基于平滑变结构-卡尔曼滤波的MIMU/BDS组合导航技术

为了提高模型不准确、大扰动等情况下MIMU/BDS组合导航精度,提出了平滑变结构-卡尔曼组合滤波的信息融合方法。介绍了坐标转换方法,建立了组合导航系统的状态空间方程和观测方程。为了防止老旧观测数据引起算法发散,在卡尔曼滤波算法中融入随残差自适应变化的渐消因子,从而构造了自适应卡尔曼滤波算法。将卡尔曼滤波的精度优势与平滑变结构滤波的鲁棒性优势融合,提出了平滑变结构-卡尔曼组合滤波算法。经仿真验证,在模型不准确、大扰动等情况下,组合算法的位置融合误差和速度融合误差均小于卡尔曼滤波和自适应卡尔曼滤波算法;经跑车试验验证,在卫星遮挡情况下,组合导航系统的位置融合精度和速度融合精度仍然较高,实现了卫星可观数量不足情况下的精确导航。

GPS/BDS组合导航系统的精密单点定位模型

为了改善单卫星导航系统由于卫星数量较少,导致定位误差高的问题,设计全球定位系统(GPS)/北斗卫星导航系统(BDS)组合导航系统的精密单点定位模型:线性组合处理GPS与BDS的伪距和载波相位观测值,并构建GPS/BDS组合导航系统的组合观测值;接下来利用协方差成形自适应卡尔曼滤波方法,对组合导航系统导航过程中的卫星钟差、电离层延迟等误差实施滤波;再利用滤波处理后组合导航系统的广播星历,获取卫星轨道以及钟差;然后利用经验模型修正对流层延迟,获取相位观测值与伪距的综合改正数;最后利用综合改正数修正组合导航系统的观测方程,构建精密单点定位模型。实验结果表明,GPS/BDS组合导航系统采用所构建模型进行精密单点定位,不同方向定位误差均低于10 cm,证明了提出模型的有效性。

BDS/GPS组合导航系统在民航中的应用

随着航班流量增加、航班运行复杂化,高效的航线航路规划、合理的空域布局在民航中显得更为必要,而这需要先进技术的支持。因此,基于北斗卫星导航系统(BDS),引入全球定位系统(GPS),解析了BDS/GPS组合导航系统的定位解算,并进行实验验证,试验结果表明BDS/GPS载波相位平滑伪距定位解算能够显著提高导航的定位精度。另外,还展望了BDS/GPS组合导航系统在我国民航中的应用。

MIMU/CSAC/BDS组合导航微系统的硬件设计

由于传统的卫星导航系统容易受到干扰和遮挡,惯性导航存在误差积累的缺陷。为了提高定位导航授时服务质量,提出一种基于微惯性测量单元(MIMU)、芯片原子钟(CSAC)和北斗卫星导航(BDS)模块的组合导航微系统硬件设计方案,介绍了它们的硬件特征与配置设计,完成了组合导航微系统底层驱动设计。实验表明:组合导航微系统在真实路段跑车试验可以得到准确的位置和速度等信息。此外,组合导航微系统在最大速度为8km/s,最大加速度为50g的高动态仿真环境中,仍能保持较高的导航精度和跟踪性能。

全变分MW组合去噪的BDS周跳探测算法

针对高精度全球卫星导航系统(GNSS)数据预处理中,最常用的非差周跳探测方法之一墨尔本-维贝纳(MW)组合受伪距噪声影响等原因存在小周跳探测不准和周跳探测失败后阈值扩散的问题,提出一种北斗卫星导航系统(BDS)周跳探测算法:为降低伪距噪声的影响,提高探测成功率,引入全变分去噪算法对MW组合探测值进行去噪处理;再利用去噪后的MW组合探测值的历元差值进行周跳探测;然后分析全变分去噪算法正则化参数和周跳探测阈值的选取,当正则化参数取5和阈值设定为0.45时,即可探测出大于或等于1个周期的周跳。实验结果表明,选取的正则化参数和周跳探测阈值较为合理,能够在去噪后的MW组合探测值中通过相邻历元作差方式探测出小周跳,成功率为100%,无错探和漏探发生,能够弥补MW组合探测值对不敏感周跳探测的不足。

姿态卡尔曼滤波对FAST馈源舱BDS/SINS组合导航位姿精度的提高

500 m球面射电望远镜(The Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope,FAST)馈源舱位置和姿态测量精度直接影响望远镜接收机的对准精度.为了提高馈源舱位姿精度,提出姿态卡尔曼滤波算法,采用北斗导航系统的多天线技术解算馈源舱姿态,将它与捷联惯导解算的馈源舱姿态对比,两者的差值作为姿态卡尔曼滤波的量测量.为了降低北斗导航系统解算姿态的复杂度,采用了罗德里格矩阵解算方法.以望远镜跟踪观测模式时,北斗导航系统和捷联惯导解算的实际导航结果作为测试数据,测试结果表明采用姿态卡尔曼滤波的组合导航结果精度优于传统卡尔曼滤波的组合导航结果,尤其在航向角和yf轴的位置精度上.

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。

基于联邦滤波的仿生偏振组合导航系统滤波器设计

该文针对野外地面导航系统受到环境未知、多源干扰的问题,设计具有环境适应能力与抗干扰能力的仿生偏振组合导航系统。首先引入仿生偏振导航技术,组成无重置型联邦滤波结构的仿生偏振/MIMU/GPS组合导航系统,建立各子系统的干扰模型;其次,为提高系统对于动态未知环境的适用性与抗干扰性,利用联邦滤波器优越的容错能力,设计系统针对几种组合模式的智能切换方案,有效检测并隔离GPS干扰子系统,实现可用系统的重构。

BDS-3多频非差非组合精密定轨精度分析

针对北斗三号卫星导航系统(BDS-3)五频点观测数据和非差非组合精密定轨理论,介绍了非差非组合观测模型和参数估计方法,提出了利用K均值聚类算法(K-means)进行测站选取的策略,分析并讨论了非差非组合方法的优势.通过K-means和人工经验选取两种测站选取方案,分别使用BDS-3五频,B1C+B2a、B1I+B3I三种频率选择方式,利用30个观测站,对BDS-3中轨道地球卫星(MEO)和倾斜地球同步轨道卫星(IGSO)进行精密定轨处理.结果表明:当接收B1C+B2a频点观测数据测站不足时,非差非组合方法可以通过利用五频观测数据增加观测数据数量、优化测站布局,提高定轨精度,与B1C+B2a频率组合相比,五频定轨结果切向(A)、法向(C)、径向(R)和三维(3D)方向均方根(RMS)月均值分别提升0.003 m、0.004 m、0.003 m和0.007 m;K-means算法选取的测站与人工经验选取相比,分布更加合理,定轨精度更高,三种频率选择方案MEO卫星3D RMS月均值精度分别提升0.009 m、0.017 m和0.009 m.

基于自适应迭代扩展卡尔曼滤波算法的INS/BDS组合导航系统

为克服惯性导航系统(INS)的积累误差,提高误差的修正精度,提出了基于多天线北斗差分载波相位的北斗/惯性导航系统组合导航算法。该算法建立并线性化惯性导航系统(INS)和北斗导航系统(BDS)的状态方程和量测方程,对系统的运动状态参数应用自适应迭代扩展卡尔曼滤波(adaptive iterated extended Kakman filter,AIEKF)算法进行估计。仿真结果表明,自适应迭代扩展卡尔曼滤波算法能够提高INS/BDS组合导航系统的精度和抗干扰能力,验证了自适应迭代扩展卡尔曼滤波算法的有效性。

一种改进的UKF滤波算法在BDS/SINS组合导航系统中的应用研究

将自适应估计原理引入UKF(unscented Kalman filter)算法中,该改进算法可以自适应地调节系统模型信息在导航解中的比重,从而减少滤波器初值偏差和系统模型异常扰动对导航解的影响。将改进的UKF算法应用于BDS/SINS(北斗/捷联惯导)组合导航系统中,仿真结果验证了其有效性,且该算法可提高组合导航系统的精度。

基于SINS/BDS的抗差组合导航技术研究

无人车在城市峡谷环境下,BDS卫星信号易出现干扰或拒止、惯组易受到震荡输出野值,此时导航系统会出现较大误差。针对此状况,本文提出一种基于SINS/BDS的组合导航抗差算法,重点分析了关于BDS卫星信号和惯组数据的有效性判断及异常状况下的处理策略,并在常规KF基础上加入了基于新息的方差匹配自适应滤波技术,可在线实时调整量测噪声大小以提升系统稳定性和鲁棒性,有效减小异常情况下的导航误差。最后进行了半实物仿真试验,验证了整个系统算法的可靠性和导航精度。

BDS/GPS组合导航接收机自主完好性监测算法

为使接收机自主完好性监测(RAIM)技术应用于民航垂直引导进近(APV)飞行阶段成为可能,研究了BDS/GPS组合导航RAIM算法。提出了一种基于BDS/GPS定位解最优加权平均解的算法,结合最优加权平均解与BDS/GPS定位解的关系建立检验统计量,根据最大允许的虚警率计算检验门限,实现对故障所在卫星导航系统的检测,并采用加权最小二乘残差法对故障进行检测与识别。研究结果对多星座组合卫星导航系统应用于民航APV飞行阶段的导航具有一定的参考意义。

基于双因子抗差估计的SINS/BDS有轨电车 组合导航算法研究

针对传统基于SINS/BDS组合的列车组合导航系统过程中因列车运行环境复杂多变导致传感器运行状态存在随机干扰的特点,为提高系统的可靠性,降低引入的不确定噪声对组合导航精度的影响,提出一种基于双因子抗差估计的SINS/BDS组合算法模型,在传统M估计基础上,引入系统观测模型不符因子,降低观测模型和动力学模型误差对组合导航精度的影响。为解决因BDS数据延时以及速度位置更新解算造成的延时误差问题,在抗差更新模型中引入延时估计误差。通过仿真与车载实验表明,双因子抗差估计模型可以有效提高组合导航系统的鲁棒性,延时估计能有效降低组合更新以及数据延时误差,降低复杂环境的随机噪声对列车定位精度的影响。

基于FPGA与DSP的INS/BDS组合导航数据精确对准方法

INS/BDS组合导航数据来源于不同的分系统,而不同系统之间在硬件和软件方面的因素都会导致系统间数据不同步,影响最终组合导航精度。可见在组合导航的应用中数据对准非常重要。针对这一问题,采用FPGA+DSP小型导航解算平台实现INS/BDS组合导航数据对准的方法。将BDS接收机的1PPS所激发的可调脉冲作为中断,通过FPGA主控芯片的控制实现对惯性传感器以及卫星导航模块的数据采集编帧和计时,然后由DSP实现对时延误差的计算以及外推拟合补偿,从而达到INS/BDS实时数据同步对准的目的。多次试验对比表明,该方法能够将位置精度提高50%左右,能够达到并且完成数据对准的要求,有一定的工程应用价值。

BDS/GPS组合导航定位研究

导航系统组合处理有利于提高导航定位的精度及可靠性。普通组合处理采用将不同系统的误差方程来联合求解,计算相对容易,但是会受到卫星几何分布和外部观测条件的影响。针对普通组合处理方法的缺点,改进组合处理方法利用了不同导航系统时差在一段时间范围内波动不是很大且比较稳定的特点,对导航系统时差进行了建模平滑处理,再利用得到的导航系统时差进行组合导航定位处理,并利用实测数据分析了BDS/GPS组合导航定位的效果。实验结果表明,该方法可以显著提高组合定位的精度及稳定性,尤其在各种恶劣条件,如卫星接收数减少的情况下可继续提供定位服务,提高了导航系统的可用性。

多普勒积分辅助BDS三频周跳探测

针对单频多普勒积分对低采样率数据周跳探测精度较低的问题,提出一种基于北斗卫星导航系统(BDS)三频观测数据的多普勒积分辅助伪距相位组合的周跳探测方法:利用多普勒积分计算历元间伪距变化量,大大减弱多路径效应的影响;并通过选择最优的三频组合系数构造宽巷相位和窄巷伪距组合周跳检测量,提高多普勒积分对低采样率数据的周跳探测精度。实验结果表明,提出的组合方法可以弥补各自的周跳探测盲点,对于不同采样率数据,不仅能有效探测和修复大小周跳、连续周跳和不敏感周跳,还可以准确地辨别1个周期以上的周跳和粗差,具有良好的周跳探测性能。

MIMU/GPS组合导航系统小型化设计

为满足小型无人机、手持制导设备及无人探测车等对低成本轻重量导航系统需求,应用MEMS惯性测量单元和GPS接收机模块,完成MIMU/GPS组合导航系统小型化设计。组合导航计算模块基于DSP+FPGA+FLASH设计完成,实现多传感器通信、串并行数据转换及与上位机人机交互等功能。将计算模块、电源模块、MIMU及GPS接收机集成到嵌入式MIMU/GPS组合导航系统中,完成的系统直径80 mm,高度80 mm,质量不超过600 g。对集成后系统进行定点动姿态实验,结果表明:该组合导航系统定点位置测量精度在1 m以内,动姿态测量精度姿态角在0.1°以内,航向角在0.5°以内。

MIMU/GPS组合导航建模及GPS时间延迟补偿算法研究

针对MIMU/GPS组合导航误差状态方程建模问题,利用惯导误差系数替代惯导测量误差作为状态向量,推导了新的组合导航误差状态方程。然后针对MIMU/GPS组合导航的数据时间同步问题,提出了一种新的GPS时间延迟补偿算法。该算法将GPS信息真实时间点上的MIMU状态参数与GPS信息进行组合滤波,并结合卡尔曼滤波状态转移矩阵将组合滤波的结果递推到当前时刻,作为MIMU下一步计算的初值,解决了组合导航数据的时间同步问题。仿真计算表明:新的组合导航模型具有较高的计算精度,时间延迟补偿算法有效可行。

基于DSP的MIMU/GPS组合导航系统研究

介绍了一种以DSP为核心的MIMU/GPS组合导航系统设计,它具有体积小、成本低等优点。针对系统噪声难于准确统计的情况,系统采用了一种适用于系统噪声协方差阵未知情况下的自适应卡尔曼滤波算法,用它作为组合算法,并对组合导航系统进行了数字仿真。结果表明:该自适应滤波算法可以有效地抑制滤波发散,增强了系统对环境的适应性。