CNS+GNSS+INS船载高精度实时定位定姿算法改进研究

天文导航（CNS）、卫星导航（GNSS）和惯性导航（INS）3种系统组合可提供高精度的定位定姿结果。实际工程中因INS长时间误差累积，以及系统硬件传输存在不可忽略的时间延迟，导致INS提供给CNS的预报粗姿态误差较大，恶劣海况下难以保障快速搜星，造成天文导航可靠性下降、姿态测量精度较低的问题。为此，本文提出了一种CNS+GNSS+INS高精度信息融合实时定位定姿框架，引入了等角速度外推措施，有效地解决了惯导信息延迟问题。通过高精度转台模拟恶劣海况下载体大角速度摇摆，验证了本文提出的改进算法的有效性。试验结果表明，该算法架构简单，性能可靠，显著提高了恶劣环境下星敏感器的快速、准确搜星能力，保障了三组合姿态测量的精度和可用性。     

城市环境下BDS+GPS RTK+INS紧组合算法性能分析

城市环境下运动载体接收的GNSS信号会被频繁地干扰和遮挡,GNSS RTK独立工作模式难以连续且可靠地固定模糊度以满足厘米级高精度定位需求。为此,本文设计了一套基于集中式卡尔曼滤波的BDS+GPS RTK紧组合算法,给出了其动力学模型、观测模型和算法架构流程。通过城市环境下的实际车载测试,对比分析了BDS、GPS、BDS+GPS 3种模式下RTK及RTK+INS紧组合的定位性能。试验结果表明,BDS+GPS双系统大大增加了可见卫星数,提高了城市环境下GNSS动态精密定位的可用性和精度;相对于GNSS RTK,紧组合极大地提高了精密定位的可靠性和可用性。     

IMU辅助下的单目视觉坐标传递

针对管线测量中由于GNSS RTK卫星信号遮挡或测站不易架设等原因无法提供坐标的场景，本文提出了一种IMU辅助下的单目视觉坐标传递方法，用于延伸RTK测得的精密坐标。首先在两个已知的RTK点上架设相机拍摄图像，同时采集IMU数据；然后对图像进行特征提取和匹配，恢复帧间旋转、平移及尺度；最后三角化待测点，以获得待测点在真实尺度的相机坐标系下的坐标。受IMU静基座初始对准方法的启发，本文利用重力矢量和相机光心间矢量分别在地理坐标系和相机坐标系下的投影求解这两个坐标系间的旋转矩阵，进而求得待测点在地理坐标系下的三维坐标。相对于其他测量手段，本文方法灵活便捷、设备轻便、操作简单，且一次采集即可获取相机视场中的任意共视点坐标。试验结果表明，本文提出的坐标传递方法所得的平面坐标的误差平均值为0.12 m，高程误差的平均值为0.2 m。     

惯性导航算法的载体高动态特性研究

针对惯性导航算法中载体高动态特性的界定尚不明确的问题,提出了惯性导航算法中载体的高动态特性,即剧烈的复合运动形式可称之为惯性导航的高动态场景,而单纯的高速、大加速度或大角速度运动对于惯性导航来说并不是真正意义的高动态。文中阐述了载体的动态条件对惯性导航系统性能的影响,然后从惯性导航算法的角度得出载体高动态特性的界定,最后设计了仿真实验对结果进行验证。结果表明,剧烈的复合运动下惯性导航会产生明显的动态效应误差,此时惯性导航算法的高阶修正项影响显著,从而证明了惯性导航的高动态场景的特征。     

光源编码+PDR组合的室内行人定位方法

针对光源编码定位系统存在定位不连续、易受遮挡导致定位性能下降等问题，提出了一种光源编码/行人航迹推算（PDR）组合的室内行人定位方法。该方法采用扩展卡尔曼滤波（EKF）对PDR位置和光源编码位置进行融合处理，并运用新息滤波对光源编码位置进行抗差处理。试验结果表明，光源编码+PDR组合算法能有效改善光源编码定位不连续、非视距环境中存在粗差的问题，实现连续、高精度的室内行人定位。     

预建高精度地图的封闭区域UGV自动驾驶导航定位

针对封闭区域UGV自动驾驶应用，本文提出了一种基于平面高精度地图的导航定位方法。该方法利用三维激光扫描数据采用预定义的栅格地图概率值建立多分辨率地图，在保证定位精度的同时提高定位效率，采用极大似然估计获取载体位姿初值并将IMU数据用于计算高斯-牛顿法搜索初值。试验结果表明，基于激光扫描的二维地图构建与匹配定位方法能有效解决帧与帧匹配误差快速累积问题，可以高效地使用已有地图进行连续高精度的载体定位。     

RTK/INS紧组合算法在卫星数不足情况下的性能分析

设计了一套基于集中式卡尔曼滤波的实时动态定位（real-time kinematic,RTK）/惯性导航系统（inertial navigation system,INS）紧组合算法,通过实测车载数据对比分析了3颗可用卫星时的固定解和浮点解在位置漂移误差水平和模糊度恢复时间上的差异,验证了该算法在卫星较少情况下的良好性能。该算法在即使观测卫星不足4颗时使用固定解或浮点解进行滤波更新,提高了组合导航在复杂环境下的位置精度,并加快了模糊度恢复过程。实验结果表明,使用中等精度的惯导,在可见卫星数为3颗时,失锁30 s时的水平位置漂移误差为0.3 m;失锁60 s内,平均1~2 s就能可靠地恢复整周模糊度。在位置漂移误差与模糊度恢复方面,固定解和浮点解在GNSS信号短期部分失锁时的差异并不显著,但同时都明显优于信号完全失锁情形。     

实时GNSS地震仪系统实现及精度分析

高频GNSS数据实时精密单点定位(RTPPP)可实时获得地表瞬时动态形变和地震波信号,为地震参数快速确定、地震快速响应及海啸预警提供实时的观测资料.本文构建了实时GNSS地震仪系统,主要包括RTPPP和实时探测两部分.利用RTPPP 方法处理了模拟的震动实验平台实验数据和2010年Baja California地震的数据,并与惯导(IMU)、事后PPP和差分相对定位结果比较,定量评估了实时GNSS地震仪系统的精度.结果表明,该系统可实现水平方向优于1cm,高程方向优于3cm的实时定位,且对Baja California地震的实时探测结果与南加州地震数据中心公布的结果相一致.     

轨道几何特征匹配列车定位方法

轨道不平顺和轨距偏差等几何特征是直接反映轨道质量优劣的信息，它们均是轨道里程的函数，包含了丰富和低成本的位置信息，在重复观测中具有一致性。本文对轨道几何特征匹配列车定位方法的可行性进行了评估，建立了存储于计算机的背景数据库，然后通过采集待匹配数据和背景数据库进行匹配比对，获得了满足精度要求的列车位置。该方法为多传感器融合的列车控制系统提供了一种新的定位信息和思路，可以作为提高列车定位系统稳健性的辅助手段。