利用双重投影改进横墨卡托投影极区应用方法

针对球体横墨卡托投影与基于地球椭球体的导航设备结合使用存在误差以及传统椭球横墨卡托投影依据经差分带不适用于极区的问题，在分析双重投影可用于极区存在计算奇异和计算溢出问题的基础上，研究了一种基于双重投影的横墨卡托投影极区应用改进方法。首先利用函数等效变换和经线长度比计算公式推导出椭球投影到球体上的坐标变换、球体半径和长度比计算公式，然后利用分段函数的方法研究了球体横墨卡托投影计算公式，综合两个阶段给出了完整的坐标变换公式和长度比计算公式，最后推导了子午线收敛角计算公式。理论分析和算例仿真表明，该改进方法能够解决极区投影计算奇异和计算溢出问题，近极点地区长度变形较小，且与导航设备采用的地球模型一致，可消除由于地球模型不同引起的误差，提高航海绘算精度。     

惯导系统横向坐标法导航性能研究

针对惯导系统横向坐标法,推导了惯导横向坐标系下的系统误差方程,通过求解静基座下的系统误差方程,研究了系统初始误差和惯性测量元件误差对基于横向坐标法的惯导系统的影响,在此基础上完成了系统误差仿真,并与地理经纬坐标解算方法进行比较。理论分析及仿真结果表明:横向速度误差、水平姿态误差为周期震荡型误差,位置误差和航向误差为随时间增长的积累型误差;横向坐标系法可以有效解决惯导地理经纬坐标解算方法的计算奇异和系统误差过大的问题。     

一种改进的捷联惯导参数辨识初始对准方法

针对船舶在系泊状态下存在低频线振动条件的捷联惯导系统初始对准需求,研究一种兼具精度和快速性的参数辨识对准方法。基于传统参数辨识对准模型的理论分析,指出对其地球角速度正余弦函数的一阶近似会导致对准结果随着时间增加而发散,因此在对准观测建模中对地球自转角度对应的正余弦函数进行高阶近似,以减小一阶近似带来的近似误差。同时合理考虑载体存在线振动干扰对速度误差观测的影响,在模型中加入常值估计项以减小线振动干扰,提高系统对准精度。对数字仿真和不同条件下的实际对准试验结果表明,在给定的线振动和惯性器件水平下,所提方法参数辨识的水平姿态对准精度为20',航向对准精度为4'。     

重力扰动对惯性导航系统的位置误差影响分析

从重力学和牛顿力学的基本概念出发,给出了包含重力扰动影响的惯导误差力学编排方程,以单通道惯导系统为例,讨论了三种变化情况下,由垂线偏差引起的惯导位置误差及其误差传播特性,并以分辨率为1′×1′的某区域垂线偏差数据为背景场进行仿真。由仿真结果可以看出,在设定航线上,垂线偏差引起的惯导系统水平误差最大可达3 km。     

视觉辅助下的室内惯导位姿修正

惯性导航系统可以短期内提供连续的高精度信息，但是误差会随时间增大，不能长期独立工作。而在大型仓库、地下停车场等室内卫星信号薄弱的场景中，传统的惯导+卫星组合方法也不再适用。针对该问题，本文提出了一种视觉与惯导组合定位的方法。本文研究的惯导+视觉组合的定位方法中，采用基于合作目标的单目视觉定位方法对惯导误差进行修正。对于惯导误差的修正方法，本文利用视觉定位的位姿信息建立量测方程，进行卡尔曼滤波，并选取合适的试验设备，通过实际试验对比验证了该算法对惯导系统误差的修正具有良好的效果。     

星载SAR距离-多普勒定位算法中地球模型的修正

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)距离-多普勒定位算法(R-D算法)模型基于严格的成像几何构建,不需在视场中设置任何位置确知的特征点。但对具有一定高程的目标,以往的研究将目标高程直接加在平均赤道半径上对地球模型进行修正。由于地球体的椭球特征,这种修正并不能完全消除高程对定位误差的影响,会产生随纬度和目标高程变化的定位误差。本文介绍R-D定位算法的原理,推导将目标大地高归算至地球赤道半径的公式,给出地球模型合理的修正公式。最后根据实例和仿真分析,表明在低纬度的定位研究中,以往的修正方式仍然可以达到很高的精度;而在高纬度和高海拔地区,则会产生较大的定位误差,应使用更为合理的地球模型。     

双源组合导航系统关键算法研究

针对基于伪距、伪距率的北斗/捷联惯导组合导航系统开展了前期的理论研究,介绍了卫星/惯导组合导航系统中松组合、紧组合和超紧组合的基本原理,并建立了以伪距、伪距率为观测量的北斗/捷联惯导组合导航系统的状态方程和量测方程,设计了卡尔曼滤波参数,仿真验证了基于伪距、伪距率的组合导航系统能够有效的抑制捷联惯导系统的位置和速度误差随时间发散的特性,取得了良好的效果。仿真结果显示,北斗/捷联惯导组合导航系统失准角误差优于0.03°,东方向和北方向的位置误差和速度误差分别优于10m和1m/s。     

水下重力异常最近等值线迭代匹配算法的改进

提出了基于费波纳奇数列调优的最近等值线迭代匹配算法;针对最近等值线迭代匹配只适用于真实航迹位于惯导航迹附近的局限性,提出了相应的改进算法,即先基于相关极值匹配将惯导航迹修正到真实航迹附近,然后再进行最近等值线迭代匹配,以进一步提高修正精度。通过试验区在不同仿真条件下的计算分析表明,惯导导航误差均得到了有效的修正。     

北斗/惯导的快速混合高斯UKF算法

为进一步改善北斗/惯导中无迹卡尔曼滤波的精度,针对导航系统中噪声随机模型本质上的非高斯分布特性,结合有限高斯概率分布可近似任意概率密度函数的理论,以混合高斯UKF滤波为框架,提出了一种快速混合高斯UKF算法。该算法使用奇异值分解替代无迹变换产生采样点中的协方差平方根计算,和迭代中构造有限分量混合高斯模型二次近似后验二阶矩减少子滤波器数量的思路,改善了传统算法子滤波器数量随迭代次数成指数变化而增加计算成本的状况,一定程度上提高了计算的实时性。通过对北斗/惯导紧耦合系统的数据仿真实验,结果分析表明:相对于传统算法,本文提出的新算法在保证滤波精度的同时,计算量较低、实时性较好,适合于处理非高斯非线性北斗/惯导组合导航定位的滤波计算问题。     

方位大失准角的捷联惯导非线性快速对准研究

捷联惯性导航系统初始对准中,当方位失准角为大角度时,常规的基于一阶线性化的小角度惯导误差方程不能准确描述系统的误差传播特性,捷联惯导的初始对准可归结为非线性状态估计问题。针对方位大失准角情况,本文提出基于UKF的方位大失准角非线性快速对准方案,该方案增加陀螺信息作为新的观测量,可提高方位失准角的对准速度。仿真结果表明,本文所提出的方案能够适用于方位大失准角情况下的捷联惯性导航系统快速对准。     

惯导极区模拟测试船用IMU转换修正误差公式简化与分析EI北大核心CSCD

在中低纬度检验惯性导航极区性能的模拟测试系统中,基准误差造成的IMU转换修正误差是影响模拟测试精度的重要因素,本文讨论分析了其简化计算方法。采用转移前后地球球体模型下横向坐标系导航参数不变的基准轨迹转移原则,首先简述了模拟测试方法及IMU转换公式;其次,研究了IMU转换修正误差的计算方法,相比完整计算公式给出了适合船用的近似计算公式,并对其中的系数、各分量的量级及变化形式进行分析;最后,利用实测航次的导航参数,对比验证了公式计算的正确性。简化公式最大计算误差约为10%,可满足后续模拟测试中IMU误差的分析要求。     

水下重力异常相关极值匹配算法

重力辅助惯性导航是利用地球物理特征信息——重力来修正水下潜器惯性导航误差,其关键技术是匹配算法。基于平均平方差最小准则构造差分降权相关目标函数模型,针对受干扰误差随机影响,基于目标函数模型搜索得到的多个有效位置,均有可能以不同概率密度源于正确位置这一问题,提出概率数据关联滤波重力匹配算法,与最近邻法相比,该算法确定的航迹更接近于真实位置,提高算法的可靠性与抗干扰性;分析探讨序列采样间隔对匹配精度的影响。通过试验区仿真匹配,结果表明,当选择适当的采样间隔与采样长度,该算法能有效修正导航误差。     

INS/GNSS/ODO嵌入式系统的容错技术研究

车载低成本嵌入式组合导航系统的可靠性容易受到多种传感器故障和环境的影响,基于全球卫星导航系统(GNSS)状态的惯性导航系统(INS)/GNSS/里程计(ODO)抗差组合导航算法,提出了一种两级故障检测处理方法. 其中,第一级检测使用了基于解析冗余的残差卡方检验法,第二级检测使用了改进的双状态传播卡方检验算法. 利用自主研制的GN310低成本嵌入式系统采集路测数据. 结果表明:相对于传统算法,水平定位精度提升了39.7%;另外在半实物仿真下,水平定位误差保持在3 m以内,表明该容错方法能够有效地处理ODO、INS故障和GNSS软硬故障.      

GAINS中重力传感器信息的扰动改正

重力辅助惯性导航系统GAINS(Gravity Aided Inertial Navigation System)是利用地球物理特征信息──重力来完成水下运动载体的辅助惯性导航与定位。为实现重力匹配以校正惯性导航随时间累积的误差,首先必须对重力传感器输出信息进行扰动改正。分析了水下运动状态下重力传感器受到的各种重力扰动,如垂直扰动加速度、水平扰动加速度以及厄特弗斯效应影响所产生的原因,研究了扰动误差模型与INS导航精度之间的关系,并通过计算,提出了可直接以INS输出数据而无需其它外部有源导航信息进行扰动分离的方法。     

GAINS中重力传感器信息的扰动改正

重力辅助惯性导航系统GAINS(Gravity Aided Inertial Navigation System)是利用地球物理特征信息重力来完成水下运动载体的辅助惯性导航与定位.为实现重力匹配以校正惯性导航随时间累积的误差,首先必须对重力传感器输出信息进行扰动改正.分析了水下运动状态下重力传感器受到的各种重力扰动,如垂直扰动加速度、水平扰动加速度以及厄特弗斯效应影响所产生的原因,研究了扰动误差模型与INS导航精度之间的关系,并通过计算,提出了可直接以INS输出数据而无需其它外部有源导航信息进行扰动分离的方法.     

信号遮挡环境下融合TOA/AOD的5G/SINS组合导航算法模型与精度分析

为解决可观测基站受遮挡情况下仅采用到达时间（time of arrived, TOA）无法定位或精度较差的问题,将第5代移动通信技术（5th generation,5G）中多天线阵列提供的信号离开角（angle of departure, AOD）应用在定位解算中,通过卡尔曼滤波将5G定位与捷联惯性导航（strapdown inertial navigation system,SINS）融合,构成融合TOA/AOD的5G/SINS组合导航方案。通过模拟可观测5G基站数量充足、遮挡这两类场景下的仿真实验,对基于TOA的5G定位、基于TOA/AOD的5G定位、TOA组合导航、TOA/AOD组合导航这4种解算方法的位置误差进行了比较。仿真实验结果表明,当可观测基站受遮挡时,融合TOA/AOD进行5G/SINS组合导航能确保100%的定位成功率,并有效降低组合导航发散的概率,减小40%~70%的位置误差。     

A combined algorithm of improving INS error modeling and sensor measurements for accurate INS/GPS navigation

Although the integrated system of a differential global positioning system (DGPS) and an inertial navigation system (INS) had been widely used in many geodetic navigation applications, it has sometimes a major limitation. This limitation is associated with the frequent occurrence of DGPS outages caused by GPS signal blockages in certain situations (urban areas, high trees, tunnels, etc.). In the standard mechanization of INS/DGPS navigation, the DGPS is used for positioning while the INS is used for attitude determination. In case of GPS signal blockages, positioning is provided using the INS instead of the GPS until satellite signals are obtained again with sufficient accuracy. Since the INS has a very short-time accuracy, the accuracy of the provided INS navigation parameters during these periods decreases with time. However, the obtained accuracy in these cases is totally dependent on the INS error model and on the quality of the INS sensor data. Therefore, enhanced navigation parameters could be obtained during DGPS outages if better inertial error models are implemented and better quality inertial measurements are used. In this paper, it will be shown that better INS error models are obtained using autoregressive processes for modeling inertial sensor errors instead of Gauss–Markov processes that are implemented in most of the current inertial systems and, on the other hand, that the quality of inertial data is improved using wavelet multi-resolution techniques. The above two methods are discussed and then a combined algorithm of both techniques is applied. The performance of each method as well as of the combined algorithm is analyzed using land-vehicle INS/DGPS data with induced DGPS outage periods. In addition to the considerable navigation accuracy improvement obtained from each single method, the results showed that the combined algorithm is better than both methods by more than 30%.     

Modeling and verifying the impact of time delay on INS-aided GNSS PLLs

The timing error between global navigation satellite system (GNSS) and inertial navigation system (INS) processes limits the integration performance in GNSS/INS integrated systems. In a deeply coupled system, this timing error affects not only the integrated navigation solution, but also the GNSS signal tracking. We propose a time-domain model of INS-aided second-order phase-locked loops (PLLs) in consideration of the INS aiding delay, and analyze the effect of INS aiding delay on the tracking errors in details. In addition, an integrated hardware deeply coupled system platform was developed to verify the impact of time delay on INS-aided PLLs. Simulation and field vehicles testing results demonstrate that the tracking error of the INS-aided PLL caused by aiding delay increases with the lengthening of the delay time, the compression of the bandwidth, and the increase in the acceleration. Testing results verify the proposed model.     

基于信噪比的InSAR干涉图自适应滤波

提出了一种基于信噪比的InSAR干涉图相位噪声抑制算法。该算法对Goldstein滤波方法进行了改进，使Goldstein滤波参数 依赖于局部信噪比，从而实现对低信噪比区域进行强滤波、高信噪比区域弱滤波。采用模拟数据和真实数据进行验证，结果表明新算法能有效抑制InSAR干涉图的噪声。