航天器太阳圆面速度差/太阳视方向组合导航

针对航天器，尤其是深空探测器的自主导航问题，提出了一种新的太阳圆面速度差天文量测信息，该信息利用太阳的较差自转所造成的太阳圆面各点速度不同的特性，是探测器当前位置的函数，其几何本质是一个探测器的位置圆锥。在此基础上，基于太阳圆面速度差和太阳视方向互补的特性，提出了一种太阳圆面速度差/太阳视方向组合导航新方法，将太阳圆面速度差与太阳视方向2种量测量结合起来，实现了量测量之间的优势互补，进一步提高了导航性能。以太阳探测器为例进行了仿真，仿真结果表明相比较于单独用太阳圆面速度差或太阳视方向的导航方法，基于太阳圆面速度差/太阳视方向的组合导航方法精度分别提升了10.2%和16.0%。此外，还分析了光谱仪精度、采样周期和光谱仪数量对导航性能的影响，为深空探测自主导航提供了新的理论与方法。     

一种新的高精度天文导航方法

介绍了一种新的高精度天文导航方法,该方法构建了在天球坐标系中的天文导航姿态与航向解算模型。该模型在不利用惯导姿态数据的前提下进行计算,通过构建的模型演变得到运载体的精确姿态及航向,可以有效校正惯导设备因惯性陀螺漂移而导致的姿态误差与航向误差。     

Hybrid Simulation System Study of SINS/CNS Integrated Navigation

In flight tests, to demonstrate the performance of integrated navigation systems, which are strapdown inertial navigation systems/celestial navigation systems (SINS/CNS), will involve a lot of effort and a heavy financial budget. So, it is important to design a functional self-contained hardware in a loop simulation system on the ground for solving the verification of SINS/CNS integrated navigation systems. Aiming at solving the main program, a high precision, versatile and better real-time performance hybrid simulation system of SINS/CNS integrated navigation is presented. The system adopts the design of hardware-functional modularization and software-flow integration, and makes use of a trajectory generator to produce simulated nominal trajectory data which is a uniform reference to signal process, and employs unique time synchronization algorithms to collect actual errors data of inertial sub-system and celestial sub-system. By combining with nominal trajectory data, the data smoothing, all-sky autonomous star map identification and integrated navigation algorithm based on unscented Kalman filtering (UKF), this system can accomplish a lot of system performance testing. It has the features of flexibility and extensibility and can be used to effectively reduce the experimental expense and shorten the development time of integrated navigation system, which is significant for studying algorithm performance, system speciality, and practical application of integrated navigation system.     

Solar-tracking methodology based on refraction-polarization in Snell's window for underwater navigation

Underwater navigation system is an indispensable part for autonomous underwater vehicles. Due to the indiscernibility of satellite signal, however, the underwater navigation problem is quite challenging, and a satellite-free navigation scheme should be looked for. Polarization navigation, inspired by insects’ capability of autonomous homing and foraging, is an alternative solution to satellite navigation with great application potential. Underwater polarization provides an indirect sun compass t...     

弹道导弹天文/惯性导航误差修正方法研究

通过分析导弹天文导航和惯性导航的导航原理和误差模型,在基于充分利用高精度天文导航参数的思想上,提出了组合导航的误差修正方法。首先对两种导航参数进行了归算,而后提出了利用多次的天文测量参数对惯性测量误差进行修正的方法。该方法能较为准确地分离出引起射程误差较大的关机点速度、位置等的误差值,从而为实现利用天文导航进行射程误差修正提供前提条件。仿真计算表明,该方法是行之有效的。     

基于局部大气偏振特性的仿生导航方法

目前主流的偏振导航算法中，思路通常为通过对全天域偏振图像的获取拟合出太阳子午线或中性点的位置，进而判断导航方向。现提出一种新的导航方向获取算法，可在小视场条件下，通过对太阳方向矢量的拟合判断导航方向。在此基础上进行了计算机仿真和室外实验，利用偏振相机获取了天顶区域大气偏振分布模式；利用斯托克斯矢量分析法解算出了大气偏振模式的分布情况，包括其中偏振度和偏振角的信息，初步证实了解算算法在实际情况下的可行性和精度，导航精度可达到0.2°左右。     

极区横向地理系空间稳定型惯导算法研究

针对地心惯性系和当地地理系的空间稳定型惯导系统导航算法在极区导航失效的问题,提出了适用于空间稳定型惯导系统的极区导航算法。该算法通过伪经纬网构建了横坐标系参考框架,建立了横向地理系空间稳定型惯导系统力学编排,并在此基础上重新推导了通用的误差模型。最后,通过极点附近区域与穿越极点区域仿真分析了算法的极区有效性。仿真结果表明该算法在极点附近区域解算的伪航向角误差小于3′,伪经度误差小于4′;在穿越极点区域解算的伪纵摇角、伪横摇角误差小于0.3′,伪航向角误差小于3′,伪东向、伪北向速度误差小于1m/s,伪经度、伪纬度误差小于4.2′。该算法克服了极区导航计算溢出、误差放大等问题,提高了系统的极区导航精度,能够满足极区导航要求。     

The Psi-Angle Error Equation in Strapdown Inertial Navigation Systems

A detailed development is presented of the psi-angle vector differential equation as applied to the error analysis of strapdown inertial navigation systems. The coordinate systems involved and the psi misalignment vector are clearly defined. It is proven that apart from a sign change the psi-angle differential equation in the error analysis of strapdown inertial navigation systems is identical to the one used in conventional gimbaled inertial navigation systems.     

一种长航时惯导定位误差评估的新方法

针对长航时惯导传统定位误差评估中存在的问题,提出了一种新的基于惯导误差传播函数拟合的定位误差评价新方法。基于长航时惯导系统定位误差传播模型的特点,采用三角函数建立了误差传播拟合函数,主要包含舒拉周期、地球周期和傅科周期,反映了惯导的长期误差特性。提出了惯导误差契合度的定义和计算方法,实现了对长航时惯导系统定位误差的量化评估。对两套精度大致相同的长航时惯导舰载实验数据进行了对比分析,结果表明新的评估方法能够给出更合理的定位性能优劣判断。最后,针对长航时自主导航需求提出了综合导航技术的改进建议。     

基于对偶四元数的INS/GPS组合导航算法研究

在基于对偶四元数的捷联惯导解算方法的基础上,推导了以惯性系作为导航系的惯导误差方程,在此基础上设计了卡尔曼滤波组合导航算法。通过激光惯导跑车采集数据,进行了仿真分析,试验结果表明,该组合导航算法能有效的消除惯导累积的速度误差和位置误差,相比于目前广泛应用的INS/GPS组合导航算法,本文描述了INS/GPS组合导航的另一种实现方式,获得了相当的精度,具有一定的工程应用价值。     

双轴旋转式激光捷联惯导系统的转位方案研究

惯性导航系统的误差随时间累积,旋转调制技术可以有效地提高惯导系统的长航时精度,旋转调制方案是决定旋转式捷联惯导系统导航精度的一个重要因素.针对双轴旋转惯导系统,相较于16次序转位方案,提出了一种新的32次序双轴旋转调制方案.根据捷联惯导系统的误差方程,推导出旋转捷联惯导的误差方程,分析了误差补偿的机理,研究了惯性器件常值偏置误差、标度因数误差和安装角误差的传播特性.仿真结果表明,32次序双轴旋转调制方案相对于16次序转位方案有明显的优势,可以有效地降低姿态角误差和经纬度误差.     

基于足间距信息辅助的行人三维惯性定位算法

针对行人惯性导航系统误差随时间累积致使定位精度严重下降的问题,提出了一种基于足间距信息辅助的行人三维惯性定位算法。该算法在零速修正算法的基础上,利用足部安装的超声波测距模块实时测量行人双足相对距离,构建了基于超声测距的足间距约束模型,通过随机森林算法实现行人运动模式识别,并针对上下楼梯场景,利用台阶高度和足间距信息进行高度解算,最终实现行人三维惯性定位。在实际路线上开展了三维定位实验,数据显示,所提算法平面闭环误差为总路程的0.64%,与零速修正算法相比下降了55.56%,高度误差为0.06 m,与零速修正和气压计联合算法相比下降了64.70%,能够实现导航误差在总路程的0.50%以内的三维定位。实验结果表明,所提算法具有良好的工程应用价值。     

基于改进的磁场检验和主方向算法的行人航向估计

针对以惯导为核心的行人定位算法存在航向角失真的问题，提出了一种融合惯性测量单元(IMU)和磁力计的行人导航算法，利用步幅航向的变化量将行人的运动分为直线行走和曲线行走两部分，当检测到行人直线行走时，提出一种实时建立主方向的自适应航向角漂移修正算法，对航行角误差进行补偿；当行人曲线行走时，辅助地磁场信息，使用磁场强度、地磁倾角、惯性导航系统(inertial navigation system，INS)与磁力计解算的航向角之差这三个特征值构建广义似然比检验量，对磁场进行判断获得稳定状态磁场信息，通过卡尔曼滤波对航向角误差进行补偿。将传感器置于足部进行实验，实验结果表明,两种算法可以实现优势互补，有效地抑制地磁信息的干扰，提高导航精度，算法结果相对于无航向角修正的零速修正算法、零角速度更新算法和单独使用磁力计进行融合的算法，定位误差分别降低了91.02%、82.93%和61.39%，室外和室内终点定位误差分别为4.545 4 m和0.543 6 m，占总路程的0.69%和0.17%。     

面向室内场景的惯性磁感应定位方法

针对卫星拒止的室内导航问题,在现有磁信标定位技术的基础上,通过分析低频旋转磁场的特点,建立了一种不受传感器姿态和磁信标磁矩信息影响的磁感应矢量夹角观测模型,并结合MEMS惯性导航的误差模型提出了一种以磁感应矢量夹角的正余弦值为量测信息的惯性磁感应动态定位方法,避免了磁传感器姿态误差和磁矩误差对定位结果的影响。利用实验室的双轴磁信标实验系统进行静态测试,验证了磁感应定位模型具有不受传感器姿态、环境中遮挡物以及磁矩影响的特点;通过数值仿真的方式对基于无迹卡尔曼滤波(UKF)的惯性磁感应定位方法进行验证,结果表明该方法能有效地抑制惯性导航的发散,且位置最大误差小于0.75 m,满足大多数室内场景下的高精度导航定位需求。     

基于虚拟地标的行人惯性SLAM算法

针对当前仅使用低成本惯性传感器的行人导航系统航向角存在较大累积误差的问题,研究了一种只使用惯性传感器信息的虚拟地标构建方法,并通过匹配虚拟地标点对位置和航向进行误差补偿.在此基础上,结合同时定位与建图(SLAM)方法的思想,实现了仅基于惯性传感器的SLAM,提高了行人导航的精度和可靠导航时间.试验结果表明,该方法能够有效消除纯惯性行人定位系统的累积误差,在2027m2的单层建筑物中空间位置误差小于10m.     

基于改进容积卡尔曼滤波的惯性/光流组合自主测速方法

针对容积卡尔曼滤波算法在惯性/光流组合测速数据融合时出现由于各系统输出数据频率不一致导致融合精度有限的问题,提出了一种基于多速率残差校正的改进容积卡尔曼滤波算法.通过当前时刻误差估算组合导航系统残差,再使用估算后的残差对速度估计值进行补偿,最终实现惯性/光流组合系统速度测量值的数据融合.实验结果表明,通过提出的改进容积...     

一种基于语义信息辅助的无人机视觉/惯性融合定位方法CSCD

视觉传感器在无人机室内定位中发挥着重要作用。传统基于特征点的视觉里程计算法通过底层亮度关系进行描述匹配,抗干扰能力不足,会出现匹配错误甚至失败的情况,导航系统的精度及鲁棒性有待提升。由于室内环境存在丰富的语义信息,提出了一种基于语义信息辅助的无人机视觉/惯性融合定位方法。首先,将室内语义信息进行因子建模,并与传统的视觉里程计方法进行融合;然后,基于惯性预积分方法,在因子图优化中添加惯性约束,以进一步提高无人机在动态复杂环境下的定位精度和鲁棒性;最后,通过无人机室内飞行试验对算法的定位精度进行了分析。试验结果表明,相较于传统的视觉里程计算法,该方法具有更高的精度和鲁棒性。     

一种提高捷联惯性/里程计组合导航系统定位精度的后处理方法

测绘用捷联惯性/里程计组合导航系统多采用离线后处理技术.此类系统利用里程计位移微分获得的速度作为观测量,采用速度匹配,并通过待测路径中预置的Mark点校正航位推算的位置信息.本文建立了基于速度匹配的16维Kalman滤波模型,对全程采样数据进行正反向导航和滤波处理,以估计惯性器件和里程计的误差;在补偿相关误差后,再次进...     

Angular velocity determination of spinning solar sails using only a sun sensor

The direction of the sun is the easiest and most reliable observation vector for a solar sail running in deep space exploration. This paper presents a new method using only raw measurements of the sun direction vector to estimate angular velocity for a spinning solar sail. In cases with a con-stant spin angular velocity, the estimation equation is formed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector;the least-squares solution is then easily calculated. A performance criterion is defined and used to analyze estimation accuracy. In cases with a variable spin angular velocity, the estimation equation is developed based on the kinematic model for the apparent motion of the sun direction vector and the attitude dynamics equation. Simulation results show that the proposed method can quickly yield high-precision angular velocity estimates that are insensitive to certain measurement noises and modeling errors.     

行人导航系统中的MEMS误差在线修正技术

在基于微惯性器件的行人导航系统中,陀螺仪和加速度计的偏移是降低系统定位精度的重要因素。传统的标定方法大多在实验室中进行,后续导航解算都是基于标定后的固定模型,然而MEMS器件长时间工作后,标定模型参数发生变化会导致系统导航性能下降。通过分析行人导航系统及MEMS器件的特点,提出了一种基于误差模型的MEMS器件参数在线修正方法。根据行人行走的特点,检测并区分行走过程中的可修正区间与不修正区间。在可修正区间基于逆向解算算法实现了对陀螺仪和加速度计零偏的在线修正,并提出了主航向反馈修正算法,提高了行人导航系统长时间导航性能。实验结果表明,40m行走实验中,系统定位精度提升了9.07%;300m行走实验中,系统定位精度提升了13.14%。