抗差EKF滤波在GNSS/INS组合导航中的应用

GNSS/INS组合导航中,姿态解算和比力转换精度是影响精度的关键因素,且GNSS观测数据存在粗差,易对组合导航系统产生影响,针对以上问题,本文设计了一种顾及姿态解算精度的组合导航抗差算法,利用罗德里格斯公式进行姿态更新和比力转换,通过引入抗差估计理论,利用观测值和预测值的差值构造抗差因子,重新设计观测量噪声矩阵.一组...     

结合自适应滤波和神经网络的GNSS/INS抗差组合导航算法

针对GNSS/INS松组合导航系统观测信息无冗余,而且观测信息可能存在异常的情形,结合自适应滤波算法和神经网络算法,提出了两种GNSS/INS抗差自适应组合导航解算方案,根据观测信息和动力学模型信息异常情况,给出了4种GNSS/INS抗差自适应滤波算法。利用实测数据进行了验证,结果表明,4种抗差自适应滤波算法在观测信息不足的情况下,不但能够抑制动力学模型扰动异常对导航解的影响,而且能够较好地抑制异常观测信息对导航解的影响。     

基于抗差EKF的GNSS/INS紧组合算法研究

提出了GNSS/INS紧组合导航的抗差EKF算法,采用21状态GNSS/INS紧组合状态方程,根据多余观测分量及预测残差统计构造抗差等价增益矩阵,建立抗差EKF算法,通过迭代给出GNSS/INS组合导航的抗差解,并开发GNSS/INS紧组合导航模拟平台,通过对观测值加入单粗差、多粗差及缓慢增长三类误差,测试本文算法对不同粗差的抑制能力。分析表明,抗差EKF可以将三类粗差抑制在相应观测值的残差中,达到削弱其对状态参数估计的影响。本文算例证明,抗差EKF算法可将导航解的误差精度从dm级提高为cm级甚至mm级,导航精度及可靠性得到明显提高。     

观测卫星不足时的GPS/INS紧组合抗差自适应滤波

常规GPS/INS紧组合抗差自适应滤波只适用于卫星数≥4的情况,且预测残差构造自适应因子要求观测值可靠。针对该局限性,对常规抗差自适应滤波算法做出两点改进:1)采用两步滤波,用第1步常规EKF滤波残差构造第二步抗差算法的粗差判别量;2)在第2步滤波用预测残差构造自适应因子时,剔除异常观测值对应的预测残差和预测残差协方差,以削弱观测异常对自适应因子的不良影响。实验结果表明,常规抗差算法在卫星数4时不适用。常规自适应滤波算法在观测值存在异常的情况下无法正确修正模型异常。改进后的抗差自适应滤波算法在组合系统观测卫星数4且观测值存在异常的情况下,仍能正确修正观测粗差和动力学模型异常,能够达到良好的导航精度。     

利用随机系数矩阵的GNSS/INS组合导航Kalman滤波算法

在动力学模型可靠的情况下,为避免观测异常对滤波结果的影响,建立处理观测异常的观测模型集合,以观测模型集合中系数矩阵的期望来代替观测方程的系数矩阵,利用随机系数矩阵Kalman滤波算法来控制观测信息异常的影响。算例结果表明,该算法可以有效地控制观测值异常对滤波结果的影响。     

基于IGGⅢ权函数的GNSS/INS组合导航RAIM模型

将IGGⅢ权函数引入GNSS/INS组合导航中,提出基于IGGⅢ权函数的GNSS/INS组合导航RAIM模型,根据Kalman残差平方和服从x2分布,论证运用IGGⅢ权函数探测粗差星的可行性.开发模拟平台生成GPS、Galileo、GLONASS和BeiDou卫星星座,卫星观测值加入单粗差和多粗差,测试RAIM模型的粗差探测能力.算例表明,RAIM模型能够准确定位粗差星,剔除粗差星后,可提高GNSS/INS组合导航精度.     

支持向量回归辅助的GPS/INS组合导航抗差自适应算法

卡尔曼滤波残差分量受到观测信息误差和动力学模型误差的双重影响,由于GPS/INS松耦合导航系统中观测值个数少于状态参数个数,导致异常检测时难以正确区分误差来源,提出一种支持向量回归辅助的组合导航抗差自适应算法。该算法克服了组合系统观测信息无冗余情况下异常检测的局限性,基于遗传算法参数寻优构建回归模型,预测次优观测值,结合整体异常检验法自主选择抗差或自适应滤波,进而调整观测值或动力学模型对导航解的贡献,进行导航预报。最后利用车载实测数据进行验证,结果表明：该算法能够对存在的异常故障智能判定,减弱观测值异常和动力学模型误差影响,保证组合导航精度,提高导航解可靠性。     

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。     

GNSS/INS组合导航在航空摄影中的应用研究

主要研究了GNSS/INS组合导航在航空摄影中的应用.介绍了GNSS/INS组合导航的优点和应用理论,在此基础上,主要研究偏心分量、偏心角的测定,预处理POS数据,GNSS/INS数据联合处理,检校场空三解计算与EO文件的输出等整个GNSS/INS导航在航空摄影的应用,从中体现出该导航应用于航空摄影的优越性.     

附加约束条件对GNSS/INS组合导航结果的影响分析

PPP-RTK(precise point positioning real time kinematic)是一种具有潜力的定位技术,它既避免了RTK(real time kinematic)覆盖范围受限的缺陷,又解决了PPP(precise point positioning)收敛速度慢的问题。但在城市复杂环境下,由于信号遮挡严重,PPP-RTK无法实现高精度连续定位。惯性导航(inertial navigation system,INS)和视觉导航能提供连续的定位信息,但存在误差漂移,由此提出多系统PPP-RTK/VIO(visual inertial odometry)半紧组合算法,并在武汉大学校园内采集车载数据进行验证。实验结果显示,多系统PPP-RTK/VIO半紧组合在定位表现上相比于GPS(global positioning system)+BDS(BeiDou navigation satellite system),PPP-RTK能带来超过30%的精度提升,达到平面0.58 m,高程1.12 m。多系统PPP-RTK/VIO半紧组合的测速和姿态估计性能也较好,测速精度在北向、东向和地向分别达到0.04 m/s、0.04 m/s和0.02 m/s,横滚角、俯仰角和航向角估计精度分别达到0.10°、0.06°和0.17°。     

GNSS/INS组合导航系统初始对准及其故障修复研究

正全球卫星导航系统可在无遮蔽环境中为用户提供高精度、低频率的导航定位服务,但在复杂环境中,GNSS信号易被遮挡或干扰。惯性导航系统经过初始化后,能够独立自主提供高频率、连续的位置、速度和姿态信息。通过二者合理结合,能够在遮蔽或半遮蔽环境中为用户提供连续且可靠的导航解。本文重点研究了GNSS/INS组合导航系统初始化及其故障修复方法,内容包括高精度惯导快速自对准技术、大失准角故障处理、磁力计辅助MEMS IMU抗差自适应姿态融合、神经网络辅助GNSS/INS组合导航系统故障识别与修复和惯导辅助BDS三频周跳探测与修复技术等,主要研究成果如下:     

GNSS/INS多传感器组合高速铁路轨道测量系统

高速铁路轨道必须保持高平顺性、高稳定性和高可靠性,这直接关系到高速列车高速、安全且平稳运行。高速铁路轨道测量至少包括控制测量、线路测量和变形测量等工作。传统高速铁路轨道测量方法存在测量周期长、维护成本高、检测效率低等问题。为此,本文提出了一种基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)/惯性导航系统(inertial navigation system,INS)多传感器组合的高速铁路轨道测量方法,并研制了相应的轨道测量系统。本文详细介绍了其主要构成和方法流程,并在实际高速铁路轨道精调工程中进行了应用示范。结果表明:该系统实现了轨道路基变形监测和高速铁路轨道不平顺绝对测量与相对测量的一体化,其轨道横向偏差精度2 mm、垂向偏差精度2 mm,变形点水平方向精度1 mm、垂直方向精度1.5 mm,显著提高了测量效率。     

一种改进的GNSS／INS非相干深组合导航

针对GNSS／INS非相干深组合导航中通道滤波器状态模型中信号幅值估测不准而导致跟踪环路观测噪声较大的问题,提出了一种改进的GNSS／INS非相干深组合导航方法。该方法通过去除通道滤波器中信号幅值状态变量,增加载波相位变化率加速度误差,重新设计了通道滤波器数学模型。仿真结果表明：相比于传统的非相干深组合导航方法,这种滤波器的跟踪性能与导航精度有了进一步提高。     

利用时间差分载波相位的GNSS/INS紧组合导航

载波相位观测值精度远高于伪距,利用时间差分载波相位的组合导航可避免整周模糊度解算问题。本文以简化的时间差分载波观测模型为基础,分析其误差特性,说明了短期内时间差分载波观测更新的特点。时间差分载波在距离域本质上是相对观测值,存在误差积累,提出了利用伪距在另一个更长的组合周期上进行系统的观测更新方法。重点推导了双周期组合情况下时间差分载波观测值的实用随机模型确定公式,并结合多普勒观测值进一步保证姿态修正的精度。将采用时间差分载波的组合方案与传统伪距组合方案进行比较。结果表明,时间差分载波精度组合系统高,在观测随机模型可靠的情况下优于传统的伪距紧组合导航,误差最大的高程方向精度提高可达47%。     

相位平滑伪距GNSS PPP/INS紧耦合算法

针对在导航实践中低成本MEMS使用传统紧耦合方法计算精度受到限制的问题,提出了一种采用载波相位平滑伪距GNSS PPP/INS紧耦合的算法。实验表明,使用相位平滑伪距的GNSS PPP/INS紧耦合方法后低精度的MEMS和GPS组合位置精度为dm级,速度精度为cm/s甚至mm/s,比传统C/A码紧耦合定位精度高,有较好的收敛性;其次当增加相位平滑的历元数后精度也相应提高。当出现GPS信号中断时,该方法能够加速中断以后滤波收敛的速度,将导航精度控制在中高精度惯导作业要求范围内。该方法节约了导航作业的设备成本,具有一定实际意义。     

虚拟卫星法在GNSS/INS组合导航中的应用

在GNSS/INS车载组合导航系统中,GNSS信号易受遮挡或干扰而失锁,造成组合导航精度有所降低.针对这种情况,将虚拟卫星法应用于GNSS/INS组合导航系统中.通过增加虚拟卫星,构造虚拟观测量,将实测观测量、虚拟观测量用于组合导航Kalman滤波器解算.试验结果表明,此方法能够有效地提高系统的可观测性和导航精度.