前后向平滑算法在精密单点定位/INS紧组合数据后处理中的应用

精密单点定位技术只需单台双频GNSS接收机就能实现分米到厘米级定位精度,将其与INS进行组合可以广泛应用于测量领域。但当GNSS信号被完全遮挡时,只能依赖纯惯性导航工作模式,而当重新捕获GNSS信号时,又需要一定时间才能使精密单点定位重新收敛到理想精度。针对以上问题,提出了一种适用于精密单点定位/INS紧组合的前后向平滑算法来同时提高GNSS信号完全遮挡段和重新收敛段的导航精度,详细推导了该算法的数学模型。对实测的跑车实验数据后处理表明:前后向平滑算法能有效提高精密单点定位/INS紧组合导航精度;对60 s完全遮挡段的位置误差统计表明,前向和后向滤波的三维位置误差RMS分别为44.46 cm和10.81 cm,平滑后改善到了10.47 cm。     

印度区域卫星导航系统定位精度分析

IRNSS系统是由印度空间研究组织打造的区域性卫星导航系统。利用MGEX网一个印度境内测站、两个澳大利亚境内测站多天的实测数据对IRNSS系统的单点定位和相对定位精度进行分析,首次同时给出了IRNSS系统在首要及次要服务区的定位表现。分析结果显示:对于单点定位,IISC测站可实现平面和高程方向上2 m以内的定位精度;CUAA和CUBB测站可实现平面方向上6.5 m以内和高程方向上10 m以内的定位精度。对于相对定位,一条位于次要服务区内的短基线CUAA-CUBB可实现厘米级解算精度。     

Galileo E1/E5/E6数字中频信号仿真

新伽利略系统计划提供E1、E5和E6导航信号服务于民用导航、商业服务和生命安全服务领域,预计导航性能将大幅提升.本文旨在设计一种基于软件的伽利略E1/E5/E6中频信号发生器以模拟未来的伽利略导航系统.首先简要概述了伽利略信号及其在无线电频段的分布,包括E1、E5和E6信号的信号结构和特点.然后对仿真系统的组成进行了详细描述并通过Matlab软件进行仿真,重点分析了所有导航信号的功率谱密度(PSD).结果表明该仿真系统可为伽利略接收机的设计和测试提供可控信号源.     

在实时单点定位中基于残差信息的改进抗差滤波方法

在利用卫星导航定位系统进行单点导航定位时,为了进一步提高导航定位的精度、实时性和可靠性,针对实时观测信息中存在粗差问题,基于残差分析理论,比较分析了最小二乘法、M估计、抗差滤波估计方法在GNSS单点导航定位中参数估计问题。在此基础上,针对观测量与动力学模型不准确的情况,利用残差信息,构建了有效的改进的基于残差信息的抗差滤波。其特点是观测信息误差比较大的情况下不会导致滤波精度明显下降。在GPS单点导航定位解算中,编程并计算,通过比较分析,结果验证了构建的滤波在单点定位中抗差的优越性,并在导航定位算法选择上得到一些有益结论。     

卫星分群的抗差Kalman滤波在GPS/BDS融合精密单点定位中的应用

抗差Kalman滤波是控制GNSS动态导航定位中观测异常的有效算法,当应用到GPS/BDS实时动态精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)时,会出现某些历元定位精度甚至不如单一系统定位精度高,这主要是因为同一接收机接收的不同种类卫星观测量的随机特性不同,使得观测量验后残差的分布特性不一致,抗差估计时随机特性不同的观测量验后残差互比,反而对某一系统优质数据也进行了降权,导致定位结果出现偏差,减弱了GPS/BDS融合精密单点定位的优势。针对这一问题,提出了卫星分群的抗差Kalman滤波算法,并应用到GPS/BDS融合精密单点定位中,算法的核心是在每一历元观测数据质量控制时根据卫星类型分类构建方差膨胀因子,给出了算法的实施步骤,最后通过MGEX实测数据进行了验证,结果表明算法应用到GPS/BDS融合精密单点定位中,相较传统的抗差Kalman滤波算法在东、北、天三个方向分别提高了34.6%、33.3%、31.0%,同时表明该算法提高了GPS/BDS融合精密单点定位的可靠性。     

GPS精密单点定位精度测试与分析

GPS精密单点定位技术是目前GPS研究领域的热点之一.文中先简要介绍了精密单点定位的数学模型、数据处理总体思路以及不同IGS产品对解算结果的影响;然后从静态和地面车辆动态两种模式分别介绍了精密单点定位精度测试过程与数据分析结果.实验测试结果表明:精密单点定位可以达到厘米级的定位精度(WGS 84坐标),收敛速度一般为30 min之内.     

EMD-RLS联合滤波算法及其在北斗多路径削弱误差中的应用

多路径误差是全球导航卫星系统高精度定位的主要误差源。针对北斗导航定位系统的多路径特性,结合经验模态分解(EMD)和递归最小二乘算法(RLS)算法的优势,提出了一种EMD-RLS联合滤波算法来削弱北斗多路径特性的影响。首先,利用EMD将原始信号分解成固有模态函数(IMF),利用两个指标将其细化成三类,即噪声IMFs、混合IMFs和信息IMFs;然后,利用RLS算法对混合IMFs进行滤波,将经RLS滤波后得到的"干净"的数据与信息IMFs进行重构,最终达到去噪结果,即得到北斗多路径误差改正模型。仿真数据和北斗实测数据的处理结果表明:EMD-RLS算法相对于EMD和RLS算法,降噪效果更好;其建立的多路径误差改正模型有效地削弱多路径效应的影响,N、E、U三个方向精度分别提高了39%、70%、58%。     

GPS/INS紧耦合导航中多路径效应改正算法及应用

针对GPS伪距观测值受多路径误差影响较大,限制了GPS/INS紧耦合导航中导航精度提高的问题,在传统静态多路径消除方法的基础上,提出了导航过程中多路径效应动态消除算法,并应用于GPS/INS紧耦合导航。首先给出了GPS/INS紧耦合导航的动力学模型和观测模型以及静态定位多路径消除的方法,通过频谱分析探究了非差观测值序列的特殊性,引入了移动窗口提取动态导航过程非差伪距观测值的多路径,最后利用实测数据验证了算法的有效性。结果表明:对比没有经过多路径改正的组合导航算法,基于伪距多路径改正的GPS/INS紧耦合导航增强了滤波融合观测值的精度,减少了多路径效应对于伪距观测值的影响,平衡了伪距观测值和多普勒观测值的权重,提高了GPS/INS紧耦合导航的直接可测参数(位置、速度)和间接可测参数(姿态)的精度,北向、东向和高程三个方向的位置误差分别减小了18.8%、25.7%,和1.5%。     

基于BDS/INS紧组合的动对动相对导航算法

针对动对动相对定位中卫星观测质量不佳、信号易丢失导致北斗卫星导航系统定位精度不高、无法连续定位的问题,提出了一种基于BDS/INS紧组合的动对动相对导航算法。通过惯导系统与北斗卫星导航系统紧组合的方式,以捷联惯导误差作为组合系统状态量,通过多普勒信息进行伪距平滑,并利用扩展卡尔曼滤波将惯导及卫星观测信息进行融合,解算相对导航结果。通过车载实验对所提出的相对导航算法进行了验证,实验结果表明,所提出的BDS/INS紧组合动对动相对导航算法能够保持分米级相对导航精度,卫星信号短时中断时,能有效保持高精度相对导航结果输出。     

顾及频间钟差的BDS/GPS三频非组合精密单点定位方法

采用传统精密钟差产品进行多频精密单点定位(PPP)时,频间钟差(IFCB)会对定位结果产生明显的系统性偏差,针对此问题,提出了基于无几何模型的BDS/GPS频间钟差估计方法,并推导了其在三频非组合PPP模型中的应用方法。通过全球184个监测站连续7天的数据实验,验证分析了IFCB的时变特性。结果表明:GPS和BDS GEO/IGSO卫星的IFCB周期性明显,BDS的IFCB量级小于GPS,一般不超过3 cm;对于静态PPP,与不改正IFCB相比,IFCB改正后,单GPS点位精度提高83.4%,GPS和BDS GEO/IGSO/MEO卫星的相位验后残差标准差分别减小了75.0%、54.5%、32.1%和19.2%;对于动态PPP,单GPS和BDS/GPS双系统组合的点位精度分别提高59.6%和54.7%。该方法解决了传统钟差产品与多频精密定位的兼容问题。     

基于UWB优化配置的室内行人导航方法

在卫星信号无法覆盖的室内条件下,行人的精确导航问题是当前研究的热点。为解决基于MEMS的微惯性导航系统误差随时间发散、航向角发散快的问题,提出了一种利用UWB辅助修正惯性导航系统,实现室内较高精度定位的方法。该方法采用基于零速修正的微惯导系统进行导航,以抑制惯导误差随时间发散,并在建筑内拐角、楼梯口等关键节点处优化配置UWB设备,采用UWB信息与微惯导数据进行卡尔曼滤波,实现对微惯导航向及位置的修正。与大规模使用UWB系统进行室内定位相比,该方法降低了系统布设成本,避免了UWB出现问题时对整体导航结果的影响,有效地保证了系统的定位精度。行走实验表明:直线行走时,微惯导最终定位误差为1.8%;转弯行走时,在UWB辅助定位下,微惯导最终定位误差小于1.0%。     

北斗二代导航信号抗多径性能分析与仿真

针对北斗二代导航信号抗多径性能的分析需求,推导了基于相干超前减滞后延迟锁定环的码跟踪多径误差评估方法,运用该方法分析了北斗二代导航信号的抗多径性能,仿真表明在多径直达信号幅度比为-6 dB,相关间距为24 ns,信号带宽为24 MHz时,北斗二代导航信号都能区分大于300 m的多径延迟。以MBOC信号为例对不同的多径直达信号幅度比、相关器间距、信号接收带宽、信号组成时导航信号的多径性能进行了仿真。结果表明:在多径直达信号幅度比一定时,提升信号的高频分量,在接收端采用窄相关技术和宽的接收带宽可将北斗二代导航信号的多径误差限制在4 m以内,且衰减速度更快,从而改善信号的抗多径性能。     

IMU辅助的室内单星定位方法

惯性导航系统(INS)是以惯性器件测量位置参数的定位系统,但随着时间的累积,系统的定位精度逐步变差,产生累积误差现象。基于无线传感器网络(WSN)的定位技术通常需要3个锚节点进行定位,但在室内复杂环境中,系统会处于锚节点欠定状态,此时需要辅助定位方法解决室内欠星定位问题。针对上述定位系统的不足,提出了一种基于IMU辅助和场景分析的多信息融合室内单星定位方法,该方法可通过场景分析的约束条件逐步消除IMU在室内环境下的累积误差效应,并通过单星定位技术进一步优化定位目标的位置信息。经过地下车库实验验证,本方法平均定位精度是0.75 m,定位误差有97.5%的概率在2 m以内,能满足室内亚米级高精度导航定位的要求。     

一种改进的水下三阵元辅助惯导系统的定位算法

针对水下惯导系统定位误差随时间发散的缺陷,设计了一种基于DVL、声学定位辅助惯导的组合导航系统。声学定位系统由安装在水下潜器上的换能器阵和布放在海底的三阵元定位基阵组成,传统长基线定位水下至少要布放四个阵元,三个阵元无法直接定位求解。根据三阵元测得的距离信息和惯导系统输出的位置信息建立距离耦合模型,给出了惯导、DVL和声学定位系统的状态方程和量测方程;同时针对水下声速垂直分布特性,提出了一种等效声速的修正方法。仿真结果表明:在三阵元定位基阵作用范围内,组合导航系统能有效修正惯导位置误差,定位误差小于4 m,具有良好的适用性。     

MIMU/GNSS紧组合精密单点定位协方差成形自适应滤波方法

针对精密单点定位应用需求,研究了MIMU/GNSS紧组合协方差成形自适应滤波方法。给出了"位臵滤波器+速度滤波器"的分布式滤波器设计方案以降低计算复杂度;推导了地理系紧组合导航系统模型,并把伪距测量不一致性偏差扩展至系统状态向量中予以估计,从而提高系统对于动态环境下伪距测量偏差抖动的适应能力。协方差成形自适应滤波算法利用Frobenius范数来衡量系统残差噪声水平建模状态与实际状态的匹配程度,并以最小化Frobenius范数作为优化指标,动态调节滤波增益,以此来提高状态估计精度、平稳性与鲁棒性。地面静态试验表明:紧组合协方差成形自适应滤波器定位误差均值与均值稳定性均优于标准卡尔曼滤波器,定位精度提高了约50%,能够提供亚米级单点定位导航服务。相较于集中式滤波器设计方案,分布式滤波器方案计算复杂度降低了63.5%。     

基于惯导及声学浮标辅助的水下航行器导航定位系统

针对纯惯导系统误差发散和无线电信号在水下衰减快从而无法精确定位的问题,设计了一种基于声学浮标辅助惯导的水下定位系统,该系统由惯导系统和声学定位系统组成,其中声学定位系统由若干个浮标构成水听器阵,浮标的经纬度坐标由GPS提供,浮标完成对接收到的声源信号的处理,利用互相关测时延差的方法来进行定位。由于水下噪声、混响等因素会造成接收到的多路声信号出现模糊互相关峰,因此对接收信号应进行频域加权处理。最后利用声学系统的定位信息来校正惯导的误差。仿真结果表明:与基本互相关方法相比,加权处理能有效提高时延差的精度,所提出的惯导和声学浮标辅助设备导航系统能够使定位误差小于2 m,保证了水下航行器能够长时间在水下航行。     

北斗软件接收机中GEO卫星定位策略

GEO卫星在导航系统中发挥着基本导航、增强和转发等三大功能。针对北斗系统GEO卫星的特殊性和兼容性,对北斗GEO卫星播发的D2导航电文的特点进行了分析,利用GEO的静地特性在基带信号处理中应用数学思想提出了基于二次函数逼近的快速牵引,推导了GEO卫星位置速度的计算公式,提出了基于模糊控制的GEO伪距测量算法,提高了信号处理通道的通用性和兼容性。对相关算法和策略在基于DSP+FPGA的软件接收机中利用实际信号进行了验证,在省略精捕获时间的情况下实现了50 Hz以下的多普勒频移精度,伪距测量方法的通用性节省了50%的资源和工作量,相关算法具有良好的实用价值。     

基于MEMS-IMU辅助的高动态GPS选星方法设计

一般的GPS选星方法通过搜索选取使几何精度衰减因子最小的4颗卫星,对于高动态应用特别是在水平姿态角较大的情况下,传统的选星方法存在许多局限性。针对低成本的MEMS-IMU/GPS组合导航系统,提出了基于MEMS-IMU辅助的GPS选星方法;针对高动态载体姿态变化较大的问题,采用MEMS-IMU输出的高速率姿态信息压缩卫星搜索范围,通过选取不超过6颗可见卫星来降低几何精度衰减因子,从而提高定位性能。使用半实物仿真数据,验证了所提出的方法。测试结果表明,与传统的选星方法相比,基于MEMS-IMU辅助的GPS选星方法在飞机高动态大机动条件下,优化了卫星星座,具有精度高、计算量低、可靠性高等优点。