海上平台惯性导航技术发展现状与趋势

随着海洋信息感知、资源勘探任务以及海工装备、无人航行器编队等海上平台的不断发展,惯性导航作为海上平台应用的一项关键技术,其使用方式日趋复杂,高精度惯性自主导航、惯性/水声/地球物理场匹配组合导航、全源导航等技术在海上应用深度与广度上不断发展。本文从海上平台对惯性导航技术的需求出发,分析了静电、光学、谐振陀螺惯性导航及其水声、重力匹配等组合导航技术特性、国外研究进展,对海上平台惯性导航技术未来发展趋势进行了分析和梳理,提出深海与无人平台是惯性技术需求发展重要方向,高精度自主导航、以惯性为核心的全源信息融合与协同智能导航将是技术发展主要方向。

基于路径规划特点的语义目标导航方法

为了解决语义目标导航任务中存在的探索效率低、深度不精准等问题,本文构建了一个解决语义目标导航任务的框架,在语义地图构建模块中引入了深度图边缘处理以及地图纠错机制;在探索模块中引入了覆盖范围最大化算法;在路径规划模块中引入了替代点机制。本文在一个3D仿真环境下进行了实验。实验结果表明,本文提出的解决方案明显提升了语义目标导航任务的性能。此外,本文所提方法成功应用到了四足机器人上,从而验证了其在现实场景下的泛化性。

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.

水下航行器自主导航定位技术前沿进展

导航与定位技术是自主水下航行器(AUV)预设任务并安全返航的前提,由于水下环境的限制,目前广泛采用多系统组合导航的方式来实现AUV的准确定位。面向AUV的工况特点,详细介绍了水声测速系统、水声定位系统以及地球物理场辅助导航技术的特征与技术难点,分析了用于水下自主导航时多源组合导航方法的最新进展,随着相关测量仪器领域的研究进展,基于精确测量地球物理场特征的辅助导航技术成为具有极强竞争力的方案之一。多AUV协同导航方案同样适用于复杂的水下环境,被视为未来AUV导航技术重要发展方向。

船舶通信导航技术及其发展研究

通过对船舶通信导航技术的定义、系统组成以及其发展历史的介绍,详细讨论了现代船舶通信导航技术,包括全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)技术、自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)技术、雷达与声呐技术、通信系统以及船舶导航软件与自主导航技术。同时还对现有技术的挑战与限制进行了分析,探讨了新兴技术趋势以及可能的未来发展方向,提出了对船舶通信导航技术的展望,强调了其在提高航海安全性、效率和可持续性方面的重要性。

地磁导航定位技术原理与方法综述

地磁导航定位是多源融合导航定位技术体系中重要的技术手段之一,具有适用范围广、抗电磁干扰能力强、可全天时全天候工作等优点,为运动载体特别在地下、水下等卫星信号接收受限的场景提供一条无源被动的自主导航定位技术途径.然而地磁场导航定位的实现过程通常因其应用的载体和场景不同而存在一定差异,本文将根据地磁导航定位的不同应用场景进行分类阐述,对其相应的原理与方法进行综述,以期助力地磁导航定位技术领域的后续推进.

基于高精度GNSS惯性导航设备的自动导航驾驶拖拉机作业性能试验研究

介绍了高精度GNSS惯性导航测试设备的主要性能指标和安装方法,提出了自动导航拖拉机的作业性能试验方法和导航控制精度的计算方法,开展了自动导航拖拉机的作业性能试验,分析了自动导航拖拉机试验结果和作业质量。

复杂环境下基于自监督LSTM网络的导航误差建模补偿

针对复杂环境下惯导系统存在交互影响和导航误差难以辨识的问题,提出了一种基于自监督长短期记忆(LSTM)网络智能组合模型的导航误差补偿方法。模型中的自监督温变速率模块不受到温度传感器精度的限制,从而实时计算更精确的温变速率,进一步提升了模型导航误差辨识的能力。在实验部分,基于多种复杂环境下的实验数据,通过消融实验验证了自监督模块的有效性。以飞行数据的北向速度为例,补偿前后的最大速度绝对误差分别为1.607 m/s和0.357 m/s。实验结果说明了所提方法可以减小复杂环境下的速度和位置误差,从而提升惯性导航精度.

一种游动傅科机械编排的捷联惯性间接极区导航算法

针对指北方位、游移方位等机械编排的惯性导航系统在极区附近出现计算溢出、导航误差发散、方向基准缺失等问题,本文提出了一种基于游动傅科机械力学编排的捷联惯性间接极区导航算法。首先,推导了传统坐标系和横向坐标系下的游动傅科机械编排位置、速度和姿态转换关系,并设计了完整的捷联惯性极区导航流程。其次,在详细分析载体沿经线穿越极点时的导航解算性能基础上,提出了一种游动傅科机械编排的捷联惯性间接极区导航算法。实验结果表明,该算法能够实现传统导航与横向导航方式的平滑切换,并借助横向导航信息解决载体穿越极点时无法导航的难题。

一种重力梯度/SINS/星光组合导航方法

为提高飞行器导航系统的精度和自主性,提出了一种重力梯度/捷联惯导(SINS)/星光组合导航方法。在该组合导航系统中,利用重力梯度信息修正SINS的位置误差,利用星光信息修正SINS的姿态误差,提高飞行器的导航精度和自主性。为了弥补传统容积卡尔曼滤波(CKF)算法滤波精度不高的缺点,采用随机加权容积卡尔曼滤波(RWCKF)算法,设计重力梯度/SINS/星光组合导航系统。仿真结果表明,SINS/星光组合导航系统、重力梯度/SINS组合导航系统、合成孔径雷达(SAR)/SINS/星光组合导航系统和提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的定位误差分别为78.1003 m、54.3399 m、39.2776 m和19.8495 m,证明了提出的重力梯度/SINS/星光自主组合导航系统的精度不仅远高于两个子系统,也高于SAR/SINS/星光组合导航系统。

高密度集成微惯性导航自主完好性监测

针对多平台、小型化、集群化等未来微小型空天飞行器故障信息自主监测等技术需求,提出了一种高密度集成微惯性导航自主完好性监测算法。该算法依托最优估计理论,分析微惯性导航系统中可能出现的量测误差信息源,通过优选子集数目进行预检验甄选,利用牛顿恒等式优化工程计算方法,达到微惯性导航系统故障信息检测与排除的目的。与传统MHSS算法相比,该算法能够显著降低系统的计算复杂度,并可有效检测小差错和多差错故障观测量,具有较高的故障信息源检测识别概率,增强了高密度集成微惯性导航与制导系统鲁棒性和完备性。

水下重力匹配导航关键技术及其研究进展

针对现有导航手段无法满足载体水下高精度安全航行的问题,研究分析水下重力匹配导航关键技术:介绍了国内外水下重力匹配导航及水下重力信息获取手段发展现状;然后从水下重力匹配导航的关键技术点出发,论述重力基准图构建技术、重力匹配导航适配区选择技术和重力匹配定位算法的基本原理和相关进展,指出3个领域存在的关键问题和研究方向;最后结合水下重力智能建图与匹配的相关需求,针对水下重力匹配导航未来的发展趋势进行展望。

基于声学的水下惯性导航系统校准技术研究

随着海洋开发的进程推展,自主式水下潜航器(AUV)的导航技术也在日益进步。随着技术的探索,发现惯性导航的声学导航结合的导航模式才是未来的主要导航方向。因此,提出一种基于声学的水下惯性导航系统(INS)校准方法,其定位精度由惯导精度、安装偏差和声学定位精度综合决定。结果显示,在水下平台采用高精度光纤惯导并精确测量安装偏差的条件下,此方法能够获取不大于100 m的定位精度,能够很好地为水下平台提供导航系统修正。

北斗卫星船载导航信号并行捕获算法

信号捕获作为实现北斗卫星船载导航的第一阶段,也是最重要的一环,为此研究基于北斗卫星船载导航信号并行捕获算法,在短时间内捕获卫星信号,为船舶提供高精度的定位和导航服务。建立北斗卫星导航信号模型,依据模型生成的北斗卫星导航信号,采用傅里叶变换(Fast Fourier Transformation,FFT)算法以及快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)算法,通过并行频率搜索和并行码相位搜索分别将伪随机码相位、载波频移的二维搜索变成一维进行并行搜索,获取北斗卫星信号的伪随机码和载波频移,实现北斗卫星船载导航信号并行捕获。实验结果表明,该算法可以成功地捕获船载导航信号,并且捕获耗时短;对船载导航信号的载波频率估计误差小。

基于IMU-LiDAR紧耦合的煤矿防冲钻孔机器人定位导航方法

防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备,其在复杂卸压巷道的精确地图构建和的稳定导航是实现钻孔作业智能化的基础和前提。在分析激光雷达点云畸变成因和同步定位与地图构建(SLAM)算法缺陷的基础上,设计了基于惯性测量单元(IMU)连续时间轨迹的点云畸变矫正方法,建立了激光雷达和IMU的数据融合模型,提出了基于IMU-LiDAR紧耦合的防冲钻孔机器人定位建图方法。根据煤矿卸压巷道特点建立了密闭坡道模型,开展了建图效果仿真分析,结果表明,所提算法在定位精度、轨迹误差方面均优于现有常用算法。在此基础上,设计了基于改进人工势场法和快速扩展随机树的动态路径规划方法,建立了适用于防冲钻孔机器人的路径规划与导航融合方案,并设计了2种仿真运动场景,结果表明,所提路径规划方法在全局路径规划和动态路径规划的平均路径长度、平均运行时间、平均生成节点数等方面均具有较好的综合性能。为了进一步验证防冲钻孔机器人定位导航方法的实用性,在校内模拟巷道、地面实验基地和井下卸压巷道等场景下开展了多组对比实验,结果表明:将IMU数据与LiDAR数据紧耦合后,所提方法的定位建图精度明显提高,在特征退化场景中具有优越的定位建图性能,且规划路径的运算效率和路径代价方面均具有良好的表现,验证了所提定位导航方法在多种场景中的可行性和优越性。

月球探测器鲁棒环形山检测及光学导航方法

针对月球探测器环形山检测方法受光照影响、鲁棒性差的问题,本文提出一种基于极大熵阈值三值化的鲁棒环形山检测算法。采用不同滤波核对图像进行去噪平滑,然后对处理后的图像进行极大熵阈值分割、将图像信息三值化,去除图像对光源的敏感性,同时最大程度保留图像信息;提出一种归一化多指标约束环形山匹配和拟合方法完成环形山提取,将环形山提取算法应用于光学导航中进行打靶实验验证算法实时性表现。仿真结果表明:与传统基于形态学或自适应边缘检测的方法相比,本文方法在较大尺度条件下提取出连续、光滑的环形山边缘,有效环形山数量提升35%以上,同时实时性更好、计算消耗降低40%;基于鲁棒环形山提取的光学导航算法实时性更好。

星下点观测的星载卫星导航反射信号海面风矢量极大似然估计

该文针对星载全球导航卫星反射计(GNSS-R)镜面反射信号对海面风向不敏感导致海面风向反演难问题,分析非镜向海面散射信号特征,提出星下点非镜向观测模式,定义该模式下海面风矢量敏感特征观测量,在此基础上提出基于星载GNSS-R海面风矢量极大似然估计(MLE)反演算法直接利用两颗及以上导航卫星的星下点非镜向散射信号进行海面风矢量的反演,并提出风矢量搜索算法提高反演效率。通过搭建星载GNSS-R仿真平台验证算法的可行性和评估算法性能。结果表明:所提算法可直接利用非镜向独立观测模式下的多颗导航卫星散射信号反演得到海面风速和风向;多星观测可消除观测几何导致的模糊解从而将海风风向4个模糊解降至2个模糊解,但无法消除海浪谱的对称性导致的海面风向模糊解。在2~25 m/s的风速内,当信噪比(SNR)大于11 dB时,3星观测的风速均方根误差(RMSE)优于2 m/s,风向的均方根误差优于15°。

地外天体软着陆自主导航与控制技术研究进展

软着陆探测是重要的地外天体探测方式,制导、导航与控制(Guidance,Navigation and Control,GNC)是地外天体软着陆成功的关键。首先梳理了国内外月球、火星和小天体等地外天体软着陆任务发展现状;在此基础上,总结了地外天体软着陆任务典型GNC方案及自主导航与控制技术主要进展;最后,针对未来的地外天体精确定点软着陆任务,提出了需要重点关注和发展的自主导航与控制关键技术,为未来技术发展提供借鉴和参考。

虚拟支气管镜导航在周围性肺部病变检查中的应用

目的 探讨虚拟支气管镜导航(VBN)在周围性肺部病变检查中的应用价值。方法 选取2022年5月至2023年6月河北北方学院附属第一医院收治的周围性肺部病变患者80例为研究对象,基于病变活检方法不同,将其分为单纯超声支气管镜组(NVBN组,40例),VBN联合超声支气管镜组(VBN组,40例)。以病理结果为金标准,比较两组的诊断准确率、病变到达率、开始活检时间、操作总时间及并发症的发生情况。结果 VBN组诊断总准确率高于NVBN组,差异有统计学意义(P<0.05)。VBN组病变到达率高于NVBN组,开始活检时间、操作总时间短于NVBN组,差异有统计学意义(P<0.05)。两组并发症总发生率比较,差异无统计学意义(P>0.05)。结论 VBN可提高周围性肺部病变的诊断准确率,缩短了操作时间、安全性高,值得临床推广应用。

虚拟支气管镜导航检查联合快速现场评价在外周肺感染性病灶诊断中的应用观察

目的探讨虚拟支气管镜导航(VBN)检查联合快速现场评价(ROSE)在外周肺感染性病灶中的应用效果。方法选择外周肺感染性病变患者78例,按随机数字表法随机分为常规组和VBN组各39例。常规组接受常规支气管镜检查联合ROSE,VBN组接受VBN检查联合ROSE。统计两组外周肺感染性病灶类型检出情况,定位病变时间、操作总时间、支气管镜操作次数,以及检查期间并发症情况(如咯血、气胸、气道出血、胸腔积气、纵隔气肿)。结果78例外周肺感染性病变患者经病理检查共检出92个病灶,其中VBN组有48个病灶、常规组有44个病灶。VBN组外周肺感染性病灶的检出率为81.25%(39/48),常规组为59.09%(26/44),VBN组外周肺感染性病灶的检出率高于常规组(P<0.05)。但两组肺脓肿、肺隐球菌病、肺曲霉菌病、肺毛霉菌病、细菌性肺炎、肺结核的检出率比较差异均无统计学意义(P均>0.05)。VBN组与病理诊断结果的一致性较好(Kappa=0.792,P<0.05),常规组与病理诊断结果的一致性中等(Kappa=0.536,P<0.05)。VBN组定位病变时间、操作总时间均短于常规组,支气管镜操作次数少于常规组(P均<0.05)。两组检查期间并发症的发生率比较差异无统计学意义(P>0.05)。结论VBN检查联合ROSE可提高外周肺感染性病灶的检出率,缩短病灶定位时间和操作时间,减少支气管镜操作次数。