基于UKF的INS/GNSS/CNS组合导航最优数据融合方法

为了提高INS/GNSS/CNS组合系统的导航精度,提出了一种基于UKF的多传感器最优数据融合方法。该方法具有两层融合结构,第一层中,GNSS和CNS分别通过两个局部UKF滤波器与INS组合,以并行的方式获得INS/GNSS和INS/CNS子系统的局部最优状态估值;第二层中,根据线性最小方差准则推导出一种矩阵加权数据融合算法,对局部状态估值进行融合,获取系统状态的全局最优估计。提出的方法无需采用方差上界技术对局部状态进行去相关处理,克服了联邦卡尔曼滤波(FKF)及其优化形式存在的缺陷。仿真结果表明,相比于FKF,提出方法的导航精度可至少提高36.4%;相比于UKF-FKF,其导航精度也可至少提高21.0%。

基于矢量信息分配的INS/GNSS/CNS组合导航系统

针对组合导航系统中多传感器输出不同步的问题,提出一种基于矢量信息分配的异步联邦滤波算法的INS/GNSS/CNS组合方案,根据各子系统的工作特性,分析并设计了基于INS/GNSS位置组合以及INS/CNS姿态组合的联邦滤波模型,并采用矢量形式的信息分配方法提高了滤波器的精度.针对量测异步问题,设计了时间与量测更新分离的异步非等间隔算法.系统仿真实验表明,该算法可以有效地实现对INS、GNSS、CNS的多信息的异步融合,与常规异步滤波方法相比较,组合系统的滤波精度有明显提高,具有重要的实际应用价值.

弹道导弹INS/GNSS/CNS组合导航系统研究

提出了弹道导弹惯性 /卫星 /天文组合导航系统的方案与组合结构 ,分析并建立了组合导航系统的误差模型 ,采用了联邦滤波器进行组合导航系统导航状态的最优估计 ,并进行了组合导航系统的仿真计算。仿真结果表明采用卫星导航定位系统和天文导航系统对弹道的惯性导航系统进行辅助将大幅度提高弹道导弹的导航精度 。

INS/GNSS/CNS组合导航系统仿真研究

研究了INS/GNSS/CNS组合导航系统的原理和特点,分析并建立了组合导航系统的误差模型,采用了平台失准角、INS与GNSS的位置之差和速度之差作为观测量进行仿真计算。仿真结果表明:采用天文导航系统对弹道导弹的INS/GNSS组合导航系统进行辅助将大幅度提高导弹的导航精度,具有重要的实际意义。

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。

因子图框架下里程计辅助GNSS/INS组合导航算法

在复杂观测环境下,GNSS/INS组合导航系统的GNSS信号易受干扰从而导致INS独立导航精度迅速下降。针对上述问题,本文基于因子图的里程计辅助GNSS/INS组合导航算法,利用里程计观测信息结合非完整性约束构建航向速度约束方程,同时采用能多次线性化计算和多次迭代的因子图优化方法进行参数估计。实际车载试验解算结果表明,在GNSS信号良好时,基于因子图方法比滤波方法具有更快的收敛时间,收敛速度提高了近10倍;在GNSS信号发生中断时,添加里程计辅助后组合导航系统在东向和北向分别提升了83%和89%。与传统的滤波融合手段相比,本文采用因子图优化后在东向和北向的定位精度分别有63%、70%的改善。

基于自适应高斯渐进滤波的工程车GNSS/INS紧组合定位

研究了量测野值影响下的工程车GNSS/INS紧组合定位问题,提出了一种基于自适应高斯渐进滤波的车辆定位方法。首先,为降低量测野值对滤波器的破坏风险,利用假设检验方法对量测野值进行检测和剔除;其次,对于野值漏检测引起的定位性能下降的问题,设计了自适应的高斯渐进滤波方法来补偿量测的不确定性;特别地,利用线性化误差与系统估计误差的变化关系,对渐进量测更新方式进行了改进,从而实现对线性化误差的间接补偿。最后,通过工程车GNSS/INS紧组合定位实验进行结果分析,验证了所提方法的可靠性和优越性。

GNSS/INS组合导航中IMU参数设定与优化

针对惯性测量单元(IMU)参数设置不合理导致全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)组合导航无法充分发挥IMU性能的问题,提出了一套IMU参数设定与优化方案,建立了以GNSS短期中断期间导航漂移误差统计值、理论估计精度一致性以及IMU误差参数估计稳定性为评估对象的考核准则,使优化后的IMU参数可以确保GNSS/INS组合导航解算中状态预测方差阵的准确性,实现预测信息与观测信息权重合理分配,进而保障GNSS/INS组合导航最优性能。实测验证采用ADIS16465和ICM206022款典型车规级和消费级微机电(MEMS)IMU进行性能测试分析,测试结果表明:初始IMU参数与GNSS/INS组合导航算法适配度较低,无法得到最优组合导航结果;优化后,IMU参数在保障组合导航最优性能基础之上,也可实现理论估计精度与实际精度高度一致。

城市峡谷下视觉辅助的GNSS/INS多阶段定位方法

城市峡谷环境中卫星信号遮挡严重且质量易变,导致智能车的定位易失准甚至失效。为有效利用可观测的卫星信号,提出了一种基于可视卫星的GNSS/INS融合定位方法。首先,利用鱼眼相机筛选视距卫星,进而基于正交回归拟合方法定义空视情况优劣;接着,构建基于因子图的GNSS/INS融合定位框架,考虑到观测的不稳定性,分别构建了伪距、多普勒频率、载波相位观测因子,并在满足观测条件时增添对应的约束因子进行优化;最后,设计了基于空视情况的区间优化规则,优化长度跟随遮挡区间变化,以适应不同的遮挡情况。实车实验表明,相比传统的多传感融合方法,本文的多阶段定位方法在严重遮挡区域内定位精度提高了40%以上,有效提高了城市峡谷中的定位精度。

LS-SVM和抗差估计的GNSS/INS紧组合欺骗检测算法

针对传统欺骗检测算法对斜率较小的斜坡式欺骗检测时间过长、虚警率和漏检率偏高等问题,提出一种最小二乘支持向量机(LS-SVM)和抗差估计的全球卫星导航系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)紧组合欺骗检测算法。所提算法通过抗差自适应调整增益矩阵,有效削弱欺骗对新息的影响,将抗差优化的训练数据集经LS-SVM回归得到的预测新息来代替滤波器中的欺骗新息,从而进一步提高对斜率较小的斜坡式欺骗检测处理能力。仿真结果表明:在检测欺骗值为0.1 m/s的斜坡式欺骗时,所提算法与传统算法相比,检测时间缩短26.65%,虚警率降低40.63%,定位精度提高72.72%。所提算法具有检测快、虚警率低的优势,适用于GNSS/INS紧组合导航用户的斜坡式欺骗检测。

基于组合历元新息抗差的GNSS/INS欺骗检测方法

针对传统的全球卫星导航系统/惯性导航系统(GNSS/INS)新息平均抗差欺骗检测算法对阶跃式欺骗存在检测时延长、对斜坡式欺骗检测不敏感等问题,提出了一种基于组合历元新息抗差的GNSS/INS欺骗检测方法。检测方法联合使用单历元新息和多历元新息平均检测方法提高检测效率,构造多历元等价权因子加大对斜坡式欺骗的削弱力度,按欺骗类型进行分类处理。实验结果表明,与单历元新息检测方法和多历元新息平均检测方法相比,所提方法更具敏感性,能够检测到单历元新息无法检出的10 m的阶跃式欺骗和多历元新息平均法无法检出的0.03 m/s的斜坡式欺骗;多历元等价权因子能削弱在检测到斜坡式欺骗之前误差跟踪效应对新息的影响;在多通道欺骗场景下,所提方法使检测时延缩短了21.3%,对欺骗进行分类处理使得与真实轨迹的最大位置误差减小了86.6%,均方根误差减小了96.8%。

基于GNSS/INS的拖拉机导向轮偏转角度测量系统设计与试验

传统的角度传感器在拖拉机导向轮偏转角度的测量中存在准确度不足、安装调试复杂等问题,这些问题制约了拖拉机在自动导航作业时的高精度、高稳定性的需求。鉴此,本文旨在构建并验证一种新型系统,该系统基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和惯性导航系统(inertial navigation system,INS)的技术原理,能够实现对拖拉机导向轮动态角度的实时解算。首先,对GNSS/INS融合原理进行了深入的分析,并设计了相应的GNSS/INS数据测量台架试验,以获取角度传感器的测量值。随后,采用卡尔曼滤波(Kalman filter,KF)、扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filter,EKF)和无迹卡尔曼滤波(untraced Kalman filter,UKF)三种滤波算法对角度测量值的滤波处理,以超调量、响应时间和稳定性等指标进行评价,结果表明UKF在本系统中表现最优。其次,针对不同工况(沥青路面和农田),进行了拖拉机在自动导航下转向和直线性能测试。在转向性能测试中,进行了1°、5°和15°的不同角度的固定测量,结果显示在1°时两种环境的响应时间最小,但均产生了最大超调量,同时随着角度的增加,系统对稳态误差的降低有明显作用。直线自动导航性能测试中,沥青路面和农田的最大横向偏差分别为17.51 mm和18.52 mm,系统误差分别为10.45 mm(2σ)和21.07 mm(2σ)。通过对比两种工况,沥青路面的各项性能指标上均优于农田环境,但两种工况在精度、响应时间和平稳性上均满足自动导航系统需求,可应用于拖拉机的自动导航作业中。

基于北斗三号DGNSS/RDSS/INS的高性能轻量级导弹编队基线测量方法

在导弹编队基线测量是导弹集群攻击的前提下,针对导弹编队基线测量问题,提出了一种基于北斗三号DGNSS/RDSS/INS的高性能轻量级基线测量方法。以北斗RDSS区域短报文作为编队数传链路,基于北斗三号DGNSS/INS建立伪距单差观测模型,在GNSS信号连续正常或信号中断情况下,进行DGNSS与INS组合导航实现稳定的基线测量输出。仿真结果表明:在GNSS信号连续正常的观测历元中,DGNSS/INS组合导航可以实现稳定的基线测量输出。在GNSS信号中断20 s以内,DGNSS/INS组合导航在东向(E)、北向(N)的基线测量误差小于2.5 m(1σ),天向(U)的基线测量误差小于3.0 m(1σ)。与RTK算法相比,伪距单差模型对算力的要求降低了70%~80%。

基于GNSS/INS组合精密定位模糊度校正方法在城市车载测绘系统中的应用研究

城市车载测绘系统在城市环境下进行精密定位时面临着多路径效应和信号遮挡等问题,导致定位精度下降。为了解决这一问题提出了基于GNSS和INS组合的精密定位模糊度校正方法。研究结果表明,基于GNSS和INS组合的精密定位模糊度校正方法能够有效地提高城市车载测绘系统的定位精度,减小多路径效应和信号遮挡对定位精度的影响,该方法具有重要的应用价值和广阔的推广前景。

INS/CNS/GNSS组合导航系统信息分析及其滤波器设计

分析了INS/CNS/GNSS组合导航系统信息结构的特殊性 ,指出在此情况下应用联邦滤波器进行状态估计的信息不对等。针对此类情形 ,设计了几种滤波器的结构 ,分析了所设计滤波器的信息构成及信息的分配与融合 ,并尝试提出伪联邦滤波器的概念。本文所讨论的情形及设计的滤波器结构可以推广到一般的同类情形 。

CNS+GNSS+INS船载高精度实时定位定姿算法改进研究

天文导航(CNS)、卫星导航(GNSS)和惯性导航(INS) 3种系统组合可提供高精度的定位定姿结果。实际工程中因INS长时间误差累积,以及系统硬件传输存在不可忽略的时间延迟,导致INS提供给CNS的预报粗姿态误差较大,恶劣海况下难以保障快速搜星,造成天文导航可靠性下降、姿态测量精度较低的问题。为此,本文提出了一种CNS+GNSS+INS高精度信息融合实时定位定姿框架,引入了等角速度外推措施,有效地解决了惯导信息延迟问题。通过高精度转台模拟恶劣海况下载体大角速度摇摆,验证了本文提出的改进算法的有效性。试验结果表明,该算法架构简单,性能可靠,显著提高了恶劣环境下星敏感器的快速、准确搜星能力,保障了三组合姿态测量的精度和可用性。

GNSS/INS超紧组合导航综述

卫星/惯性超紧组合导航系统以其定位精度高、动态性能优良、抗干扰能力强等特性成为组合导航领域的研究热点。介绍了卫星/惯性超紧组合的定位原理,基于对技术原理的分析,比较超紧组合模式相对于其他组合模式的优势特点;以高动态下超紧组合技术及卫星/微惯性单元超紧组合为代表介绍国内外研究现状;总结了亟待研究的容错控制技术、神经网络辅助、多传感器辅助超紧组合等关键技术,并对卫星/惯性超紧组合向着低成本、高精度、强稳定趋势发展的前景进行展望。

基于简化鲁棒UKF的GNSS/INS紧组合列车定位方法

针对GNSS/INS组合列车定位中的信息融合非线性与传感器量测故障问题,为满足复杂多变列车运行场景下列车定位精度与鲁棒性的需求,提出一种基于简化鲁棒UKF的GNSS/INS紧组合列车定位优化方法。综合标准KF的时间更新与标准UKF的量测更新来构建简化UKF,在保证GNSS/INS紧组合列车定位精度的同时改善定位解算实时性。在简化UKF滤波框架内,引入故障检测与自适应调整因子构建简化鲁棒UKF,可以快速检测传感器量测故障导致的系统故障,并对故障历元的量测噪声协方差进行自适应调整降低滤波增益,使得滤波算法具有较强的鲁棒性。采用京沈高铁实测数据与故障仿真数据进行算法定位性能验证与评估,结果表明:基于简化UKF的GNSS/INS紧组合定位算法水平定位精度为2.6865 m,与传统EKF滤波模型下的紧组合与松组合方法相比定位精度分别提高5.6%和15.0%。此外,提出的简化鲁棒UKF方法可以快速有效检测到不同类型的传感器量测故障,且大幅抑制传感器量测故障,优化复杂运行场景下的列车定位精度与鲁棒性。

INS/CNS/GPS组合导航数据融合算法与仿真研究

研究了INS/CNS/GPS组合导航系统的原理和特点,建立了组合导航系统的数学模型。分别利用集中卡尔曼滤波和联邦滤波数据融合原理对此系统进行了仿真研究,并指出了集中滤波器的不足之处。仿真结果表明采用全球定位系统和天文导航系统对惯导系统误差进行修正不仅可以大幅度提高导航精度,而且通过比较和分析可知联邦滤波可以有效地提高导航系统的可靠性和复原能力,是理想的容错型信息融合算法。

基于递推最小二乘估计的CNS/INS组合导航系统初始对准

针对CNS/INS组合导航系统中缩短初始对准时间的问题,设计了一种CNS/INS组合导航系统组合对准新方法。在CNS/INS姿态四元数组合算法的基础上,推导CNS/INS组合系统线性化状态方程,分析了INS和CNS姿态四元数差值构建量测方程。利用递推最小二乘原理实现了对该组合系统的信息融合,设计了基于该估计原理的组合导航系统初始对准方法,考虑到大气层内动基座条件下对于星敏感器造成的干扰因素增加了加权处理环节,最后通过仿真实验验证了递推加权最小二乘法在处理组合导航系统初始对准中的有效性。仿真结果表明在微晃基座条件下,与传统的滤波方法相比较该估计方法能够有效地缩短约25%的对准时间。