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。     

综合电离层残差和超宽巷探测和修复北斗周跳

周跳的探测与修复对于GNSS高精度定位来说至关重要。随着精密单点定位应用日益广泛,高效、可靠的非差数据周跳探测与修复方法必不可少。为了提高非差数据周跳探测的可靠性,根据北斗多频载波相位观测值的组合特性提出了一种新的非差数据周跳探测方法。该方法联合电离层残差法与Moulborne-Wuebbena超宽巷模糊度观测值(M-W)联合建立方程组,解算每个频率观测值的周跳,从而实现周跳的探测和修复。实验数据处理结果表明,这种组合方法可以探测不同的周跳,包括50周大小的大周跳、1大小周的小周跳、同时产生的两个频率的周跳以及连续周跳,并能够准确进行修复。本方法适用于静态定位与动态定位,为快速准确地探测与修复非差数据的周跳提供了新的思路。     

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。     

接收机钟差估计的伪距异常值检测方法

针对接收机钟差辅助的RAIM检测方法无法适应接收机钟差周期性跳变的问题,根据伪距单点定位原理,提出了基于接收机钟差估计的伪距异常值检测方法。首先根据接收机钟差最大值、接收机速度以及两次定位时间差实时计算伪距异常值的核检门限,然后依次判断每颗卫星到接收机的伪距数据是否正常;为保证检测效果,提出了接收机采样周期门限和定位时间差门限的计算方法,理论计算表明,当接收机钟差最大值为12?s、速度达到第二宇宙速度时,接收机采样周期应小于0.32 s,定位时间差应小于3.2 s。采用GPS空间服务空域高动态目标实测数据分析,结果表明:该方法不受接收机钟差本地周期性修正的影响,在卫星数量减少至4颗或5颗时,依然可以识别出伪距异常的卫星,超出核检门限的伪距异常值识别率达100%,异常数据剔除后的伪距单点定位精度最大值达36 m。     

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。     

一种多频多系统周跳探测与修复方法

为满足多频多系统精密单点定位（PPP）数据预处理的实际需求,提出了一种周跳探测与修复方法。针对多频多系统PPP数据处理中各卫星的信号数量不同,利用最小二乘模糊度降相关平差（LAMBDA）原理构建模糊度组合。通过仅使用相位观测值估计的倾斜电子总量（STEC）探测不敏感周跳和漏判周跳。对于周跳修复,将伪距和载波相位的观测值在历元间作差求得周跳的浮点解和协方差阵,然后应用LAMBDA算法搜索周跳整数解并进行修复。通过静态、动态以及磁暴环境下周跳探测和修复实验,验证了所提方法的有效性,多频条件下周跳修复的正确率达到100%。     

一种采用小波神经网络的GPS精密单点定位方法

针对GPS精密单点定位对高精度的需求,提出了一种采用小波神经网络的GPS精密单点定位解算方法。该方法利用小波变换和神经网络学习功能,无需准确系统先验信息,误差函数能够快速收敛,逼近真实误差模型,从而提高GPS精密单点定位精度。仿真结果表明,静态条件下与传统最小二乘法和卡尔曼滤波算法相比,该算法定位收敛时间缩短50%,定位精度分别提升90%和50%。动态情况下,较最小二乘法和卡尔曼滤波算法定位精度提高20%~80%。     

一种新的实时相关极值匹配算法设计与仿真

对传统相关极值匹配算法局限性进行了分析,并利用二维高斯样条函数张量积方法对局部重力异常离散格网基准图进行逼近以获取该局部基准图的连续解析表达式,在此基础上对相关极值匹配算法进行重新建模并采用拟牛顿BFGS非线性寻优方法对该模型进行解算。考虑到相关极值算法存在实时性差的缺点,采用固定初始序列长度的方式对初始序列采样结构进行改善,推导出了刚性变换中心从序列质心到原点的转换公式,最终完成能够实现单点迭代的基于局部重力异常基准图实时相关极值匹配算法设计,该匹配算法突破了传统离散匹配算法受限于基准图分辨率的局限。最后在2′×2′卫星测高反演重力异常数据基础上进行了两组仿真实验进行对比分析,实验结果表明,在重力测量噪声和初始定位误差较大的情况下,通过该匹配算法获得的匹配定位仍能以较高的精度实时跟踪真实航迹。     

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。     

伽利略卫星导航系统的初步性能评估

伽利略卫星导航系统是由欧盟和欧洲航天局联合打造的全球卫星导航系统。基于MGEX全球数据监测网的实测数据,对伽利略卫星导航系统的观测数据质量、单点定位和精密单点定位性能展开了评估。评估结果显示:目前伽利略系统导航卫星数较少,尚不具备全天时导航定位能力;伽利略系统多路径误差大小量级为分米级,E5频段信号的多路径效应最小,而E5b频段信号的多路径效应最为严重;一般情况下伪距单点定位平面精度可达5 m以内,高程精度可达10 m以内;动态精密单点定位平面精度可达5 dm以内,高程精度可达5 dm以内。     

一种基于自适应波峰检测的MEMS计步算法

针对微机电测量系统(MEMS)波峰检测计步算法和自相关分析计步算法仅利用单轴加速度和固定阈值对传感器姿态和运动状态变化适应性较差的问题,提出了一种自适应波峰检测算法。该算法将行人运动状态分为正常状态与非正常状态,根据行人每一步的最大整体加速度与运动状态的内在相关性,获取不同运动状态的波峰检测经验阈值,实现不同运动状态下的自适应计步。通过实验对比分析,自适应波峰检测算法在传感器不同姿态和行人不同运动状态下的计步正确率均可达到99%以上,而常规波峰检测算法和自相关分析算法对正常态的计步精度虽然达到97%和99%以上,但对非正常状态下的计步精度仅有70%和50%,无法适应行人运动状态的变化。结果表明:自适应波峰检测算法对MEMS传感器姿态和运动状态的变化适应性较强,能够实现传感器不同姿态和不同运动状态下的可靠性计步。另外,自适应波峰检测、常规波峰检测、自相关分析算法的时间运算效率分别为0.036 s、0.046 s、0.131 s,自适应波峰检测算法时间效率明显优于其他两种算法。     

组合导航传感器容错滤波算法及应用

采用多重渐消Kalan滤波最优自适应算法对基于Kalman滤波器的残差检验方法做出了改进，构造了组合导航传感器容错滤波算法。在保持滤波器最优性和收敛性的同时，具有较好的动静态特性，适用于组合导航传感器故障检测和隔离。该算法简单便于实施。     

基于高斯曲率极值点的桥梁结构损伤识别方法

目前中小桥梁日常安全巡检存在对检查人员依赖性高、缺乏可量化的科学依据等不足.针对这些问题,本文提出了一种利用高斯曲率极值点对结构进行损伤识别的方法.将桥面视为受弯弹性薄板,根据弹性薄板的弯曲理论得到了在荷载作用下结构刚度变化与桥面弯曲程度(高斯曲率)的理论关系,并由此推导了高斯曲率对结构刚度损伤的敏感程度公式.通过有限...     

基于多星同步检测的惯导误差实时测量方法

针对目前利用单星分时测量方法检测惯性导航装备姿态误差存在的疑义,提出利用多星同步检测定位定向技术实现惯导姿态误差实时测量。对测量方案进行初步设计,重点介绍大视场多星定位定向技术的基本原理和数学模型。并对星体静态检测、动态检测和星图识别等关键技术进行理论分析计算,为提高惯性导航装备姿态误差实时测量精度提供了一种可行的方法。误差分析计算结果表明,静态条件下位置精度小于100m,满足测量要求。     

动态最优滤波系统的粗差探测

观测粗差是影响动态系统最优滤波效果的重要因素，本文以静态平差理论为基础，研究了动态滤波系统粗差探测的理论和方法，简单的应用实例说明，文中介绍的粗差探测方法是有效的     

Characterization of force networks in a dense high-shear system

We detect strong force networks in a dense high-shear system and study their structure and stability in response to variations in the shearing rate. The presence of strong force networks, which usually have a heterogeneous structure, restricts particle movements and can impose non-local mechanisms of momentum transfer. We identify such networks in a dense high-shear system using a community detection algorithm. Moreover, we explain the association between the mechanisms of momentum transfer and the structure, population, strength, and stability of the force networks by tracking the spatial and temporal evolution of the detected networks. In addition, we show that the assumption of a monodisperse assembly of particles leads to an unrealistic enlargement of the force networks, underestimating both the rate of energy dissipation and the rate of mixing.     

基于振动响应的杆结构损伤检测

从杆的纵向振动方程出发,建立了其相应的有限元动力学方程,利用直接积分法计算了杆在外激励下的振动响应.将杆的局部损伤模拟为单元抗拉刚度的减少,推导了响应对单元抗拉刚度的灵敏度,并利用此响应灵敏度进行杆的局部损伤识别.数值算例表明,该文方法能快速准确地识别出杆的局部损伤,并且对模拟的人工噪声不敏感,说明本文方法具有一定的工程应用前景.     

Effect of non-linearities in the identification and fault detection of gear-pair systems

This study investigates issues related to parametric identification and health monitoring of dynamical systems with non-linear characteristics. In the first part, a gear-pair system supported on bearings with rolling elements is selected as an example mechanical model and the corresponding equations of motion are set up. This model possesses strongly non-linear characteristics, accounting for gear backlash and bearing stiffness non-linearities. Then, the basic steps of the parametric identification and fault detection procedure employed are outlined briefly. In particular, a Bayesian statistical framework is adopted in order to estimate the optimal values of the gear and bearing model parameters. This is achieved by combining experimental information from vibration measurements with theoretical information built into a parametric mathematical model of the system. In the second part of the study, characteristic numerical results are presented. First, based on the effect of the system parameters on its dynamics, a solid basis is created for explaining some of the peculiar results obtained by applying classical gradient-based optimization methodologies for the strongly non-linear system examined. Some serious difficulties, associated with the existence of irregular response or the coexistence of multiple motions, are first pointed out. A solution to some of these problems, through the application of a suitable genetic algorithm, is then presented. Special problems, related to more classical identification issues associated with the presence of measurement noise and model error, are also investigated.     

利用表面脉动压力探测转捩的数据处理方法研究

利用表面脉动压力探测转捩是很有前景的转捩探测技术,一般以脉动压力均方根的变化情况和功率谱作为判断依据.本文针对目前的信号处理方法仅适用于单点判断及判断效果差的问题开展研究.通过理论分析,提出了如下方法:(1)使用当地动压和零状态时传感器输出信号均方根的组合作为参考值来无因次化均方根数据;(2)选择合适的频程并用频程内的平均值表现功率谱.通过处理翼型表面脉动压力的实测数据,与传统方法进行了对比.研究表明:新的处理方法所得结果规律性好,更直观,易于沿流向多点的转捩判断.本文的工作可供风洞实验技术人员参考.     

Damage detection based on the propagation of longitudinal guided wave in a bimetal composite pipe

This paper investigates the damage detection based on the propagation of guided wave in bimetal composite pipes, which can identify damage locations in both axial and circumferential directions. The feasibility of the method is showed by numerical simulations using FEM code ANSYS. Mode analysis is used to evaluate the guided wave mode and its structure, which can provide the basis of the mode selection in measurements scheme. The guided wave propagation in a damaged pipe is computed by transient analysis. 16 nodes around the pipe wall, as probes, are used to record the guided wave signal. When Pseudo Margenau—Hill distribution (PMHD) for each signal is carried out, three types of modes could be found, which are led mode, excited mode and lag mode in sequences. Based on the results, the arrival time of the excited mode could be used to locate damage in axial direction, and the energy distribution around the pipe of lag mode is consistent with the damage in circumferential direction. The simulation illustrated the possibility of detecting damage location in both axial and circumferential directions based on longitudinal ultrasonic guided waves only.