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基于轨道不平顺匹配的多源融合列车定位方法

哈尔滨工程大学学报 2024年第7期45卷 1358-1366页

作者：周禹昆陈起金牛小骥武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430000

列车定位是保障铁路安全高效运营的基础,面向先进列车运行控制系统高精度、连续、可靠的位置服务需求,研究高精度、高可靠、低成本的匹配定位源提升列车定位系统的稳健性和准确度具有重要的现实意义。本文提出一种无布设轨道特征信号-... 详细信息

列车定位是保障铁路安全高效运营的基础,面向先进列车运行控制系统高精度、连续、可靠的位置服务需求,研究高精度、高可靠、低成本的匹配定位源提升列车定位系统的稳健性和准确度具有重要的现实意义。本文提出一种无布设轨道特征信号-轨道不平顺,利用惯性导航系统感知和测量轨道不平顺信号实现匹配定位,结合列车运动约束,实现了无布设情况下的全自主、全天候、全地域的连续可靠的组合定位。为了验证该方案的可行性,本文在真实铁路线路上进行了列车车载试验。试验结果表明:一个典型的战术级IMU可以实现0.6 m(98.46%置信度)的列车定位精度。该方法为多传感器融合的列车定位系统提供了一种新的定位信号源,可以用于提高车载列车定位系统的准确性和稳健性。

关键词：列车定位轨道不平顺特征匹配车载传感器定位系统惯性导航系统组合导航多源融合列车运动约束

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不变RTS平滑算法及其在5G/SINS组合导航中的应用研究

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第5期49卷 747-755页

作者：罗亚荣郭文飞齐书峰郭迟武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079

为了解决导航系统的位置误差随时间累积的问题,提出一种状态空间为矩阵李群的不变RTS(invariant Rauch-Tung-Striebel,InRTS)平滑算法来提高导航状态的精度,其核心在于导航状态及观测都利用矩阵李群进行表示及推导。首先,将系统状态及... 详细信息

为了解决导航系统的位置误差随时间累积的问题,提出一种状态空间为矩阵李群的不变RTS(invariant Rauch-Tung-Striebel,InRTS)平滑算法来提高导航状态的精度,其核心在于导航状态及观测都利用矩阵李群进行表示及推导。首先,将系统状态及其误差状态微分方程用矩阵李群来表征,相比于传统扩展卡尔曼滤波算法(extended Kalman filter,EKF),将系统状态构建在矩阵李群上,其动力学方程可以更自然更本质地描述物体在空间中的运动特性,而通过群运算定义的误差状态耦合了姿态误差而不是直接的向量相减;接着,通过李群和李代数之间的对数映射将不变误差状态变量映射到李代数空间,得到一个解析的线性微分方程,该方程与当前状态估计值无关,从而可以获得在任何线性化点处状态无关的雅克比矩阵;然后,根据5G定位中量测模型的左不变特性推导包含杆臂误差的左不变误差状态量测方程,从而得到一个左不变EKF;最后,以左不变EKF为前向滤波,提出不变RTS平滑算法,并将其应用于5G/SINS(strapdown inertial navigation system)组合导航系统,在仿真实验中与左不变EKF算法进行了精度对比。实验结果表明,InRTS算法能对左不变EKF算法得到的轨迹进行平滑,降低了前向滤波过程中导航状态的累积误差,从而证明了所提算法的有效性。

关键词：左不变扩展卡尔曼滤波不变RTS平滑矩阵李群 5G/SINS组合导航

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低功耗海上救援个人示位标的设计与实现

湖南大学学报（自然科学版） 2024年第8期51卷 47-56页

作者：廖密聂桂根赵静贺喜武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079 湖北珞珈实验室湖北武汉430079

设计和实现了一种改进的海上救援个人示位标,该示位标具备北斗导航定位能力和北斗短报文通信功能,同时具备人体生命体征监测上报和触水启动的功能,并支持COSPAS-SARSAT卫星搜救系统.为延长示位标的工作时间,设计了一种动态电源管理方法... 详细信息

设计和实现了一种改进的海上救援个人示位标,该示位标具备北斗导航定位能力和北斗短报文通信功能,同时具备人体生命体征监测上报和触水启动的功能,并支持COSPAS-SARSAT卫星搜救系统.为延长示位标的工作时间,设计了一种动态电源管理方法,实现了对不同功能电路电源通道的控制.同时,针对示位标的待机模式和工作模式,设计了超低功耗待机电路和低功耗软件控制设计方案,减少了电能的浪费.最后,分别在山东省威海市和浙江省宁波市至舟山市附近海域对原型样机进行了实际场景测试.原型样机的测试结果表明:示位标在待机状态下,电流为2.3μA,待机时间超过5年;示位标在接收北斗信息状态下,电流为79 mA;示位标在发送状态下,7 000 mAh 7.4 V电池可发送200次求救信息.与现有产品相比,本文提出的海上救援个人示位标具有更低的待机功耗.

关键词：海上救援个人示位标超低功耗待机动态电源管理

采用注意力机制和奖励塑造的深度强化学习视觉目标导航方法

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第7期49卷 1100-1108,1119页

作者：孟怡悦郭迟刘经南武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079 湖北珞珈实验室湖北武汉430079

视觉目标导航作为视觉导航的重要任务之一,要求智能体在给定导航目标的前提下,仅仅依靠视觉图像信息探索环境并导航到目标跟前,并提出任务结束动作。现有视觉目标导航方法基于端到端的深度强化学习框架来解决视觉目标导航问题,仍存在导... 详细信息

视觉目标导航作为视觉导航的重要任务之一,要求智能体在给定导航目标的前提下,仅仅依靠视觉图像信息探索环境并导航到目标跟前,并提出任务结束动作。现有视觉目标导航方法基于端到端的深度强化学习框架来解决视觉目标导航问题,仍存在导航成功率和效率不高的不足。为了进一步提升视觉目标导航方法下智能体的导航性能,提出了一种基于注意力机制和奖励塑造的深度强化学习视觉目标导航方法。针对强化学习中状态构建不佳和奖励稀疏问题,利用缩放点积注意力机制引入当前时间步和上一时间步的状态之间的关系,用于构建更佳的当前时间步的状态,利用奖励塑造自动化设置奖励空间,解决奖励稀疏问题。在AI2-THOR数据集上进行实验,并使用成功率和路径长度加权成功率评估方法性能。实验结果显示,相较于以往的方法,所提出的方法在成功率上提高了7%,在路径长度加权成功率上提高了20%。该方法使用注意力机制和奖励塑造构建了更好的状态和奖励空间,能够进一步提升智能体的导航成功率和效率。

关键词：视觉导航视觉目标导航深度强化学习注意力机制奖励塑造

GNSS/MEMS IMU车载组合导航中IMU比例因子误差的影响分析

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大地测量与地球动力学 2024年第2期44卷 134-137页

作者：张提升王冠陈起金唐海亮王立强牛小骥武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉430079

从系统状态模型出发,分析比例因子误差对组合导航精度和计算量的影响,同时基于车载运动的特点分析比例因子误差的观测性,提出一种仅保留航向陀螺仪和水平加速度计比例因子误差的降维状态模型。实验结果表明,当比例因子误差大于6×10^(-3... 详细信息

从系统状态模型出发,分析比例因子误差对组合导航精度和计算量的影响,同时基于车载运动的特点分析比例因子误差的观测性,提出一种仅保留航向陀螺仪和水平加速度计比例因子误差的降维状态模型。实验结果表明,当比例因子误差大于6×10^(-3)时,增广比例因子误差有助于提高导航精度,但计算量增加约170%;降维模型能够达到高维模型的导航精度,与不增广比例因子误差相比,计算量仅增加约70%。

关键词：车载组合导航 MEMS IMU 比例因子误差状态模型卡尔曼滤波

一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算法

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中国惯性技术学报 2024年第3期32卷 242-249页

作者：郭迟陈毅超罗亚荣武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉430079 湖北珞珈实验室武汉430079 武汉大学人工智能研究院武汉430079

针对在地心地固(ECEF)坐标系下基于右不变误差的卡尔曼滤波在GNSS/SINS组合导航中,因位置矢量数值较大导致系统线性误差运动学矩阵和观测矩阵不稳定进而降低滤波器性能的问题,提出一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算... 详细信息

针对在地心地固(ECEF)坐标系下基于右不变误差的卡尔曼滤波在GNSS/SINS组合导航中,因位置矢量数值较大导致系统线性误差运动学矩阵和观测矩阵不稳定进而降低滤波器性能的问题,提出一种世界坐标系下的GNSS/SINS松组合导航矩阵李群滤波算法。首先在世界坐标系中构建导航状态和考虑地球自转的运动学方程。然后在世界坐标系下定义矩阵李群上的右不变误差,该误差在右群作用下保持不变,并重新推导和设计基于该误差的矩阵李群滤波算法,根据GNSS观测构建世界坐标系下的观测矩阵。实验结果表明,在低精度惯导场景中相对于ECEF坐标系下的传统扩展卡尔曼滤波,所提算法的北向、东向、地向位置误差均方根分别减小了82.6%、61.8%和10.6%,具有一定的实用价值。

关键词：组合导航矩阵李群卡尔曼滤波世界坐标系

GPS/BDS-3卫星姿态产品评估及对精密数据处理的影响

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年

作者：耿涛赵普谢新程凌岳武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉大学测绘学院

卫星姿态对全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）精密数据处理具有重要影响，国际卫星导航服务组织（international GNSS service，IGS）分析中心使用ORBEX（ORBit EXchange）格式以四元数形式发布卫星姿态产... 详细信息

卫星姿态对全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）精密数据处理具有重要影响，国际卫星导航服务组织（international GNSS service，IGS）分析中心使用ORBEX（ORBit EXchange）格式以四元数形式发布卫星姿态产品。评估了2023年全年四家IGS MGEX（multi-GNSS experiment）分析中心的GPS/BDS-3卫星姿态产品，重点分析了偏航机动时期各分析中心的姿态差异，并研究了姿态产品对精密数据处理的影响。评估武汉大学（Wuhan university，WUM）、欧洲定轨中心（center for orbit determination in Europe，COD）、德国地学中心（GeoForschungsZentrum，GFZ）和法国国家空间研究中心（centre national d’etudes spatiales，CNES）姿态产品发现：在卫星偏航机动时期，不同分析中心使用了不同姿态模型，其中GFZ产品与其他分析中心差异较大，偏航角差异可达180°，且存在偏航角跳变等现象；除GPS Block IIF卫星外，WUM与COD产品较为一致。与名义姿态相比，姿态产品可以显著改善GPS/BDS-3卫星钟差的连续性，当四元数姿态与名义姿态偏转方向相反时，钟差二次差序列标准差下降85%。用户需要使用与服务端轨道钟差配套的卫星姿态产品，不一致的姿态会影响卫星天线相位中心和相位缠绕改正；与名义姿态相比，姿态产品使东、北、高方向的动态精密单点定位精度分别提升了31%、20%、28%。

关键词：北斗三号卫星偏航姿态姿态四元数卫星钟差估计精密单点定位

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北斗/GNSS多频率码偏差估计与分析

大地测量与地球动力学 2024年第8期44卷 797-803页

作者：李文溢张启元聂桂根武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉市430079

介绍多系统多频码偏差估计的方法和步骤,并验证基于多系统组合电离层建模估计频间码偏差的效果。利用2019-01~2023-07的MGEX网观测数据逐日解算各类码偏差,并统计和分析各类码偏差精度。结果表明,解算的多系统多频OSB平均周稳定性可达0.... 详细信息

介绍多系统多频码偏差估计的方法和步骤,并验证基于多系统组合电离层建模估计频间码偏差的效果。利用2019-01~2023-07的MGEX网观测数据逐日解算各类码偏差,并统计和分析各类码偏差精度。结果表明,解算的多系统多频OSB平均周稳定性可达0.07~0.26 ns,其中BDS-2和BDS-3的多频OSB平均周稳定性分别为0.17~0.26 ns和0.13~0.21 ns,各类型DCB与DLR、CAS产品的一致性在0.3 ns以内。本文方法不依赖于外部事后产品,能以较快的时效性和较高的精度解算码偏差。

关键词：全球电离层建模码偏差 MGEX GNSS

GNSS/INS组合导航中IMU参数设定与优化

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导航定位学报 2024年第3期12卷 154-164页

作者：姚东雨聂桂根樊静张全牛小骥武汉大学卫星导航定位技术研究中心武汉430079

针对惯性测量单元(IMU)参数设置不合理导致全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)组合导航无法充分发挥IMU性能的问题,提出了一套IMU参数设定与优化方案,建立了以GNSS短期中断期间导航漂移误差统计值、理论估计精度一致性以及IMU误... 详细信息

针对惯性测量单元(IMU)参数设置不合理导致全球卫星导航系统(GNSS)/惯性导航系统(INS)组合导航无法充分发挥IMU性能的问题,提出了一套IMU参数设定与优化方案,建立了以GNSS短期中断期间导航漂移误差统计值、理论估计精度一致性以及IMU误差参数估计稳定性为评估对象的考核准则,使优化后的IMU参数可以确保GNSS/INS组合导航解算中状态预测方差阵的准确性,实现预测信息与观测信息权重合理分配,进而保障GNSS/INS组合导航最优性能。实测验证采用ADIS16465和ICM206022款典型车规级和消费级微机电(MEMS)IMU进行性能测试分析,测试结果表明:初始IMU参数与GNSS/INS组合导航算法适配度较低,无法得到最优组合导航结果;优化后,IMU参数在保障组合导航最优性能基础之上,也可实现理论估计精度与实际精度高度一致。

关键词：组合导航惯性测量单元(IMU) 参数优化权重分配全球卫星导航系统(GNSS) 惯性导航系统(INS)