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。     

车载大视场视觉惯性组合导航算法研究

车载视觉导航在大角度旋转和高速运动等场景下表现不佳,由于视觉和惯性的误差特性互补,所以视觉惯性组合导航算法有良好的应用前景。大视场相机获取外界信息丰富,但大视场相机采样频率低影响视觉数据采集,而且基于优化的组合导航算法计算速度慢,故提出了一种适用于大视场相机的车载视觉惯性组合导航算法。该算法侧重于数据预处理：设计了基于伽马函数的对比度受限自适应直方图均衡化来降低图像噪声,通过FAST角点与光流法的组合完成特征提取与跟踪,进一步加快了计算速度。引入了惯性数据等效旋转矢量二子样算法来减少数据量和计算量,通过预积分算法为误差优化减少计算量,通过视觉误差、惯性误差以及边缘化误差联合优化来提高精度。与其他组合导航算法相比,该算法精度较高,计算速度最快,与VINS-Mono相比节省时间19.7%。     

航天器多约束交会的仅测角导航最优多目标闭环制导

研究了航天器多约束交会的仅测角导航最优多目标闭环制导问题,优化目标包括交会时间、燃耗和仅测角导航可观性指标,并考虑了视觉传感器视场角、推力器推力幅度和最小安全距离等各种约束条件,建立了多约束、多目标优化下的仅测角导航和闭环制导问题的数学模型,分析了仅测角导航和闭环制导之间的耦合关系。最后,通过Matlab遗传算法工具箱中的多目标优化函数,求解得到了该多目标优化模型的Pareto最优解集,结果显示交会时间、燃耗和仅测角导航可观性指标不能同时达到最优,存在相互制约关系,即提高其中一种优化目标的性能会降低其他优化目标的性能。     

GNSS实时卫星钟差估计在地震监测中的应用

为快速、有效地获取地震发生阶段震源周边地区站点的动态位移,为地震预警系统提供高可靠性的地表形变信息,利用全球导航卫星系统(global navigation satellite system, GNSS)高频观测数据,基于非差估计法对多模GNSS卫星钟差进行实时估计及性能分析,并将其应用于精密单点定位(precise point positioning, PPP)实时计算2021年漾濞M_w6.4地震和玛多M_w 7.4地震的地面动态形变。结果表明,GNSS四系统实时估计卫星钟差的标准差(standard deviation, STD)均值为0.142 ns,其多系统组合PPP动态解的平均标准差在水平方向达到0.5 cm,高程方向达到1.0 cm,计算得到的地震动态位移波形相对GPS单系统更为稳定,而且能够获得较为准确的同震形变。     

基于ZUPT的新型月面导航处理方法

为了解决探测器在月面工作时惯性导航系统的误差累积问题,克服现有研究对环境敏感或是需要定期停止才能进行误差修复的短板,结合探测器的行驶行为,将探测器使用零速更新（ZUPT）原理修正误差的过程分解成了无ZUPT、完全ZUPT、水平动态ZUPT和垂向动态ZUPT 4种子模型的叠加,并分别推导了它们的系统矩阵和测量矩阵。针对月面导航系统提出了一种新型多模型零速更新（MMZUPT）算法。该算法应用多模型交互原理,允许多种更新模型同时工作,可以通过计算每个模型的权重在每个定位历元输出最优导航结果并约束误差。在精心挑选的受限环境中对月面导航进行了模拟实验,结果表明,所提MMZUPT方法无需频繁地主动停车以满足传统ZUPT使用边界就可以取得良好的效果,并且通过对包含错误的校准信号加以识别和利用可以获得更好的性能。     

垂直导航模式下的飞机爬升性能参数计算方法

针对垂直导航模式下的飞机爬升性能参数计算需要,研究建立了爬升过程中的飞行动力学方程、垂直导航(VNAV)模式下的爬升过程所需推力计算方法,包括固定爬升角爬升和固定爬升率爬升;然后建立了不同爬升模式下的离场过程中爬升性能参数计算方法;之后以某型国产民机的基础性能数据为例,对VNAV爬升和常规爬升模式下的性能参数进行计算分析,对比分析了固定爬升角爬升、固定爬升率爬升与传统爬升之间的差异性。研究表明,在VNAV爬升过程中,由于所需推力小于最大爬升推力,使得飞机达到目标高度所需时间、爬升水平距离、油量消耗要大于常规爬升;当爬升角/爬升率增加到一定值时,所需推力受限于最大爬升推力,此时等同于常规爬升。在飞行计划制作、离场航迹优化等研究中,需要按照VNAV模式来计算飞机的爬升性能参数,以更好的贴合飞机实际飞行情况。     

基于激光雷达测量的空间交会对接相对导航

激光雷达可以作为空间交会对接过程中的相对导航敏感器之一。本文基于线性H ill方程和经典双脉冲交会理论,给出一种两航天器多脉冲交会算法。结合激光雷达的测量值设计相对导航EKF滤波器。仿真结果表明通过滤波,激光雷达能够为航天器交会对接提供足够精度的相对位置和相对速度信息。     

末制导雷达/惯性复合导航算法

研究了末制导雷达/惯导的复合导航算法,当导弹攻击慢速移动目标时,可以根据惯导输出和雷达信息,采用Calson滤波算法估计出目标的位置信息和惯导误差,从而修正目标运动和惯导误差。仿真表明,Calson滤波算法能较好地提高制导精度。     

视觉导引机器人定性定位与导航

在总结己有定性导航工作的基础上,系统地讨论了定性定位的两种方法——顺序区域和有向区域定位,以及各自的性质和相互关系,并给出了实验结果。     

高分多模卫星测控分系统设计与验证

高分多模卫星(GFDM-1)敏捷机动范围达到了单轴45°,机动速度达到了4.5(°)/s,大角度高速机动可能造成接收机失锁与接收星数下降导致非定位问题。文章提出了双天线同时参与解算的双频双模星载导航定位定轨体制,有效解决了姿态机动过程中接收星数减少问题,并实现了星载导航连续高精度定位。同时,采用了异构的测控分系统设计,提高了测控分系统可靠度,实现了卫星全球测控能力以及星地测控抗干扰能力。