GNSS/SINS/视觉导航鲁棒算法

全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)、捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System, SINS)和视觉传感器优势互补,3者信息融合可获得高精度、无漂移的导航定位信息.针对GNSS/SINS/视觉融合导航易受运动速度、光照变化、遮挡等影响导致定位精度和鲁棒性降低问题,本文在图优化框架的代价函数中加入SoftLOne鲁棒核函数,设置量测值粗差检验程序,降低离群点带来的负面影响.进一步,对量测值计算残差进行卡方检验,对超限残差降权处理,提高系统精度和鲁棒性.实验结果表明,本文算法较不施加鲁棒核函数、不采用异常值剔除策略和卡方检验的传统算法,以及加入其他鲁棒核函数的算法精度更高、鲁棒性更好,能够较大程度提升GNSS/SINS/视觉导航定位精度和鲁棒性,在大尺度环境下,未出现较大漂移误差,绝对位姿均方根误差0.735 m,绝对位姿误差标准差0.336 m.

高斯函数拟合的地磁日变规律分析及改正

地磁数据的采集精度直接影响着地磁匹配定位的准确度,地磁日变改正是获取高精度地磁数据的重要前提.在远海以及一些远离台站有效范围的偏远区域设立日变站相对困难,而且保证日变站持续稳定的工作对日变站的设立提出了更高要求.日变改正步骤复杂而繁琐,大多通过多台站联合改正或监测相应时刻日变站的变化实现,对于区域地磁数据采集过程的日变改正研究相对较少.针对这些问题,文章顾及地磁静日变化存在一定周期性的特点,基于高斯拟合函数对单点位多个太阳日下的地磁场变化规律进行分析,并对区域多点的地磁场数据进行日变拟合及改正分析.试验结果表明:在一定区域范围内高斯函数拟合得到的点位磁场的静日变化能够满足地磁日变改正精度,拟合误差在几个nT以内,中误差也不超过10 nT;区域点位实验中,将高斯函数拟合获得的日变改正值与常规方法获得的日变改正值进行对比,其中82.3%的点位日变改正值的差值在±5 nT以内.因此,基于高斯函数拟合的地磁日变改正分析能够根据观测时间获得相应区域的日变改正估值,实现日变改正,获得高精度地磁数据,为地磁匹配定位提供了基础.

DVL/SINS松紧组合的等价性分析及改进的虚拟波束辅助紧组合算法

系统地研究了不同波束可用情况下的多普勒计程仪(Doppler velocity logger,DVL)/捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)紧组合导航算法。证明了3个或4个波束可用情况下,DVL/SINS波束域紧组合的定位精度与三维速度松组合系统具有等价性,并给出了松组合中量测协方差阵的确定方法。针对紧组合系统定位精度随可用波束减少而降低的问题,考虑DVL的误差参数,基于载体运动约束和压力深度计提出一种改进的虚拟波束辅助紧组合算法。实验结果表明,3个或4个波束可用时的松组合与紧组合的定位精度等价;改进的虚拟波束辅助紧组合算法可以准确跟踪故障的波束速度,有效提升了不同波束可用情况下紧组合的定位精度。

AUV海上GNSS数据质量分析与定位评估

水下自主航行器(AUV)逐渐走向智能化、自主化、模块化和多功能化,已得到越来越广泛的关注和发展,然而关于AUV在海上环境的GNSS数据质量和定位性能尚不清楚。基于2022年8月天津滨海新区塘沽海面实测AUV数据,从可见卫星数、信噪比、数据完整性、伪距噪声和多路径效应5个方面对AUV海上GNSS数据质量进行分析,并对定位性能进行评估。结果表明:AUV的GNSS数据质量主要受到海上风浪和多路径的影响,卫星信号频繁中断,数据完整性较低,伪距噪声和多路径效应显著。AUV海上RTK的固定率为76.6%,伪距单点定位水平方向有96.83%的误差分布在2 m之内。

基于可变因子的变分贝叶斯SINS海上动态对准

针对传统变分贝叶斯自适应滤波中,基于经验选取常值遗忘因子,不能自适应时变量测噪声的问题,提出一种基于可变因子的变分贝叶斯自适应滤波,并应用于船载捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)动态对准。首先利用变分贝叶斯方法近似噪声的后验分布,估计时变量测噪声和状态向量后验分布。其次通过噪声方差时变强度构造可变因子,实现自适应调整变分贝叶斯参数。最后给出了基于可变因子的GNSS/SINS海上动基座对准流程及算法。船载实测数据表明,所提算法在时变方差下,较卡尔曼滤波和传统贝叶斯滤波方位角误差收敛到0.5°范围内所需时间分别缩短了52%和44%;横滚角和方位角均方根误差分别降低57%、46%和13%、9%;东向和北向速度均方根误差分别降低56%、68%和51%、22%。

基于状态变换卡尔曼滤波的DVL/SINS组合导航算法

针对捷联惯性导航系统(strapdown inertial navigation system,SINS)误差定义存在的坐标系不一致的问题,将速度误差统一投影在真实导航坐标系中,基于状态变换Kalman滤波推导了更严密的SINS姿态、速度和位置误差方程。进一步地,在新定义的速度误差和SINS误差方程的基础上,构建了改进的多普勒计程仪(Doppler velocity logger,DVL)/SINS组合导航卡尔曼滤波状态模型和量测模型。仿真和船载实验表明,与常规DVL/SINS卡尔曼滤波模型相比,所提算法可以处理传统DVL/SINS误差模型中坐标系不一致问题的影响,可在一定程度上提高组合导航系统的性能。

基于粒子群优化神经网络模型的BDS-3卫星钟差预报

针对在钟差预报中小波神经网络预报结果的不稳定性问题,提出一种粒子群优化小波神经网络的钟差预报模型,以提高预研结果稳定性。该模型是将小波神经网络的各阈值和权值作为粒子的位置向量,通过粒子群算法寻求网络的阈值和权值的最优值,降低了网络出现局部极值的概率,从而改善了小波神经网络预报结果的稳定性。通过分析粒子群算法最优个体适应度值变化曲线图、比较粒子群算法优化前后WNN模型训练误差以及两种模型多次预报结果,验证了模型的有效性。并与二次多项式(QP)及灰色(GM(1,1))两种常用模型进行实验对比。实验结果表明:在24小时钟差预报中,所提方法相比于两种常用模型预报的精度分别提高了约49.7%和66%,并且预报得到钟差精度相比于超快速钟差产品提高了97.7%,质量明显优于超快速钟差产品。

附加TDCP约束的无人船载GNSS/MEMS组合导航方法

针对无人船用GNSS SPP与MEMS进行组合导航时存在的定位误差大、鲁棒性差等问题,提出了一种附加TDCP约束的无人船载GNSS/MEMS组合导航方法。采用因子图方法构建无人船GNSS/MEMS组合导航系统模型,利用多频TDCP求解的历元间精密位置增量进行约束,并使用增量平滑算法进行状态估计。通过实际无人船试验,设计了六种组合方案进行性能评估,结果表明,加入多频TDCP约束后,横滚和俯仰角精度优于0.2°,航向角精度优于1°;北向、东向、地向的定位精度分别为0.270 m、0.201 m和0.464 m,最大定位误差小于0.5 m。与无此类约束相比,所提方法提高了无人船定位的精度和鲁棒性,且求解轨迹更平滑。

一种非差非组合PPP估计卫星DCB的改进算法

提出一种基于非差非组合PPP估计卫星DCB的改进算法,该算法同时利用非差非组合PPP和载波相位平滑伪距提取斜向电离层观测值,基于单站电离层建模分离电离层观测值中的垂向电离层延迟,并假设卫星DCB之和为0以消除秩亏,最后基于加权最小二乘平差方法同时估计DCB和电离层延迟等参数。由于两类电离层观测值的精度存在差异,随机模型会出现权比失调问题。对此,引入方差分量估计方法,基于方差分量估计的残差向量,利用后验估计的方式迭代调整两类电离层观测量权比,从而达到优化随机模型的目的。利用MGEX测站数据验证算法的有效性,结果表明,本文方法卫星DCB估值精度为0.32 ns,相比传统载波相位平滑伪距方法和等权比融合两类观测值方法分别提升52.24%和43.86%。

顾及水声误差的UUVs协同定位构型设计及分析

由于水介质的特殊性及水下的弱通信条件,水下无人航行器编队构型的优劣直接影响着协同定位的精度。针对传统UUVs构型设计方法未考虑水声声线弯曲和声速变化误差,且忽略了UUV之间距离变化引起的入射角差异的问题,本文提出了顾及水声误差的UUVs协同定位模型,通过引入平面位置精度衰减因子的概念分析UUVs最优编队构型。选取了位于日本南海海槽的实测数据作为水下真实声速场,分析了5种UUVs编队构型在不同深度下的协同定位精度,指出了UUVs水平距离和水深的比值与协同定位结果的关系。试验结果表明,传统方法在UUVs分离角为90°时达到最优构型,考虑到水声测距误差后,UUVs分离角在25°~30°达到最优。UUVs水平距离与水深的比值越大时,协同定位精度越高。考虑到波束入射角的限制,推荐在1.5~2.0倍比值,即55°~63°的波束入射角为最优构型。较之传统构型设计方法,顾及水声误差的编队构型使得UUVs协同定位精度平均提升24.3%。

基于可变遗忘因子的渐消记忆变分贝叶斯自适应滤波算法

针对全球卫星导航系统/捷联惯性导航系统(GNSS/SINS)组合导航中GNSS信号易受干扰,造成量测噪声突变的问题,提出一种基于可变遗忘因子的渐消记忆变分贝叶斯自适应Kalman滤波(VBAKF)算法。针对自适应滤波中突变噪声难以准确探测,构建基于初值的噪声突变检验准则;为解决自适应滤波估计突变噪声的拖尾现象,将变分贝叶斯自适应滤波的超参数传递结构转化为协方差阵修正结构,通过构造可变遗忘因子函数动态调节自适应滤波中的遗忘因子。仿真和实测数据表明:所提算法可在GNSS/SINS噪声突变时快速估计量测噪声,提高组合导航精度。

量子增强星载光子计数激光雷达阈值检测性能

星载光子计数激光雷达在遥感探测、导航测距等领域发挥着重要作用。依据光子数可分辨激光雷达的工作原理,建立了基于光量子统计理论的星载光子数可分辨激光雷达接收端的量子阈值检测模型。方案利用先进的光子数可分辨探测器件滤除未能达到最小检测信噪比的光子,并根据光量子统计规律重构信噪比检测公式,接收端的最小可检测信噪比相对经典光强检测方案进一步降低。同时分析了新型量子阈值检测方案的检测概率与虚警概率,数值仿真的结果表明,基于光子数可分辨探测的量子阈值检测方案的信噪比在少光子到达的条件下优于经典光强检测方案,且利用量子压缩态发射源可进一步增强量子阈值的检测性能。最后,进行了星载光子数可分辨激光雷达测高的仿真实验,结果表明在少量返回光子信号情形下的量子阈值检测方案的性能获得了显著增益。

基于抗差因子图的AUV多源信息融合定位方法

面向AUV搭载的传感器信息频率不一致与有效性易动态改变的情况,因子图算法相较于扩展Kalman滤波算法表现出更好的稳定性、灵活性与扩展性。本文首先比较了FGO与EKF算法分别应用于AUV多传感器信息融合定位的性能,再针对复杂水下环境中,传感器的异常观测值影响FGO算法定位精度的问题,提出了一种基于抗差因子图的AUV多源信息融合定位方法,利用动态协方差缩放策略对粗差因子进行降权处理,在海测数据的基础上模拟观测粗差进行算法验证。分别采用普通FGO算法、基于DCS的抗差FGO算法对受到粗差干扰后的数据进行解算。统计结果表明,相较于不进行抗差处理,该算法降低了14.6%的平面位置误差,对异常观测具有良好的稳健性能。

多系统PPP-AR模型在USV精密定位中的应用

为评估海上无人船USV进行非差模糊度固定AR的PPP性能,首先基于S变换简述了多模PPP的可估模型,然后根据一组USV实测的近海多模数据评估了多系统PPP-AR的收敛时间和定位精度。结果表明:相较于浮点PPP,进行模糊度固定的PPP收敛时间减少至19.2min,改善约33.3%;模糊度固定解在东、北、天3个方向的精度分别为1.5cm、0.8cm和4.8cm,表明PPP-AR技术可较好应用于厘米级的USV定位。

基于智能手机的船载组合导航算法

智能手机内置丰富的传感器激发了无处不在的导航应用,但目前智能手机组合导航研究多集中于陆地环境,对水上及海洋环境的研究较少。为此,设计了一种以GNSS、加速度计、陀螺仪组合导航为主,磁力计、气压计为辅的多种传感器融合算法,以实现智能手机船载场景下的高精度定位导航,提出了一种智能手机磁力计转弯检测的方法,构建了顾及船只运动状态的噪声自适应运动约束模型,同时引入了磁力计和气压计外部观测等约束信息。基于船载实测数据进行分析,结果表明:基于磁力计测量值的转弯检测成功率高达96.94%;相较于未加约束的松组合算法,本文算法平面位置精度可达到1.29 m,提升12.24%,航向精度可达到1.75°,提升50.28%,基本满足船只的定位导航需求。

最小二乘配置方法确定中国大陆主要块体运动模型

针对中国大陆地壳运动分析中观测资料不足以及分布不均匀的问题,建立更适于形变分析的最小二乘配置模型,其中包含趋势项和信号项,模型参数有明确的意义;结合抗差估计,提出引入地球物理模型计算值用于数据的中心化处理,同时分区、按方向确定协方差函数的新方法;采用文中改进的最小二乘配置方法,建立中国大陆内部主要块体的运动模型。

GNSS多系统组合精密定位研究进展

近年来,我国北斗卫星导航系统(BDS)以及欧洲伽利略卫星导航系统(GALILEO)正在快速建设与发展,同时,GPS和GLONASS卫星导航系统的现代化也在逐步推进,卫星导航定位领域正发生着深刻的变革。系统介绍了各卫星导航系统的建设和发展状况,探讨了多系统组合定位带来的机遇和面临的挑战,以及当前对这些问题的研究现状,最后对多系统组合定位的应用前景进行展望。

中国大陆主要块体水平运动协方差函数确定方法研究

针对最小二乘配置中协方差函数的确定问题,顾及地壳运动的物理特征和空间属性,提出了引入地球物理模型计算值做中心化,同时分区、按方向确定协方差函数的新方法。利用实测数据,结合抗差估计,建立了更具代表性的中国大陆主要块体水平运动的协方差函数模型。采用该模型,计算结果具有更合理的解释性。

全球板块运动背景场及ITRF2005VEL的建立

简要分析了最新的国际地球参考框架ITRF2005实现的基本情况及其相对于ITRF2000的改进,以ITRF2005为参考框架建立了新的全球板块运动模型ITRF2005VEL。建模时,首先根据测站的分布和速度场的精度对测站进行初步剔除,然后采用相似变换的方法对全球ITRF2005测站的速度场数据再进行第2次筛选。根据筛选结果利用最小二乘方法建立了全球板块运动背景场及其运动模型,给出了全球11个主要块体的运动参数。此结果与其他学者建立的模型相比,总体上有很好的一致性,但在个别块体上也有所差异。

初建海洋测绘课程的探索与体会

介绍了测绘工程专业背景下建设海洋测绘课程的起步过程,着重从教法和学法两个角度阐述了课堂组织形式,提出了“问题引导+课程关联引导+实操引导+反馈引导”的讲授方法;围绕海洋测绘课程的建设过程进行总结,并从宏观和微观两个层面分析了建设中产生的一些问题。