无人机组合导航直接法与间接法滤波方式比较

全球导航卫星系统/惯性导航系统（GNSS/INS）组合导航可以提供连续、高精度的位置、速度、姿态信息,被广泛应用于无人机的状态估计。其中滤波算法的构建是其组合关键。不同组合导航的模式会对导航定位结果产生相应的影响。针对直接法和间接法这2种常见的组合模式,分别构建了基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的全球定位系统/惯性导航系统（GPS/INS）松组合模式,并将其运用于不同飞行场景下无人机（UAV）的实时动态状态估计。仿真场景以及实际数据验证结果表明,间接法在精度和稳定性方面优于直接法,直接法在滤波计算速率方面优于间接法。因此,当系统具有较高的计算性能,且面向高精度的应用情况下可选择间接法作为无人机导航的技术方案;对于快速求解但精度要求不高的应用情况下,选择直接法作为无人机导航的技术方案可以在一定程度上降低系统的成本。      

A variational Bayesian-based robust adaptive filtering for precise point positioning using undifferenced and uncombined observations

In the application of precise point positioning (PPP), especially in the dynamic mode, the classical Kalman filter (KF) usually produces a large number of estimation errors or diverges when there are gross errors in the observation data or unexpected turbulences occur in target motion state or both of them. For such problem, a variational Bayesian (VB)-based robust adaptive Kalman filtering (VB-RAKF) is proposed in this paper. This filter introduces a classification robust equivalent weight function to resist observation gross error and the inverse Wishart prior to model inaccurate process noise covariance matrix (PNCM). To improve the instantaneous accuracy of state estimation, the VB approach is used to obtain better estimations of inaccurate PNCM. Several sets of observation data collected by IGS reference stations and vehicles are employed to check the robustness and positioning accuracy of the VB-RAKF model. The results show that the VB-RAKF algorithm is more robust than the KF, and can effectively resist the gross error in observation data and control state disturbance. In the IGS reference station tests, when compared to the KF, the static positioning accuracies of the VB-RAKF in the north, east and up directions are improved by 13%, 8% and 22%, respectively, and the simulated dynamic positioning accuracies of the VB-RAKF in the north, east and up directions are improved by 19%, 9% and 21%, respectively. The in-vehicle dynamic test verifies that the VB-RAKF outperforms the KF, and shows that the VB-RAKF has better performance than the KF when dealing with observation data which has obvious gross errors, and similar performance as the KF when gross errors are small.     

基于UKF的FADS/INS融合大气数据估计

针对飞行器在高速飞行时受气流干扰、惯性数据易发散等问题,从传感器数据融合角度出发,提出了通过无迹卡尔曼滤波(UKF)融合嵌入式大气数据观测系统(FADS)和惯性导航系统(INS)估计飞行器实时大气数据的算法。算法使用高维度非线性方程对惯性系统和大气系统间的关系建模,结合FADS与INS的数据,计算飞行器速度和高度,进而估算出攻角、侧滑角等参数。实验结果显示,与INS直接解算、扩展卡尔曼滤波(EKF)融合等原有估计方法相比,文章所述的算法在估计精度和系统稳定性方面均有所提高。     

几种可观性分析方法及在惯导中的应用

建立了惯导系统（ＩＮＳ）的误差模型,研究Ｋузовков方法、奇异值判断法和状态解耦方法等３种可观性分析方法,并将这些方法用于惯导初始对准的可观性分析中。通过分析,用Кузовков方法和奇异值判断法相结合,可更有效地确定不可观状态。用状态解耦的方法,可以将状态分解到相应的子空间中,之后可以选择不可观的状态。     

GPS/INS超紧组合载波跟踪环路最优带宽在线设计

在全球定位系统和惯性导航系统组成的超紧耦合系统中,卫星信号的跟踪性能直接取决于载波跟踪环路的带宽。为提高最优带宽的计算精度,在对惯导辅助下载波跟踪环路跟踪特性进行分析的基础上,详细推导了载波多普勒频率估计误差、多普勒频率变化率估计误差的计算方式,建立了惯导辅助下的环路跟踪误差模型;在实时估计跟踪载噪比的基础上,应用离散牛顿二阶梯度法迭代解算最优带宽,并进行实时调整。仿真结果表明,所设计最优带宽迭代解算方法的计算精度能够在11次迭代内达到99.6%,以此作为环路的带宽,能够在弱信号、辅助信息精度较低的情况下有效提高环路的跟踪精度。     

基于UPF滤波的微小航天器姿态矩阵估计方法

针对基于惯性-星光姿态确定系统噪声存在非高斯分布的情况,提出了将离散粒子滤波(UPF)方法应用于定姿系统滤波器设计,该方法用离散卡尔曼滤波(UKF)得到粒子滤波的重要采样函数,从而克服扩展卡尔曼滤波(EKF)和UKF只能应用到噪声为高斯分布的不足。文章以微机电系统(MEMS)陀螺和互补性金属氧化物半导体有源像素图像传感器(CMOS APS)星敏感器为姿态敏感器件,选取基于矢量观测的最小参数姿态矩阵估计方法为定姿算法,提出将UPF与最小参数姿态矩阵估计方法结合,设计了一种针对微小航天器的UPF姿态估计器,采用从MEMS陀螺采集的数据进行了半物理仿真并对其特性进行了分析与比较。仿真比较结果表明:在敏感器精度较差并且系统噪声非高斯分布的情况下,这种基于UPF的姿态估计方法可以取得比EKF和UKF更快的滤波收敛性和更好的滤波精度,有效地提高了定姿性能。     

H∞滤波在惯导系统地面快速对准中的应用

阐述了H_∞滤波器的设计过程,并将H_∞滤波方法应用于惯导系统地面初始对准.文中建立了惯导系统的误差模型,并对其进行了可观性分析,利用H_∞滤波方法对可观子系统进行了滤波计算,给出了在噪声统计特性未知方差有界情况下惯导系统初始对准的仿真曲线,仿真结果表明该方法克服了卡尔曼滤波对噪声的苛刻要求,滤波效果能够满足工程需要,进一步说明H_∞滤波应用于惯导系统初始对准是有效的.为提高对准速度,文中给出了方位误差角的一种快速估计方法,结果表明该方法是可行的.     

基于等值线约束的地磁匹配方法

地磁辅助导航是组合导航技术研究的新方向.简要介绍了地磁辅助导航的基本原理和发展现状,并重点对地磁匹配方法进行了研究.地磁匹配是利用地磁图进行定位的方法,位置输出可用于限制惯性导航系统的误差积累.提出了一种改进的基于等值线约束的相关匹配算法,能够有效消除导航系统的初始位置误差并能限制匹配过程中惯性导航系统的积累误差.仿真实验证明,该算法能有效提高相关匹配的实时性,并能把定位精度控制在地磁数据网格间距以内.该算法对航向误差具有一定的适应性.      

支持MEMS的CAD/CAE系统结构研究

CAD/CAE技术在MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)研究过程中具有非常重要的作用.本文首先介绍了用于MEMS的CAD/CAE技术特点,然后研究了MEMS CAD/CAE系统结构,给出了软件支持工具结构框图,指明了解决其中关键技术的途径.CAD/CAE技术的应用,将提高微型机电系统的设计质量,缩短研制周期,使之及早走向工业化.     

粗差拟准检定法在星载GPS低轨卫星定轨中的应用

利用自适应卡尔曼滤波进行星载GPS低轨卫星定轨时,必须解决量测方程中经常存在的粗差问题．在分析以往方法的优缺点后,用拟准检定法来探测和修正量测方程中存在的粗差．该法的优点是辨识粗差准确率高,能同时定位多个粗差．另外,为了克服星载GPS低轨卫星定轨的滤波器可能出现的数值不稳定性及发散现象,还采用了UD分解算法及Sage自适应滤波器．最后用一个CHAMP卫星的模拟算例验证本方法的可行性和有效性．     

Estimation of flexible space tether state based on end measurement by finite element Kalman filter state estimator

This paper proposes a novel finite element Kalman filter to estimate the unmeasurable state of space tether systems based on the measured state at its ends only. The finite element method calculates the unmeasurable internal state as the virtual measurement based on the dynamic model of the system by imposing the input of measured state at the boundary to the model using the Lagrange multiplier method in the spatial space. Combining the real and virtual measurement into a hybrid measurement model of the system, the full state is reconstructed and propagated in the temporal space by the extended Kalman filter. Two state-space system models, the dynamics-based and kinematics-based state models, in the Kalman filter are explored. The observability and stability of the newly proposed finite element Kalman filter are examined and proved. The advantages of the proposed state estimator are (i) the singularity in the virtual measurement of state caused by the number of internal state greater than the number of state measured at the boundary is eliminated in the statistic meaning by the Kalman filter, and (ii) the effects of noises of the observation data and the uncertainties of model discretization are considered and minimized. The correctness and effectiveness of the proposed state estimator is demonstrated by the numerical analysis of a space tether system orbiting around the Earth. The results show the proposed state estimator with only measured state at the ends of the tether successfully provides an accurate time history estimation of geometric configuration and motion of the entire tether. Moreover, the results also show the difference caused by the dynamics-based and kinematics-based system models in the state estimator is negligible. The kinematics-based system model should be used in the state estimator due to its significantly low computational load. Finally, the proposed method can be easily applied for the state estimation process for other space tethered spacecraft systems.     

Evaluation on real-time dynamic performance of BDS in PPP,RTK, and INS tightly aided modes

Since China’s BeiDou satellite navigation system (BDS) began to provide regional navigation service for Asia-Pacific region after 2012, more new generation BDS satellites have been launched to further expand BDS’s coverage to be global. In this contribution, precise positioning models based on BDS and the corresponding mathematical algorithms are presented in detail. Then, an evaluation on BDS’s real-time dynamic positioning and navigation performance is presented in Precise Point Positioning (PPP), Real-time Kinematic (RTK), Inertial Navigation System (INS) tightly aided PPP and RTK modes by processing a set of land-borne vehicle experiment data. Results indicate that BDS positioning Root Mean Square (RMS) in north, east, and vertical components are 2.0, 2.7, and 7.6?cm in RTK mode and 7.8, 14.7, and 24.8?cm in PPP mode, which are close to GPS positioning accuracy. Meanwhile, with the help of INS, about 38.8%, 67.5%, and 66.5% improvements can be obtained by using PPP/INS tight-integration mode. Such enhancements in RTK/INS tight-integration mode are 14.1%, 34.0%, and 41.9%. Moreover, the accuracy of velocimetry and attitude determination can be improved to be better than 1?cm/s and 0.1°, respectively. Besides, the continuity and reliability of BDS in both PPP and RTK modes can also be ameliorated significantly by INS during satellite signal missing periods.     

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.      

基于T-S模糊故障树的多态导航系统性能可靠性

考虑复杂多态导航系统在不同故障状态具有不同的性能可靠性,将T-S模糊故障树模型应用到多态导航系统性能分析中,以T-S模糊故障树表示系统的性能变量,映射为系统性能指标值,结合统计学中的期望思想,计算不同层次事件发生故障时系统的性能可靠性,并以典型的全球定位系统(GPS)和惯性定向定位导航系统(INS)相组合的导航系统进行分析建树,求解系统在多故障状态下的性能可靠性指标,并进行了实例分析。结果表明:无论底事件处于轻微还是严重故障状态,对系统性能都会产生影响,中间事件是导航系统的薄弱环节,即便是中间层轻微故障,也会引起系统性能可靠性较大的下降。      

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     

抗差自适应滤波在低轨飞行器INS/CNS/GNSS 组合导航中的应用

低轨飞行器对导航系统的稳定性要求较高,采用标准卡尔曼滤波的组合导航系统在异常扰动情况下会产生较大误差,严重影响低轨飞行器导航精度.在此前提下提出将抗差自适应滤波用于低轨飞行器导航系统,并基于该滤波器设计INS/CNS/GNSS组合导航.通过仿真实验对比验证抗差自适应滤波的有效性.     

高动态环境下SINS姿态更新的改进等效旋转矢量算法

高动态环境下捷联惯导系统的姿态算法是提高系统精度的关键技术. 通过研究SINS高动态姿态更新方法, 分析姿态矩阵解算的四元数及等效旋转矢量算法, 使等效旋转矢量算法在高动态环境下的应用问题得以完善. 为改善等效旋转矢量算法对于高动态飞行环境的适应性, 以圆锥运动作为环境条件, 对等效旋转矢量算法进行改进, 推导改进算法的误差. 通过与单子样和三子样等效旋转矢量算法进行仿真对比, 验证了改进算法的有效性.      

基于双滤波器的高精度目标跟踪估计方法

针对连续推力的合作航天器,采用双重无迹卡尔曼滤波(DUKF)算法估计其状态和加速度。通过状态滤波器和参数滤波器的配合,提升滤波精度,完成运动状态和参数的估计,从而实现合作目标的运动轨迹跟踪。与合作航天器相比,非合作航天器存在大小未知、发生时刻未知的机动,无法获得加速度,且信息获取和运动状态的估计难度大。针对非合作航天器,基于简化的相对运动方程,结合天基平台获得目标的观测信息,采用两个扩展卡尔曼滤波(EKF)及基于半正焦弦的机动检测策略实现多未知脉冲机动的运动状态的估计。仿真结果表明：相比于无迹卡尔曼滤波（UKF）,DUKF在对合作航天器的状态和加速度估计方面具有更快的收敛速度和更高的滤波精度;对于存在未知机动的非合作航天器,通过对比验证机动检测策略与滤波器切换策略相结合的方法的有效性,该方法能够检测到多次机动并且减少误判。     

基于OWRR-PF的机载图像中导弹跟踪方法

针对利用图像信息实现飞行器的导弹预警跟踪中导弹运动2D建模、运动模型非线性和目标干扰非高斯等问题,研究了比例导引下导弹在三维空间中的运动在成像面上的运动模式,建立了比例制导导弹的2D投影运动状态模型.由于模型中速度和加速度等主要物理量的非线性,并考虑导弹运动过程中受到的风向、风力、气旋和气流等随机干扰的非高斯性,采用粒子滤波方法实现导弹跟踪;并针对粒子滤波在跟踪过程中存在的粒子退化问题,提出有序权值残差重采样粒子滤波(OWRR-PF,Ordered Weight Residual Resampling Particle Filter)方法,该方法缓解了粒子退化问题,提高了跟踪的准确度.利用所建立的导弹运动模型进行连续视频试验,与标准粒子滤波相比跟踪精度提高了70%左右,与残差重采样粒子滤波方法相比跟踪精度提高了15%左右.     

基于IMU与UKF的船舶升沉运动信息测量方法

为获取实时、精确的船舶升沉运动信息,根据船舶升沉运动模型和频谱分析方法,建立描述惯性测量单元（IMU）的加速度测量信息与船舶升沉运动状态量关系的解析模型。基于无迹卡尔曼滤波（UKF）算法非线性滤波的特点,进行升沉运动滤波解算。通过仿真分析证明了所提方法在船舶升沉运动测量中的有效性。利用三自由度平台升沉运动测量实验验证,结果表明,同一模型下,相比于扩展卡尔曼滤波（EKF）算法的解算结果,所提方法具有更快的收敛速度和更高的测量精度;对船舶升沉位移的估计精度达到最大升沉幅值的5%,可以得到精确、无时延的船舶升沉运动信息。