SINS大失准角传递对准模型的可观测性分析

捷联惯导系统(SINS)是在军事、航空等领域有着广泛应用的全自主导航系统,传递对准是确定其导航初值的一项关键技术.针对捷联惯导系统大失准角传递对准模型进行了可观测性分析研究.首先,建立了SINS欧拉角误差模型,并根据水平失准角为小角度的工程实际情况等对误差模型进行了简化;然后,从非线性系统的可观测性分析出发,利用微分几何理论给出系统的可观测矩阵,并给出了系统可观测度定义以及通过奇异值分解分析状态变量可观测度的方法.将该方法应用于SINS大失准角传递对准模型中,对系统进行了"速度"匹配和"速度+姿态"匹配模式下的可观测性和状态可观测度分析;最后,设计了UKF滤波器进行传递对准仿真,仿真结果与可观测分析结论一致,验证了该可观测分析方法的正确性.结果表明,这两种匹配模式下系统均为不完全可观测,并且"速度+姿态"匹配模式下状态变量的可观测度相比"速度"匹配模式下的状态可观测度高.     

惯性/天文/卫星组合导航误差在线标定方法

为提高惯性/天文/卫星(INS/CNS/GNSS)组合导航系统长期工作时的精度,推导了基于四元数误差描述的组合导航系统误差状态方程和量测方程,利用分段定常系统(PWCS)定理,分析了不同输入条件下系统状态变量的可观测性和可观测度.结合可观测性和可观测度分析结果,提出了利用星敏感器及卫星导航系统提供的姿态、位置矢量在线标定陀螺仪、加速度计和星敏感器误差参数的方法.可观测性分析和仿真试验结果表明,该方法可以精确在线估计出陀螺仪、加速度计、星敏感器的标度因数、零偏和安装误差,提高惯性/天文/卫星组合导航系统长期在轨工作的精度.     

SVD可观测度分析方法的改进及组合导航中的应用

为解决已有的基于线性时变系统可观测性矩阵奇异值分解（SVD）的可观测度分析方法中存在的依靠外部量测信息、状态量纲比较不一致、奇异值基准不唯一的问题,提出一种改进的基于SVD理论的系统状态可观测度分析方法. 首先阐述了线性时变系统与分段式线性定常系统（PWCS）之间的关系,并介绍了PWCS可观测性分析理论,在满足该定理要求的情况下,通过PWCS的提取可观测性矩阵（SOM）替代总可观测性矩阵（TOM）可以有效降低分析计算的复杂度. 然后由系统提取可观测性矩阵SVD分解及其得到的奇异值与对应奇异向量,对系统的观测方程进行推导,根据载体不同机动情况下同一状态观测程度的纵向比较计算得到系统各状态的可观测度指标. 最后采用SINS/DVL组合导航系统进行仿真验证. 仿真结果表明, 通过该方法计算的可观测度指标与Kalman滤波状态估计误差特性相符,证明该改进方法可预见及准确描述状态的估计效果,并且依据所计算的状态可观测度进行系统自适应反馈校正,可以有效提高导航精度.     

磁传感器辅助Reduced IMU/GPS可观测性研究

为解决Reduced IMU组合导航系统可观性差的问题,运用基本运动微分方程分析Re-duced IMU/GPS组合导航系统参数的可估性,给出特定运动条件下部分参数不可估的原因。鉴于竖轴陀螺漂移误差与航向角误差强相关,提出将磁传感器新息更新值加入观测系数阵中,使航向角误差变为直接可测参数,并通过4组仿真试验定性、定量分析磁传感器辅助前后系统的可观测性。结果表明：不同运动条件下,采用磁传感器辅助前后Reduced IMU/GPS组合导航系统水平方向加速度计漂移误差均能快速收敛,引入磁传感器后,竖轴陀螺漂移误差可更快收敛至真值,竖轴陀螺漂移误差可观测度明显提升。     

主从式USV协同定位系统性能分析

为研究以距离为观测量的主从式无人水面航行器(unmanned surface vehicle,USV)协同定位系统在不同运动状态下的定位性能问题,建立一种新的协同坐标系,并在该坐标系中推导主从USV运动模型,以主从USV相对距离为观测量分析主从式USV协同定位系统的可观测性及可观测度.同时,针对不可观测路径,提出通过改变控制输入的方法以达到提高系统可观测度的目的.通过MATLAB仿真实验与水面舰艇实验,结果表明:在不同情况下,通过调整控制输入的方法改变系统的可观测度是有效的;利用所提出的分析方法可以反映协同定位系统的定位性能,验证了所得结论及方法的有效性.     

基于双主交替领航的多AUV协同导航方法

基于单主模式的AUV协同导航系统的可观测性弱,对主AUV的机动性要求较高,实现较为困难,针对这一问题,提出一种基于双主交替领航的多AUV协同导航方法。在相邻量测时刻,从AUV分别利用不同主AUV的距离观测进行导航误差的协同校正。首先建立了AUV协同导航系统的数学模型;然后利用谱条件数法对AUV协同导航系统的可观测性进行了定量分析,明确了系统可观测度大小与相邻时刻主从AUV机动状态的对应关系,为利用双主交替领航提高系统可观测性提供了理论依据。通过与单主方案进行对比试验,验证了双主交替领航方案的有效性和可行性。     

GPS／SINS超紧组合导航系统自适应混合滤波算法

针对传统反馈校正滤波结构中,由于不可观测状态的反馈导致系统滤波精度下降,以及由于全球定位系统／捷联惯性导航系统(GPS／SINS,global positioning system／strapdown inertial navigation system)超紧组合导航系统量测方程的非线性导致滤波难度的增加等问题,本文重新推导了线性的量测方程,并将基于状态可观测性的混合校正滤波算法应用于该模型．通过对比三种主流可观测性分析方法,选用误差协方差阵的特征值和特征向量可观测性分析方法分析系统状态的可观测性．最后根据可观测性分析的结果制定自适应的反馈因子,从而对SINS和GPS接收机误差进行校正．仿真结果显示,该方法可以有效提高不完全可观测系统的估计精度．     

基于单信标测距的水下导航系统可观测性分析

导航问题是发展自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)所面临的难题之一。针对单信标测距导航方法中的系统可观测性问题,文章通过建立AUV的三维运动学模型,利用线性时变系统的局部可观测性理论得到了导航系统关于AUV三维运动路径的可观测性条件,在此条件下实现了对AUV运动位置的在线估计。仿真结果表明,对于满足导航系统可测观性的运动路径,AUV的位置估计具有良好的收敛性和定位精度。     

多卜勒/惯性组合导航系统可观测性的研究

多卜勒/惯性组合导航系统(DINS)是较复杂的卡尔曼滤波系统。提高DINS的导航性能的关键在于提高卡尔曼滤波器对误差状态的可观测性[1]、[2]。若用通常的可观测性分析法对DINS的可观测性进行研究,不但分析过程复杂,并且难以具体判定不同的飞行动作对于提高各个误差状态的可观测性的作用[3]。本文采取直接从误差状态与量测值的关系入手来分析系统可观测性的方法,详细研究了增强DINS误差状态可观测性的条件和如何利用飞机的机动飞行来实现这些条件;不仅分析了在不同的飞行动作时各个误差状态是否可观测,而且还比较出它们的可观测性程度以及相互之间的联系。最后,通过计算机仿真给出在飞机做弯道飞行时,误差状态可观测性提高的效果。     

平方根UKF混合滤波在自主光学导航中的应用

提出了一种用于探测器在巡航段的自主光学导航方案,该方案利用光学导航相机以及星敏感器,通过测量星光信息以及天体边缘的信息,得出了探测器的相对位置。在此基础上针对导航系统状态方程和观测方程的非线性问题,进行平方根Unscented卡尔曼滤波(square-root unscented Kalman filter)计算,由此实时确定了探测器的轨道。该方法将平方根滤波和UKF滤波有机结合起来,可更好地提高自主导航系统的准确度和可靠性。通过数学仿真并与EKF滤波过程进行比较,验证了该算法的优越性。     

基于距离量测的主从式AUV协同定位系统观测性研究

研究了基于距离量测的主从式自主水下航行器(AUV)协同定位系统观测性问题。主AUV可以利用装备的高精度导航设备进行精确定位,从AUV装备低精度导航设备,需融合主从AUV之间的距离量测进行水下定位。针对控制输入对协同定位系统可观测性的影响,建立了从AUV在主AUV体坐标系中的运动学模型,并选取主从AUV间的距离值作为观测量,利用基于Lie导数的非线性系统观测性秩判据分析了不同控制输入下协同定位系统的观测性。仿真结果表明,对于可观测的协同定位系统,从AUV的位置估计具有良好的收敛性和定位精度。     

Observability of Inertial Navigation System

To improve the observability of strapdown inertial navigation system and the effectiveness of Kalman filter in the navigation system, the method of estimating the observability is analyzed based on eigenvalues and eigenvectors which are proved to be availabe, on this basis two-position alignment technigue is applied. The simulation shows that two-position alignment really makes the system＇s observability change from being incomplete to being complete, and the test method based on eigenvalues and eigenvectors is available to determine the observability of every state vector.     

Online Detection of State Estimator Performance Degradation via Efficient Numerical Observability Analysis

An efficient observability analysis method is proposed to enable online detection of performance degradation of an optimization-based sliding window visual-inertial state estimation framework. The proposed methodology leverages numerical techniques in nonlinear observability analysis to enable online evaluation of the system observability and indication of the state estimation performance. Specifically, an empirical observability Gramian based approach is introduced to efficiently measure the observability condition of the windowed nonlinear system, and a scalar index is proposed to quantify the average system observability. The proposed approach is specialized to a challenging optimization-based sliding window monocular visual-inertial state estimation formulation and evaluated through simulation and experiments to assess the efficacy of the methodology. The analysis result shows that the proposed approach can correctly indicate degradation of the state estimation accuracy with real-time performance.     

一种基于VINS/FINS组合导航方法

针对视觉惯性组合导航系统中微惯性器件精度偏低,以及足部惯性导航系统航向角误差可观测性差的问题,研究了一种基于上述两种系统的信息双向融合的导航定位方案. 该方法的系统结构由安装于双足步行机器人躯干部分的惯性导航系统和安装于其足部惯性导航系统两部分组成. 惯性导航系统通过视觉同时定位与地图构建数据融合方法可以获得相对准确的航向角,足部惯性导航系统利用零速修正后的位置信息实时修正惯性导航系统中的低精度惯性器件误差,从而构建视觉与惯性信息双向融合的组合导航系统结构. 实验结果表明,该组合导航方案可以有效提高双足步行机器人的航向精度和定位精度.     

车辆动态数学模型辅助的惯性导航系统

提出了一种利用车辆的动态数学模型改善车载低成本惯性导航系统精度的方法.通过车辆的运动学模型和非完整约束条件得到虚拟的位置和速度观测量,与前向速度一起辅助惯性导航系统,惯性导航系统修正后的方位角又用来改善车辆的运动学数学模型.利用解析分析和协方差仿真方法研究了该组合导航系统的可观测性.理论分析和仿真结果都证明了通过车辆动态数学模型的辅助,低成本惯性导航系统的精度可以得到改善.该方法可作为当全球定位系统(GPS)暂停工作时的一种备份导航系统,在较长时间内限制惯性导航系统的误差,从而提高整个导航系统的冗余性和完整性