GNSS可用星数对GNSS/SINS紧组合系统性能影响分析

定量分析了GNSS可用星数对GNSS/SINS紧组合导航系统性能的影响,建立了一种紧组合系统可观测性分析模型,推导了紧组合系统的可观测性矩阵,并针对不同GNSS可用星数的情况给出了GNSS/SINS紧组合导航系统的可观测性理论分析结果以及各状态量的可观测度和导航解算性能。仿真结果表明:当有4颗及以上可用星时,由于GNSS/SINS紧组合导航系统完全可观,因此可获得高精度的导航信息;而当可用星数短时衰减为3颗时,且短时间内时钟误差较为稳定,则短期内GNSS/SINS紧组合导航系统仍可提供较高精度的导航信息;当仅有1颗或2颗可用星时,由于量测信息严重不足,导致组合系统状态量的可观测度大幅下降,使得组合系统的导航精度明显降低。

车载低成本GNSS/SINS紧组合导航系统设计

针对GNSS/INS松组合导航系统在可见星数少于4颗的情况下无法正常工作的问题,设计了基于ARM的车载低成本GNSS/SINS紧组合导航系统。以AM3354为电路核心处理器,集成了惯性IMU MPU-9150和卫星接收模块NV08C-CSM。通过I2C和UART接口完成数据采集,送入导航解算后经由SD卡和UART实现数据的保存与上传。系统算法采用离散扩展卡尔曼滤波进行紧组合的数据融合,在没有足够的卫星来计算独立GNSS参数时,也能够将卫星信号输入组合系统并辅助SINS。为验证系统可行性进行了实测跑车实验。结果表明,所设计的紧组合导航系统精度满足车载应用,较松组合算法表现出了更高的精度和稳定性。

基于ARM的SINS/GNSS紧组合导航系统设计

针对全球导航卫星系统(GNSS)信号受到干扰失锁导致可见卫星数目少于4颗时,捷联惯性导航系统(SINS)/GNSS松组合系统无法正常运行问题,设计了基于ARM的SINS/GNSS紧组合导航系统,并对该系统建立非线性模型.首先以三星Exynos4412作为电路核心处理器,集成IMU模块MPU9250和卫星接收模块MH16-T1,同时搭建硬件系统.采用无迹卡尔曼滤波算法进行紧组合数据融合,在GNSS信号受到干扰时也能用GNSS信号辅助SINS进行组合导航.最后通过样机车载测试表明,设计的SINS/GNSS紧组合系统比松组合系统具有更高的导航精度与稳定性,即使在GNSS信号受到干扰失锁时,紧组合系统短期内仍可保持较高的导航精度.

基于四元数平方根UKF算法的SINS/GPS紧组合导航系统研究

在较大初始姿态误差角下,针对SINS/GPS紧组合导航系统扩展卡尔曼滤波(extenthed Kalman filter,EKF)算法定位精度下降的问题,提出了一种基于四元数的平方根无迹卡尔曼滤波(square root unscentedKalman filter,SRUKF)算法。为解决SRUKF算法中四元数正交规范化的限制,通过构造姿态矩阵代价函数将四元数预测均值问题转化为代价函数最小时的四元数向量求解问题,保证了均值四元数的规范化;利用乘性四元数误差表示四元数预测值与均值之间的距离,求取四元数的预测协方差矩阵,保证了算法的合理性。在此基础上,给出了SINS/GPS紧组合系统四元数平方根无迹卡尔曼滤波算法的具体步骤。在较大初始姿态误差角下的仿真实验结果表明,与EKF算法相比,该算法精度更高,稳定性更强。

GNSS/SINS深组合导航系统研究现状及展望

介绍了基于矢量跟踪的GNSS/SINS深组合导航系统的概念,根据信息融合的不同将深组合导航系统分为集中式深组合和级联式深组合,给出具体的深组合模型并进行对比分析,综述了GNSS/SINS深组合导航系统的国内外研究现状,展望了深组合导航系统的未来发展方向。

GNSS/SINS超紧组合导航系统中的快速重定位技术

在高动态、弱信号等工作环境下,载体在飞行过程中可能面临GNSS信号失锁等情况,从而使超紧组合导航系统无法正常工作。为改善组合导航系统性能,本文在一般的惯性信息辅助捕获算法基础上,设计了一种基于IMU辅助的多通道快速捕获算法,同时针对信号捕获后组合导航系统基带信号处理时间过长的问题,在多通道辅助捕获的基础上增加了惯性信息辅助快速帧同步,从而实现信号失锁后的快速重定位。最后通过半实物仿真试验对算法的有效性进行验证,结果表明基于IMU辅助的多通道捕获及快速帧同步算法对重定位时间有较大改善。

SINS／GNSS组合导航系统在合成孔径雷达中的应用研究

本文介绍了机载SAR－SINS／GNSS验合运行信息传感器系统，运动信息补偿是SAR系统的一项关键技术，以SAR系统的成像质量有很大的影响，根据SAR系统对运动信息的特殊要求，在对捷联惯导与组合导航系统不同特点进行分析的基础上，提出了组合导航系统的改进算法，满足了SAR系统成像所需的绝对定位和相对定位精度要求，在此基础上实现了基于PC104计算机的软硬件设计，最后在工程样机上进行了地面的静态和动态试验，取得了满意的试验结果。

一种SINS/GNSS级联闭环反馈式组合导航系统的设计与研究

对于目前的级联式SINS/GNSS组合导航系统来说,其卡尔曼滤波器的输出校正方式不能深入到捷联解算内部,无法抑制平台姿态误差的发散,也无法校正惯性器件误差,因而在该方式长时间运行不能控制滤波发散,导航精度随时间下降。为此设计了一种SINS/GNSS级联闭环反馈式组合导航系统,该系统能对SINS的位置、速度误差、平台误差及惯性器件误差作出最优估计并实施反馈。通过仿真证明:该系统不仅能提高导航解的精度,还在校准的同时具有动机座对准能力,满足了长时间导航定位的稳定性。

SINS/GPS松组合与紧组合导航系统抗干扰性能比较与验证

针对SINS/GPS组合导航系统在军民领域广泛应用的特点,详细建立了基于位置/速度的SINS/GPS松组合模型、基于伪距/伪距率的SINS/GPS紧组合模型。分别在正常GPS信号和加入强干扰后GPS信号的条件下,对比了松组合和紧组合模式的导航结果。仿真验证结果表明,相比于松组合模式,紧组合模式能较快适应强干扰,并使系统振荡减弱,快速收敛,确保高导航定位精度。因此,在强干扰、高动态飞行条件下,更适宜采用SINS/GPS紧组合模式。

SINS/GPS组合导航系统选星算法

选星算法是SINS/GPS组合导航定位系统中一个重要的步骤。在最佳选星算法的基础上,提出了一种适用于基于伪距、伪距率的SINS/GPS紧耦合组合系统的选星算法。该算法通过ENU(东北天)坐标系中几何矩阵及几何精度因子的定义,利用星历给出的卫星在ENU坐标系中的高度角和方位角解算出最佳四颗导航定位卫星,即基于G矩阵的选星算法。通过与两种常规选星算法的对比,验证了本算法具有较强的工程实用性。此外又推导了基于G矩阵的伪距、伪距率的SINS/GPS组合系统量测方程。该算法避免了求解卫星的位置,从而有效减少了计算量。

战术弹道导弹SINS/GNSS/SAR组合制导方法研究

针对 SINS/GPS组合制导系统在战术弹道导弹的应用中存在的问题 ,本文在该组合系统中融入了合成孔径雷达 (SAR)传感器 ,用以提高系统的自主性、容错性和制导精度。仿真结果表明 ,SINS/GNSS/SAR组合系统的制导精度比SINS/GPS有所提高。

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°。

PPP/SINS紧耦合系统仿真的研究与分析

在捷联惯导(SINS)和GPS卫星接收机进行紧耦合的研究中,采用差分定位进行紧耦合的方法比较成熟,而关于精密单点定位(PPP)与捷联惯导紧耦合的研究还比较少。本文对精密单点定位与捷联惯导紧组合系统进行了Matlab仿真,利用数学解析的方法产生机载运动轨迹,通过设置系统的参数,获得仿真SINS和GPS数据;然后,通过PPP/SINS紧组合系统的仿真程序解算,将定位结果与PPP的结果比较,表明PPP/SINS紧组合导航定位的结果比PPP的精度和可靠性好,而且收敛的速度更快,同时也验证了算法的正确性。最后,分析了不同等级惯导对定位精度的影响。

卫星信号失效条件下SINS/GPS不同组合方式的性能比较

为了研究卫星信号失效对SINS/GPS松组合导航系统和紧组合导航系统导航性能的影响,在分析惯导系统误差方程的基础上,给出了基于卡尔曼滤波的松组合和紧组合数学模型,构建了两种组合方式的仿真平台。仿真结果显示,SINS/GPS紧组合导航系统的精度要明显优于松组合导航系统,且在卫星信号失效导致可见星数目少于4颗甚至仅有1颗时,SINS/GPS紧组合依然能够保持组合模式,并可提供高于单一惯性导航系统的导航精度,说明了SINS/GPS紧组合方式具有较高的精度和可靠性。

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。

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。

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.

GPS/BDS/INS紧组合测量系统实现以及性能分析

推导了GPS/BDS/SINS紧组合Kalman滤波模型,并且使用C语言编制了相应的紧组合程序,通过跑车试验验证算法的可靠性。跑车结果表明GPS/BDS/INS紧组合能够增加可观测卫星的数量,并且能够有效改善单系统的观测精度。跑车实测结果表明GPS/BDS/INS紧组合的结果在北东天3个方向的RMS为2. 7,2. 1,2. 1 m,试验结果验证了算法的正确性。

多系统单频紧组合GNSS-R测高方法

全球卫星导航系统反射测量(global navigation satellite system-reflectometry,GNSS-R)技术可以同时接收导航卫星直射信号和来自水面的反射信号,进而利用伪距、载波相位和信噪比信息实现高时空分辨率的水面高度反演。由于岸基设备特别是单频设备在部分受限环境中观测量不足,导致基于载波相位处理的GNSS-R实时测高性能降低,因此提出了一种利用GNSS重叠频率B1C/L1/E1信号的紧组合模型以提升单频GNSS-R的测高性能。首先,从天线极化方式的角度对差分系统间偏差(differential inter-system bias,DISB)进行评估和分析。结果表明,对于左圆极化天线和右圆极化天线组成的短基线,在使用同型号接收机时可以忽略DISB的影响。然后,基于实测北斗三号卫星导航系统/全球定位系统(global positioning system,GPS)/伽利略(Galileo)系统数据评估了多系统紧组合模型下的GNSS-R测高性能。实验结果表明,相比于松组合模型,多系统紧组合模型能够显著减少安装环境对设备的限制,特别是在单系统反射信号观测量不足4个的条件下,紧组合模型GNSS-R水面高度反演在保证厘米级精度的条件下成功率仍高达约94%,从而有效提升恶劣观测条件下GNSS-R测高性能。

顾及DISB的智能手机伪距差分定位算法

为了提高智能手机在遮挡环境下的定位精度和可靠性,给出一种全球定位系统(GPS)、伽利略卫星导航系统(Galileo)、北斗卫星导航系统(BDS)组合的系统间紧组合伪距差分定位模型和适用于智能手机的高度角附加不确定度的随机模型。首先评估了L1/B1I和L1/E1频率间的伪距差分系统间偏差的大小与稳定性,结果表明,智能手机伪距差分系统间偏差可以保持稳定性。利用小米8、华为P40智能手机和实测相同及不同类型接收机进行对比验证,通过设置截止高度角方式模拟遮挡环境。实验结果表明:在45°截止高度角模拟遮挡环境情况下,应用紧组合伪距差分改正模型,小米8和华为P40智能手机平面定位精度分别提高了25.5%和32.4%。该方法可以提高智能手机在遮挡环境下定位的精度和可靠性。