地面无人作战平台导航技术发展现状与趋势

当前,国内外地面无人作战平台处于快速发展阶段,其自主性、智能性的特点使得其相较于传统地面武器平台对导航系统提出了更高的要求,除了具备常规意义上的测姿、定位、定向等功能之外,还需要具备环境相对位姿感知与导航能力。目前,典型的地面无人平台均采用惯性基组合导航方案,以惯性传感器为主,配备卫星、视觉、雷达等多类辅助传感器,通过组合导航算法实现传感器间的有机融合。针对地面无人作战平台的导航需求,对当前主流惯性基组合导航技术进行梳理,分别介绍了惯性/里程计、惯性/卫星、惯性/视觉、惯性/激光雷达组合导航技术的发展现状,并对适用于地面无人作战平台的导航技术进行了展望。     

水下重力匹配定位算法综述

随着重力测量和水下导航技术的发展,惯性/重力匹配导航技术因其精度高、自主性强和航时长等优点,已成为水下自主导航的重要研究方向。惯性/重力匹配导航系统主要由惯性导航系统、重力实时测量、海洋重力场背景图和重力匹配定位算法构成。重力匹配定位算法通过将实时测量的重力异常值与构建的重力场背景图进行匹配,得到水下运载体当前时刻的位置信息,是惯性/重力匹配导航技术的核心。本文详细介绍了重力匹配算法的技术发展现状,重点分析了具有代表性的ICCP算法、SITAN算法、矢量匹配算法及其衍生算法,并对惯性/重力匹配水下自主导航技术的未来发展进行了展望。     

水下PNT体系之声学导航定位技术应用展望CSCD

声学导航技术是水下PNT体系的重要组成部分,也是水下PNT建设的一种有效增量手段,应充分利用中高频声学导航技术的隐蔽性和精确性,以及低频声学导航技术的广域性,满足水下用户对水下导航定位能力的隐蔽性、广域性以及精确性需求,有效促进水下导航定位服务能力的持续提升。从水下应用需求出发,研究了声学导航的任务剖面、边界条件和融合方式等,明确其在水下应用的优越性与局限性,最后对我国未来声学导航技术水下应用提出了建议。     

无人水面艇自主导航技术

作为无人水面艇的关键技术之一,自主导航技术决定着无人水面艇自主航行能力的高低。结合无人水面艇在实际航行和作业过程中自主导航所面临的问题,对无人水面艇组合导航及完好性监测技术、协同导航技术、路径规划技术和环境感知技术目前的现状、不足和发展趋势进行了总结和分析。为了更加精确、可靠地进行安全导航定位,即插即用全源导航是无人水面艇可采用的一种导航方式,并在此基础上开展了组合导航完好性监测工作。多目标规划综合最优及基于分层策略的自适应路径规划方法是解决动态时变环境下路径规划问题的有效途径。深度学习、数据挖掘、信息融合等人工智能技术将在提高环境感知信息的本质特征表述、充分挖掘多元异构数据间的有效信息,以及构建信息全面、立体、可靠的三维环境模型方面发挥主导性作用。     

自主水下航行器的组合导航系统综述

由于GPS和无线电信号在水下严重衰减，因此以惯性导航为核心，加以其他辅助导航设备的组合导航系统正适用于自主水下航行器的使用环境。回顾了近年自主水下航行器组合导航的最新进展，为将自主水下航行器应用于军用和民用等领域的研究学者提供了参考。首先，总结了国内外近十年来自主水下航行器组合导航方法，如INS/APS组合导航、INS/GPS组合导航、INS/DVL组合导航、INS/地球物理组合导航和INS/SLAM组合导航；介绍了各种自主水下航行器组合导航系统的基本原理和关键技术问题的解决方案；总结对比了其优缺点和发展趋势；最后给出了未来自主水下无人航行器组合导航面临的挑战。     

自主式水下无人潜航器导航系统的应用与展望

随着科技的进步,自主式水下无人潜航器(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)发展迅猛,被应用于地质勘探、水下目标探测、战场监测及协同组网作战等军民领域中。从实际应用出发,梳理并总结了基于惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)的水下导航技术在AUV上的应用情况,并介绍了地球物理场导航、即时定位与构图(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)导航、视觉导航、仿生导航、协同导航、全源导航等新型导航技术的发展现状。基于未来AUV向多种类、深远海、长航时、智能化的发展趋势,研判了水下导航系统正在向高精度、集成化、小型化、智能化、体系化等方向加速发展。     

基于SiP的低成本微小型GNC系统技术

随着微机电系统(MEMS)技术及微惯性器件的发展,大量小型化、低成本、高性能的导航、制导与控制(GNC)产品正越来越多地应用于小型无人飞行器、地面无人系统以及精确制导弹药等领域.针对各类应用需求,基于MEMS惯性测量单元(IMU)、GNSS接收模块、全捷联红外/可见光/激光多模智能导引头、信息处理器(DSP)与数据链通信模块,采用SiP技术研制出GNC芯片.基于GNC芯片构建一体化微小型GNC系统,突破了基于SiP一体化微小型GNC系统集成、全捷联红外/可见光/激光多模智能感知、嵌入式深组合导航、全捷联多模智能导引头/导航/制导与控制一体化设计等关键技术,并对其性能进行了评估.微小型GNC系统技术为低成本小型无人系统和精确制导弹药的发展夯实技术基础.     

序言

正海洋定位与导航技术是一门既古老又年轻的技术,其发展曾相伴于"海上丝绸之路"和"大航海时代"的人类文明进程。进入21世纪以来,国家"海洋强国战略"和"一带一路"倡议的提出,对该领域技术的发展也带来新的机遇和挑战。近年来,随着物理光学、水下声学等基础学科的突破,以及重力测量理论、惯性技术系统理论、组合导航理论的发展,无论是在关键核心技术还是在工程应用上,海洋定位与导航均出现一系列极具特色的新成果。     

参数优化方法在AUV组合导航系统PQR调参中的工程应用

为提高水下无人潜航器(AUV)的组合导航定位精度,需要对组合导航系统的参数进行调节,以保证组合导航系统获得较高的组合导航性能.针对AUV组合导航系统的P QR调参,借鉴多学科优化设计思想,首次提出了基于目标优化方法和传感器实采数据的P QR参数整定方法.首先,使用传统经验值开展了模拟AUV"水下潜航-水面GP S校准-水下潜航"工作方式的跑船试验和传感器数据采集.之后,基于传感器数据回放和组合导航过程的离线仿真,使用目标优化方法对组合导航系统的系统参数进行了优化求解.最后,使用P QR最优解分别开展了实航和离线仿真的对比验证.试验结果表明,目标优化方法能够应用于AUV组合导航系统的P QR调参,可以保证SINS/GP S/DVL组合导航系统的稳定性和较高的水下组合导航定位精度.使用该方法调参后,经实航验证和离线仿真对比,水下组合导航定位精度的CEP50指标分别降低至人工调参方式的44.0％和56.0％.该方法简单、有效,具有较高的工程应用价值.     

水下运载体导航技术

本文第一部分综合了国外近几十年根据不同需求形成的多种水下导航技术,论述了面上导航信息利用水声技术向水下转化的多种形式以及利用不同地球物理参数与地理位置相关性导航的各自特点与问题,论述了在测绘海底地形、重力与其它地球物理特性及其变化时在传感器层面和任务层面融而为一所形成的独具水下特色的同步定位与建图(Simultaneous Localization and Mapping,SLAM)导航技术,论述了NavLab作为一个通用工具软件在水下导航系统研发、精度分析以及作业前导航功能规划和导航信息事后处理方面的独特作用。本文第二部分以极具代表性的挪威HUGIN AUV系列产品军民两用为实例,根据任务和导航功能需求,从其“导航工具箱”(ToolBox)选择适用手段,给出典型任务对应的导航方式和传感器。文章结束部分给出了基于先进人工智能技术的未来展望。     

地面无人平台视觉导航定位技术研究

地面无人平台实现自动驾驶等功能的核心难题在于如何感知其所处环境并获得自身在环境中的实时状态。机器视觉作为地面无人平台在复杂环境下实现自主导航及定位的重要手段,近年来得到了快速发展。系统性地分析了视觉定位与地图构建系统的基本架构,并对该架构包含的图像信息预处理、视觉里程计、回环检测、全局优化和地图构建模块分别进行了详细介绍。针对各模块所涉及的关键技术,总结了近些年来国内外主流的研究成果,对比分析了各个关键技术中主流方法的性能,并展望了地面无人平台视觉导航定位技术的发展方向。     

对低轨导航系统发展趋势的思考CSCD

全球卫星导航系统成熟的产业推广和技术应用极大地牵引了卫星导航发展需求,使相关学者愈来愈关注恶劣电磁环境下的抗干扰技术以及分米、厘米级高精度导航定位服务。低轨星座优越的平台/轨道特性使其被誉为未来极具潜力的卫星导航手段。特别是近十年商业航天的蓬勃发展,带动卫星平台技术及火箭运载技术突飞猛进,大大降低了低轨卫星制造与发射成本,使得面向低轨星座的导航定位技术成为研究热点和发展方向。首先深入地剖析了不同历史阶段低轨导航的应用方向和技术体制,梳理归纳了低轨卫星星座独立定位及低中高轨卫星联合定位两种应用模式的技术特点,然后分析了未来低轨导航在整个卫星导航系统体系中的应用前景和技术挑战,为未来低轨导航系统建设和发展提供设计参考与技术借鉴。     

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.     

组合导航系统实验平台的设计与实现

随着科学技术的发展,人们对导航定位的要求越来越高,单一的导航方式已无法满足导航技术发展的需要,组合导航已成为导航技术发展的必然趋势.本文根据组合导航系统的概念,设计出一种通用的组合系统模型.该组合导航系统实验平台可以直接应用于目前的组合导航研究和实验,成为组合导航系统研究方面的有效工具,促进组合导航研究的发展.     

浅析水下PNT体系及其关键技术

针对水下用户进行了梳理与分类,分析了水下用户对于PNT服务的需求,以及当前水下PNT体系的能力水平距离满足用户长期需求存在的差距。阐述了当前国际上水下PNT体系的建设现状,以及部分国家对于PNT体系建设的规划。在此基础上,分析了未来水下PNT体系的发展方向。最后,从水下PNT特殊性出发,总结归纳了包含惯性、重力/地磁匹配、水声导航、水下PNT能力评估等技术内容的水下PNT关键技术。     

超短基线定位技术及在海洋工程中的应用

海洋开发和海防工程等领域都离不开水下定位技术的支持,水声作为水下定位技术中不可或缺的重要手段近年来也获得快速发展。介绍了水声定位中几种常见的技术,针对近年来发展火热的超短基线定位技术及其在海洋工程中的应用进行了着重介绍。收集罗列了目前国内外市场上公布的几款主要的超短基线定位产品及其性能参数,为超短基线方面的研究提供了参考依据。通过对比分析了国内外超短基线定位技术研究之间存在的差距,并展望了超短基线定位技术未来的发展方向。     

基于变结构多模型的SINS/DVL组合导航算法

对于无人水下航行器来说,SINS/DVL组合导航是其主要导航方式,由于DVL自身作用距离的限制,虽然它可以在水跟踪模式下工作,但洋流速度作为其测量误差会导致SINS/DVL组合导航性能下降甚至失败.针对上述问题,基于有向图切换方法,设置洋流速度模型群,利用所设置的模型群切换策略对子模型群进行激活和终止,通过变结构多模型...     

水下复杂环境下基于SINS/USBL/DVL多源信息融合的组合导航算法

针对复杂水下声场环境下高精度、长航时导航与定位的需求,构建了捷联惯性导航系统(SINS)/超短基线(USBL)相对测量信息的观测方程和SINS/声学多普勒测速仪(DVL)的观测方程,提出了一种融合SINS/USBL/DVL多源信息的组合定位算法.为解决声学量测信息不确定引起的导航性能下降的问题,充分考虑水声野值所导致的...     

视觉导航技术的发展

近20年来视觉导航技术发展迅速,在原理方法与技术实现上取得了重要突破,规模化应用已经成为可能。以视觉导航中光流、视觉里程计、视觉同步定位与地图构建等主流研究方向为对象,对其发展概况、基本原理、技术优势与难点等进行了简要介绍与分析,并从近期应用推广及长远发展角度对视觉及视觉组合导航技术进行了展望。     

一种基于集中滤波的SINS/DVL/USBL 水下组合导航算法

针对水下运载体的长时间高精度导航问题,提出一种基于集中滤波的捷联惯性导航系统(SINS)/声学多普勒测速仪(DVL)/超短基线(USBL)水下组合导航方法,建立了杆臂在线估计的SINS/DVL速度观测模型和SINS/USBL相对量测信息观测模型,并利用参考信息判定结果实时更新量测方程及维数,既能保证精度,还能一定程度上减少运算量。理论仿真和湖面试验表明,本算法能够实现长时间高精度的水下导航定位,具有可行性。