GNSS／惯性组合导航仿真开发系统研究与实现

GNSS／惯性组合导航系统是性能,成本,体积,可靠性都比较好的导航系统,是当前导航系统发展方向。本文研究了GNSS／惯性组合导航仿真开发系统,该开发系统采用VisualC 语言进行编程,在Windows95/98操作系统下实现,具有良好的窗口喵能,可进行实时导航动画显示,对惯性导航,GPS,GLONASS及多种组合模态进行仿真运行,系统的结构和参数可由操作选择或设定,特别针对不同的应用对象,可灵活地设置系统的航迹,因此有很高的应用价值和实用意义,是研制设计组合导航系统的有力工具,在国防和民用GNSS／惯性组合导航系统研制和设计中具有重要的作用。     

基于双OD修正的GNSS/MIMU导航算法研究

为提高车载组合导航系统的导航精度和可靠性,在全球导航卫星系统(GNSS)信号正常工作的情况下,该文建立了一种双天线GNSS/微惯性测量单元(MIMU)/轮速里程计(OD)组合导航模型,实现了对MIMU和OD传感器误差特性的在线估计。在GNSS信号短期失锁的情况下,基于双OD轮速比例修正(WRC)算法建立了MIMU/双OD组合导航模型。车载实验结果表明,与无WRC组合模型相比,该文设计的组合导航模型在120 s的GNSS信号失锁路段,最大定位误差减小了63.9%,定位误差标准差减小了80.1%;在200 s时GNSS信号频繁中断路段,最大位置误差为0.55 m。验证了所建立的导航模型和算法在复杂路况下工作的有效性。     

基于RFR辅助的因子图组合导航算法

针对在INS/GNSS组合导航系统中,由GNSS自身故障或外部环境遮挡造成的信号缺失问题,提出了一种利用随机森林回归辅助因子图的组合导航算法。首先,采用因子图算法对惯性导航系统、全球导航卫星系统进行建模,搭建了INS/GNSS组合导航的因子图模型。其次,引入随机森林理论搭建随机森林,并在GNSS信号有效时进行训练,模拟卫星导航失效时的GNSS信号输出值。最后设计了仿真实验,结果表明：改进的因子图算法相比联邦卡尔曼滤波算法在导航精度上有了10%～15%不等的提升,同时,所提出的随机森林回归辅助因子图算法在GNSS信号丢失的情况下仍能保持较高精度。     

惯性导航位移参数在大地坐标系中的严密计算方法

对高速移动的物体进行连贯、精准的全球实时定位,需要运用在多方面互补的全球导航卫星系统(GNSS)和惯性导航系统(INS)进行组合导航(GNSS/INS)。针对两种导航系统所属坐标基准不统一的问题,提出了以全球导航卫星系统所依据的大地坐标系为基准,将惯性导航系统测得的三轴位移参数转换为参考椭球上沿大地经度、大地纬度和大地高方向位移值的严密计算方法。从而实现该组合导航系统中两种不同基准导航参数的精确融合,进而有效增强了GNSS/INS组合导航系统的精确性、稳定性和可靠性。     

一种基于载波相位时间差分的惯性/卫星组合方法

传统的惯性/卫星紧耦合组合导航系统使用卫星伪距/伪距率作为量测，卫星伪距率一般可以提供厘米/秒级精度的速度信息；而载波相位时间差分观测量可以达到毫米级精度且无需参考接收机。本文分析了载波相位时间差分的原理，并将其应用到惯性/卫星组合导航系统中；在滤波器的设计中使用状态延迟滤波法处理载波相位时间差分观测量，使惯性/卫星组合导航系统达到了较高的速度精度。     

惯性/天文/卫星组合导航技术的现状与展望

本文首先介绍了INS/CNS/GNSS组合导航的原理,然后分析了INS/CNS/GNSS组合导航技术的发展和应用现状。在上述基础上,提出了INS/CNS/GNSS组合导航技术的几个重点研究方向,包括INS/CNS/GNSS组合导航系统的信息融合与先进滤波方法,INS/CNS/GNSS组合导航方法的实时性研究和基于集成一体化的INS/CNS/GNSS组合导航系统技术。随着捷联惯性导航技术、小型天体敏感器技术、高性能卫星导航技术的快速发展,以及先进信息融合技术、组合算法优化和系统集成技术研究的深入,INS/CNS/GNSS组合导航技术将获得进一步发展并在多种应用领域发挥重要作用。     

基于简化车辆非完整约束辅助的低成本车载INS/GNSS 组合导航系统研究

针对采用低成本MEMS-IMU器件的INS/GNSS组合导航系统在GNSS信号中断时产生较大误差的问题,研究了一种基于车辆非完整约束辅助的低成本车载INS/GNSS组合导航系统,针对系统的低成本特性对车辆非完整约束进行了简化,并据此推导了滤波算法的模型.仿真分析以及车载测试的结果均表明,对于消费级MEMS-IMU和GNSS接收机构成的低成本INS/GNSS组合导航系统,加入简化车辆非完整约束的辅助后,在GNSS信号中断1min期间组合导航位置误差小于行驶距离的3%.该约束的应用可以显著提高低成本车载INS/GNSS组合导航系统的精度.     

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°。     

多模GNSS伪码相关干扰机设计

在信息化战争中,多模卫星导航系统具有三维立体的更加精确的导航和定位能力。通过遏制敌方多模卫星导航系统的正常工作,对战争的胜利起着很重要的作用。本文设计了一种多模GNSS伪码相关干扰机,其利用与C/A码相似的伪码作为干扰信号,使多模GNSS接收机不能正确解调卫星信号,以使其失效。通过分析多模GNSS卫星导航系统的信号特点,设计伪码相关干扰信号,并进行了理论分析,表明使用伪码相关干扰信号所需功率较小。利用DDS芯片和单片机实现了多模GNSS伪码相关干扰机,通过试验验证,该多模GNSS伪码相关干扰机操作简单、干扰效果良好。     

基于小视场星跟踪器的天文/惯性/卫星组合导航系统半实物仿真技术研究

因目前没有针对小视场星跟踪器的室内测试设备,而外场试验和试飞试验成本高、 难度大,为了对组合导航系统的算法和性能进行测试,本文设计了一种基于小视场星跟踪器的天文/惯性/卫星组合导航半实物仿真系统。该系统根据实际采集的导航源数据建立误差仿真模型, 产生仿真数据,结合组合导航系统原理样机中的导航处理器和显控单元实物模块,形成半实物仿真系统。它具有很强的灵活性和可扩展性,可有效地降低组合导航系统的实验成本,缩短研制周期, 对研究组合导航系统的算法性能、系统特性和工程应用等具有重要理论和实践意义。     

一种双天线辅助的两段连续式对准以及误差分析

针对低精度微惯性测量单元/全球导航卫星系统 (IMU/GNSS)松组合导航系统中初始方位难以精确得到和行进间航向容易发散的问题,该文设计了一种双天线辅助的两段连续式对准方法。首先分析了初始方位误差对航向精度的影响;其次,由于GNSS测向系统精度高、无姿态漂移误差的特点,基于双天线基线矢量推导了一种最小二乘算法的测姿模型,进行初始对准;最后针对行进间对准,研究扩展了基于航向差值的1维量测以抑制航向发散。设计试验探讨了双天线基线矢量对初始对准与行进间航向精度的影响,改进方法可以使得初始方位误差优于0.7°,行进间航向能够更准确地被跟踪。针对目标的初始对准与行进间对准,双天线可提供辅助信息,其效果优于单天线IMU/GNSS的组合,且方法计算量适中。

     

容错式闭环反馈惯性／卫星组合系统设计

为了实现高动态载体运动参数的实时测量,设计容错式闭环反馈惯性/卫星组合系统,给出了容错式闭环反馈组合系统的结构和组合算法的实现时序。对抗干扰能力较强的H∞滤波算法在惯性/卫星组合系统滤波估计中的应用进行了研究,设计了相应的算法。仿真结果表明了所设计的组合结构及其算法能有效地改善载体位置和速度的测量精度,提高测量系统的可靠性,给后期的工程实现提供了有效的算法和依据。     

一种双天线辅助的两段连续式对准以及误差分析

针对低精度微惯性测量单元/全球导航卫星系统(IMU/GNSS)松组合导航系统中初始方位难以精确得到和行进间航向容易发散的问题,该文设计了一种双天线辅助的两段连续式对准方法.首先分析了初始方位误差对航向精度的影响;其次,由于GNSS测向系统精度高、无姿态漂移误差的特点,基于双天线基线矢量推导了一种最小二乘算法的测姿模型,进行初始对准;最后针对行进间对准,研究扩展了基于航向差值的1维量测以抑制航向发散.设计试验探讨了双天线基线矢量对初始对准与行进间航向精度的影响,改进方法可以使得初始方位误差优于0.7°,行进间航向能够更准确地被跟踪.针对目标的初始对准与行进间对准,双天线可提供辅助信息,其效果优于单天线IMU/GNSS的组合,且方法计算量适中.     

直升机高精度长航时自主定位方法研究

为满足武装直升机高精度长航时自主定位的要求,设计了一种多普勒雷达/光纤捷联惯导/气压高度表的组合导航系统.根据各传感器的误差特性建立了组合导航系统的数学模型,针对多普勒雷达系统的失锁、测速异常等问题设计了一种基于双层容错结构的卡尔曼滤波算法.最后对设计的组合导航原理样机进行了长航时的地面跑车试验,跑车结果表明该系统长航...     

INS/GPS多传感器车载组合导航系统算法研究

理论分析光纤陀螺和石英挠性加速度计的传感原理,对组合导航系统中的惯性测量单元(IMU)建立相应的误差模型,其误差模型包含了IMU传感器的标度因数的非线性模型、零偏的漂移模型、交叉耦合误差模型和标度因数、零偏的温度模型等。针对建立的误差模型进行误差补偿,同时针对车载环境设计了IMU传感器信号的数字滤波器,提高组合导航系统在车载环境下的适应性。GPS、高度计、里程计等多传感器信息的引入克服了惯性传感器独立长时间导航的发散问题。针对车载组合导航系统的非线性误差模型,设计了UKF组合导航算法,进行仿真和跑车试验,该方法能有效改善组合导航系统在劣等路面跑车试验效果。     

基于灰色马尔可夫预测的组合导航方法

针对传统MEMS/GNSS组合导航在卫星信号差时长时间精准导航问题,提出了基于灰色马尔可夫预测的MEMS/GNSS组合导航方法。通过改进灰色预测,增加马尔可夫修正环节,预测当卫星信号差时的GNSS量测值,进而代替原量测值,并将结果进行抗差扩展卡尔曼滤波(EKF),克服噪声干扰影响,提高了系统的稳定性。经仿真和跑车实验验证,该组合导航方法在卫星信号差时仍能输出较高精度的导航结果,且可以较好地克服异常观测值对系统的影响。     

北斗卫星导航系统B1信号伪距偏差问题研究

目前各大卫星导航系统均存在伪距偏差问题,该现象不但不能通过差分的方式进行抵消,在进行双频电离层误差修正时还会被进一步放大,对卫星导航系统服务精度的提高已构成严重危害。然而目前国内对北斗系统伪距偏差产生机理研究甚少,为了最大程度降低伪距偏差对我国北斗卫星导航系统影响,该文首先深入并详细研究了伪距偏差产生机理及特点,在此基础上设计了试验验证方案,利用国内昊平观测站40 m大口径天线,准确测试并评估了所有北斗卫星导航系统(BDS)在轨可视卫星伪距偏差结果。最后根据试验测试结果,提出针对北斗卫星导航系统的接收机主要参数设置建议,从而能够最大程度上减小伪距偏差问题带来的测距误差和定位误差。该文的研究成果可为GNSS信号设计及实现、GNSS监测评估及用户终端参数设置提供有价值的参考依据。     

惯性/卫星导航系统实际导航性能评估算法

针对惯性/卫星组合导航进行实际导航性能(Actual Navigation Performance,ANP)评估,是保证飞机所需导航性能(Required Navigation Performance,RNP)及航空运行安全的关键.提出了惯性/卫星组合导航系统实际导航性能评估算法,从卡尔曼滤波器位置协方差矩阵开展分析,...     

组合导航计算机容错技术研究

基于 SINS/CNS/GNSS 组合导航计算机,提出了一种容错设计的组合导航计算机。 首先,介绍了组合导航计算机容错设计的主要目的和设计思路,提出了容错组合导航计算机结构原理;其次,基于硬件元件功耗不同,设计了不同的硬件容错方法;然后,在硬件容错方法基础上设计了 N 版本程序方法和恢复块方法,实现了软件容错;最后,从导航源利用情况和组合导航计算机可用性两个方面对设计的容错导航计算机和传统导航计算机进行比较。实际应用结果表明,相对于传统导航计算机,设计的容错组合导航计算机可以有效检测隔离故障,提高组合导航计算机的可靠性和可用性。     

GNSS/SINS紧耦合选星算法研究

通过分析全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)和捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,SINS)紧耦合导航系统中最小GDOP法的现有问题,提出一种改进的GNSS/SINS紧耦合选星算法。该算法的主要步骤包括:首先将可见卫星进行伪距异常值检测,并剔除异常值卫星;然后根据卫星的分布特点,利用卫星仰角信息选取最大的一颗作为天顶星,最后将剩余可见卫星随机组合选取三颗卫星和天顶星组成四颗星,得到最终的选星方案。经过与最小GDOP法仿真对比,该算法计算量明显减小,且在保证定位精度的前提下,减少了计算的卫星数目,降低了运算量,具有较好的选星效果。