导航是无源自主导航技术研究的新方向. 分析了地磁导航的基本原理, 描述了典型磁暴过程, 并针对地磁导航在磁暴环境中的适用性进行了研究. 在采用曲面样条方法对实测地磁场数据建立观测模型的基础上, 结合广义卡尔曼滤波方法讨论了磁暴不同阶段对地磁导航精度造成的影响. 分别采用理论典型磁暴数据以及实测磁暴数据进行仿真, 仿真结果表明, 在磁暴的初相、恢复相的中后时段以及中等强度以下的磁暴全过程仍然可以采用地磁来进行导航定位, 导航精度在200 m以内, 满足飞行器中程制导的精度要求.      

基于视惯融合的大型空间碎片质心位置辨识

大型自由翻滚碎片的质心是在轨操作基坐标系下的不动点，也是碎片连体基下动力学参数向卫星坐标系转换的基准，对其精确识别是提高碎片动力学参数辨识精度的关键。提出基于惯性单元测量数据与双目视觉定位数据融合的大型空间碎片质心位置识别方法。基于无力矩欧拉方程，获取附着到空间碎片表面的惯性单元间转换关系，利用该转换关系对惯性单元冗余测量数据优化，再优化求解惯性单元到质心点距离；利用双目视觉获取惯性单元上标记点动态坐标，再利用惯性单元到质心点距离，基于三点定位原理识别大型空间碎片的质心位置。以加入高斯白噪声的惯性单元与双目视觉测量数据进行仿真，结果表明优化解算后惯性单元实时测量数据的误差降低到1%以下，解算的质心位置三轴误差小于0.47mm；开展了地面试验，结果表明，解算的质心位置三轴误差小于0.49mm。仿真和试验证明，该方法能够为大型空间碎片的消旋、捕获任务提供准确的数据基准。     

飞行器交会对接相对位置和姿态的估值方法

在飞行器的交会对接过程中 ,应用计算机视觉系统作为精确传感设备 ,测量飞行器相对于固定在空间站的坐标系的三维位置和方向 ,为导航和控制回路提供需要的反馈信息。文中研究了由计算机视觉系统采集的二维图像信息估计飞船相对于空间站的位置和姿态的方法 ;提出了光点检测光线拟合算法 ,并给出数字仿真结果。     

北斗双星定位系统改进及其算法的研究

北斗双星定位系统是我国自行建立起来的一种区域性定位系统(RDSS)．本文论述了双星导航定位系统存在的缺点,提出了利用我国现有的导航卫星资源即两颗工作卫星和第3颗卫星(备用卫星)与气压高度表组成一种区域性无源导航定位系统,并给出了定位算法表达式．仿真结果表明,该方法是可行的,可实现中等精度的导航定位,为发展我国的卫星导航定位系统提供了一种新思路．     

基于光电导航的伪卫星空中基站定位算法

由于具有抗干扰能力强和布置灵活机动的特点,伪卫星在增强卫星系统和独立组网为用户提供更高精度导航定位信息方面具有广阔的应用前景。伪卫星空中基站的精确定位是构建伪卫星区域定位系统的一个关键问题。为此,研究了一种基于光电导航的定位算法,综合利用光电探测成像信息和惯性导航信息,根据伪卫星空中基站的特点建立了相应的误差模型,并采用最小二乘法估计位置误差。计算机仿真结果表明所提算法简单,具有较大的实用价值。     

航天器天文导航模糊自适应卡尔曼滤波研究

星光折射间接敏感地平的自主天文导航方法能够获得很高的导航精度,但由于大气密度模型时空分辨率不高,这种方法所敏感的地平有可能出现较大的瞬时误差,从而导致导航滤波器精度降低,有时甚至发散.为了解决这一问题,提出将模糊推理系统应用于自主天文导航,研究基于Unscented卡尔曼滤波的模糊自适应算法,使导航滤波器在观测值异常时具有一定的自适应能力.计算机仿真结果验证了该方法的有效性.      

一种地外天体路标图像的稀疏化表征方法

摘要： 针对用于地外天体着陆视觉导航的路标图像信息存在的计算量大和占用存储空间大等问题,提出一种路标图像的稀疏化表征方法.引入着陆路标图像的尺度估计和尺度变换,采用Harris 算法提取路标特征点,改进了FREAK特征描述子用以稀疏化表征天体路标信息;并针对图像旋转、尺度变化、图像噪声和尺度估计误差4种外界干扰,仿真对比改进算法与原FREAK算法、SURF算法的性能.仿真结果表明：提出的算法大幅减少计算量和特征描述子所占用的存储空间,同时能够正确匹配到更多的路标特征,鲁棒性更好,更适合地外天体着陆任务应用.     

一种多运动模式下自适应阈值零速修正算法

传统基于微机电惯性测量单元（MEMS-IMU）的惯性导航系统（INS）引入零速修正（ZUPT）算法校正器件的累积误差。但由于ZUPT算法零速判定阈值为固定值,只适合单一运动模式,当室内行人运动轨迹包含多种运动模式时,定位精度下降。对此,提出了一种多运动模式下自适应阈值ZUPT算法。分析了室内行人包括静止、走、跑、上楼和下楼5种运动模式零速判定阈值的选取,实现了利用随机森林（RF）算法对5种运动模式的分类识别,并根据识别结果对ZUPT算法零速判定阈值进行自适应调整。为了验证本文算法的可行性和有效性,利用MATLAB软件平台对实测数据进行处理,并与传统定位算法进行了比较。3组实验结果表明,当室内行人运动轨迹包括多种运动模式时,相比传统固定阈值的ZUPT算法,引入自适应调整阈值的ZUPT算法可使定位算法的定位精度提高73.83%。      

自适应卡尔曼滤波器在陆地车辆导航中的应用

建立了车载GPS(Global Positioning System)/DR(Dead-Reckoning)组合导航系统自适应扩展卡尔曼滤波模型及其算法,从而大大提高了车辆导航系统的定位精度.首次提出依据PDOP(位置误差系数)等GPS定位系统的输出参数,自动调整观测噪声协方差阵[WTHX]R和系统噪声协方差阵Q[WT]的大小,从而自适应地调整组合导航系统模型性能的方法,使得模型具有较强的适应性.计算机仿真及实验结果表明应用该模型具有良好的效果.      

视觉导航下基于H2/H∞的航迹跟踪

为了从理论上研究视觉导航系统的特性,首先在物理上将视觉导航系统划分为传感器(摄像头、激光测距仪)和视觉处理计算机。针对视觉处理计算机,建立视觉位置测量模型。将视觉位置测量模型的不确定性分为参数不确定性和输入干扰2种。然后通过仿真详细分析了视觉位置估计针对不同模型不确定性的敏感程度。最后在引入视觉位置测量模型不确定性的基础上研究H₂/H_∞混合鲁棒控制在航迹跟踪上的应用,并给出了保证航迹控制系统稳定性和跟踪性能情况下的视觉位置测量模型摄动范围,对计算机视觉算法的研究具有一定的指导意义。     

基于相似性传播聚类算法的机会信号选择

介绍了复杂低空环境下的机会信号导航方法,并提出了一种机会信号选择方法,解决了机会导航信号源类型多、数量多难以选择的问题.由于信号源的几何精度因子(GDOP,Geometry Dilution of Precision)越小则定位精度越高,同一区域信号对GDOP影响相似,因此采用聚类的方法选择信号.首先,将各信号间的距离作为相似度测量参数,通过相似性传播聚类算法获得相似类组;然后,依据类组的中心点确定所选类组;最后,从中选择组内的机会信号.经仿真,分析了不同分布的机会信号聚类特点,通过对汶川震区机会信号选择的仿真,验证了相似性传播聚类算法的有效性.另外,该方法在复杂低空飞行应用中将大大提高信号选择的效率.     

一种惯性信息辅助下的GPS快捕方法

全球定位系统(GPS,Global Positioning System)信号的捕获时间直接影响高动态环境下GPS接收机的使用性能.在分析传统的外部信息辅助GPS捕获方法的基础上,提出了一种在惯性信息辅助下进行快速捕获的方法,该方法由粗捕获和精捕获构成.详细分析了该方法的实现方法和性能,进行了MATLAB/Simulink系统级仿真及蒙特卡罗仿真试验.仿真结果表明:在保证码相位捕获精度和提高频率分辨率的前提下,运用该方法可以显著缩短GPS接收机搜索捕获的时间,提高接收机的动态性能,相对无外部信息辅助的情况总捕获时间缩短至2%~3%.