CN103827688A - 使用距离测量的平台相对导航 - Google Patents

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CN103827688A CN201280033923.6A CN201280033923A CN103827688A CN 103827688 A CN103827688 A CN 103827688A CN 201280033923 A CN201280033923 A CN 201280033923A CN 103827688 A CN103827688 A CN 103827688A
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Abstract

本发明涉及一种用于使用距离测量的平台相对导航的方法，其中：定位信号的四个或更多个发射器（T1至T4）位于第一对象的平台上和/或附近，以及接近所述平台的第二对象包括用于接收所述定位信号的三个或更多个接收器（A1至A3）；以及其中该方法包括以下动作：对于每个接收到的定位信号执行所述定位信号的发射器以及所述定位信号的接收器之间的距离测量；以及通过利用实施第一和第二对象的系统模型的状态空间估计算法对距离测量进行处理来估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态。

Description

使用距离测量的平台相对导航
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的用于使用距离测量的平台相对导航的方法。
背景技术
对于许多应用来说，两个平台之间的相对位置和姿态必须是已知的。这些应用包括无人驾驶飞行器（UAV）在固定或运动平台（比如飞船、用于着陆的领航（pilot）辅助设备、飞船对接（ship docking）辅助设备以及许多更多）上的自动着陆。此外，期望该信息也可用在拒绝GNSS（全球导航卫星系统）的环境中。为了简单起见，所包括的平台之一在下文中被表示为飞船，其他平台被表示为UAV。
能够提供所需相对位置和姿态信息的导航系统包括飞船机载的四个或更多个发射机应答器（transponder）以及UAV机载的三个或更多个天线。天线发射要由发射机应答器回复的询问（interrogation）信号。然后，这些回复被天线接收。测量发射询问信号和接收回复之间的时间，这允许计算天线和回复的发射机应答器之间的距离（range）。
也可以测量接收到的信号的多普勒频移，其可以被转换成天线和发射机应答器之间的相对速度的测量。此外，代替使用飞船机载的发射机应答器，也可以使用同步伪卫星（pseudolite）。这些伪卫星发射与GNSS信号类似的信号，它们被UAV机载的天线接收到。在这种场景中，UAV不必发射信号，但是距离测量会由于接收器时钟的偏移而有偏差，并且多普勒测量会由于接收器时钟的频率误差而有偏差。
在公开物“Stand-Alone Ship-Relative Navigation System Based on Pseudolite Technology”; Aulitzky, C.; Heinzinger, O.; Bestmann, U.; Hecker, P.;” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 10 -13 August 2009, Chicago, Illinois, USA中讨论了与上述相似的相对导航系统。在该论文中给出的方法中，使用非线性最小二乘法来估计每个天线关于飞船主体框架的相对位置，并且施加约束以考虑这些天线之间的相对几何形状。然后根据相对天线位置来计算相对姿态。该解决方案具有若干缺点：
- 要被估计的未知量的数目随着天线数目的增加而增加。
- 不能考虑多普勒测量。
- 做出的从所有天线到所有发射机应答器/伪卫星的距离测量必须在同一时间点有效，否则会引入系统误差。换言之，不可能顺序地执行测量，即测量第一天线和发射机应答器/伪卫星之间的距离，然后测量与第二天线的距离，并且在此之后测量与第三天线的距离。这种方法为每个天线提供了具有不同时间有效性的距离测量。严重的缺点是在这种场景中上面引用的论文中描述的方法会引入系统误差，因为许多现成的距离测量系统正好以该方式操作。
- 不能容易地考虑比如惯性测量单元（IMU）以及雷达或激光高度计的附加传感器的测量，这也是严重的缺点。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于使用距离测量的平台相对导航的方法，其能够克服已知相对导航系统的上面提到的缺点的至少一部分。
该目的由独立权利要求的主题来实现。其他实施例由从属权利要求示出。
本发明的原理主意是直接估计UAV主体框架关于飞船的相对位置和姿态，而不是如通过引用合并于此的公开物“Stand-Alone Ship-Relative Navigation System Based on Pseudolite Technology”; Aulitzky, C.; Heinzinger, O.; Bestmann, U.; Hecker, P.;” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 10 -13 August 2009, Chicago, Illinois, USA中描述的估计UAV（第二对象）关于飞船（第一对象）的相对天线位置。这可以利用诸如Kalman滤波器、Sigma-Point滤波器或其他滤波器之类的状态空间估计算法以整个状态空间或误差状态空间公式来完成。本发明方法提供了下述优点：要被估计的未知量的数目不会随着天线数目的增加而增加；可以考虑多普勒测量；做出的从所有天线到所有发射机应答器/伪卫星的距离测量在任何时间点都可以有效，只要它们是已知的，这不需要所有天线进行同步测量，其促进了使用现成的距离测量系统；可以容易地考虑比如IMU以及雷达或激光高度计的附加传感器的测量。
本发明的一个实施例涉及用于使用距离测量的平台相对导航的方法，其中：
定位信号的四个或更多个发射器位于第一对象的平台上和/或附近，以及
接近平台的第二对象包括用于接收定位信号的三个或更多个接收器；以及
其中该方法包括以下动作：
对于每个接收到的定位信号执行定位信号的发射器以及定位信号的接收器之间的距离测量；以及
通过利用实施第一对象和第二对象的系统模型的状态空间估计算法对距离测量进行处理，来直接估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态。
估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态还可以包括处理一个或多个附加传感器（特别是雷达或激光高度计）的测量。
状态空间估计算法可以是Kalman滤波器、Sigma-Point滤波器或允许以整个状态空间或误差状态空间公式执行状态空间估计的另外的滤波器。
状态空间估计算法可以包括误差状态空间公式并且执行以下迭代动作：
根据距离测量来假设第二对象的相对位置和相对姿态，
估计第二对象的假设相对位置和相对姿态的误差，以及
基于所估计的误差来校正第二对象的假设相对位置和相对姿态。
状态空间估计算法可以实施以下用于估计第二对象的假设相对位置和相对姿态的误差的系统微分方程：
Figure 791073DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 895164DEST_PATH_IMAGE002
表示相对位置的误差，
Figure 674901DEST_PATH_IMAGE003
表示相对姿态的误差，
Figure 70111DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 884483DEST_PATH_IMAGE005
形成系统噪声矢量。
可以在使用附加传感器（特别是惯性测量单元）的测量的状态空间估计算法的滤波器预测步骤中传播第二对象的假设相对姿态。
状态空间估计算法可以如下对第j个发射器和第i个接收器之间的距离测量
Figure 644628DEST_PATH_IMAGE006
进行建模：
Figure 911662DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 110562DEST_PATH_IMAGE008
表示第j个发射器的位置，
Figure 779441DEST_PATH_IMAGE009
表示距离测量噪声，并且其中第i个接收器的位置
Figure 959755DEST_PATH_IMAGE010
由下式给出：
Figure 714084DEST_PATH_IMAGE011
，
其中，
Figure 451096DEST_PATH_IMAGE012
表示第二对象的主体框架的原点
Figure 974482DEST_PATH_IMAGE013
的位置，
Figure 342009DEST_PATH_IMAGE014
表示从第二对象的主体框架的原点到第i个接收器的杠杆臂，并且
Figure 858758DEST_PATH_IMAGE015
表示从第二对象的主体框架变换到第一对象的主体框架的方向余弦矩阵，其中该方向余弦矩阵经由相对姿态误差与假设的方向余弦矩阵相关。
由状态空间估计算法实施的系统模型会随着相对速度误差状态而增大，并且该方法还可以包括以下动作：
利用每个接收到的定位信号来执行多普勒测量，以及
通过利用增大的状态空间估计算法对多普勒测量进行处理，来估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对速度。
本发明的另一实施例涉及计算机程序，当由计算机执行时其实施根据本发明且如这里所述的并且能够实现平台相对导航的方法。
根据本发明的另一实施例，可以提供存储根据本发明的计算机程序的记录载体，例如CD-ROM、DVD、存储卡、磁盘或适合于存储用于电子存取的计算机程序的类似数据载体。
本发明的另一实施例涉及由本发明的计算机程序配置并且如这里所述用于平台相对导航的计算机。该计算机可以例如位于UAV的机板上并且处理经由UAV天线从位于平台上或附近的发射器接收到的用于控制UAV的自动或自主着陆进场程序的定位信号。
本发明的另一实施例涉及用于平台相对导航的设备，其包括：
距离测量单元，其用于针对所接收到的定位信号来执行位于第一对象的平台上和/或附近的定位信号的发射器以及接近该平台的第二对象的接收器之间的距离测量，其中利用所述接收器来接收所述定位信号，以及
处理装置，其用于通过利用实施第一和第二对象的系统模型的状态空间估计算法对定位信号的发射器和定位信号的接收器之间的距离测量进行处理来估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态，其中所述处理装置被配置成执行本发明的且如这里所述的方法。
本发明的还有另一实施例涉及一种飞行器，特别是UAV，其包括：
三个或更多个接收器，其用于接收由位于另一个飞行器的平台上和/或附近的四个或更多个发射器发射的定位信号，以及
本发明的且如这里所述的设备。
本发明的还有另一实施例涉及一种用于使用距离测量的平台相对导航的系统，其包括：
定位信号的四个或更多个发射器，其位于第一对象的平台上和/或附近，
用于接收所述定位信号的三个或更多个接收器，其位于接近所述平台的第二对象的机板上，以及
本发明的且如这里所述的设备。
在该系统中，定位信号的发射器可以被实施为发射机应答器，其被适配成利用回复信号来回复接收器发射的询问信号，并且接收器可以被适配成从发射机应答器接收作为定位信号的回复信号并且测量发射询问信号以及接收回复信号之间的时间，其中所测时间被处理以用于距离测量。
可替换地或另外地，在该系统中，定位信号的发射器可以被实施为伪卫星，其被适配成发射与定位信号相似的GNSS信号，其中位于第一对象的平台上和/或附近的若干个伪卫星是同步的，并且接收器可以被适配成从伪卫星接收定位信号并且测量定位信号的发射时间，其中所测发射时间被处理以用于距离测量。
根据对下文所述实施例的参考以及参考下文所述实施例来阐述，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的。
下文中将参考示例性实施例更详细地描述本发明。然而，本发明不限于这些示例性实施例。
附图说明
图1示出接近飞船上的着陆平台的具有3个天线的UAV的系统几何形状的示例，所述飞船上的着陆平台包括4个发射定位信号的发射机应答器；以及
图2示出根据本发明的用于平台相对导航的设备的实施例。
具体实施方式
在下文中，功能上相似或相同的元件可以具有相同的参考标记。关于飞船（第一对象）的（着陆）平台和接近该着陆平台的UAV（第二对象）来描述本发明的实施例。然而，本发明不限于该应用，但是可以被应用于第二对象关于第一对象的任何种类的相对导航。借助于RF（射频）来执行各对象之间的通信，即使其他通信手段（诸如光通信技术）也是可能的。
图1示出系统几何形状示例，可以利用其来使用本发明。UAV由O b 来表示，该O b 是UAV的主体框架的原点。UAV还包括作为定位信号的接收器的3个天线A 1 至A 3 。利用l1至l3来表示天线A1至A3和主体框架原点O b 之间的距离，该l1至l3是天线A1至A3关于原点O b 的杠杆臂。飞船上的UAV的着陆平台被标记有四个发射器T1至T4，它们位于平台的角落处。利用Os来表示飞船以及相对导航的共同坐标系的原点。利用矢量rA,1至rA,3来表示天线A1至A3在共同坐标系中的位置，并且利用矢量r T,1 至r T,4 来表示发射器T1至T4的位置。
发射器T1至T4可以被实施为发射机应答器，其在经由天线A1至A3接收到由UAV发射的询问信号时发射定位信号。发射器T1至T4还可以被实施为伪卫星，其在没有接收到询问信号的情况下发射它们的定位信号。
由发射器T1至T4发射的定位信号可以与来自GNSS GPS（全球定位系统）或计划的欧洲GNSS GALILEO的GNSS信号（诸如定位信号）相似或者甚至相同。特别地，定位信号可以是包含带有发射器T1至T4的位置r T,1 至r T,4 的导航消息的代码多路复用信号。每个发射器可以拥有其自己的用于对所发射的定位信号进行编码的唯一代码序列，以使得定位信号的接收器可以确定其发射器。
根据本发明，直接估计UAV主体框架关于飞船的相对位置和姿态。这可以利用Kalman滤波器、Sigma-Point滤波器、或其他状态空间估计滤波器（算法）以整个状态空间或误差状态空间公式来完成。在公开物“Stand-Alone Ship-Relative Navigation System Based on Pseudolite Technology”; Aulitzky, C.; Heinzinger, O.; Bestmann, U.; Hecker, P.;” AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, 10 -13 August 2009, Chicago, Illinois, USA详细地描述了用于相对导航的Kalman滤波器的应用。
可以至少部分以软件（例如以可以由处理器执行的计算机程序）或以硬件（例如以诸如导航处理器的集成电路）来实施所施加的滤波器或状态空间估计算法。滤波器的实施接收作为输入的距离测量以及作为输出的相对导航数据，其可以例如由UAV的自动定位系统进行处理以用于将UAV自动着陆到飞船的平台上。
在下文中，为了说明本发明构思，应该考虑根据本发明的状态空间估计算法（滤波器）的实施的误差状态空间公式。当如下面所述那样执行的一个或多个距离测量可用时，滤波器估计UAV的假设相对位置和姿态的误差。这些所估计的误差然后被用于校正假设的相对位置和姿态。由下式给出滤波器所实施的适当系统微分方程：
Figure 502229DEST_PATH_IMAGE016
  （方程1）
其中
Figure 15557DEST_PATH_IMAGE002
表示相对位置的三个误差，
Figure 744479DEST_PATH_IMAGE017
表示相对姿态的三个误差，
Figure 823293DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 321270DEST_PATH_IMAGE005
形成系统噪声矢量。需要和
Figure 981239DEST_PATH_IMAGE005
来考虑相对位置和姿态的改变。
如果IMU可用，则可以在滤波器预测步骤中使用IMU测量（例如陀螺仪测量）来传播假设的相对姿态，这防止迅速的UAV姿态改变对滤波器必须追踪的相对姿态作出贡献。
为了估计UAV的相对位置和姿态，滤波器对距离测量进行处理。针对UAV从定位信号发射器接收到的每个定位信号来执行距离测量。距离测量导致所接收的定位信号的发射器以及UAV的接收天线之间的伪距（pseudorange）。可以如下建模发射器j和接收天线i之间的距离测量
Figure 863744DEST_PATH_IMAGE018
（伪距）（上标“s”表示作为共同坐标系原点（其是飞船的原点Os）的“飞船”）：
Figure 216228DEST_PATH_IMAGE019
   （方程2）
由此，利用
Figure DEST_PATH_IMAGE021A
来表示距离测量噪声，并且第i个天线的位置由下式给出：
Figure 283410DEST_PATH_IMAGE022
     （方程3），
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
表示从UAV主体框架变换到飞船主体框架的方向余弦矩阵。该方向余弦矩阵经由UAV的相对姿态误差与假设的方向余弦矩阵相关。上述方程允许确定UAV主体框架直接关于飞船的相对位置rOb。
而且，上述系统和测量模型允许开发适当的滤波器实现。
为了允许多普勒测量的处理，系统模块可以随着三个相对速度误差状态而增大，从而导致九状态滤波器。如果通过UAV时钟和频率误差使距离和多普勒测量有偏差，则系统和测量模型也可以被相应地增大。要理解，如果绝对UAV姿态已知，则可以将相对位置和速度信息容易地变换到例如本地水平坐标系。
图2示出相对导航设备10，其可以例如被安装在UAV的机板上并且用于生成相对导航数据，可以对该相对导航数据进行处理以便控制UAV在飞船着陆平台上的自动着陆。
设备10包括距离测量单元12和处理装置14。其接收作为输入的经由天线A1至A3接收的定位信号和来自IMU 16的测量。距离测量单元12针对每个接收到的定位信号执行距离测量，以便确定定位信号的发射器和接收天线之间的伪距。由距离测量单元将所执行的距离测量
Figure 328912DEST_PATH_IMAGE018
供应给处理装置14，以便生成相对导航数据18。该处理装置14包括作为实施UAV和飞船的系统模型的状态空间估计算法的Kalman滤波器。该Kalman滤波器实施上述用于处理距离测量的方程1至3，并且此外使用从IMU 16接收到的测量来假设用于在Kalman滤波器预测步骤中传播的UAV的相对姿态。可以以软件或以硬件来实施距离测量单元12和/或处理装置14。
本发明的平台能够实现使用距离测量的相对导航，其中要被估计的未知量的数目不会随着天线数目的增加而增加，多普勒测量可以被考虑，并且比如IMU以及雷达或激光高度计的附加传感器的测量可以被容易地考虑。
参考标记和首字母缩略词
10    平台相对导航设备
12    距离测量单元
14    Kalman滤波器
16    IMU
18     相对导航数据
A1至A3   天线
T1至T4   发射机应答器/伪卫星
GNSS  全球导航卫星系统
GPS    全球定位系统
IMU    惯性测量单元
UAV    无人驾驶飞行器。

Claims (16)

1.一种用于使用距离测量的平台相对导航的方法，其中：
-定位信号的四个或更多个发射器（T1至T4）位于第一对象的平台上和/或附近，以及
-接近所述平台的第二对象包括用于接收所述定位信号的三个或更多个接收器（A1至A3）；以及
其中该方法包括以下动作：
-对于每个接收到的定位信号执行所述定位信号的发射器以及所述定位信号的接收器之间的距离测量；以及
-通过利用实施第一和第二对象的系统模型的状态空间估计算法对距离测量进行处理，来直接估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态。
2.根据权利要求1的方法，其中，
估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态还包括处理一个或多个附加传感器、特别是雷达或激光高度计的测量。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，
所述状态空间估计算法是Kalman滤波器、Sigma-Point滤波器或允许以整个状态空间或误差状态空间公式执行状态空间估计的另外的滤波器。
4.根据权利要求3的方法，其中，
所述状态空间估计算法包括误差状态空间公式并且执行以下迭代动作：
-根据距离测量来假设第二对象的相对位置和相对姿态，
-估计第二对象的假设相对位置和相对姿态的误差，以及
-基于所估计的误差来校正第二对象的假设相对位置和相对姿态。
5.根据权利要求4的方法，其中，
所述状态空间估计算法实施以下用于估计第二对象的假设相对位置和相对姿态的误差的系统微分方程：
Figure 506463DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 87617DEST_PATH_IMAGE002
表示相对位置的误差，
Figure 796685DEST_PATH_IMAGE003
表示相对姿态的误差，
Figure 525606DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 276525DEST_PATH_IMAGE005
形成系统噪声矢量。
6.根据权利要求2、3、4或5中的任一项的方法，其中，
在使用附加传感器、特别是惯性测量单元的测量的状态空间估计算法的滤波器预测步骤中传播第二对象的假设相对姿态。
7.根据权利要求2、3、4、5或6的方法，其中，
所述状态空间估计算法如下对第j个发射器和第i个接收器之间的距离测量
Figure 774502DEST_PATH_IMAGE006
进行建模：
Figure 546149DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 496788DEST_PATH_IMAGE008
表示第j个发射器的位置，
Figure 582555DEST_PATH_IMAGE009
表示距离测量噪声，并且其中第i个接收器的位置由下式给出：
Figure 877587DEST_PATH_IMAGE011
，
其中，
Figure 315522DEST_PATH_IMAGE012
表示第二对象的主体框架的原点
Figure 673822DEST_PATH_IMAGE013
的位置，
Figure 146392DEST_PATH_IMAGE014
表示从第二对象的主体框架的原点
Figure 259841DEST_PATH_IMAGE013
到第i个接收器的杠杆臂，并且
Figure 185072DEST_PATH_IMAGE015
表示从第二对象的主体框架变换到第一对象的主体框架的方向余弦矩阵，其中该方向余弦矩阵经由相对姿态误差与假设的方向余弦矩阵相关。
8.根据前述权利要求中的任一项的方法，其中，
由所述状态空间估计算法实施的系统模型会随着相对速度误差状态而增大，并且该方法还包括以下动作：
-利用每个接收到的定位信号来执行多普勒测量，以及
-通过利用增大的状态空间估计算法对多普勒测量进行处理来估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对速度。
9.一种实施根据权利要求1至8中任一项的方法的计算机程序。
10.一种存储根据权利要求9的计算机程序的记录载体。
11.一种由根据权利要求9的计算机程序配置的用于平台相对导航的计算机。
12.一种用于平台相对导航的设备（10），其包括：
-距离测量单元（12），其用于针对所接收到的定位信号来执行位于第一对象的平台上和/或附近的定位信号的发射器（T1至T4）以及接近所述平台的第二对象的接收器（A1至A3）之间的距离测量，其中利用所述接收器来接收所述定位信号，以及
-处理装置（14），其用于通过利用实施第一和第二对象的系统模型的状态空间估计算法来对所述定位信号的发射器（T1至T4）和所述定位信号的接收器（A1至A3）之间的距离测量进行处理来估计第二对象的主体框架关于第一对象的相对位置和相对姿态，其中所述处理装置被配置成执行根据权利要求1至7中的任一项的方法。
13.一种飞行器，特别是UAV，其包括：
-三个或更多个接收器（A1至A3），其用于接收由位于另一个飞行器的平台上和/或附近的四个或更多个发射器（T1至T4）发射的定位信号，以及
-根据权利要求12的设备（10）。
14.一种用于使用距离测量的平台相对导航的系统，其包括：
-定位信号的四个或更多个发射器（T1至T4），其位于第一对象的平台上和/或附近，
-用于接收所述定位信号的三个或更多个接收器（A1至A3），其位于接近所述平台的第二对象的机板上，以及
-根据权利要求12的设备（10）。
15.根据权利要求14的系统，其中，
-定位信号的发射器（T1至T4）被实施为发射机应答器，其被适配成利用回复信号来回复接收器发射的询问信号，以及
-接收器（A1至A3）被适配成从发射机应答器接收作为定位信号的回复信号并且测量发射询问信号以及接收回复信号之间的时间，其中所测时间被处理以用于距离测量。
16.根据权利要求14或15的系统，其中，
-定位信号的发射器（T1至T4）被实施为伪卫星，其被适配成发射与定位信号相似的GNSS信号，其中位于第一对象的平台上和/或附近的若干个伪卫星是同步的，以及
-接收器（A1至A3）被适配成从伪卫星接收定位信号并且测量定位信号的发射时间，其中所测发射时间被处理以用于距离测量。
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104251994A (zh) * 2014-09-11 2014-12-31 上海卫星工程研究所 长基线激光测距实现无控制点卫星精确定位系统及方法
CN107741229A (zh) * 2017-10-10 2018-02-27 北京航空航天大学 一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法
CN108415041A (zh) * 2017-02-09 2018-08-17 三星电子株式会社 移动装置的接收器及其改进方法
CN108802672A (zh) * 2017-05-05 2018-11-13 波音公司 使用射频标识（rfid）标签的姿态估计
CN109407687A (zh) * 2018-12-03 2019-03-01 北京航空航天大学合肥创新研究院 无人机高精度自主降落控制系统
CN110312948A (zh) * 2017-01-31 2019-10-08 高通股份有限公司 用于确定运载工具到运载工具通信中的运载工具位置的方法和装置

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104122545B (zh) * 2014-07-21 2017-04-19 湖南恒茂高科股份有限公司 无线测距方法及装置
CN104407326B (zh) * 2014-10-31 2017-01-11 中国运载火箭技术研究院 一种适用于集群目标间的射频自主相对姿态测量系统
GB201505697D0 (en) * 2015-04-02 2015-05-20 Rolls Royce Plc A system and method
US10395759B2 (en) 2015-05-18 2019-08-27 Regeneron Pharmaceuticals, Inc. Methods and systems for copy number variant detection
CN105277918B (zh) * 2015-11-17 2017-11-28 北京航空航天大学 一种射频相对姿态敏感器测试装置及其测试方法
CN105700356B (zh) * 2016-02-25 2018-10-02 哈尔滨工程大学 基于鲁棒约束模型预测控制的uuv对线控位回收方法
WO2018102454A1 (en) * 2016-11-29 2018-06-07 Marine Technologies, Llc Position reference system for vessels
US10620296B1 (en) 2017-01-03 2020-04-14 Toyon Research Corporation System for positioning, navigation, and time (PNT)
WO2018236343A1 (en) * 2017-06-20 2018-12-27 Sony Mobile Communications Inc. POSITION ESTIMATING VERIFICATION SYSTEMS, METHODS, AND DEVICES USING AN ORIENTATION SENSOR
DE102017117498A1 (de) 2017-08-02 2019-02-07 Airbus Defence and Space GmbH System und Verfahren zum Kalibrieren einer Sendeeinheit sowie Wasserfahrzeug mit einem System zum Kalibrieren einer Sendeeinheit
DE102017117495A1 (de) * 2017-08-02 2019-02-07 Airbus Defence and Space GmbH System und Verfahren zur Positionsbestimmung einer Sendeeinheit sowie Wasserfahrzeug mit einem System zur Positionsbestimmung einer Sendeeinheit
CN108828537B (zh) * 2018-04-04 2022-11-18 南京理工大学 一种激光测高仪综合测试系统及其综合测试方法
CN108957509B (zh) * 2018-05-18 2022-03-15 南京航空航天大学 一种双星编队周期相对运动仅测距相对导航解析方法
CN108917764B (zh) * 2018-05-18 2020-11-27 南京航空航天大学 一种双星编队仅测距相对导航方法
EP3572829B1 (en) * 2018-05-25 2024-01-17 Airbus Defence and Space GmbH Synchronized radar networks
RU2743048C1 (ru) * 2019-09-09 2021-02-15 Борис Викторович Рыжков Способ определения взаимного положения объектов навигации и система для осуществления указанного способа
CN110888142B (zh) * 2019-11-15 2023-05-30 山西大学 基于mems激光雷达测量技术的航天器隐藏目标点测量方法
CN112880661B (zh) * 2021-01-11 2022-11-11 北京中科宇航技术有限公司 一种垂直降落飞行器的位置姿态测量方法及装置
CN113776514A (zh) * 2021-08-10 2021-12-10 深之蓝海洋科技股份有限公司 液体下检测竖直表面的机器人的相对导航方法和装置

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US583513A (en) * 1897-06-01 Qoooooooo
US3706096A (en) * 1961-02-02 1972-12-12 Hammack Calvin M Polystation doppler system tracking of vehicles,measuring displacement and rate thereof and similar applications
US5583513A (en) * 1993-03-24 1996-12-10 Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University System and method for generating precise code based and carrier phase position determinations
US5757316A (en) * 1997-02-01 1998-05-26 Litton Systems, Inc. Attitude determination utilizing an inertial measurement unit and a plurality of satellite transmitters
GB9912724D0 (en) 1999-06-01 1999-08-04 Cambridge Positioning Sys Ltd Radio positioning system
FR2836554A1 (fr) * 2002-02-22 2003-08-29 Salaberry Bernard Lucien Ch De Dispositif de localisation pour systeme d'aeronef sans pilote
US7079025B2 (en) * 2002-06-11 2006-07-18 Worcester Polytechnic Institute Reconfigurable geolocation system
US7298314B2 (en) * 2002-08-19 2007-11-20 Q-Track Corporation Near field electromagnetic positioning system and method
RU2225039C1 (ru) * 2002-12-09 2004-02-27 Лаврушко Валерий Николаевич Способ обучения пилота посадке самолета в сложных метеорологических условиях
RU2241959C1 (ru) * 2003-05-20 2004-12-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А.Пилюгина" Способ определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов и устройство для его осуществления
US20050040985A1 (en) * 2003-08-19 2005-02-24 Trammell Hudson System and method for providing improved accuracy relative positioning from a lower end GPS receiver
BRPI0303968B1 (pt) 2003-10-08 2017-01-24 Fundação Inst Nac De Telecomunicações Finatel sistema e processo de posicionamento geográfico e espacial
CN100342243C (zh) 2005-10-21 2007-10-10 赫立讯科技(北京)有限公司 一种基于链路质量指示的短程无线网络相对测距和定位方法
EP2021821B1 (en) 2006-05-30 2010-06-16 Nokia Corporation Supporting a relative positioning
RU2339002C1 (ru) * 2007-05-14 2008-11-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-производственный центр автоматики и приборостроения имени академика Н.А. Пилюгина" (ФГУП "НПЦ АП") Способ определения навигационных параметров управляемых подвижных объектов и устройство для его осуществления
US8010287B1 (en) * 2007-08-14 2011-08-30 Rockwell Collins, Inc. Frequency hopping data link approach to autonomous GPS denied relative navigation determination
CN101315423A (zh) 2008-03-13 2008-12-03 孟详粤 一种辅助全球卫星定位系统中计算定位终端与卫星之间码相位伪距的方法
US20100152933A1 (en) * 2008-12-11 2010-06-17 Honeywell International Inc. Apparatus and method for unmanned aerial vehicle ground proximity detection, landing and descent

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104251994A (zh) * 2014-09-11 2014-12-31 上海卫星工程研究所 长基线激光测距实现无控制点卫星精确定位系统及方法
CN110312948A (zh) * 2017-01-31 2019-10-08 高通股份有限公司 用于确定运载工具到运载工具通信中的运载工具位置的方法和装置
CN110312948B (zh) * 2017-01-31 2023-12-29 高通股份有限公司 用于确定运载工具到运载工具通信中的运载工具位置的方法和装置
CN108415041A (zh) * 2017-02-09 2018-08-17 三星电子株式会社 移动装置的接收器及其改进方法
CN108415041B (zh) * 2017-02-09 2023-12-08 三星电子株式会社 移动装置的接收器及其改进方法
CN108802672A (zh) * 2017-05-05 2018-11-13 波音公司 使用射频标识（rfid）标签的姿态估计
CN108802672B (zh) * 2017-05-05 2023-12-01 波音公司 使用射频标识（rfid）标签的姿态估计
CN107741229A (zh) * 2017-10-10 2018-02-27 北京航空航天大学 一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法
CN107741229B (zh) * 2017-10-10 2020-09-25 北京航空航天大学 一种光电/雷达/惯性组合的舰载机着舰导引方法
CN109407687A (zh) * 2018-12-03 2019-03-01 北京航空航天大学合肥创新研究院 无人机高精度自主降落控制系统

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