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。     

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MEMS技术的微型惯性导航系统的发展现状

根据美国 DARPA(the Defense Advanced Research Projects Agency)资助项目的概况,介绍了微电子机械系统(MEMS)惯性传感器领域的新进展,对 DARPA 的特别项目 MEMS-INS(Inertial Navigation System)的进展状况进行了说明。详细描述了惯性技术、导航技术领域内前沿研究机构研究 MEMS INS 的路线,总结了微型导航技术系统算法的研究现状。最后,对 MEMSINS 的发展进行展望,指出 MEMS INS 的发展方向。过去的发展趋势表明:微型惯性技术将向芯片级的超小型 MEMS IMU(Inertial Measurement Unit)和 MEMS INS 以及组合导航的发展方向。     

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。     

基于交互式多模型的车载INS/OD/GPS的定位方法

INS/GPS组合导航时,GPS信号会由于环境因素或是其他信号干扰导致信号丢失、信号跳变等故障。针对INS/GPS组合导航中,在GPS出现离群故障难以得到满意定位性能的问题,提出了一种基于交互式多模型滤波的车载INS/OD/GPS定位方法。引入里程计对INS/GPS组合导航进行辅助,基于INS/GPS、INS/OD两种组合导航模型,利用交互式多模型算法交互更新模型概率,通过模型概率的差异判断主滤波器INS/GPS组合过程中的GPS量测故障,并在滤波过程中对故障量测加以修正,以此来实现车辆定位系统的良好定位性能。实验结果表明,在里程计量测辅助条件下,当GPS出现离群点时,系统平均定位精度比INS/GPS单一滤波器条件下的定位精度提升60%以上。     

单频GPS/BDS/MEMS IMU紧组合模糊度固定抗差模型

针对高精度GNSS/INS组合定位中,伪距多路径误差严重影响模糊度固定效率及系统定位精度的问题,引入抗差估计函数,建立INS辅助GPS/BDS模糊度快速固定抗差模型。首先建立了单频GPS/BDS/INS紧组合动力学模型以及观测模型,继而研究了紧组合系统INS辅助下GNSS模糊度快速分解模型,分析了伪距观测值粗差对于模糊度参数估值的影响。为减弱异常观测值对于模糊度固定成功率的影响,提出了附有INS定位约束的模糊度解算抗差算法。最后利用实测导航定位数据验证了算法的有效性。结果表明:对比不考虑观测值粗差影响的模糊度固定算法,模糊度固定抗差算法显著提高了模糊度固定的可靠性,抗差算法的模糊度固定效率不受粗差值大小的影响;对于模拟的伪距多粗差情形,抗差算法对GPS/INS、BDS/INS和GPS/BDS/INS三种组合方案的模糊度固定Ratio均值分别提高了100.8%、47.7%以及19.5%;在INS定位松约束条件下,抗差算法提高了模糊度固定成功率。     

基于非线性最小二乘估计的eLoran/INS/磁传感器组合导航方法

为实现不依赖GNSS系统的高精度导航系统,提出了一种基于非线性最小二乘估计的e Loran/INS/磁传感器组合导航方法。利用INS/磁传感器等传感器稳定性好,高频噪声低的特点,降低eLoran导航系统受传播路径影响导致的定位误差;同时所提方法可以校准其它传感器的零点偏移。首先利用INS系统估计载体当前的状态(包括姿态、位置),再通过高斯-牛顿法,求解载体状态的最小二乘解,从而使各物理量(磁场矢量、重力矢量和位置)在当前估计的载体坐标系内计算的数值与传感器的测量结果之间误差达到最小。最后,利用传感器的零点偏移在误差项中变化缓慢的特点,通过低通滤波估计零点偏移并进行校准。所提方法具有运算量小,解算精度高的特点。仿真试验结果显示所提出方法可将罗兰导航系统定位误差从100 m提高至6.1 m(2σ),证明了该系统具备独立于GNSS系统提供高精度导航定位的潜力。     

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SVM步态分类的柔性外骨骼自主定位优化方法

针对复杂步态下柔性外骨骼虚拟惯性测量组件(VIMU)性能稳定性下降的问题,研究了一种基于支持向量机(SVM)步态分类的自主定位优化方法。采用SVM算法模型对柔性外骨骼的多种常规步态类型进行识别,根据不同的步态类型构建不同的卷积-长短期记忆(VGG-LSTM)混合神经网络模型,并通过判断实际惯性测量组件(IMU)的故障,利用VIMU构成具备系统重构能力的强鲁棒性自主定位方法。研究结果表明,复杂步态下基于SVM的步态分类方法可在保证VIMU精度的同时,降低VGG-LSTM神经网络模型的复杂性;机器人肢节末端IMU在常规步态下出现故障时,系统重构后的自主定位性能与无故障情况下基本保持一致,重构导航系统的定位误差在行进距离的2.5%以内。     

紧耦合GPS／INS组合特性及其关键技术

针对GPS/INS组合导航系统在军民各领域广泛应用的特点,鉴借国外对紧耦合GPS/INS组合模式的实验研究,分析常规紧耦合和深紧耦合GPS/INS组合模式的构成与工作原理,仿真研究紧耦舍GPS/INS组合模式的特性,其具有高抗干扰能力.高伪距测量精度及高导航定位能力.面对深紧耦合GPS/INS组合导航突出的性能特点,探讨深紧耦合GPS/INS组合研究从仿真到工程化中的几个关键技术问题,目的以供相关人员在组合导航系统研制时参考.     

多星座GNSS/INS紧耦合方法

针对可用卫星数目不足、多星座GNSS接收机不能定位条件下,传统GNSS/INS松耦合方式退化为"纯惯性"模式,无法抑制惯导误差发散的问题,提出了一种基于多星座GNSS接收机原始伪距观测量的GNSS/INS紧耦合方法。利用惯导与多星座GNSS接收机搭建硬件平台,开展了车载试验。试验结果表明,当可用卫星数目满足定位条件时,多星座GNSS/INS紧耦合方法与松耦合方法的导航精度相当;当可用卫星数目不足、多星座GNSS接收机不能定位时,多星座GNSS/INS紧耦合方法仍可利用剩余卫星提供的观测信息继续运行,当卫星数减少为5颗时,纬度和经度精度均优于30 m;当卫星数进一步减少为4颗时,纬度精度优于90 m,经度精度优于50 m。     

一种采用联邦EKF的分布式INS/UWB人员无偏紧组合定位方法（英文）

为了实现精确的人员定位,提出了一种采用联邦EKF的分布式INS/UWB人员紧组合定位方法。在这种模式下,将数据融合滤波器应用于UWB无线通信信道中。INS与UWB分别测量得到的参考节点到未知节点之间距离的平方值被用于预估INS的导航解算误差。在此基础上,主滤波器将各信道滤波器的预估值进行数据融合,最后得到最终的INS导航解算误差预估。实验结果显示,该方法能够准确地提供人员位置信息,与集中式滤波器相比,平均位置误差降低了10.34%左右。     

一种采用联邦EKF的分布式INS/UWB人员无偏紧组合定位方法

为了实现精确的人员定位,提出了一种采用联邦EKF的分布式INS/UWB人员紧组合定位方法.在这种模式下,将数据融合滤波器应用于UWB无线通信信道中.INS与UWB分别测量得到的参考节点到未知节点之间距离的平方值被用于预估INS的导航解算误差.在此基础上,主滤波器将各信道滤波器的预估值进行数据融合,最后得到最终的INS导航解算误差预估.实验结果显示,该方法能够准确地提供人员位置信息,与集中式滤波器相比,平均位置误差降低了10.34％左右.     

移动测图中DGPS/INS组合定位测姿

介绍了移动测图技术及其系统组成,基于具体的车载移动测图系统,重点探讨了GPS和INS组成的组合定位测姿模块,给出了GPS/INS组合软件流程及解算过程。通过推导系统误差状态方程和量测方程,建立了GPS/INS位置、速度组合滤波模型,并结合野外车载实验数据,对来自GPS和INS的位置和姿态数据进行了组合数据处理,通过精度分析,论证了INS短时高精度的特点及其对GPS信息有益和必要的补充。针对陆地车载测图应用中GPS信号频繁中断,指出仍需增加传感器以辅助GPS/INS完成高精度的位置和姿态测定。     

一种基于双IMU框架的室内个人导航方法（英文）

为了实现低成本的室内行人导航,提出了一种双惯性测量单元(IMU)框架。在这种模式下,一个IMU固定于足部,另一个IMU固定于肩部。当行人在行走过程中处于静止状态时,卡尔曼滤波器利用测量得到的速度和角速度误差对足部IMU的解算误差进行预估,与此同时,通过对足部IMU和肩部IMU测量得到的航向角做差完成对航向角误差的观测。在此基础上,双IMU框架结构采用了闭环模式。实验结果显示,采用该方法能够提供行人导航信息,平均位置误差与采用开环模式的方法相比降低了14.93%左右。     

微惯性/卫星组合导航高精度事后基准确定方法

针对高性能MEMS组合导航系统的高精度定位定姿需求,提出了一种基于GNSS(Global Navigation Satellite System)精密相对定位RTK(Real-time Kinematic Positioning)和MIMU(MEMS-based Inertial Measurement Unit)组合的高精度事后基准确定算法,该算法在MIMU/RTK组合导航正向Kalman滤波的基础上,采用RTS(Rauch-Tung-Striebel)反向平滑再次进行信息融合,提升了组合导航结果的事后处理精度。另外,通过Allan方差分析技术实现对MIMU随机误差精细建模和MIMU/RTK组合导航相对精度分析。对实测的车载动态试验数据处理结果的均方根误差和Allan方差分析表明:相对于传统正向滤波方法,RTS反向平滑方法能够将MIMU/RTK组合导航定位、定姿精度分别提升45.2%和54.1%。该方法可作为GNSS/INS组合导航高精度参考基准的确定方法。     

降阶扩展卡尔曼滤波算法在船用INS/GPS组合导航系统中的应用

TNNS(真航向导航系统)由MS860接收机、INS及处理数据的PC/104架构的嵌入式工控机构成。针对TNNS推导了INS(惯性导航系统)的误差模型,提出了适合于TNNS的降阶扩展卡尔曼滤波算法组合GPS和INS。系统在东海作了三次海试,软件及滤波算法平台由C/C 编制。海上试验表明,组合滤波后,INS的位置误差由100m降低到40m以下;进行最优化滤波后的航向误差σ由原来的0.105°减小为0.034°,纵横摇的误差也大幅减小。整个海试结果表明,在TNNS中组合GPS/INS采用的降阶扩展卡尔曼滤波算法,大幅提高了系统精度和可靠性。     

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.     

一种高精度自主式组合导航系统滤波算法

提出了一种融合捷联惯导、轮式里程计和气压高度计数据的高精度车载自主导航滤波算法.首先,采用滤波鲁棒性更好的状态变换卡尔曼滤波器(ST-EKF)替代传统的扩展卡尔曼滤波器(EKF),对INS/轮式里程计信息进行组合滤波.其次,针对车载惯性/里程计组合导航系统中高程定位误差易发散的问题,引入气压高度计的量测信息对系统的高程...     

基于正逆向与降噪的捷联惯导改进快速对准方法（英文）

针对捷联惯性导航系统(INS)的快速对准问题,基于双向过程和惯性传感器的降噪方法,提出了一种改进的对准方法。利用双向过程(前向和逆向)反复处理保存的惯性测量单元(IMU)的数据序列实现快速对准,推导了一种新的前向与逆向对准关系。为了减少角随机游走误差的影响,基于小波变换的降噪方法抑制光纤陀螺(FOGs)和加速度计噪声,给出陀螺罗经回路的改进方法的整个流程,并在自研的光纤陀螺捷联惯导系统上进行测试。实测数据实验结果表明,经正逆向与降噪改进后的快速对准方法具有更快的收敛速度,能在不到3 min内完成对准任务,同时也具有更好的对准精度。