基于超短基线水声定位的USV/UUV协同导航方法

针对无人水下航行器(UUV)与无人水面艇(USV)协同作业时水下导航性能受惯导设备(INS)影响较大的问题,提出了一种基于超短基线水声定位(USBL)的USV/UUV协同导航方法。首先,以USV上的高精度INS和GNSS组合后的导航结果作为基准,利用USBL测量得到的USV和UUV相对位置和姿态,再结合UUV的INS误差方程,建立了INS/GNSS/USBL/INS滤波的状态方程和观测方程,实现了多源导航信息的融合,有效提升了UUV水下导航精度。其次,针对USV和UUV航行过程中USBL因存在信号盲区带来的两者无法通信、定位导致协同导航不稳定的问题,采用基于视线法的PID控制方法实时改变USV的航向和航速,保证了USV、UUV航行过程中两者始终处于水声信号有效的通信、定位距离和角度范围内。仿真和海上实验结果表明,UUV在与USV协同导航后的位置误差小于10 m;USV和UUV航行过程中,相对距离和角度保持在设定的USBL有效通信定位距离和角度范围内,距离误差小于15 m,角度变化小于1°,提出的方法可以使USV和UUV协同导航更稳定、连续。     

基于INS/SMNS紧耦合的无人机导航

为了克服无人机惯性导航系统漂移误差累积的缺陷,提出了基于INS/SMNS紧耦合的无人机导航模式(INS/SMNS)。它利用INS提供的位置和姿态角信息分别完成对无人机的粗定位和航拍实时图像的几何校正,提高了SMNS的实时性和适配区景象匹配的精确度;同时,利用SMNS的高精度导航定位结果修正了INS的累积误差。通过INS与SMNS之间的优势互补,使得紧耦合INS/SMNS导航模式具有更好的实时性和精确性。仿真实验表明,紧耦合模式满足无人机规划航迹要求。     

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.     

基于改进TERCOM的地形辅助导航算法

自主水下航行器长时间航行后惯性导航系统的位置误差会随时间不断增加，地形辅助导航可帮助惯性导航系统进行误差校正。为解决地形轮廓匹配（TERCOM）算法对航向误差较敏感问题，提高地形辅助导航的匹配精度，提出了一种基于改进TERCOM的地形辅助导航算法。在TERCOM算法基础上增加旋转角度机制，首先根据INS航迹进行旋转平移并采用TERCOM算法进行粗匹配，然后引入改进粒子群算法进行精匹配。在某海图内进行水下地形匹配仿真实验，结果表明：与传统TERCOM算法相比，所提算法可降低航向误差84%，匹配精度可提高4倍多，对实现自主水下航行器的自主无源导航有重要意义。     

单轴旋转INS/GPS组合导航中重力垂线偏差引起的姿态误差分析

重力垂线偏差是高精度惯性导航中的一个主要误差源。在INS/GPS组合导航系统中,由于GPS可以提供位置和速度修正信息,垂线偏差对组合导航系统精度的影响主要体现在姿态上。从惯性导航系统的误差方程出发,推导INS/GPS组合导航姿态估计误差和陀螺零偏估计误差的解析表达式,从理论上分析组合导航模式下垂线偏差对姿态误差的影响。通过仿真验证理论分析的正确性。分析结果表明:东向姿态误差角由北向垂线偏差决定,北向姿态误差由东向垂线偏差决定;航向误差受东向垂线偏差和北向垂线偏差的一阶导数的共同影响,垂线偏差的剧烈变化将引起较大的航向误差。     

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。     

一种惯性/水声单应答器距离组合导航方法

惯性/水声单应答器距离组合导航方法为自主水下航行器(AUV)校准提供了一种新途径。针对惯性/水声单应答器距离组合导航系统,建立了AUV三维空间运动学模型,对单应答器距离变换位置非线性系统采用李导数方法进行了可观测性分析,设置了合理的载体航行轨迹,位置组合导航算法中采取了延时状态滤波方式实现了量测信息的同步更新。湖上实验表明,采用单应答器距离组合导航方法后,明显地抑制了INS/DVL导航误差的发散趋势,最大定位误差减小幅度约为19.2%,初步验证了惯性/水声单应答器距离组合导航方案的有效性,为解决AUV导航设备水下校准提供了可能。     

一种单目视觉ORB-SLAM/INS组合导航方法

针对惯性/卫星组合导航系统在卫星导航失效时无法使用的问题,提出了单目视觉ORB-SLAM/INS组合导航方法,用于扩展组合导航系统在强干扰环境和室内环境的应用范围。该算法分为两个阶段:初始化阶段,当ORB-SLAM形成闭环时设计算法在线估计单目视觉ORB-SLAM算法的尺度因子;导航阶段,ORB-SLAM系统输出的位置信息经过尺度变换后作为观测量进行卡尔曼滤波,估计INS导航系统的误差状态量从而修正惯导系统的误差。设计了硬件和软件平台对提出的组合导航方法进行试验验证。跑车实验结果表明:所设计的ORB-SLAM/INS组合导航系统具有较高的定位精度,导航时间6 min定位误差为1.162 m,且不随时间漂移,具有很强的应用价值。     

基于实时调节GPS射频前端采样周期的INS辅助GPS组合导航方法

为了提高GPS卫星接收机在高动态环境下的跟踪能力,提出了一种基于GPS射频前端采样周期实时调节的INS辅助GPS组合导航方法。首先通过组合滤波器将INS导航信息和GPS导航信息进行融合,修正INS导航信息误差。然后利用修正后的INS导航信息和GPS导航电文,实时计算出载体相对于每颗卫星的多普勒频移,并将得到的多普勒频移换算为GPS中频信号载波的波长变化。最后根据载波的波长变化实时调节GPS接收机射频前端ADC的采样时间间隔,补偿因为多普勒频移导致的中频数字信号采样点变化,隔离多普勒频移对GPS接收机跟踪环路的影响。仿真结果表明,此方法可以在不改变传统GPS接收机跟踪环路结构的前提下,显著提升GPS接收机的高动态性能,即使在多普勒频移变化率为5000 Hz/s的情况下,GPS跟踪环路仍能可靠工作。     

足绑式行人导航偏航角误差自观测算法（英文）

基于低成本MEMS惯性传感器的足绑式惯性导航系统(INS)和零速修正(ZUPT)算法广泛应用于行人导航中。由于MEMS惯性传感器零漂误差较大,零速修正时偏航角误差的可观测性差,INS偏航角误差不能被有效约束,成为行人导航的主要误差源。行人徒步行走特别是在室内楼道等结构化道路上行走时,行走的轨迹大多情况下可认为是近似直线,基于这个事实,提出了一种减小偏航角误差的算法,称为偏航角误差自观测(YESO)算法。当判定行人以近似直线徒步行走时,由行走轨迹计算出的航向角可近似认为是一个常值,那么由于各种误差引起该航向角发生变化时,可以将该变化量作为足绑式INS偏航角误差的观测量,进一步可利用卡尔曼滤波器估计出偏航角误差,对足绑式INS的偏航角进行校准。在室内楼道进行了约350 m的现场实验,实验验证了YESO算法的有效性。实验结果表明,当分别采用ZUPT和ZUPT+YSEO算法进行导航解算时,航向角误差从-29°减小到-2°,南北向最大位置误差从-35.5 m减小到-5.2 m。YESO算法的实现仅依靠系统自身的信息,没有增加额外的传感器,算法具有很好的工程实用价值并能方便地推广应用于车辆导航等领域。     

试论舰艇综合导航系统的设计原则

本文较为全面地阐述了舰艇综合导航系统的一般设计原则，旨在为我国舰艇综合导航系统的研制提供一定的参考。     

基于伪地球坐标系的惯导系统全球导航算法

由于极区特殊的地理、电磁条件,惯性导航因其自主性和信息完备性使之成为极区导航的首选。然而在考虑全球执行能力时,现有常用的任何一种力学编排方案都不能单独的实现全球导航。通常采用组合编排的方式,这样则不利于惯导算法的全球统一。基于此提出了基于伪地球坐标系的全球导航算法。该方案在全球导航时可以实现惯导算法的内在统一,并可保证物理平台的平稳切换,从而实现平台惯导与捷联惯导系统编排方案的统一。另外,该方案也更方便同其它局部惯导系统进行交互通信,仅不同的参数转换单元是必需的。同时,简单的切换逻辑也可以减小程序设计的复杂度和降低计算机负担。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

自适应惯性组合导航系统研究

本文研究惯性／位置组合导航技术，给出在线估计未知噪声统计参量的自适应卡尔曼滤波算法（ＡＫＦ）。首先建立组合导航系统直线飞行段和机动飞行段数学模型，并给出相应滤波算法，仿真结果证明了组合导航估计算法的可行性。所得结论对惯导／地形匹配、惯导／ＧＰＳ组合导航的研制有实用意义     

车载稳瞄/惯导一体化技术

结合稳瞄系统和自主寻北定位定向系统的特点,研究了车载稳瞄/惯导一体化技术,阐述了车载稳瞄/惯导一体化系统的工作原理,进行了稳瞄/惯导一体化系统的总体设计。在随机调转的稳瞄平台上布置陀螺仪和加速度计组成惯性测量组件(IMU),IMU同时向稳瞄系统和导航系统提供信号,稳瞄平台在运动中完成瞄准的同时,解算出平台的姿态矩阵,通过平台环架转动夹角的角度量,获得车体姿态矩阵,以此得出车体的加速度在导航坐标系上的分量,最终完成航迹推算。通过跑车试验表明,稳瞄/惯导一体化算法是正确与实用的。     

捷联惯导中的等效旋转矢量算法及其仿真研究

本文研究了等效旋转矢量算法，编制了动态环境下的导航轨迹发生器，进行了等效旋转矢量算法的导航仿真，并与四元数的四阶龙格—库塔导航算法进行比较，验证了等效旋转矢量算法的优越性     

地磁辅助惯性导航系统的数据融合算法

对地磁辅助导航技术的基本原理进行分析，详细介绍了采样卡尔曼滤波算法并将其用于惯性／地磁导航系统的数据融合，即通过设计少量的sigma点，并计算这些sigma点通过非线性函数的变换，从而获得滤波值基于非线性状态方程的更新。仿真表明，特别是当系统非线性较大时，采样卡尔曼器性能明显优于扩展卡尔曼滤波器。因此，从某种程度上说，采样卡尔曼滤波可以替代扩展卡尔曼滤波在地磁辅助导航系统中使用。     

INS/CNS/GPS组合导航系统仿真研究

研究了INS／CNS／GPS组合导航系统的原理和特点，对组合导航系统进行了计算机仿真，提出了采用平台失准角、INS与GPS的位置之差和速度之差作为观测量的方法。采用卡尔曼滤波技术，可以估计出平台的失准角、惯性器件误差及导航参数误差。仿真结果表明：通过校正惯导平台、消除导航参数误差，可以大大提高了系统的导航精度。     

具有短期惯导功能的平台罗经原理比较分析

具备短期惯导功能是光今平台罗经发展的主流。传统的摆式罗经、惯性导航系统和具有短期惯导功能的平台罗经系统在原理和应用上有着密切的联系和一定的差异。本文从八个方面对三者的区别和联系进行了不同深度地讨论。指出三种系统最核心的差异是找北原理的差异,其它区别多数是围绕这一差异在不同方面的表现。从这些分析中已可以较清晰地理解具有短期惯导的平台罗经系统介于传统的摆式平台罗惯性导航系统的特点和地位,这对于明确具有     

航空重力匹配定位方法

为了在重力特征显著区域内实现航空重力匹配定位,定义了匹配区重力场模糊度指标作为匹配结果可信度的度量指标,提出了一种基于Monte Carlo方法的重力匹配算法。由于航空重力仪的测量值中包含各种误差因素,使用常用的相关匹配算法估计出的匹配位置往往不是飞行器的真实位置,而是随机分布于真实位置周围。根据这个特点,将地形匹配中的均方差算法(MSD)和Monte Carlo方法结合,形成一种新的重力匹配方法。该方法根据惯性导航系统指示位置从重力图上提取参考重力数据,将重力测量数据进行若干次随机干扰后和参考重力数据使用MSD算法进行匹配,得到若干个匹配位置,取其均值作为最终匹配位置。仿真结果表明,算法在重力场特征显著区域内匹配效果优于常用的相关分析算法。     

车辆动力学模型辅助的惯性导航系统

为提高车辆导航系统的精确度和可靠性,提出一种车辆动力学模型辅助惯性导航系统的方法。建立车辆非线性动力学模型,利用四阶龙格库塔法实时解算速度信息。以惯导误差方程为状态方程,动力学模型与惯性导航解算的速度差为观测量,设计了容积卡尔曼滤波器,并用估计的状态误差对惯导进行校正。仿真结果表明,所提出的利用车辆动力学模型辅助惯导的方法能有效抑制惯导误差的发散,位置精度和速度精度比纯惯导系统提高了一个数量级,航向角精度提高了73%。