利用差分GPS/INS进行飞机精密进场着陆的可行性

文中研究利用全球定位系统(GPS)进行飞机精密进场着陆的可能性。着重讨论了系统的精度,带伪卫星(PL)的差分GPS技术及GPS接收机的惯性信息辅助等问题。研究结果表明,按GPS联合计划署(JPO)所确认的纯GPS性能,目前它尚不能满足国际民航组织(ICAO)制定的精密着陆技术要求。采用常规差分GP5达不到ICAOⅠ类精密进场着陆的垂直精度指标。带伪卫星的差分GPS除能连续校正GPS信号的偏置误差外,还能明显改善系统的几何精度因子。惯性信息辅助可以改进着陆制导过程申组合系统的动态特性,提高强干扰及机动飞行中卫星信号的快速捕获性能。利用有PL的差分GPS/INS系统可以实现ICAOⅠ类精密进场着陆。     

GPS/SINS/RA组合导航系统用于精密着陆的研究

本文针对飞机进场着陆的要求,提出了一种GPS/SINS/RA组合导航系统方案,建立了组合系统的数学模型,采用了组合卡尔曼滤波器,按18颗导航星的布置方案,应用了GPS仿真器。在考虑飞机沿3度倾斜角下滑线进行着陆飞行时,对组合系统进行了计算机仿真。仿真结果表明,当GPS接收机采用P码,或采用C/A码再使用差分和伪卫星技术时,组合导航系统能够达到国际民航组织(ICAO)提出的精密进场着陆时的定位精度要求。     

基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合导航系统

由于北斗卫星所处轨道远离地球,无源北斗接收机输出伪距的误差较大,影响了与惯导进行伪距组合时的滤波定位效果。考虑到无源北斗伪距误差建模复杂,且Kalman滤波要求误差模型准确,作者研究了采用单机伪距差分的方法减少滤波量测值误差,通过理论分析建立了基于伪距差分的三星无源北斗/SINS组合模型。跑车试验表明,该组合导航算法可有效提高系统的定位精度,并具有滤波参数调整简单的优点。     

SINS/GPS组合导航系统选星算法

选星算法是SINS/GPS组合导航定位系统中一个重要的步骤。在最佳选星算法的基础上,提出了一种适用于基于伪距、伪距率的SINS/GPS紧耦合组合系统的选星算法。该算法通过ENU（东北天）坐标系中几何矩阵及几何精度因子的定义,利用星历给出的卫星在ENU坐标系中的高度角和方位角解算出最佳四颗导航定位卫星,即基于G矩阵的选星算法。通过与两种常规选星算法的对比,验证了本算法具有较强的工程实用性。此外又推导了基于G矩阵的伪距、伪距率的SINS/GPS组合系统量测方程。该算法避免了求解卫星的位置,从而有效减少了计算量。     

航向信息辅助的MIMU/GPS高精度组合导航方法

为了在卫星颗数少于四颗时实现高精度低成本导航,提出了一种基于航向信息辅助的MIMU/GPS高精度组合导航方法。采用MIMU与GPS构成MIMU/GPS组合导航系统;针对GPS卫星颗数少于四颗而无法定位的问题,利用MIMU导航解算获得的位置信息与GPS星历数据信息构造等效伪距,将其与GPS输出的伪距对应相减作为组合导航量测之一;针对组合后航向精度较低甚至发散的问题,利用GPS输出的水平速度计算获得伪航向角,将MIMU导航解算获得的航向角与该伪航向角相减作为量测之二;采用卡尔曼滤波设计组合导航滤波算法。跑车实验结果表明,在多次出现卫星颗数少于四颗时,该组合导航方法的位置精度达到±10.3 m(3σ),水平姿态精度达到±20.1′(3σ),航向精度达到±19.5′(3σ)。因此,该方法有效解决了卫星颗数少于四颗时的高精度导航问题,而且显著提高了航向精度,特别是在失准角较大的情况下也能够实现滤波快速收敛。     

一种GNSS/SINS容错深组合导航系统设计

卫星惯性深组合导航技术是卫星惯性组合导航领域最有前景的技术之一。深组合导航系统的关键技术之一就是矢量跟踪环路技术,当一个或者多个通道信号质量较差时,组合导航滤波器必然会受影响,从而会影响矢量跟踪环路的参数计算,因此通道运行状态的实时检测十分必要。针对此问题,为每个通道设计了新的通道子滤波器和对应的子滤波器状态检测函数,当通道存在故障时,能够及时检测出故障并对故障通道进行隔离;当通道恢复正常时,也能够及时检测到并充分利用恢复正常的通道卫星信号。仿真结果表明,在部分通道卫星信号被遮挡导致伪距异常的环境下,改进的矢量跟踪环路提高了矢量跟踪卫星惯性深组合的导航性能,有效遏制了故障通道对组合导航系统的影响。     

基于载噪比加权融合的异步伪卫星室内定位方法

异步伪卫星室内定位系统的钟漂会引起较大的伪距观测值误差,同时多径和室内信号传播效应会加剧时钟同步误差。针对此问题,提出了一种利用伪距双差测量值和伪卫星信号载噪比的室内融合定位方法。载噪比观测量不受时钟同步误差的影响,将伪距和载噪比在观测值域进行组合,以增加观测方程的稳定性。使用无迹卡尔曼滤波对坐标参数进行解算,进一步削弱线性化误差。利用自主研制的伪卫星系统实测数据对算法性能进行了评估,并与传统伪距双差和加权质心定位方法进行了对比,实验结果表明:融合算法的定位精度优于传统两种方法,在伪卫星几何分布较好的情况下,东方向、北方向的定位精度分别达到0.131 m、0.036 m,在伪卫星几何分布较差的情况下,东方向、北方向的定位精度分别为0.764 m、0.362 m。所提出的算法对接收机采样时间不同步和多径误差具有较好的抑制作用,且表现出良好的鲁棒性,适用于深度室内场景。     

基于UKF的GPS/SINS伪距(伪距率)组合导航系统设计

采用位置、速度组合的GPS/SINS组合导航系统由于GPS各量测量之间的相关性,影响了组合导航的整体精度.为了提高组合导航的精度和可靠性,采用了直接利用GPS接收机原始测量信息伪距、伪距率的组合方式.UKF(Unscented Kalman Filter)是针对非线性模型的滤波方法,它避免了对非线性方程线性化的过程,具有较高的精度和较好的鲁棒性.将UKF滤波方法应用于伪距、伪距率的组合导航系统中,并将UKF与卡尔曼滤波和自适应滤波方法进行了仿真比较研究.实验结果表明,UKF位置、航向估计的精度都要优于卡尔曼滤波和自适应滤波,使整个导航系统具有更高的精度和可靠性.     

基于异质星座特性的惯性/北斗紧组合滤波算法

目前我国自主建设的北斗卫星导航系统已形成覆盖亚太地区的导航能力,由于北斗系统特有的中圆轨、倾斜同步高轨和地球静止高轨的异质星座构架与GPS系统存在显著不同,常见的紧组合滤波模型并不能完全适用。针对此问题,通过对北斗不同类型轨道卫星的伪距量测噪声特性进行分析,并将该特性体现在紧组合滤波算法中,对北斗系统的三类卫星的伪距/伪距率信息分别进行状态扩展及量测,以获取更加准确的滤波模型,最后通过仿真实验进行了导航性能的分析与比对。结果表明,针对北斗异质星座特性所设计的分类量测滤波算法可将定位精度提高50%以上,对于后续围绕北斗系统的开发应用具有很强的参考价值。     

基于矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方法

为了满足高动态用户及强噪声干扰条件下的应用需求,提出了一种基于矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方案。深组合方案利用组合卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪环路,能够同时完成所有可视卫星信号跟踪和组合导航信息处理的任务;利用相关器残差来更新导航参数状态,同时根据已有的导航参数和星历信息推测GPS伪码相位和多普勒频移等信号跟踪参数,用以控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器（NCO）,使本地伪码相位和载波频率与输入信号保持一致。最后,通过仿真验证表明,基于矢量跟踪的深组合方法不仅在GPS信号发生短暂中断期间,能够保证组合系统的导航精度和可靠性,而且在载噪比较低的环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。     

惯性／DGPS精密进场着陆引导系统

为确保飞机精确直线飞越预定点上空并具备精密进场着陆引导能力 ,研制了机载惯性 /DGPS精密进场着陆引导系统。该系统通过综合技术将惯性导航系统与差分 GPS有效组合 ,不仅定位精度高、工作可靠 ,而且输出信息实时、连续 ;通过着陆引导轨迹及引导画面的精心设计 ,为飞行员提供图形化的、精确安全的进场着陆引导信息 ,引导飞机至决断高处 ,从而解决了飞机全天候尤其是在复杂气象条件的进场着陆引导问题。本文介绍了该系统的方案、组成、系统特点、技术难点以及试飞结果。试飞中飞行员反映该系统精度高 ,引导画面图形直观 ,操作简便 ,能满足复杂气象条件下的进场着陆引导要求     

基于INS/ILS/RA组合导航的自动着陆系统

针对民航机精密进近着陆过程容易受地场环境、电磁干扰等空间噪声和接收机噪声的影响,对波束误差信号进行滤波相位滞后的问题,提出基于INS/ILS/RA组合导航的自动着陆系统(ALS)。该系统将仪表着陆系统(ILS)及无线电高度表(RA)和惯性导航系统(INS)输出的位置之差作为量测,运用卡尔曼滤波器进行估计,将组合导航系统的输出航迹角及纵向轨迹角替代波束偏差,分别送入横纵向控制回路。仿真结果表明,INS/ILS/RA组合位置解算方位角偏差精度优于0.3°,下滑角偏差精度优于0.2°。该系统可显著改善波束误差控制信号的动态品质,降低噪声影响,提高ILS自动进场着陆控制回路的稳定性和闭环性能。     

信息融合技术在INS/GPS/DVL组合导航中的应用研究

为克服某船载导航系统不能满足长时间高精度导航定位需要的缺点,提出了一种基于信息融合技术的INS/GPS/DVL联邦滤波器组合导航方案.介绍了INS/GPS/DVL联邦滤波器的工作模式,在建立INS、GPS和DVL误差模型的基础上,推导了滤波器的组合形式,并详细阐述了该联邦滤波器的融合算法.通过计算机仿真技术分析了该组合导航系统的性能,仿真证明了所设计的联邦滤波器可以充分利用各种导航传感器的信息,提高导航系统的精度,比单独的惯性导航系统能提供更为精确的位置、速度和姿态信息,有效地提高了导航系统的综合能力.     

地形辅助/惯性/GPS组合导航系统的可视化仿真研究

研究了多传感器信息融合技术在地形辅助／惯性／GPS组合导航系统中的应用，并在此理论基础上，采用一种新的仿真方法研究该组合导航系统，即采用多种高级语言混合编程，对该组合系统进行可视化仿真。仿真结果表明：采用联合滤波器的地形辅助／惯性／GPS组合系统具有较高的导航精度，最终达到可视化仿真研究的目的，从而对组合系统性能的研究起到了积极的推动作用。     

惯性导航系统的误差估计

惯性导航系统（INS）以其自主的工作能力广泛应用于军事武备的导航、制导与控制系统和国民经济的诸多领域。它的主要缺点是定位误差随其工作时间的增长而增大。对惯导系统的误差进行估计和补偿是在保证性能价格比的前提下，提高惯性导航系统精度的有效途径。目前，对惯导系统的误差修正均采用外信息（如GPS的输出信息）校正，即在INS工作的全部时间内，定期地利用GPS输出的速度和位置信息与INS输出的相应信息的差值作为观测量，对INS误差进行估计和补偿。Kalman滤波的方法广泛地应用于惯导系统的误差修正初始对准。本研究了当地水平惯导系统的误差估计和补偿问题。分析结果表明，采用Kalman滤波的方法，可以精确地估计惯导系统的误差（包括陀螺漂移和加速度计零偏），误差估计的精度高，并且估计的方差阵收敛快。     

基于模糊自适应强跟踪滤波的惯性/地磁组合导航方法

针对在量测噪声统计特性发生变化时,基于滤波算法的惯性/地磁组合导航系统存在精度下降甚至发散的问题,提出了一种基于模糊自适应强跟踪滤波算法的惯性/地磁组合导航方法,该方法通过制定模糊规则,实时监控系统残差变化,自适应地调整柔化因子的大小,即增强了滤波器对时变噪声的跟踪能力又保证了滤波器处理当前信息的能力.仿真结果表明:该方法能够很好地抑制纯惯性导航系统随时间累积的误差,而且在量测噪声统计特性发生变化时,系统误差没有出现明显的跳变,保证了整个导航系统的精度,提高了系统的鲁棒性.     

惯性/重力匹配组合导航系统与可视化仿真

根据惯性/重力匹配组合导航系统的工作原理和特点,提出了基于 RANSA 思想的重力图匹配方法,采用此方法实现了重力图的鲁棒匹配。通过建立组合导航系统的数学模型,采用最优滤波技术实现了组合导航系统的信息融合。在此基础上,采用多种高级语言混合编程,设计实现了一套可视化的仿真软件,对该系统进行了可视化仿真研究。仿真实验结果表明,惯性/重力匹配组合系统相对于无辅助的惯性导航系统,其定位精度、速度精度均有较大的提高,也就是说采用重力匹配方法达到了校正惯导系统,实现高精度导航的目的。     

采用静电陀螺监控器／惯性导航系统的水下组合导航系统研究

本文推导了静电陀螺监控器（ＥＳＧＭ）系统的运动方程和机械编排，并进行了模拟仿真，给出了仿真误差曲线。同时，还建立了以半解析式惯性导航系统误差为状态变量的系统状态方程，采用卡尔曼滤波技术，对ＥＳＧＭ／ＩＮＳ组合系统进行仿真。结果表明，组合系统可以大大延长惯导的重调周期，提高潜水下航行的保密性，ＥＳＧＭ／ＩＮＳ组合使用是保证潜艇长时间水下航行的有效方法。     

航天测量船INS/GPS/DVL组合导航系统容错滤波方法

具有良好的容错性是航天测量船INS/GPS/DVL组合导航系统的基本要求.基于联邦卡尔曼滤波设计思想,在改进的无复式(No-Reset)卡尔曼滤波体系结构的基础上,设计了残差检验法实现组合导航系统的故障检测和隔离.该方法可以有效地对突变型故障进行检测与重构.仿真结果表明,对于GPS分系统的突变故障和慢变故障的检测与重构时间为6.12 s,而对DVL速度突变故障检测与重构时间为1.08 s,确保了联邦滤波的稳定性和高精度.     

低成本车载GPS/INS组合导航姿态角更新算法

低成本INS系统的元件误差严重影响INS导航精度.针对车载系统,提出一种低成本车载GPS/INS组合导航姿态角更新算法.首先在GPS/INS组合导航Kalman滤波方程基础上,给出两种姿态角更新的观测方程.然后给出利用GPS测速确定航向角的原理,并且对低成本车载INS系统的俯仰角和翻滚角进行了分析,指出由INS随机误差造成的俯仰角和翻滚角误差比其本身量值要大,建议令俯仰角和翻滚角数值保持不变.利用实测算例确定了不同速度下的航向角精度,并且验证了该算法的有效性,以及相对于基于位置、速度组合的Kalman滤波,导航精度有明显提高.