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。

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%。

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。

UUVs集群协同定位的分散式增广信息滤波方法

无人水下航行器集群协同作业能够扩展单体UUV的感知范围,实现单体UUV无法或难以完成的复杂任务。由于水下环境的复杂性及UUV各传感器存在观测限制、时延等问题,传统分散式Kalman滤波方法所需要的庞大实时通信在实际中难以实现,使得当前UUVs集群协同定位为不严密的解算。本文提出一种以增广信息滤波为核心的UUVs集群协同定位分散式滤波方法,在顾及算法严密性的基础上实现了UUVs分散式协同定位。每个UUV平台根据本地的传感器数据建立自己的状态链,同时广播自己的观测信息,各个平台协同完成信息矩阵的Cholesky修正。基于严密的数理理论证明了所提出的UUVs协同定位的分散式滤波与集中式滤波的一致性,并与传统方法进行对比分析。理论仿真分析表明,较之传统方法单体UUV的观测更新或两个UUV之间的相互观测都会导致UUVs集群全体状态更新,本文方法使得观测更新仅与观测直接涉及的UUV相关,有效地降低了通信载荷,实现观测信息的即插即用,扩展性良好。

3种PPP模型的统一模糊度固定方法

精密单点定位(PPP)的模糊度经未校准硬件延迟小数部分(FCB)产品改正后,可恢复整周特性,能够显著缩短PPP的初始化时间。然而由于用户端模糊度固定模型需与服务端FCB产品保持一致,不仅造成了用户端面临不同FCB产品无法使用的问题,而且加重了服务端的链路传输压力。本文提出一种基于用户端3种PPP模型(消电离层组合、无电离层约束的非组合以及先验电离层约束的非组合模型)的统一模糊度固定方法,不同用户端可采用同一种FCB产品实现模糊度的快速固定。选取全球116个MGEX测站作为服务端生成3种FCB产品,选取未参与服务端解算的50个测站作为用户端进行验证。试验结果表明,本文方法解决了用户端面临不同FCB产品的PPP模糊度固定问题,在定位精度、收敛时间、固定率方面与传统方法保持一致。

水下UUVs集群协同定位技术发展现状及趋势

随着水下装备逐渐走向自主化、无人化、智能化,水下无人航行器(UUV)以集群的形式协同作业成为必然的发展方向。本文介绍了UUVs集群设备的发展现状及相关项目开展情况;系统梳理了UUVs集群协同定位技术在编队构型设计、观测量误差建模、模型与解算方法及水声通信技术方面取得的研究进展;重点讨论了UUVs集群协同定位技术的发展趋势,即协同编队构型设计的可视化、多源传感器误差建模的精细化、集群协同定位算法的智能化及定位结果质量控制的实时化;最后对UUVs集群协同定位技术的发展作出展望。

一种Galileo五频周跳探测与修复新方法

提出联合四组无几何相位组合和一组无几何伪距相位组合探测Galileo五频周跳,针对上述组合修复周跳过程中遇到的法方程病态性问题,提出一种基于条件数最小原则优选组合系数的策略。首先,按照波长较长、电离层延迟放大系数和周跳探测量标准差较小的标准选出部分适合的周跳探测组合,这些组合均满足有良好的周跳探测性能,之后依据条件数最小原则优选出最终的组合系数。该策略优势在于不仅顾及了周跳探测精度的需要,又降低了周跳修复时法方程病态性对周跳估值的影响。然后,引入LAMBDA算法进行Galileo五频周跳修复,重点研究了LAMBDA算法中ratio值设置问题。最后,利用实测数据进行验证,对比直接取整结合取整概率公式方法,设置四组实验方案。实验结果表明所提算法选取的周跳探测组合具有较高的周跳探测精度,能够有效探测各类周跳,联合周跳探测成功率达到100%。LAMBDA算法有着较高的周跳修复成功率和可靠性,同等情况下大幅优于直接取整方法。该算法关键在于ratio值阈值的选取,同时需要顾及修复的漏判率和误判率等,结合实验结果,建议设置ratio值阈值为2。

考虑信息滞后的AUV因子图多源信息融合定位算法

针对自主水下潜航器(AUV)搭载的传感器易出现信息滞后的问题,在因子图优化(FGO)算法的基础上,提出考虑信息滞后的多源信息融合定位算法,削弱时延传感器测量信息产生的不良影响。首先构建AUV多源信息融合定位因子图框架,对超短基线(USBL)系统、多普勒测速仪(DVL)进行因子建模,以捷联惯性导航系统(SINS)为主传感器进行状态递推。接收到滞后的传感器信息时,将因子节点连接到因子图模型中对应历史时刻的状态节点,利用非线性优化理论进行状态修正与更新。最后,采集AUV在海洋航行过程中的DVL、SINS数据,利用水面GNSS数据仿真USBL位置观测信息,模拟不同的信息滞后情况进行验证。半实物仿真试验结果表明,在信息滞后1 s的情况下,所提出算法定位精度与无滞后情况相当。与曲线拟合法、丢弃数据法相比,该算法对时延误差的补偿效果更佳。

智能手机海上GNSS数据质量分析与动态定位评估

目前,智能手机GNSS相关研究多基于陆地环境,对于海洋环境下的测量定位分析较少。从可见卫星数、载噪比、伪距噪声、多路径效应4个方面,对智能手机海上GNSS观测数据进行了细致分析,并评估了其动态定位性能。利用课题组2019年8月5日在黄海海域采集的MI8智能手机GNSS观测数据进行试验,结果表明,智能手机可跟踪到的BDS卫星数目较少,其信号载噪比数据稳定性较差,抗多径能力较弱。此外,智能手机GPS和BDS伪距噪声分布在15 m之内,其中BDS系统GEO卫星的伪距噪声优于IGSO和MEO。海上动态伪距定位试验结果表明,E、N和U方向定位偏差RMS分别为3.10 m、1.98 m和4.21 m,可基本满足海上动态定位需求。

海洋环境中北斗精密单点定位精度及性能分析

目前,对北斗系统精密单点定位的研究大多是基于陆地等常规环境,对海洋环境中北斗精密单点定位精度及性能分析研究较少。文中采用自编的数据处理软件,对评估北斗全球定位系统在海洋环境下精密单点定位的性能,为拓宽北斗系统应用领域提供相应的数据支持。实验结果显示:观测到的北斗卫星数目多达23颗,北斗二代和三代卫星信号均可接收到,静态精密单点定位精度达到厘米级,动态精密单点定位的收敛时间约为25 min,与RTK的定位结果符合度好,定位精度满足在海洋环境中定位的需求。

BDS三频双差载波相位组合平滑伪距算法

针对现有的载波相位平滑伪距算法多基于GNSS双频观测值且在伪距平滑过程中易受电离层延迟累积干扰的问题,提出一种基于北斗三频观测值的载波相位平滑伪距算法。首先通过构建北斗三频优选线性组合,进一步削弱双差载波相位观测值的电离层延迟以及观测噪声;接着通过经典Hatch滤波平滑器,用优选三频双差载波相位观测值代替原始载波相位观测值对组合伪距观测值进行平滑,得到最终伪距平滑解用于伪距定位。最后采用0.004、14.4、61.7和131.6 km这4组不同基线长度的北斗三频实测数据对算法进行验证,给出了平滑前后伪距历元差对比图及算法对4组基线观测值的平滑率。结果表明,所提算法对短基线和中长基线三频观测值的平滑率均能达到90%以上。通过对4组基线条件下平滑效果进行比较分析,验证了本文中的理论推导及算法的有效性。

附加运动学约束的BDS抗差UKF导航算法

针对城市复杂环境中单一BDS导航受多路径(multipath,MP)和非视距(non-line-of-sight,NLOS)信号干扰导致精度下降的问题,提出一种附加运动学约束的抗差无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter,UKF)算法。该算法基于新息向量构造等价权函数,克服了位置及接收机钟差初值不准确引起的抗差性能下降问题。同时,利用载体的近似运动方向和高程约束,进一步增强滤波解。实测车载试验结果表明,本文方法可有效抑制MP和NLOS信号的干扰,提高城市环境中的BDS导航精度。

不同系统间偏差模型对GPS/BDS/Galileo精密单点定位的影响

基于双频非组合PPP模型,采用常量模型、白噪声模型和随机游走模型对ISB参数进行处理,利用7个MGEX测站10 d的数据进行静态和仿动态实验,并分析3种模型的收敛时间和定位精度。结果表明,在收敛时间方面,随机游走模型和白噪声模型效果一致,总体优于常量模型,静态和仿动态下分别提升15.4%和29.4%;在定位精度方面,随机游走模型和白噪声模型效果相当,较常量模型在E、U方向上精度提升最为明显,静态下E和U方向的精度分别提升约77.7%和32.2%,在仿动态定位中E和U方向的精度分别提升约66%和43.5%。

基于纠缠数态和奇偶校验的光纤陀螺仪相位测量性能分析

针对多光子最大纠缠NOON态难以直接作为光纤陀螺仪的双模输入态,且当输出态的光子数差算符为0时标准光强差测量方案将失效的问题,提出了一种基于纠缠光子数态和奇偶校验方案的双端口输入/输出光纤陀螺仪结构。阐述了基于关联数态的纠缠光纤陀螺仪的工作原理和奇偶校验测量方法,首次推导了双模纠缠光子数态光纤陀螺仪的相位估计误差公式,并将双光子、四光子双模纠缠数态输入与具有相同光子数(光功率)的最大纠缠NOON态输入以及经典相干态输入的Sagnac相位测量精度进行了对比。理论分析表明,利用纠缠光子数态(不一定是最大纠缠态)结合奇偶校验测量可以突破散粒噪声限制而达到海森堡极限,所提方法仅需对量子光学陀螺仪的输出端进行奇偶校验即可实现,是增强光学陀螺仪输出精度的一种新方法。

基于广义罗德里格参数的恒星相机和陀螺联合测姿方法

在恒星相机和陀螺联合测姿时,不准确的初始状态会引起测量更新后的四元数不满足归一化的要求。针对此问题,提出一种基于广义罗德里格参数的UKF姿态确定方法,基于广义罗德里格参数构造的误差四元数进行乘法更新,保证了四元数的归一化性质。同时,针对恒星相机的非线性观测方程,采用UKF进行状态估计,避免了高阶信息的损失。将该方法应用于旋转航天器的姿态估计试验,并与传统EKF方法对比。结果表明,在初始姿态存在较大偏差时,所提出方法较传统四元数强制归一化方法,测姿精度提高约0.6°;在初始姿态和陀螺零漂误差叠加时,传统EKF方法出现震荡,所提出方法测姿误差仍然可收敛至0.1°,具有更优的稳健性。

载波相位差分辅助的船载SINS动态对准

GPS/SINS松组合采用位置差分法获取实时速度时,其测速精度难以满足快速初始对准及姿态更新的要求。针对此问题,提出一种基于历元间载波相位差分TDCP(Time Differenced Carrier Phase)的速度确定方法,并应用于船舰的SINS实时动态对准。为验证算法的有效性,采集了实测的船载GPS/SINS动态数据,对比了位置差分测速与TDCP测速进行初始对准解算的精度。实验结果表明:位置差分测速精度可达dm/s,TDCP测速精度可达cm/s;基于TDCP测速的初始对准能够快速收敛,其横滚角和俯仰角误差约在0.1°以内,航偏角误差约在1°以内,该方法能使SINS姿态测量保持较高精度。

针对消电离层组合FCB的非组合PPP部分模糊度固定方法

非差模糊度经过未校准硬件延迟小数部分(fractional cycle bias,FCB)产品改正后恢复整周特性,能够显著缩短精密单点定位(precise point positioning,PPP)的初始化时间。服务端采用非组合模型估计FCB产品时,由于电离层误差的影响,原始频点L1和L2的FCB无法准确分离,因此提出一种基于消电离层组合FCB产品的非组合PPP部分模糊度固定方法。由于传统服务端消电离层组合FCB产品算法与用户端非组合模糊度固定算法具有一致性,可采用星间单差的宽巷和原始频点模糊度构建窄巷模糊度,利用消电离层组合FCB产品进行分步模糊度固定。采用全球120个MGEX(multi-GNSS experiment)测站作为服务端生成消电离层组合FCB和非组合FCB产品,再选取全球未参与服务端解算的10个测站进行评估验证。实验结果表明,相对于使用传统非组合FCB的模糊度固定方法,静态情况下,所提方法收敛精度平均提升25.0%,收敛时间缩短21.1%;仿动态条件下,所提方法收敛精度平均提升26.7%,收敛时间缩短17.9%。

模糊决策理论的地磁图适配性分析

传统地磁图适配性分析仅将单一特征参数作为评价指标,从而导致分析结果不全面。针对此问题,提出了一种基于模糊决策理论的地磁图适配性分析方法。首先采用地磁标准差、粗糙度、相关系数、坡度标准差及地磁信息熵等5个主要特征参数作为模糊指标进行加权分析,得到综合评价值以评定候选区适配性。然后基于地磁异常的无迹卡尔曼滤波算法,选取中国南海部分海域的全球地磁异常格网数据作为地磁异常基准图进行仿真实验。实验结果表明,该方法具有较高的可靠性,综合评价值可作为地磁图适配性分析的定量依据,并能从一定程度上解决单一特征参数评价不全面的问题,提高水下自主航行器的导航精度。