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。     

基于自适应修正曼哈顿距离的室内定位方法

在室内WiFi环境下,针对常见指纹匹配算法所忽略的信号波动问题,提出了一种基于自适应修正曼哈顿距离和AP选择的指纹匹配算法,并结合加权K近邻方法实现定位。首先采用AP选择算法获取部分受干扰程度小和出现频率高的AP,在指纹匹配时仅使用该部分AP的接收信号强度进行计算;在分析WiFi信号传播衰减公式和信号波动的基础上,提出了将自适应修正曼哈顿距离作为指纹匹配的度量距离,使用该距离旨在平滑信号波动对指纹相似度计算的影响;最后采用加权K近邻方法估计测试点的坐标。实验结果表明,在加权K近邻方法的框架下,基于自适应修正曼哈顿距离的定位算法在定位精度上优于基于欧氏距离、曼哈顿距离、余弦距离和Sorensen距离的定位算法。     

GPS/BDS组合定位精度分析

随着定位技术的不断发展及多系统导航定位技术的逐步推广,多系统组合导航定位已经成为了GNSS导航定位领域中的主要发展趋势。主要阐述了GPS/BDS组合相对定位的观测方程和数学模型,并根据实测数据对比分析,从卫星可见性、精度因子、定位精度和均方根误差等方面对GPS、BDS及GPS/BDS组合定位系统的定位性能、定位精度进行了比较。研究结果表明,较单一的GPS和BDS系统定位,采用GPS/BDS组合定位可有效提高卫星可见数目和DOP值,且稳定性更好。GPS/BDS组合定位的定位精度也明显优于单一系统,这对GNSS高精度导航定位具有重要的参考价值。     

基于铱星/INS组合定位技术在船舶中的应用研究

GNSS拒止环境下惯性/GNSS组合导航系统的性能会严重恶化,通过利用并提取机会信号中的有用观测量,可以实现机会信号和惯性系统的联合动态定位。提出了利用铱星/INS组合定位技术实现船舶的动态定位。首先深入研究了铱星的信号体制,建立了利用铱星瞬时多普勒频移进行定位的算法模型;然后,提出了利用基于扩展卡尔曼滤波(EKF)技术的铱星机会信号与INS组合定位算法;最后,通过船舶航行实测数据对所提算法进行了试验验证。结果表明,提出的利用铱星机会信号和INS组合定位方法可以有效改善无GNSS信号条件下的INS定位精度,在GNSS信号拒止环境下解决了船舶定位问题,具有重要的研究意义和实用价值。     

一种基于相对位置约束的双星定位方法

全球卫星定位系统(GNSS)需要至少4颗卫星才能提供持续、准确的定位结果。在有障碍物遮挡的城市街道、山谷或者存在压制式干扰的战场环境中,往往会出现可见星数量降低至4颗以下的情况。针对只有2颗可见星的定位问题,提出了通过相对位置变化对绝对位置进行解算的定位模型,证明了该模型的可行性,并研究了该模型的数值计算方法和几何搜索方法。仿真实验和实际跑车试验表明,在只有2颗可见星条件下,该方法的定位精度明显优于传统的INS/GNSS紧组合算法,并且对初始位置的精度不具有依赖性。     

惯性信息辅助的大视角目标快速精确定位

目标定位技术广泛应用于航空领域的侦察机、无人机等各类侦察打击任务中,目标定位精度的高低及效率对作战效果具有重要影响。针对仿射尺度不变的特征变换(ASIFT)算法对远距离大视角目标定位精度较低、速度较慢的问题,提出了一种基于惯性信息辅助的大视角目标快速精确定位方法。该方法首先对目标实测序列图像构造尺度空间,结合FAST特征检测与FREAK特征描述的方式进行匹配,实现对待定位目标的快速提取;然后利用机载惯性信息求解目标实测图与参考图之间的透视变换矩阵,利用该矩阵对实测图进行变换以减小图像间视角差异,克服了ASIFT算法盲目匹配计算的弊端,并通过FAST特征检测与FREAK特征描述相结合的方式提升了大视角图像的匹配速度;最后通过单应性矩阵映射关系实现对目标的精确定位。实验结果表明,大视角目标快速精确定位方法匹配耗时比ASIFT算法的减小了1个数量级,定位精度比目标平均值定位算法精度提高了1个数量级,有效提高了图像匹配定位在航空领域的应用效率。     

三星无源定位的精度分析及定位算法

 在三颗地球同步卫星加气压高度表的无源定位中,定义了气压高度表水平几何误差因子(HDOP)和伪距位置几何误差因子(PDOP),并给出了相应的数学表达式和分布图。提出了在卡尔曼滤波算法中增加多普勒频率作为观测量,同时选用衰减记忆法滤波,并给出了相应的算法。仿真结果表明：衰减记忆法滤波可以有效克服因Singer模型不准确引起的卡尔曼滤波发散;对于高中动态用户,增加多普勒频率后的衰减记忆卡尔曼滤波算法的定位精度要高于常规卡尔曼滤波法和迭代最小二乘法的定位精度。     

多站混合定位系统的平面误差分析

基于应答方式的多站机场航管定位系统可同时采用时差和距离测量技术,应用最小二乘法和误差估计理论,对按圆周均等布站的四站、五站和六站定位系统所做的相对测量误差分析表明,利用二次监视雷达所给出的测距信息,并通过有限增加冗余测站,将能有效的提高多站定位系统的平面定位精度。     

LEO enhanced Global Navigation Satellite System (LeGNSS) for real-time precise positioning services

Global Navigation Satellite System (GNSS) has been widely used in many geosciences areas with its Positioning, Navigation and Timing (PNT) service. However, GNSS still has its own bottleneck, such as the long initialization period of Precise Point Positioning (PPP) without dense reference network. Recently, the concept of PNTRC (Positioning, Navigation, Timing, Remote sensing and Communication) has been put forward, where Low Earth Orbit (LEO) satellite constellations are recruited to fulfill diverse missions. In navigation aspect, a number of selected LEO satellites can be equipped with a transmitter to transmit similar navigation signals to ground users, so that they can serve as GNSS satellites but with much faster geometric change to enhance GNSS capability, which is named as LEO constellation enhanced GNSS (LeGNSS). As a result, the initialization time of PPP is expected to be shortened to the level of a few minutes or even seconds depending on the number of the LEO satellites involved. In this article, we simulate all the relevant data from June 8th to 14th, 2014 and investigate the feasibility of LeGNSS with the concentration on the key issues in the whole data processing for providing real-time PPP service based on a system configuration with fourteen satellites of BeiDou Navigation Satellite System (BDS), twenty-four satellites of the Global Positioning System (GPS), and sixty-six satellites of the Iridium satellite constellations. At the server-end, Precise Orbit Determination (POD) and Precise Clock Estimation (PCE) with various operational modes are investigated using simulated observations. It is found out that GNSS POD with partial LEO satellites is the most practical mode of LeGNSS operation. At the user-end, the Geometry Dilution Of Precision (GDOP) and Signal-In-Space Ranging Error (SISRE) are calculated and assessed for different positioning schemes in order to demonstrate the performance of LeGNSS. Centimeter level SISRE can be achieved for LeGNSS.     

惯性速度辅助下GPS／捷联惯导组合系统性能研究

ＧＰＳ／惯性导航组合系统目前正得到越来越广泛的应用，但ＧＰＳ接收机载波环失锁时，码环的速率辅助信息来自惯导系统，由于惯性速度的不精确性及伪距测量误差和它之间的相关性，将可能导致组合系统工作的不稳定，本文根据码环的工作特性，在组合卡尔曼滤波器中考虑了码环的跟踪误差，利用ＧＰＳ／捷联惯导组合系统的导航性能，结果表明，ＧＰＳ／捷联惯导组合系统中，若消除了伪距测量误差与惯性速度误差之间的相关性，将可较显著