惯性导航系统INS与GPS系统的组合应用

由于传统的惯性导航系统设备是分离式的 ,且精度又较低 ,加上高价位的惯性系统的传感器是阻碍它被广泛应用于与GPS进行组合导航的主要原因。但近年来出现的低价位、高精度的传感器 ,使得惯性导航系统集合化、小型化成为现实。这也就使得惯性导航系统与全球卫星导航系统的组合导航系统成为可能 ,从而为解决民用GPS或GLONASS全球卫星导航系统存在的问题提供了另一个有效的途径。

INS/GNSS组合导航系统校准方法

惯性导航系统(INS)和全球导航卫星系统(GNSS)组合的导航系统应用越来越广泛,它的校准问题亟待解决。本文简要介绍了目前广泛使用的各种导航系统,论述了INS/GNSS组合导航系统的工作原理及组合算法;详细分析了INS/GNSS组合导航系统各种测试及校准方法,比较了各种校准方法的优缺点;提出了INS/GNSS组合导航系统校准装置应具备的条件:可产生标准的空间位置和速度、可产生标准的姿态角度变化、可有效地接收GNSS卫星信号、统一的时间基准与同步信号。

GPS/INS组合导航系统的研究

讨论了飞机惯性导航系统(INS)与全球卫星导航系统(GPS)的利与弊以及卡尔曼滤波方法在组合定位中的应用情况,进一步提出了基于神经网络数据融合方法的GPS/INS组合导航系统。系统神经网络结构采用单隐层的三层神经网络,输入输出神经元数目是4个,基于256个训练样本由经验公式求得隐层神经元数目为8个,同时还建立了惯导系统的数学模型和数据融合的数学模型。给出了利用MATLAB编制的神经网络训练程序并对这一神经网络进行了训练和仿真。实验表明,组合导航系统经度误差可达9m,纬度误差可达8m,与单独GPS定位和INS定位相比精度得到了提高。

顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法

为解决不同GNSS间信号差异引起的多GNSS RTK/INS紧组合导航应用中卫星系统间模糊度固定失败的问题,本文提出顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航方法,以进一步发挥多GNSS在复杂环境下的互补性和灵活性。本文推导了顾及ISB/IFB的多GNSS RTK/INS紧组合导航观测方程,给出了综合利用抗差估计方法和粒子群优化的ISB/IFB参数估计方法。试验结果表明,顾及ISB/IFB参数可以在一定程度上提高卫星系统间模糊度固定成功率;结合抗差估计方法提高卡尔曼状态估计浮点解精度,可显著提高多GNSS RTK/INS紧组合导航系统在复杂环境下的系统间模糊度固定成功率与导航精度。

GNSS精密单点定位与惯性导航紧组合理论模型

针对精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)动态定位精度低、收敛速度慢等问题,本文采用PPP/INS紧组合系统来达到改善PPP动态定位性能的目的。本文对PPP/INS紧组合的观测方程、误差补偿模型、参数估计模型等进行详细推导。通过车载实验采集的卫星观测数据和不同等级的惯性数据,对动态PPP及PPP/INS紧组合的定位定姿性能进行分析,评估不同等级惯性传感器对PPP/INS紧组合定位精度和收敛速度的影响。实验结果表明:PPP/INS紧组合在北-东-高方向的位置RMS相对于PPP分别改善了70.2%、29.1%和16.8%,达到4.8 cm、12.3 cm和7.4 cm。在卫星跟踪条件良好时,惯性传感器性能对PPP/INS紧组合定位精度影响不大;而在卫星观测条件不足时,惯性传感器性能对PPP/INS紧组合定位精度影响明显。此外,仿真和恶劣条件下的数据结果表明,PPP/INS初始定位精度与收敛速度随惯性传感器性能提高而改善明显。

基于递归模糊小波神经网络的INS-GNSS组合导航算法

为提高惯性导航系统(inertial navigation system,INS)与全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)相结合的组合导航系统在GNSS中断期间的精度,提出一种基于递归模糊小波神经网络(recurrent fuzzy wavelet neural network,RFWNN)的启发式神经网络结构,用于INS的速度和位置误差补偿。在GNSS正常工作时,利用INS-GNSS数据将RFWNN训练成一个高精度的预测模型;在GNSS中断期间,利用被训练好的RFWNN模型补偿INS的速度和位置误差。为对所提出的RFWNN辅助INS-GNSS的性能进行评估,进行实船试验,结果表明利用RFWNN能够有效地对GNSS中断时的速度和位置信息进行高精度修正。

基于高精度三轴转台的GNSS/INS组合导航姿态性能自动化测试评估方法研究

目前全球卫星导航系统/惯性导航系统(GNSS/INS)组合系统性能测试评估技术存在评价方式单一,数据自动化处理程度不高等问题.针对系统的姿态性能,研究了GNSS/INS组合导航姿态性能动态测试评估新方法,并研发了相应的自动化控制测试评估软件.该方法基于高精度三轴动态基准仿真转台进行,首先通过多转位、多姿态运动场景的任务进行测试,采集转台三轴运动姿态数据与组合导航系统输出数据,然后利用Thompson奇异值剔除法对实测数据进行处理,最后结合转台实测数据进行不确定度分析从而完成测试评估工作.针对微机电系统(MEMS)组合导航产品开展了两组测试,实测结果表明:该方法可以较好地抑制组合导航系统中出现的奇异值点,同时转台的不确定度值均在0.2″以内,验证了该测试评估方法的高可行性与可靠性.

三频差分GNSS/INS紧组合模型

北斗卫星导航系统已经提供三频信号的位置服务。针对目前尚无关于北斗三频信号的GNSS/INS紧组合研究的现状,将三频模糊度解算算法与紧组合结合,构建了三频差分GNSS/INS紧组合模型。给出了新模型的观测方程和模糊度解算方法,分析了新模型的优点。进行了车载组合导航实验对比新模型与经典模型,结果表明:新模型的解算时间消耗远少于经典模型,在9颗可视卫星时,新模型的总解算时间仅为经典模型的55.53%;卫星数的增加对新模型解算时间的影响不显著;新模型能够获得和经典模型相当的精度,位置差别均方根在毫米级,速度差别均方根在厘米级,姿态差别均方根在0.01°级别。新模型利用了三频模糊度解算速度快的优点,又有效地削弱了其不稳定性对定位结果的影响,为基于三频信号的GNSS/INS紧组合做了前沿性研究。

BDS-3 PPP/INS紧组合周跳探测及修复方法

针对载波相位观测值在实际测量中存在整周数跳变的问题,提出一种BDS-3PPP/INS紧组合周跳探测及修复方法:在北斗三号卫星导航系统(BDS-3)精密单点定位(PPP)/惯性导航系统(INS)紧组合模型基础上,构建星间历元差分宽巷检测量及星间差分电离层残差检测量,以实现INS辅助BDS-3周跳探测与修复;分析可知,星间历元差分宽巷检测量利用INS短时间高精度特性,求得卫星—接收机几何距离,但无法探测等周周跳,而星间差分电离层残差检测量可消除几何距离误差,但无法探测特殊比例周跳,所以将2种方法联合实现优势互补,可以实现对所有周跳的探测以及探测后的瞬时修复。实验结果表明,所提方法在连续历元或一定中断时长内能够探测大、小、等比、特殊比例周跳,同时在中断10 s内可以实现周跳探测后的完全修复,20 s内实现部分修复。

改进的GPS/INS组合导航选星算法

在已有的 GPS定位的选星算法的基础上 ,从组合系统量测矩阵出发提出了一种适用于 GPS/INS组合导航的选星算法。此算法在原有算法的基础上 ,考虑了卫星仰角、方位角对卡尔曼滤波器可观性的影响 ,避免因观测量与系统状态间关联项的减少而导致的滤波器可观性下降 。

欺骗干扰影响下GNSS/INS松组合与紧组合比较

全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)的组合导航系统常采用松组合与紧组合2种模式,通过分析比较松组合与紧组合在欺骗干扰环境下的导航精度与系统鲁棒性,有助于用户选取最佳的组合模式应对欺骗干扰。首先介绍了GNSS/INS松组合与紧组合的数学模型;然后根据欺骗干扰原理,建立了欺骗模型;最后通过仿真试验,对比分析了松组合与紧组合在欺骗干扰环境下的导航精度与系统鲁棒性。仿真结果表明:在欺骗干扰环境下,紧组合相比松组合的导航精度不具有明显优势,但紧组合的鲁棒性优于松组合。

基于GNSS/INS组合定位的自动公交报站系统设计

设计一种基于GNSS/INS组合定位的自动公交报站系统,解决传统GNSS公交报站设备在高楼、林荫等复杂环境下定位无效,位置数据漂移、不准确,不能自动报站的问题。GNSS/INS组合定位利用GNSS、陀螺仪和加速度计等多种传感器组合定位,GNSS子系统获取全球卫星定位数据,INS子系统获取惯性定位数据。采用扩展卡尔曼滤波算法融合GNSS子系统和INS子系统的数据,充分发挥GNSS子系统在空旷环境下定位准确的优点,同时对INS子系统的数据不断修正;利用INS子系统短时间数据的高精度弥补GNSS子系统复杂环境下的不稳定性,达到优势互补。该自动公交报站系统可以保证高楼、林荫、城市立交桥和城市高架桥等遮挡环境下定位的准确性、稳定性,实现准确的自动报站,具有很好的市场应用前景。

BDS-3 PPP/INS紧组合定位性能分析

随着我国北斗三号全球卫星导航系统(BDS-3)的全面建成,基于BDS-3的高精度定位定姿应用需求日益迫切.推导了无电离层组合模式BDS-3精密单点定位(PPP)模型及地心地固坐标系下的惯性导航系统(INS)误差方程,构建了BDS-3 PPP/INS紧组合定位滤波模型,分别针对BDS-3 PPP、BDS-3 PPP/INS松组合、BDS-3 PPP/INS紧组合三种模式进行了定位性能评估.实验结果表明:BDS-3 PPP/INS松组合与BDS-3 PPP位置精度基本一致;BDS-3 PPP/INS紧组合在东(E)、北(N)、天顶(U)方向位置精度为分别7.9 cm、9.3 cm、9.4 cm,较BDS-3 PPP/INS松组合位置精度分别提升了38.3%、33.1%、35.6%,速度精度分别提升了27.3%、45.8%、12%,姿态精度相当.

旋转GNSS双天线/MIMU紧组合系统算法

为了提高旋转全球卫星导航系统(GNSS)短基线双天线/微惯性测量单元(MIMU)组合系统的定向精度,该文构建了其紧组合系统。紧组合算法将GNSS的伪距、伪距率和载波相位作为旋转GNSS双天线/MIMU组合系统的观测量,用扩展卡尔曼滤波进行估计,估计得到的状态量对系统进行闭环反馈,最后得到组合系统的定向结果。对旋转GNSS双天线/MIMU组合导航系统的船载试验数据进行了紧组合离线解算,结果表明,当GNSS基线为0.3 m时,组合系统的航向误差小于1°,俯仰角和横滚角误差小于0.1°。

复杂环境下GNSS/INS紧组合垂直振动监测精度评估

桥梁主体结构垂直方向的动态位移能直接反映其在车辆等荷载作用下的状态变化,也是桥梁结构健康监测的重要内容之一。全球卫星导航系统(GNSS)已在桥梁动态位移监测中得到推广应用,但其信号容易受到桥梁缆索、桥塔、过往车辆等障碍物的遮挡和干扰,影响监测精度。将惯性导航系统(INS)与GNSS组合进行监测,一定程度上增强了抗干扰能力,但也会因为GNSS信号质量的下降而影响对惯性传感器累积误差的校正。为正确评估复杂环境下GNSS/INS紧组合垂直振动监测精度,利用振动台设置幅值已知的振动,并在开阔环境、各种模拟遮挡环境以及多径环境中进行测试。结果表明,在开阔环境中,紧组合解算模式相比于GNSS动态单历元解算精度略有提升;而在复杂遮挡环境下,随着GNSS可视卫星数减少,紧组合解算对定位结果精度的提升效果可以达到15%;在多径环境下,INS增加了集成系统的抗干扰能力。

一种GNSS/视觉观测紧组合导航定位算法研究

全球卫星导航系统(GNSS)在弱信号环境下,GNSS信号易受到遮挡或者电磁干扰,严重影响导航定位的可靠性、连续性和精度.针对此问题,本文作者研究了一种GNSS和视觉观测紧组合导航定位方法.首先基于相机采集图像数据,利用ORB-SLAM2开源平台求解得到视觉位置结果增量,再联合GNSS伪距观测数据采用卡尔曼滤波(KF)进行组合定位解算.采用实测的GNSS伪距观测数据和图像数据进行测试,试验结果表明:该算法不仅能有效地提升GNSS弱信号环境下导航定位的连续性和精度,还能在卫星数少于4颗时保持持续导航定位.

基于INS/GNSS/CNS多传感器

组合导航系统能够使各导航分系统充分进行信息互补与信息合作,是新型导航系统发展的重点。其中,以INS/GNSS/CNS组合的系统较为理想,各传感器能够实现互补,且系统费用较低、易于实现。文章通过分析研究当前组合导航系统发展现状,提出INS/GNSS/CNS多传感器发展需要解决的关键技术。

惯导辅助GNSS整周模糊度快速固定

为了实现高精度全球定位系统(global positioning system,GPS)动态相对定位,文章根据惯性导航系统(inertial navigation system,INS)短时间内精度较高,不易受到外界干扰的特点,提出使用INS输出的位置信息辅助确定整周模糊度算法。在分析INS精度的基础上,利用INS辅助确定模糊度,比较恢复整周模糊度所需要的时间,评估加入INS对固定整周模糊度的帮助。实验结果表明,如果出现短时间的信号失锁,在INS的辅助下,固定模糊度所需要的时间可以被大幅度缩短;当信号失锁持续2s内时,整周模糊度可以被瞬时恢复。

IMU精度对欺骗检测算法的影响分析

针对全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)紧组合导航系统对抗欺骗干扰的常用方法基于新息的欺骗检测算法中,正常情况下,新息向量服从零均值的高斯分布,当受到欺骗干扰时均值不再为零,进而影响欺骗干扰检测效果,且由于INS惯性测量单元(IMU)精度造成的位置误差也会影响新息向量的均值等问题,开展IMU精度对欺骗检测算法的影响分析:提出GNSS/INS紧组合模型与欺骗干扰模型;然后分析IMU精度对欺骗检测算法的影响,以及INS误差传播对观测新息的影响。实验结果表明,不同IMU精度对伪距估计值的影响,导致新息检测量在无欺骗干扰时不再是零均值;使用基于新息的欺骗检测算法对于IMU精度有要求,随着卡尔曼(Kalman)滤波状态传播间隔与检测窗口缩短,对于IMU精度的要求降低。