EKF在SINS/GNSS深组合导航中的应用

为了在卫星较少条件下也能提供连续稳定、精度高的导航,建立了一种基于扩展卡尔曼滤波器(extended Kalman filter,EKF)的捷联惯导系统(strapdown inertial navigation system,SINS)/全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)深组合导航系统,并对该系统所采用的导航结构、状态估计算法等进行研究设计。最后,在战术级条件下,分别对单独的SINS,SINS/GNSS松组合导航系统和SINS/GNSS深组合导航系统进行仿真验证,并对导航结果进行对比分析。从仿真结果可以看出,深组合导航系统位置误差约为0.3 m,速度误差约为0.01 m/s,姿态误差约为0.005°。对比分析可知深组合导航精度更高,且不受卫星个数条件影响,具有很高的实用价值。

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。

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%。

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。

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。

机载INS/GNSS深组合导航系统发展现状

机载INS/GNSS深组合导航系统能够有效提升载机的导航定位精度和可靠性,近年来获得了广泛关注。在介绍INS/GNSS标量深组合以及矢量深组合概念和系统结构的基础上,重点对比分析了当前国内外机载INS/GNSS深组合导航系统的发展现状,并对国内相关技术的应用和发展进行了展望。

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。

不同场景下GNSS与INS组合定位性能评估

为评估全球卫星导航系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)在不同场景下导航性能的差异,本文利用卡尔曼滤波算法,使用由中国香港理工大学提供的2021年5月17、18日卫星原始观测值与惯导数据文件,利用开源软件GINav进行了单GNSS SPP、SPP/INS松组合(LC)和紧组合(TC)3种模式的数据处理,并对不同模式的组合导航定位结果进行性能评估。结果表明,在不同场景下利用全球卫星导航技术和惯性导航相结合的卫星定位精度GNSS/INS松、紧组合系统模式在各个方面及定位精度上均优于单SPP系统模式。两者均可以实现动态厘米级、静态毫米级的定位精度;SPP/INS LC导航性能均优于单SPP、SPP/INS LC模式,具有更好的系统稳健性。

基于冗余GNSS观测的RTK/INS紧组合方法

为了解决传统全球卫星导航系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)的紧组合方法在隧道、高架等复杂场景下定位精度退化、相位模糊度固定率低的问题,提出了一种基于冗余GNSS观测的RTK/INS紧组合方法,可以紧密集成任意个GNSS终端,通过大量的冗余观测与改进卫星几何构型,有效提高了系统的定位性能。实验验证与定量分析表明,该方法在城市环境中能够稳定实现厘米级的精度,在卫星数急剧减少的复杂场景下与单天线紧组合方法相比,显著改善了定位效果,将最大误差由接近3 m约束到了1 m以内,并将模糊度固定率提高了20%。

顾及非视距与系统误差的UWB质量控制及其与GNSS/INS的组合定位

为提高GNSS拒止环境下定位系统的定位精度与稳定性,本文提出了顾及非视距与系统误差的UWB质量控制方法,并实现了其与GNSS/INS的组合定位。首先,综合考虑系统的稳定性与定位精度,以GNSS/INS松组合+UWB/INS紧组合的方式构建集中式卡尔曼滤波;在此基础上,针对UWB中存在的NLOS误差,设计了基于滑动窗口与滤波新息向量的两步NLOS误差识别方法;最后,采用基于滤波估计的方法实时补偿UWB中的系统误差。实验结果表明,本文提出的UWB质量控制方法能够有效减小NLOS与系统误差的影响,GNSS/UWB/INS组合算法水平定位误差在5cm以内。在UWB布局合理的情况下,该方法无需依赖过多基站也可实现较高的定位精度。

GNSS/INS松、紧组合导航算法的等价性条件

GNSS/INS不同组合导航算法性能的讨论,一直是导航定位领域关注的热点.本文对GNSS/INS松、紧组合2种经典导航算法的等价性条件进行了理论推导和实验验证.首先,给出独立GNSS初值结构和集成GNSS初值结构2种模式在GNSS/INS松、紧2种组合算法中的应用方法,并在集成GNSS初值结构模式下推导出松、紧组合2种算法在导航状态参数以及方差协方差方面的等价性条件.然后,通过车载测试验证了不同算法的精度、运行效率及等价性,发现在GNSS理想观测条件下,松、紧组合2种算法的运行时间、导航坐标和方差协方差完全一致,验证了2种算法的等价性条件.

自适应UKF算法在GNSS/INS深组合系统中的应用

针对强非线性和时变噪声统计特性不明的高动态运动环境下全球卫星导航系统/惯导系统(GNSS/INS)深组合导航系统滤波精确度较差甚至发散的问题,提出一种自适应混合无迹卡尔曼滤波(UKF)算法。该算法以UKF算法为基础,采用混合滤波思想对UKF滤波算法进行简化;并根据高动态下系统量测噪声时变,且易快变、突变的特点,设计了一种基于渐消记忆指数加权的自适应量测噪声估计器,实时估计和修正噪声统计量并自适应调节估计周期。仿真结果表明,在量测噪声变化的情况下,相比于常规UKF算法,本文算法各向定位测速精确度均有所提升,水平方向精确度提升60%以上,效果明显;此外,算法耗时减少18.64%,说明本文算法能够在提升滤波精确度的同时减少部分计算量。

基于矢量跟踪的MEMS-SINS/GNSS深组合导航系统

针对在载体高动态运动时,由Doppler频移剧烈变化而导致的MEMS-SINS/GNSS组合导航系统精度降低的问题,修正了GNSS卫星信号模型,设计了一种深组合导航通道滤波器,并形成了完整的深组合导航方案。基于矢量跟踪结构的深组合导航方案,通过滤波器对载体的导航参数进行估计,将相互独立的各通道信息结合起来,并利用各卫星位置之间的关系,提高了高动态环境中的跟踪能力。仿真结果表明,基于矢量跟踪结构的深组合导航方案可以有效减少高动态对导航精度的影响,提高组合导航系统的输出精度。

GNSS/INS深组合导航技术研究进展

深组合导航以精度高、抗干扰性强等优势在军事、民用领域具有广泛应用前景。本文分析了松组合导航、紧组合导航与深组合导航的结构,指出了深组合与传统模式的区别.依照信息处理方法的不同,将深组合导航分为四种模式,分析了不同深组合模式的结构和技术特性及研究成果,总结了深组合技术研究趋势,对进一步深入研究深组合导航技术具有借鉴意义。

GNSS PPP/INS紧组合模式下的远海无验潮水深测量

为实现高精度远海水深测量潮位改正,基于GNSS/INS组合系统开展了远海多波束无验潮水深测量方法研究,并给出了无验潮水深测量基本原理及实施技术流程。结合GNSS/INS组合形式及滤波原理,分别探讨了在GNSS有效和失效状态下PPP/INS松组合与紧组合的性能差异。以PPP/INS紧组合解算结果为基础进行无验潮水深测量改正,并与传统预报潮位改正方法进行了对比,经试验验证,基于PPP/INS紧组合模式下的远海无验潮水深测量准确度可达0.14 m,并有效消除了动态吃水影响,在典型水深断面处的水深测量准确度明显优于预报潮位改正模式。

GNSS/INS紧组合算法实时性改进与嵌入式验证

针对GNSS/INS实时紧组合导航系统中存在的GNSS数据延迟以及组合更新解算耗时过长的问题,基于Kalman滤波理论,提出了一种在完成了滞后的观测更新后将误差状态向量一步转移到当前时刻的Kalman滤波数学模型.为了验证改进模型的有效性,首先,在Windows平台上,利用车载实测GNSS观测数据和IMU观测数据对比分析了使用改进模型解算与标准Kalman模型解算在GNSS信号中断时段内的导航误差,分析结果表明,2种模型的导航误差相当,说明了改进模型对时间延迟处理的正确性.然后,在DSP硬件平台上,基于改进模型实现了GNSS/INS实时紧组合导航系统,并进行了车载测试,实测结果表明:相对于标准Kalman模型,所提出的改进模型能够在保障紧组合导航系统精度的前提下,将输出导航结果的时间延迟减少到最小,保障了组合导航结果的实时性.

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%。

复杂环境下GNSS/INS/UWB紧组合的无人机协同导航算法

针对多无人机系统在复杂环境下卫星信号易受到干扰的问题,提出了一种基于环路和积算法的协同导航方法。根据传感器的特点,设计了基于GNSS/INS紧组合的绝对导航和UWB辅助的卫星双差紧组合相对导航,然后使用各个平台自身的绝对导航信息和平台间的相对导航信息,构建协同导航滤波器,基于环路和积算法,设计了消息传递规则,减少了平台间的流量,计算任务在各个平台上分布运行,减小了计算压力。最后对不同复杂场景进行了仿真和物理实验,结果表明该方案的协同导航精度明显优于不进行协同导航的结果,且随着可观测信息的增多,该方法导航精度越来越高。

基于新息速率抗差估计的INS/GNSS组合导航系统欺骗检测算法

在INS/GNSS组合导航系统中常采用基于新息的欺骗检测算法。针对现有算法对同步式欺骗干扰的检测时间较长、漏警率和误警率较高的问题,提出了一种基于新息速率抗差估计的INS/GNSS组合导航系统欺骗检测算法。该算法将Kalman滤波估计得到的新息速率作为检测量来判断是否存在欺骗干扰,并利用抗差估计削弱欺骗干扰对新息序列的影响,通过调整等价权函数的参数进一步提高算法的检测能力。仿真结果表明:该算法对诱导速率为0.1 m/s的同步式欺骗干扰的检测时间缩短了60%以上,在3路以下的卫星信号被欺骗时,通过选择合适的检测门限,误警率和漏警率均能维持在4%以内。