“仪科知多少”第二十期 | 高旺:一套组合拳——多种导航系统组合所带来的性能提升

编辑:李嘉懿审核:李嘉懿更新时间:2022-05-19浏览次数:10

组合导航是近代导航理论和技术发展的结果,每种导航系统都有各自的独特性能和局限性。把几种不同的系统组合在一起,就能利用多种信息源,互相补充。今天我们有幸邀请到高旺老师为我们解答有关多种导航系统组合的问题,首先介绍一下高旺老师。


01 人物介绍

高旺

本硕博就读于东南大学,英国诺丁汉大学联合培养博士,20183月获得工学博士学位。20186月留校工作,2019年入选东南大学“至善青年学者”资助计划,从事高精度卫星定位及多传感器融合自主导航技术相关的教学和科研工作。


主要科研项目:

主持国家自然科学基金青年项目、国家重点研发计划子课题、工信部基础设施软件项目等科技项目,核心参与了北斗重大专项课题、国家自然科学基金面上项目、“十四五”国家重点研发计划课题等项目。研究成果获得2018年江苏省科学技术奖一等奖、2020年中国卫星导航科技进步一等奖等科技奖励。


02 采访内容

Q1 由于GNSSINS具有良好的优势互补性,因此GNSS/INS组合可以提高系统的整体导航性能及精度,在业内被为“黄金组合”,其优势主要体现在哪些方面呢?

高:GNSS是一种绝对定位手段,具有定位精度高、定位误差不随时间累积等优点,但导航信号易受到遮挡或干扰的影响,同时也存在数据更新率低及高动态环境下定位可靠性较差等问题;而INS是一种航位推算类的相对定位手段,主要通过陀螺和加速度计两个惯性传感器在时间域上的积分得到速度、位置和姿态的变化量,其优点是自主性强、隐蔽性好、不受周围环境的影响,但导航定位误差会随时间积累,难以满足长时间独立导航需求。两者组合使用能够取长补短,其优势主要体现在:

1GNSS提供了绝对定位手段,从而使得全球任何位置的定位能够统一在一个坐标系下;

2INS可以弥补GNSS导航信号的脆弱性问题,提高组合系统在复杂观测环境下的导航定位连续性

3GNSS可以对INS误差进行估计和校正,从而抑制INS误差的发散;

4INS可以提供较高的数据更新率,能够满足高动态导航定位应用;

5)组合系统可以增加观测冗余度,提高异常误差的监测能力,提高系统的容错能力

GNSS/INS组合导航系统原理


Q2 GNSS/INS组合导航可以分为松组合、紧组合和深组合三种组合模式,他们各有什么特点呢?

高:松组合是利用GNSS解算出的位置、速度和INS相应的估计量在状态域进行组合,两者独立工作,GNSS接收机必须能够同时捕获并跟踪到至少4颗卫星才能解得位置和速度信息,当GNSS长时间无法满足此条件时,INS误差无法得到有效抑制从而快速发散;

紧组合是利用GNSS接收机输出的伪距、伪距率、载波等观测量,与INS推算位置结合星历反算出的站星距离观测量或变化率进行组合,GNSS可见星少于4颗时紧组合仍然可以工作,因此卫星数不足4颗时,发散速度慢于松组合;

深组合也被称为超紧组合,是一种信号层面的深层次组合方式,主要通过INS估计的先验动态信息辅助GNSS跟踪环来提高卫星信号的跟踪性能,具有理论上的“全局最优”特性,便于GNSS接收机与INS进行一体化设计,可以降低对INS的精度要求以及组合导航系统的成本和体积。

组合导航设备


Q3 在您的研究中,BDS-2/BDS-3/INS紧组合定位系统相比单系统紧组合有着更好的定位稳定性和可用性,请问BDS-3的加入是如何优化系统的呢?

高:首先,BDS-3的加入引入了更多的可用卫星,增加了冗余观测,增强了定位解算模型强度;其次,BDS-3卫星在观测噪声、钟差频率稳定度、卫星端空间多路径误差、信号频率数等方面相比BDS-2均有一定程度的提升,因此BDS-3在观测值的数量和质量上均对组合系统有积极的提升作用。

北斗/GNSS星空图

(红色的为北斗,PRN>18号的为BDS-3卫星)


Q4 对于我们本科大学生,如果未来想要从事科研方面,您在提高科研效率方面有哪些建议呢?

高:根据我个人体会,建议在本科阶段要重视基础课和专业课的学习,这些知识在未来科研中将发挥重要作用,很多具体的科研问题归根到底是基础的数学、物理等理论问题,因此在本科阶段打下的基础一定程度上决定了未来从事具体研究的深度;其次,要重视培养自己的实践能力,适度参加本科生科研训练计划和相关竞赛等活动,从中锻炼自己发现问题、解决问题的能力;最后要通过这些实践活动,有意识地锻炼自己的做事品质,比如责任心的培养、韧性的塑造、与他人协作的能力以及细心做事的习惯等。


03 总结

高旺老师在采访中解答了有关多种导航系统组合的问题,并且深刻地解释了不同组合模式的特点,最后为我们本科生在提高科研效率方面提出了许多建议,让我们受益匪浅。


今日精彩告一段落,下次访谈也是满满干货!让我们一同期待王盼冰老师的访谈之“仪科知多少”第二十一期 | 微操毫厘间——微纳机器人的研究与应用吧!

来源|东大仪科公众号