多源自主导航系统完备性研究

多源自主导航系统技术是新一代国家综合定位、导航与授时(Positioning, Navigation and Timing, PNT)体系下终端用户导航系统的技术发展方向。聚焦于导航系统综合评估的完备性,分析了完备性理论构建存在的科学技术问题,基于任务场景、运动环境以及载体动力学特征等,提出了多源自主导航系统中的指标体系构建和建模表征、指标间归一化处理和组合权重动态分配、指标综合的完备性度量与全回路动态迭代优化的解决方案,为多源自主导航系统技术体系构建打下基础。     

国家综合PNT体系下的多源自主导航系统技术

国家定位、导航与授时(Positioning, Navigation and Timing, PNT)服务的核心是建立基准统一、弹性健壮、安全可信、高效便捷的综合PNT体系。总结了中美两国近年来PNT体系发展概况,分析了现有多源自主导航系统存在的不足之处,提出了多源自主导航系统的基本特性,即可检测性、可重构性、可信性和完备性,并给出PNT体系下多源自主导航系统技术未来的发展建议,为国家综合PNT体系后续论证及工程建设实施提供参考。     

自主导航技术发展现状与趋势

自主导航技术是各类运动载体自动化、智能化运行的核心技术。简要介绍了自主导航技术的基本概念,综述了国内外航天、航空、舰船、车辆、单兵等领域的自主导航技术研究进展,对于自主导航的关键技术如惯性导航、惯性基组合导航、地磁导航、重力梯度导航、天文导航和多源信息融合等技术发展现状进行了分析,对自主导航技术的发展趋势进行了展望。可为中国未来各类主流自主导航系统研制提供参考,并为多种自主导航任务的总体设计提供帮助。     

基于可观测度分析和增量因子图的多源融合导航方法

复杂动态场景下高精度导航定位是自主无人系统决策规划与控制执行的基础。在城市峡谷、隧道、地下或室内停车场等场景下，卫星信号弱甚至丢失，严重影响了惯性/卫星/视觉等多源融合导航的精度和可靠性。为主动适应动态场景变化，迫切需要设计一种适用于跨场景的多源融合导航系统。基于动态时变系统的可观测度分析，在线度量惯性/卫星、惯性/视觉等组合导航因子的可信程度，进而采用因子图融合导航框架，根据各组合导航因子的可信程度，主动优化因子构建和增量平滑过程，以实现多传感器自适应融合导航与可靠定位。实验仿真表明：基于可观测度分析方法，能够在线优化因子图计算过程，提升了多源融合导航系统的环境适应性和跨场景能力，保证了复杂动态场景下自主无人系统跨场景导航模式切换和连续可靠的导航定位。     

微小型飞行器惯性组合姿态确定与航路导航研究

构建了微小型飞行器(MAV)导航、制导与控制(GNC)系统。研究了微惯性导航测量单元零偏的温度建模及非正交误差的多位置标定补偿方法,提出微小型飞行器导航、制导与控制系统闭环条件下,利用导航、制导与控制回路的飞行状态特征信息的微惯性组合导航系统滤波算法,根据微小型飞行器飞行状态实时调整卡尔曼滤波器的观测噪声方差,有效提高了动态过程中姿态测量精度和微小型飞行器的飞行平稳度。完成了组合导航系统滤波算法验证飞行试验及自主姿态稳定和航路飞行试验。飞行试验表明:微小型飞行器实现了自主姿态稳定与长距离超视距航路点导航飞行,航路点导航误差小于30 m,惯性组合姿态确定与航路导航系统及算法满足微小型飞行器自主飞行对导航系统的需求。     

基于多模态感知与融合的无人车韧性导航系统

针对野外复杂环境下的无人车自主导航需要,建立了一种基于多源融合定位、语义建图与运动规划的智能导航系统.首先,针对IMU、轮式里程计、视觉SLAM与激光雷达SLAM等测量子系统,设计了误差状态扩展卡尔曼滤波器进行融合定位.其次,基于改进的CNN语义分割网络生成环境的语义图像,与3D激光雷达点云融合,并使用最大概率更新算法构建语义3D地图.接着,在语义和几何信息投影获得可通行性代价的基础上,提出了一种语义动态窗口的局部路径规划方法.最后,将以上感知、定位与规划方法整合成完整的智能导航系统,在城市与野外典型场景的测试中,相对定位误差小于0.4％D,具备一定的韧性导航定位和智能感知规划能力.     

序言

<正>北斗全球卫星导航系统的建成、应用奠定了我国自主时空信息服务基础,随之我国进入综合PNT体系发展建设新阶段。综合PNT体系将以北斗系统为核心,通过多类PNT技术手段协同与融合应用,实现更为精准、泛在和智能的PNT服务能力。通导一体化作为综合PNT核心手段之一,得益于通信极其广泛的覆盖性及日益增强的信息传输能力,依托通信网络对卫星导航系统进行补充、备份和增强,展现出显著的协同优势,因此也成为了领域研究的热点方向。通导一体化是通信和导航系统通过信号、信息、平台、网络等多层次的一体化设计,实现通信导航业务能力的协同与增强,其技术内涵横跨了通信、导航两大领域方向,属于交叉学科范畴。     

高精度导航计算机实现技术研究

惯性导航系统是一种自主式导航系统,其核心部件是导航计算机。介绍了导航计算机实现的技术原理;分析了导航计算机实现的关键技术,包括高精度浮点处理技术、导航传感器功能集成技术、高精度导航技术、智能接口技术和集成化的软件开发调试环境;针对惯性导航系统对精度和实时性的要求,提出了一种高精度导航计算机的设计方案,其实现技术先进,具有广泛的应用前景。     

美国陆军PNT能力发展趋势分析

针对当前全球定位系统(GPS)易受干扰和攻击的影响,定位、导航与授时(PNT)系统需灵活应对多种复杂战场环境。分析了美国陆军未来发展先进PNT技术的背景,重点分析了美国陆军PNT能力的发展趋势,其中主要包括了伪卫星系统、车辆导航系统、惯性导航、定位、导航系统辅助传感器、导航传感器融合、导航仿生技术、授时、PNT建模与仿真、导航战技术应用、自主与人工智能在PNT中的应用等11个方面的发展趋势。最后给出了简要总结,认为美陆军将注重改进单兵和车辆态势感知能力,以提高未来支持战场指挥官的任务指挥和决策能力,同时重点关注了开放式系统架构、SWaP-C优化、自主技术和人工智能技术,以提升PNT的整体能力。     

航天器自主导航状态估计方法研究综述

自主导航是航天器自主运行的核心关键技术。状态估计是实现航天器自主导航的核心手段,是指实时确定航天器在轨位置、速度和姿态等导航参数,是航天器自主导航技术的重点发展方向之一。首先,针对航天器自主导航的实际需求,阐述了研究航天器自主导航状态估计方法的必要性,具体从导航系统可观测性分析、导航滤波算法、导航系统误差补偿3个方面介绍了航天器自主导航状态估计方法的研究现状;然后,分析并总结状态估计方法在航天器自主导航系统中的实际应用;最后,结合理论研究和实际应用,给出了状态估计方法目前存在的主要问题并对其后续发展进行了展望。     

无人机类脑吸引子神经网络导航技术

当前无人机在非结构化或未知环境下飞行主要采用SLAM进行导航与定位,存在如下突出问题：依赖高精度昂贵激光雷达等环境感知传感器;需要建立准确世界和无人机物理模型;受环境影响较大;自主智能水平较低,无法较好地满足无人机对导航系统的要求,需要发展自主智能的导航方式。基于吸引子神经网络的类脑导航技术,无需训练模型参数,不依赖高精度传感器,无需精确建模,且复杂环境下鲁棒性较强,具有解决上述问题的潜力。简要阐述了动物大脑导航机理,分析了吸引子神经网络和基于吸引子神经网络的类脑导航关键技术,最后讨论了吸引子类脑导航技术在无人机应用中的挑战。     

导弹智能化对惯性技术发展需求

未来战争是智能化的战争,未来导弹的发展必然呈现智能化趋势。针对导弹智能化需要具备的智能感知、智能决策、智能控制、智能协同和智能突防等五方面特征,分析了惯性技术的作用和发展需求,颠覆性创新技术的不断涌现,也推动了新原理、新材料、新技术在惯性技术领域的应用。本文提出了需要突破的关键技术,包括惯导系统大数据应用技术、惯导系统容错及系统重构技术、智能协同导航系统的时空基准统一技术、以惯性系统为基础的信息集成技术等关键技术,并对适应未来网络协同作战的智能导弹导航控制需求提出了对策建议。     

基于卫星导航的铁路列车控制系统自主定位技术研究进展

基于卫星导航的车载自主化列车控制是智能铁路技术体系的关键组成部分。对中国列车控制系统体系架构进行了梳理,分析了列控专用列车自主定位基本结构及与列控系统的接口模式。结合列车运行控制对安全性的特定需求,探讨了列车自主定位性能需求体系,介绍了国内外基于卫星导航的新型列车控制系统的发展情况,阐述了列车自主定位技术内涵及主要研究进展,从多源感知融合无缝定位、列车卫星定位主动增强、定位专用轨道地图数据库、自主定位性能测试评估等多个方面进行了全面系统的梳理和分析,介绍了伪卫星增强列车定位、轨旁卫星定位增强网络、地理分布式零现场虚拟测试设施等典型成果,并对前沿技术运用演进、关键场景融合优化、复杂环境安全防护、跨层协同全息感知、专用标准规范体系等未来发展方向进行了展望。     

专栏主编

袁洪,Personal profile个人简介,1968年5月出生,研究员,博士生导师,中国科学院空天信息创新研究院导航系统部主任,Introduction to Scientific Research科研简介,长期从事电离层探测、北斗导航系统建设、PNT体系论证等方面的工作,获得省部级科技奖励8项,发明专利60余项,发表论文100余篇。目前主要从事卫星导航增强、多源融合导航、空间天气监测等方面的技术研究和系统研发。     

惯性卫星紧组合导航系统自主完好性算法研究

为保证组合导航系统运行的可靠性和输出导航参数的准确性,结合组合导航系统的自主完好性检测的基本算法,基于气压高度辅助下的卫星导航接收机最小二乘检测法和组合导航卡尔曼卡方检验法,提出了一种能够识别突变故障和缓变故障的组合导航系统自主完好性检测的算法,充分利用导航系统中高精度惯导系统的导航信息,实现了组合导航系统的自主完好性检测算法,提高了组合导航系统在复杂环境下的导航信息可靠性。     

序言

多智能体的协同导航与控制作为人工智能及导航控制的重要分支,在当今受到广泛关注.“多智能体系统协同导航与控制技术”专栏,致力于探索自然界中生物个体间的信息交互和共享机制,发掘多智能体之间灵活有效的协同方法,解决导航、定位、环境感知等问题,以提高多智能体在复杂环境下的决策与工作能力.     

基于联邦滤波的SINS/GNSS/OD/高度计多源组合导航算法研究

针对城市情况下车载导航时单一导航源易受干扰的问题,提出了一种基于自适应联邦Kalman滤波的多源组合导航算法.该模型具有两级结构,由子滤波器进行各信息源局部估计后,通过主滤波器进行最优融合估计.融合具有不同工作特点的导航传感器的输出信息组成多源信息组合导航系统,从而提高了导航系统的精度和鲁棒性,且通过故障诊断算法实时检...     

火星探测光学自主导航半物理仿真系统设计

针对火星探测中的捕获段和环火段,探讨火星探测光学自主导航半物理仿真系统的设计方案.研究了轨道动力学模型和光学相机导航系统图像处理方法,建立了自主导航算法模块的观测模型和输出显示模块的模型,利用Unscented卡尔曼滤波算法对探测器的位置和速度滤波.仿真结果表明,自主导航精度较高.     

启发式GPS导航引擎的设计与实现

随着GIS系统和导航系统的发展,建立一个高效的路径搜索引擎成为众多相关系统开发者的当务之急.从经典Dijkstra算法出发,分析了城市道路网的特定网络结构特点,将决策机制引入到路径搜索中来,设计了一个启发式GPS导航引擎.最后列举了该导航引擎进行了的对比测试数据,结果表明所提出的启发是智能导航引擎在嵌入式GPS导航系统中有较好应用前景.     

一种无源双星与多普勒导航系统组合的实现方法

提出了一种双星定位系统(RDSS)无源测距信息与多普勒导航系统(DNS)组合导航的方法。首先对多普勒导航系统的定位误差进行了计算机仿真分析,得到了航姿系统(AHS)的航向角误差是系统主要误差源的结论。随后讨论了在气压高度信息辅助下无源双星和多普勒导航系统组合消除航向角误差影响的可行性,并且给出了利用卡尔曼滤波进行无源双星与多普勒导航系统组合的实现方法。计算机仿真和直升机搭载试飞的组合定位结果表明:无源双星与多普勒导航系统组合仅通过对多普勒导航系统的地速数据和两颗卫星无源测距差进行处理即可完成平面导航定位,从而摆脱了对航姿系统中航向角信息的依赖,抑制了平面定位误差的增长,获得较高导航定位精度的同时能够满足高动态导航定位的要求,为双星系统的无源应用提供了一条新的途径。