基于路标信息的绕飞小天体探测器自主光学导航方法研究

 小天体表面存在大量的弹坑地形特征,具有较高的可见性与可分辨性,本文对以这类地形为导航路标的小天体绕飞自主光学导航方法进行了研究.针对轨道动力学模型的不确知与强非线性问题,提出了一种利用高斯-马尔科夫过程和Unscented卡尔曼滤波的导航滤波算法,以提高轨道确定精度和保证算法的稳定性.考虑导航路标位置几何分布对轨道确定精度的影响,利用观测矩阵的奇异值、条件数对导航系统可观测度进行分析,给出了导航路标选取的基本准则.最后,通过数学仿真对自主导航系统性能进行分析,验证了自主导航方法的有效性.     

基于BDS/INS动动组合相对定位技术的试验

针对在卫星信号质量较差情况下无法通过观测方程求解模糊度,进而导致无法实时准确测距的问题,提出一种利用惯性信息辅助解算模糊度的方法,即一种将运动载体的惯导信息与相对基线测量信息相结合,实现两运动载体之间精确动态相对定位的算法。通过建立双差载波相位观测方程与惯导观测方程紧组合的方式,分别在共视卫星数目大于4颗和不足4颗条件下求解模糊度未知数。最后,通过搭建组合试验系统平台,利用实地车载试验完成了对组合系统定位精度的测试,结果表明,组合系统定位精度较原先单GNSS定位精度有一定提高。     

MEMS-INS/GPS双星组合定位方法研究

提出了一种 GPS 不足 4 颗星情况下的双星组合定位方法。利用微机械惯导系统短时间自主导航定位的优良特性,建立双星组合定位的误差方程,同时利用 GPS 导航系统自身的卫星测量信息,设计双星组合定位导航系统的卡尔曼滤波器来实现微机械惯导和 GPS 卫星信息的最优融合。通过微机械惯导和 GPS 的信息融合,实现 GPS 在 2 颗卫星情况下的组合定位。实验结果表明,在 GPS 卫星导航收星条件差的情况下,双星组合导航具有较好的定位精度。     

基于变异系数优选算法的精细导星星库构建

精细导星星库是支撑未来大口径空间望远镜观测的必要组成部分,是用来确定空间望远镜视轴绝对指向的关键依据.导星星库的容量和星库的均匀性对于实现精细导星功能和性能指标都极为重要.为了有效提高星图识别性能,提出基于变异系数的优选筛星算法进行导星筛选并构建星库.经过仿真和均匀性评价准则验证,基于变异系数优选算法构建的精细导星星库分布均匀性好,能降低冗余度,有效提高识别概率.     

抗干扰时延对接收机观测量精度的影响分析

本文针对多系统卫星导航接收机抗干扰时延补偿问题,提出了一种自适应调整抗干扰延时的补偿算法,使不同频点的采样时刻处于同一时刻,提高了抗干扰状态下的伪距测量精度和载波测量精度.定量分析了不同抗干扰延时对观测量精度的影响,并在某型抗干扰接收机上进行了测试验证.测试结果表明:本文设计的自适应调整抗干扰延时的补偿算法有效,消除了由于抗干扰延时引入的观测量偏差,提高了伪距/载波差分的定位精度.     

近红外导航恒星排序方法研究

天文导航具有自主性强、精度高和误差不随时间积累等优点,惯性导航系统常采用天文观测的方法来提高定位和定姿精度,全天时星跟踪器技术成为近年来国内研究的热点。近红外系统多基于 2MASS 星表产生导航星表,系统工作中需要对可观测恒星进行排序,实现对恒星的最优选择。本文阐述了2MASS近红外恒星的测星能力计算方法,利用给出的信噪比(Signal noise ratio: SNR)计算公式,对一组亮背景条件下的恒星 SNR 进行了计算,并据此进行了理论排序。 利用外场观星试验拍摄的星图,计算了恒星星点的 SNR,并按照实测星点 SNR 对恒星进行了排序。计算结果表明：导航恒星的理论 SNR 与实测 SNR 的排序结果完全一致。     

多视场星敏感器近地轨道自主定位导航方法

传统航天器自主天文导航需要星敏感器、红外地平仪、磁强计等多种敏感器采集导航数据,增加了航天器的成本和复杂度。利用多视场星敏感器的特点,分别对恒星与地球进行成像,在完成姿态测量的同时,得到地心矢量信息,从而进行自主天文导航。首先建立地球几何模型,结合航天器轨道参数与多视场星敏感器的安装布局,实现各个视场内地球边缘的成像模拟,使用Steger 算法提取地球边缘。综合考虑地球扁率的影响,对不同视场中观测到的地球边缘进行拟合得到精确地心矢量,最后进行基于星光角距的直接敏感地平导航仿真。仿真结果表明,在一个视场观测恒星,另外两个视场观测地球边缘的布局情况下,地心矢量精度和导航位置精度分别达到0.017 2（1）和190 m（1）。     

地月平动点导航影响因素仿真分析

本文在研究平动点轨道特性的基础上,对采用单链测距的卫星自主导航定位方法进行了分析。建立了平动点卫星轨道和绕月卫星轨道的模型,采用扩展卡尔曼滤波方法,通过测距数据估计,实现两个卫星位置的确定。验证了该方法的可行性。初步分析了不同测距误差、不同初始偏差、不同平动点卫星轨道初值等因素对自主导航定位效果的影响。     

基于高性能集群平台的VLBI处理系统设计

角位置是深空探测航天器导航定位的重要观测量信息,相对于获取航天器距离、速度信息的统一载波测量体制,甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)技术的原始数据量呈几何式增长,海量数据的实时、准实时处理对航天器高精度导航定位提出了新的挑战。依托中国深空网干涉测量中心,论述了基于高性能集群平台环境的航天器干涉测角数据相关处理系统的设计实现,并利用探月工程的实测数据进行了验证分析。分析结论对推进我国深空网干涉测量信号处理中心建设、优化相关处理系统资源配置具有一定的参考价值。     

提高SINS/GNSS组合导航系统定位精度的方法研究

单纯依赖单一的导航手段难满足高精度的导航需求,因此,将捷联惯性导航系统(SINS)、全球卫星导航系统(GNSS)有效组合,实现优势互补。SINS/GNSS组合导航系统的数据处理一般采用卡尔曼滤波实现,当组合导航系统模型足够准确时,滤波性能较好,当导航系统模型存在误差或发生变化时,新的量测值对滤波估计值的修正作用下降,而旧的量测值的修正作用相对上升,从而导致滤波精度下降。针对上述问题,基于集中式卡尔曼滤波结构的SINS/GNSS组合导航系统,本文提出一种新方法,新方法在梯度方向上进行估计迭代,从而修正模型误差对滤波精度的影响,提高导航定位精度。实验结果表明,当导航系统模型和量测方程存在误差或发生变化时,新方法仍可以为导航系统提供有效的定位精度,满足高空长航时系统需求。     

基于MOOS的AUV的数据采集和监控系统

随着海洋事业的发展,对海洋的探测和开发工作提出了更高要求。自主式水下机器人能很好的适应水下复杂的环境,通过自主导航定位,路径规划来完成相应的工作。为实现水下机器人稳定可靠的数据采集工作,采用以MOOS为平台的分布式设计方法,提高了数据采集系统的精度和效率,从而提高了AUV导航定位的准确性和可靠性。     

面向高轨航天器的北斗导航特性分析

利用卫星导航信号实现高轨航天器的自主定轨与导航已成为当前国内外的研究热点,高轨星载导航接收机面临可见卫星数少、接收导航信号微弱、动态性较大等问题。针对以上问题,分析了高轨环境下星载导航接收机获取到的信号功率、可见星数、DOP值及多普勒频移状态。首先建立了北斗星座模型与高轨航天器动力学模型,构建星间测距链路,对高轨卫星的可见性进行了仿真分析,结果表明当星载接收机功率为-177 dBw时,可见星数能达到4颗以上,能满足定轨需求;然后对高轨卫星的定轨精度进行了仿真,DOP值的均值为15.657 8;最后对导航卫星和高轨卫星之间的多普勒频移进行了分析,仿真的多普勒范围为±14kHz。相关研究结果可支撑高轨航天器星载接收机的开发。     

基于FPGA的深空图像实时边缘检测算法与实现

航天器的导航控制是深空探索的重要关键技术之一。随着探索距离越来越远,传统地面站控制的局限性越发明显,因此航天器自主导航成为深空探索的发展方向。边缘检测是光学自主导航系统中定位天体目标的关键算法之一,为了满足星载计算机计算的实时性要求,文中提出了一种优化的Canny边缘检测算法和FPGA电路架构来优化Canny边缘检测算法中的非极大值抑制并采用动态单阈值,使其能够以较少的资源占用在FPGA上以流水线架构实现。该方法在保证边缘提取精度地前提下满足光学自主导航实时性的要求,对复杂的星体目标也具有较好的鲁棒性。     

加速度计辅助模糊混合捷联姿态确定算法研究

利用模糊逻辑法判断载体运动状态、融合加速度计和捷联姿态解算结果,设计了基于模糊逻辑的加速度计辅助混合捷联姿态确定算法,跑车实验与高精度组合导航系统姿态输出相比,结果表明,该算法能有效抑制捷联姿态解算误差的积累,为低精度微惯性测量元件实现可靠的的姿态确定系统提供了技术解决途径。     

航空飞行器天文自主导航定位技术

针对传统惯性/天文多星组合导航的不足和导航星选取不确定性,设计了一种基于捷联惯性/天文单星深度组合的长航时自主导航系统,通过对惯性导航和二维转台单星观测的误差特性进行建模,综合两者的优点,实现了单星观测角度和惯导解算数据的高精度融合;在高度通道方向,引入气压高度计对高度误差进行阻尼,通过卡尔曼滤波器对惯导误差进行最优估计,运用可观测性理论对系统进行分析,得到了最优导航星选取准则,有效地解决了在部分观测角度下算法性能下降的问题。仿真结果表明:该算法长时间导航定位精度优于传统算法,最优导航星选取准则有效地提高了算法的鲁棒性,具有较高的理论研究意义和工程应用价值。     

基于微粒群与模拟退火算法的光纤陀螺导航系统动态补偿方法

光纤陀螺惯导系统在进行空间自主导航时,需要经历长期复杂的空间环境,这会使惯性仪表的某些性能发生变化,光纤陀螺仪的光功率下降是一种比较典型的失效模式,这会导致光纤陀螺仪的带宽下降,当航天器进行变轨或姿态机动时其导航精度会降低。针对上述问题,文中提出了微粒群优化的光纤陀螺仪动态补偿方法,根据光纤陀螺仪和参考模型在相同输入下的响应,优化得到补偿环节的参数。但微粒群算法存在过早陷入局部最优解的缺陷,为提高算法的全局搜索能力,采用模拟退火算法使其以较大的概率跳出局部最优解。通过光纤陀螺导航系统的动态导航试验验证了该方法能够有效地补偿光纤陀螺仪的动态特性,提高机动条件下的导航精度,具有较强的工程实用价值。     

高超声速飞行器楔面激波的光线偏折校正模型

天文定姿是飞行器实现高精度自主导航的重要技术手段之一。高超声速飞行器在飞行过程中会产生激波,造成光线偏折,影响星敏感器的观测和天文定姿导航的性能。现代高超声速飞行器多采用乘波体设计,其载荷舱部分可简化为楔面结构。论文聚焦高超声速飞行器上楔面激波,基于空气动力学理论,给出了高超声速楔面激波结构参数的解析计算方法,以及激波对光线偏折影响的量化测算模型。提出了一种利用解析计算结果控制光线偏折的校正模型,讨论了激波角测量误差在该模型中的传播,证明了激波角测量误差与其引起的校正效果偏差其呈负线性相关。仿真试验表明,在高度20 km、马赫数5-8的条件下,楔面上方形成稳定的激波结构,对入射光线造成的偏折可达6.8";解析计算方法获得的激波角参数与试验结果误差在0.1"以内。这意味着运用该模型来校正光线偏折的误差可以控制在激波角观测误差的量级,可以显著提升观测精度。     

基于微惯导与VLC的室内高精度定位技术研究

高精度室内定位在很多场合的实用性和必要性日趋显著,其应用前景广阔,已成为研究前沿.基于微惯导技术的室内定位,是目前最为精确和有效的一项定位技术,但由于微惯导测量组件存在不可避免的漂移现象,使其无法长时间独立用于目标的定位.在此背景下,提出了一种基于微惯导(Micro-Inertial Navigation System,Micro-INS)与可见光通信(VLC)系统相结合的定位方法.在该方法中,首先通过微惯导测量组件进行航位推算,然后利用获取的VLC信号对微惯导系统的位置信息进行校准,补偿微惯导系统的定位累积误差.定位实验结果表明,文章所提出的方法可有效地提高系统定位精度,实现室内的长时间精确定位.     

自恢复蒙特卡罗定位算法

机器人定位技术作为智能机器人领域的重要技术,是机器人进行自主规划和导航的重要前提。为解决机器人运动过程中的绑架问题,在蒙特卡罗定位(Monte Carlo localization, MCL)算法的基础上,提出了基于激光雷达似然域模型的定位可靠度评判算法以及基于惯性导航单元的定位自恢复模型。定位可靠度评判算法对机器人是否发生绑架问题进行判定,当发生绑架问题后,首先基于惯性导航单元的测量数据进行位姿预估计,然后基于预估计的位姿构建粒子重分布模型,最后进行粒子滤波得到重定位的结果,达到了对机器人绑架判定和自恢复定位的目的。经过实验测试和对比,该算法可以对绑架问题进行高效的判断,具有更高的恢复效率和准确度。     

基于特征匹配的着陆导航敏感器相对校准算法

在光学辅助惯性导航系统中,观测信息的最优融合依赖于相机与惯性测量单元六自由度转换的精确校准。针对火星软着陆自主导航中的测量信息最优融合问题,提出了基于扩展卡尔曼滤波的导航敏感器相对位姿校准算法。该算法仅利用火星表面可获取的路标特征点信息,不借助额外的测量设备,对相机与惯性测量单元相对位姿进行精确的校准,同时,能够估计着陆器的位置、速度和姿态。考虑到着陆器机动和火星自旋的影响,建立了宽视场相机及惯性测量单元的高精度测量模型。最后通过数学仿真对所提出的校准算法的可行性和有效性进行了验证。