MEMS惯导系统的误差自修正技术研究

针对当前MEMS惯性器件漂移误差大的问题,提出一种无需外界信息辅助的误差自补偿方案。通过引入旋转调制技术实现器件偏差的对称平均,通过理论推导分析惯性器件标度因数误差和安装误差对于误差旋转调制技术的影响。利用高精度惯性测试转台搭建误差旋转实验平台并进行误差自修正方法的实际性能验证。实验结果有效地验证了IMU旋转调制技术对于改善系统测姿定位精度的可行性,在现有MEMS器件精度基础上实现更高精度导航成为可能。     

导航卫星自主定轨星座旋转误差的地面校正算法

目的 基于星间测距的导航卫星自主定轨不可避免地会出现星座旋转,导致轨道精度下降并对造成用户定位系统误差。对星座旋转现象的原因和影响进行了分析,指出轨道升交点赤经的系统偏差ΔΩ和地球定向参数EOP的预报误差是星座旋转的主要误差源,主要表现为星座绕地球自转轴(犣轴)的旋转。在此基础上,提出一种独立、实用的星座旋转的地面校正算法,利用区域地面站的伪距观测值估计并校正星座旋转误差。仿真结果表明,使用两个测站可以估计旋转误差的三个分量,较为完善地消除星座旋转误差,显著提高用户定位的精度;使用一个测站,仅考虑关于犣轴的旋转分量,也可以校正大部分旋转误差,但校正效果略差。     

航空矢量重力测量中光纤陀螺随机漂移误差实时补偿方法

光纤陀螺随机漂移误差是影响航空矢量重力测量系统姿态解算精度的关键因素。建立模型并在输出中对其补偿是抑制该项误差的有效方法。针对传统ARMA模型只能对平稳随机漂移误差建模,且模型无法满足实时滤波需求的问题,本文引入适用于非平稳随机漂移误差的ARIMA模型,同时给出详细的建模过程,并提出采用实时平均算法消除原始采样序列中常值分量的思路,实现了随机漂移误差的实时Kalman滤波估计。基于本文所提出的模型和实时滤波算法,对光纤陀螺实测数据进行分析,结果表明处理后信号中随机漂移误差的方差减小了46.5%。Allan方差分析结果表明,滤波后角度随机游走系数和角速率随机游走系数分别降低了约50%和40%。本文的结果说明ARIMA模型能够准确描述陀螺的非平稳随机漂移误差。基于实时平均算法的Kalman滤波可实现随机漂移误差的在线估计,有望提高航空矢量重力测量系统的姿态解算精度。     

基于旋转调制技术的自动陀螺寻北仪关键技术研究

动态旋转调制技术是降低陀螺仪漂移,提高寻北精度的有效方法,但在具体实现中诸多的环节会影响到寻北精度。本文结合自动陀螺经纬仪的实际实现过程,对旋转状态下惯性测量单元的动态误差,小型化转台及其稳速电路、控制算法的设计,快速寻北滤波模型的建立等主要关键技术进行了研究。样机在4分钟内的寻北精度优于30″（1δ）,表明该技术设计合理。     

静基座捷联惯导解析法对准研究

初始对准是捷联惯导系统的关键技术之一,对准精度直接影响到导航系统的导航解算精度,静基座捷联惯导卡尔曼滤波法对准的精度和收敛时间受模型参数以及初始条件的影响,对于低精度的捷联惯导,这种影响更大,滤波结果往往不能收敛,甚至发散。采用解析法对准是解决上述问题的有效途径,针对静基座解析法对准做了系统研究,推导了惯性器件误差的解析表达式,分析了对准时间与仪器误差估计精度的关系。实测试验结果表明,给予适当的对准时间,解析法对准亦可接近极限精度;同时,在解析法初始对准中,等效天向加速度计零偏可得到有效估计;等效天向、北向陀螺漂移虽可估计,但随机游走对估计结果的影响不可忽视。     

MIMO下视阵列SAR位置偏移误差分析

首先借助GPS系统的3个平移分量,根据等效相位中心原理,详细推导了MIMO下视阵列SAR整体误差模型;其次在忽略姿态角误差影响的前提下,重点分析了各个独立平移分量对成像结果的影响程度,得出了高程向误差分量影响最大的结论;最后通过分别加入相同大小高程向和跨航向误差分量的仿真数据的三维成像实验,验证了结论的正确性。实践证明,MIMO下视阵列SAR作为一种新体制三维SAR系统,在高楼耸立的城市测绘领域具有重要的应用价值。     

旋转矩阵表达方式对大旋转角三维基准转换的影响

大旋转角三维基准转换算法可采用不同的旋转矩阵表达方式。本文研究了欧拉角法、方向余弦法、单位四元素法、罗德里格矩阵法等4种算法的旋转矩阵表达方式。从转换参数精度、迭代稳定性、单位权中误差、左右手坐标系之间的适用性等方面分析了不同旋转矩阵表达方式对大旋转角三维基准转换的影响。模拟和实际数据表明,迭代法比解析法获得的转换参数精度高,且方向余弦法能够适用左右手坐标系之间的转换。     

多镜头组合型全景相机两种成像模型的定位精度比较

根据多镜头组合型全景相机的严格成像机理,分析了广泛采用的全景理想成像模型系统误差的来源,推导出误差分布规律,并深入比较了严格成像模型和理想成像模型之间的差异.首先,分析了理想模型的单片物方定位误差和像方后方交会误差,理论公式表明其误差分布和物像间距及视角大小相关;其次,分析了全景立体像对的理想核线误差,并证明误差受像对间的旋转角和Z坐标影响.最后,分别采用室内、外数据对两种模型的空间后方交会、核线模型、光束法平差进行比较分析.试验结果表明,室外条件下由于物距接近于全景投影面、立体影像间旋转角较小等因素,两种模型的差异很小,且都达到了相当于1像素左右的测量精度;在狭窄的室内条件下,由于物距小、旋转角大等因素,严格模型在测量精度上明显优于理想模型.     

超长隧道平面控制测量横向贯通误差预估研究

相向开挖20 km以上的超长隧道,洞内施工环境复杂,相关的洞内外横向贯通误差影响因素的综合分析案例较少,也无超长隧道测量的相关标准规范,导致洞内测量横向摆动难以控制。为给超长隧道建设提供贯通前误差预估,本文分析了横向贯通误差来源,研究了洞外、洞内控制测量对横向贯通误差的影响规律,估算了洞外GNSS、测角误差、测距误差等对横向贯通的影响值,设计了洞内仿真计算试验,试验顾及了对中误差、观测误差等因素。在不同测角精度、不同导线边长条件下,推导并仿真计算了20～30 km范围内不同隧道长度的洞内横向贯通中误差值。结果表明,提高测角精度对横向贯通精度增益效果明显,仿真计算的结果准确可靠,且以2 km隧道长度为划分区间,获得了超长隧道洞外、洞内横向贯通中误差的推荐值。     

GPS精密轨道插值误差及方差估计

分析了影响GPS精密轨道插值传播误差精度的因素,给出了IGS精密星历误差在多项插值中的传播模型及传播误差的方差分量计算方法,为评定GPS插值轨道的精度提供了量化的客观依据,并用算例证明了卫星插值轨道的传播误差精度与精密星历误差精度在同一量级。     

扰动重力水平分量对惯导系统的位置误差影响

研究了不同运动状态下扰动重力水平分量（HDG）对高精度惯导系统（inertial navigation system,INS）的位置误差影响。首先推导了HDG对INS误差影响的状态空间方程,进而推导出3种运动条件下INS位置误差与HDG之间的解析关系式,设计了基于惯导解算求解上述影响的方法。在匀速运动条件下,分别通过解析式与惯导解算两种方法计算了相同HDG引起的INS位置误差。解析式计算结果表明,±80 mGal（1 mGal=10-5 m/s2）范围内变化的HDG约可引起最大约3 000 m的INS位置误差;对两种方法计算结果的比较显示,所得INS位置误差的量级与变化情况基本一致,两组结果验证了各自方法的有效性。     

A two-dimensional pedestrian navigation solution aided with a visual gyroscope and a visual odometer

Integration of different positioning systems such as wireless local area networks (WLAN) and INS has proven to be the most promising approach for navigation in global navigation satellite system challenging environments. However, the integrated solution suffers from the errors induced by the sensors in the INS and the low availability and infrastructure dependency of the WLAN. Visual aiding is a complementary method for augmenting these systems, because it suffers from errors and availability problems of a different nature. We introduce the concept of a “visual gyroscope” and a “visual odometer,” based on recovering user information by tracking the feature motion between consecutive images. All calculations are of sufficiently low complexity to be adoptable for navigation with current smartphones. The camera orientation is observed using the vanishing point locations, and this information is transformed into user heading change information and also used for visual odometer calculations. The visual odometer retrieves the camera translation information based on a special camera configuration and the motion of the matched scale-invariant feature transform features. The performance of both of these tools is evaluated. Experiments in selected environments have proven that visual aiding with a visual gyroscope and visual odometer improves the two-dimensional navigation solution significantly.     

附加约束条件对GNSS/INS组合导航结果的影响分析

针对车载全球导航卫星系统/惯性导航系统（global navigation satellite system/inertial navigation system,GNSS/INS）组合导航中卫星信号中断,惯性导航系统单独导航误差积累较大的问题,提出了附加载体运动条件约束的卡尔曼（Kalman）滤波解算方法。通过利用载体固有的运动约束,包括近似高程约束、近似速度约束和近似姿态约束,减少载体自由度和模型参数;通过引入新的观测类型,增加观测冗余,可以加强Kalman滤波解,提高在GNSS信号中断时组合导航系统的定位精度,实现无缝导航。     

重力场对惯性导航定位误差影响研究与仿真

从惯性导航力学编排方程出发,将高阶重力场模型代替正常重力模型,分析了扰动重力引起的惯性导航误差;并从另一角度,对理想状态下扰动重力对惯性导航的影响进行了仿真分析,结果表明扰动重力影响显著。通过将重力垂线偏差分量引入惯性导航方程,改善传统方程的缺陷,探讨了垂线偏差对惯性导航的影响。在全面论述了扰动重力和重力垂线偏差对惯性导航的影响的基础上,结合实际情况提出了进行重力场误差补偿的两种方法。     

重力场对惯性导航定位误差影响研究与仿真

从惯性导航力学编排方程出发,将高阶重力场模型代替正常重力模型,分析了扰动重力引起的惯性导航误差;并从另一角度,对理想状态下扰动重力对惯性导航的影响进行了仿真分析,结果表明扰动重力影响显著.通过将重力垂线偏差分量引入惯性导航方程,改善传统方程的缺陷,探讨了垂线偏差对惯性导航的影响.在全面论述了扰动重力和重力垂线偏差对惯性导航的影响的基础上,结合实际情况提出了进行重力场误差补偿的两种方法.     

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。     

基于手机传感器和互补滤波的行人航向解算

目前行人航迹推算逐渐成为室内定位研究与应用的热点。针对利用陀螺仪推算行人航向时存在较大累积误差的问题,本文提出了一种基于智能手机传感器的行人航向解算算法。该算法根据陀螺仪输出的角速度数据与手机传感器参数计算合适的阈值,实时调节PI调节器的误差补偿系数,对预处理后加速度计和磁力计数据解算的航向角进行补偿,并与陀螺仪数据互补滤波融合,得到融合后的航向角。试验基于低成本智能手机,分别在磁场强弱环境下采集手机传感器数据,对比分析本文算法与传统互补滤波算法及九轴数据融合算法在推算行人航向时的精度。试验结果表明,在室内磁干扰较强的环境下,本文算法与传统互补滤波算法、九轴数据融合算法相比定位精度分别提升了68.4%和65.9%,平均航向误差分别减小了3.4°和1.8°,验证了本文算法有较好的抗磁干扰性能,提高了行人航向角解算的可靠性。     

基于GPS/INS的影像实时定位与误差分析

遥感影像目标实时定位的关键是外方位元素的实时获取,在航空遥感平台上加载GPS/INS组合导航系统能够满足这一需求.文中首先给出了基于GPS/INS系统的目标直接定位方法;然后从摄影测量的角度,重点推导了影像内外方位元素对目标定位的误差传递公式;并运用实例验证了公式的有效性.     

基于GPS/INS的影像实时定位与误差分析

遥感影像目标实时定位的关键是外方位元素的实时获取,在航空遥感平台上加载GPS/INS组合导航系统能够满足这一需求。文中首先给出了基于GPS/INS系统的目标直接定位方法;然后从摄影测量的角度,重点推导了影像内外方位元素对目标定位的误差传递公式;并运用实例验证了公式的有效性。