组合导航系统的基本原理及应用特点
组合导航的基本构成与工作模式
闭环法或反馈校正法
输出校正
开环法或输出校正法将估计值作为组
合系统导航参数的输出,或作为惯性导 航系统导航参数的校正量。
反馈校正
闭环法或反馈校正法是将估计反馈到惯性导航
系统和辅助导航系统中，估计出的导航参数就作 为惯性导航力学编排中的相应参数，估计出的误 差作为校正量，将惯性导航系统或其它导航设各 中的相应误差量校正掉。
Vy
R V V x sec x sec tg R R
Vx V tg ie cos x x R R R V V V x ie sin ie sin x tg y y R R R ie sin
直接法
直接以各导航子系统的导航输出参数作为 状态
间接法
间接滤波是指以各子系统的误差量作为状态、实 现组合导航的滤波处理方法。间接滤波中的各个 状态量都是误差量，系统方程是指状态误差量的
运动方程。估计出的是误差量。
直接法和间接法的比较
（1）直接法较准确的反应真实状态的演变情 况，间接法是按一阶近似推导出来的，有一定 的近似性。
组合导航系统的工作模式
惯性导航系统与GPS导航的组合，根据不同的应用要 求可以有不同方式的组合，按照组合的深度，可分为 以下三类： 重调法 松组合 紧组合
重调法
当获取卫星导航参数时，组合导航系统直接以卫星导 航的输出参数代替惯性导航系统的输出参数。
在下一次获得卫星导航参数前，惯性系统在被修正后 的精度基础上，按固有规律继续工作并输出导航参数， 同时也继续产生新的误差积累，直到被下一次获取的 卫星导航信息修正。
组合导航关键技术
组合导航系统是将载体( 飞机、舰船等) 上的导航设备组合成一个统一的系统，利用两种或两种以上的设备提供多重信息，构成一个多功能、高精度的冗余系统。
组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作, 成为导航系统发展的方向。
在所有的组合导航系统中，以北斗与惯性导航系统INS 组合的系统最为理想, 而深组合方式是北斗与惯性导航系统( INS) 组合的最优方法。
鉴于GPS 的不可依赖性，北斗卫星导航系统与INS 的组合是我国组合导航系统的发展趋势，我国自主研制北斗/INS深组合导航系统需要解决的关键技术。
1 北斗/惯导深组合导航算法深组合导航算法是由INS导航结果推算出伪距、伪距率，与北斗定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量。
通过卡尔曼滤波对INS的误差和北斗接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正, 使INS保持高精度的导航。
同时利用校正后的INS 速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪, 消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素, 以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽, 增加北斗接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。
其组合方式如图 1所示，图中只画出了北斗的一个通道，其他通道均相同。
图 1 深组合方式框图组合导航参数估计是组合导航系统研究的关键问题之一。
经典Kalman滤波方法是组合导航系统中使用最广泛的滤波方法，但由于动态条件下组合导航系统状态噪声和量测噪声的统计信息的不准确，常导致滤波精度的下降，影响组合导航的性能。
滤波初值的选取与方差矩阵的初值对滤波结果的无偏性和稳定性有较大的影响，不恰当的选择可能导致滤波过程收敛速度慢，甚至有可能发散。
另外系统误差模型的不准确也会导致滤波过程的不稳定。
渐消记忆自适应滤波方法通过调节新量测值对估计值的修正作用来减小系统误差模型不准确对滤波过程的影响。
当系统模型不准确时，增强旧测量值对估计值的修正作用，减弱新测量值对估计值的修正作用。
导航系统的原理如何定位和导航
导航系统的原理如何定位和导航导航系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分，它通过使用卫星导航系统和其他技术，为用户提供准确的定位和导航服务。
本文将介绍导航系统的原理，包括定位和导航的过程。
一、全球卫星定位系统（GNSS）全球卫星定位系统（GNSS）是现代导航系统的核心，其基本原理是通过接收卫星信号来确定接收器的位置。
这些卫星距离地球几万公里，每个卫星都以固定的速度绕地球运行，同时向地面发射信号。
接收器接收到来自多颗卫星的信号后，通过计算信号传播的时间和接收到的信号强度，可以得出接收器的位置信息。
二、定位过程1. 接收卫星信号：导航系统的接收器通过天线接收卫星发射的信号。
天线需要面向开阔的天空，以确保能够接收到足够的卫星信号。
2. 信号传播时间计算：接收器同时接收到多颗卫星的信号，并测量信号从卫星到接收器的传播时间。
根据传播时间，可以获得接收器与每颗卫星之间的距离。
3. 定位计算：接收器通过与多颗卫星的距离组合，使用三角定位原理计算出自身的位置。
通过测量多颗卫星到接收器之间的距离，交叉计算并确定接收器的位置坐标。
4. 定位误差校正：定位过程中可能存在误差，例如信号传播的延迟以及大气层对信号的影响。
系统会使用校正算法对误差进行修正，以提供更准确的定位结果。
三、导航过程1. 目的地输入：用户在导航系统中输入目的地的地址或坐标。
导航系统将根据这些信息规划最佳的行驶路线。
2. 路线规划：导航系统根据用户输入的目的地和当前位置，利用地图数据和路况信息规划最优路线。
路线规划考虑了交通流量、道路类型、限速等因素，以提供最佳的导航建议。
3. 导航指引：导航系统会在行驶过程中提供语音或图像指引，指示用户在何时、何处转向或行驶。
导航器会根据实时定位信息和路线规划，持续更新导航指引，确保用户沿着正确的路线行驶。
4. 实时路况信息：现代导航系统通常会提供实时交通信息，以帮助用户选择最佳路线。
这些信息通过接收其他车辆或交通设施传输的数据，并与地图数据进行匹配，以提供准确的路况情报。
组合导航定位的基本原理
组合导航定位的基本原理
组合导航定位的基本原理是通过将多个传感器的信息进行组合，以提供更准确、鲁棒的定位结果。
这种方法通常使用不同类型的传
感器，如全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、地面参考站、惯性测量单元（IMU）等。
这些传感器提供的信息经过组合和融合，可以弥补彼此的局限性，从而提高定位的精度和可靠性。
组合
导航定位的基本原理是利用多传感器的信息相互校准和补偿，以实
现高精度、鲁棒的定位结果。
通过对传感器数据进行融合和处理，
可以减少误差和提高定位的准确性，从而满足不同应用场景对定位
精度的要求。
这种方法在航空航天、自动驾驶、室内定位等领域得
到广泛应用，为定位技术的发展提供了重要的支持。
组合导航
测绘与国土信息工程
组合导航系统容错方案
随着现代数学、现代控制理论及计算机技术的发展， 组合导航在其研究过程中，在以提高导航精度为主要 目标的同时，逐步从单纯的组合导航系统向着容错组 合与智能组合的方向发展。这就要求在卡尔曼滤波信 息融合过程中,应具有故障检测与容错的功能。 容错滤波技术的作用就是正确地提取各个导航系统的 信息，它的一个重要功能是判断各子系统的信息。当 局部系统发生故障时，对故障进行有效检测并完成在 有故障情况下的滤波处理，以保证整个系统的输出不 被错误信息污染。
测绘与国土信息工程
扩展卡尔曼滤波
在状态方程或测量方程为非线性时，通常采用扩展卡尔曼滤波 (EKF)。EKF对非线性函数的Taylor展开式进行一阶线性化截断 ，忽略其余高阶项，从而将非线性问题转化为线性，可以将卡 尔曼线性滤波算法应用于非线性系统中。这样以来，解决了非 线性问题。EKF虽然应用于非线性状态估计系统中已经得到了学 术界认可并为人广泛使用，然而该种方法也带来了两个缺点， 其一是当强非线性时EKF违背局部线性假设，Taylor展开式中被 忽略的高阶项带来大的误差时，EKF算法可能会使滤波发散；另 外，由于EKF在线性化处理时需要用雅克比(Jacobian)矩阵，其 繁琐的计算过程导致该方法实现相对困难。所以，在满足线性 系统、高斯白噪声、所有随机变量服从高斯(Gaussian)分布这3 个假设条件时，EKF是最小方差准则下的次优滤波器，其性能依 赖于局部非线性度。
1960年发表的论文 《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problem（线性滤波与预 测问题的新方法）
测绘与国土信息工程
测绘与国土信息工程
测绘与国土信息工程
卫星导航技术专题讲座_三_第6讲组合导航技术
卫星导航技术专题讲座(三)第6讲 组合导航技术Ξ徐 荣,边东明,张更新(解放军理工大学通信工程学院训练部,江苏南京210007)摘 要:组合导航是导航技术发展的重要方向。
随着科学技术的发展,出现了多种导航手段,而各种导航手段都有自己的优缺点,在很多应用中依赖单一手段无法达到某些应用需求。
为了获得更好的导航性能,可以将各种导航手段有机组合起来,互相取长补短,使整个导航系统的性能优化。
常用的组合方式有惯性导航与卫星导航的组合以及多卫星导航系统的组合。
未来也将会有新的导航手段和组合方式出现,推动组合导航技术不断发展。
关键词:组合导航;惯性导航;卫星导航中图分类号:TN 967.1文献标识码:A 文章编号:CN 3221289(2010)0120100205Inte g ra te d Na v iga tion Te chnique sX U R ong ,B IA N D ong 2m ing ,ZH A N G Geng 2x in(T raining D epartm ent I CE ,PLAU ST ,N anjing 210007,Ch ina )A bs tra c t :In tegrated navigati on is an i m po rtan t research field of navigati on techno logy .W iththe developm en t of science and techno logy ,m any navigati on m ethods have been inven ted ,bu t have their ow n advan tages and disadvan tages ,and can ′t m eet app licati on needs individually .To ach ieve better perfo r m ance ,all k inds of navigati on m ethod can be in tegrated .T hese m ethods he 2lp each o ther to ach ieve m o re effective capab ility .T he in tegrati on of the inertial navigati on and satellite navigati on together w ith in tegrati on of the differen t satellite navigati on system s are w idely u sed .In the fu tu re ,new navigati on m ethods and in tegrati on s w ill be p ropo sed ,and the in tegrated navigati on techn iques w ill con tinue to flou rish .Ke y w o rds :in tegrated navigati on ;inertial navigati on ;satellite navigati on随着科学技术的发展,导航的手段越来越丰富。
导航基本原理-组合导航
2）把惯导和GPS输出的位置和速度信息进 行加权平均，其原理框图如图6.6所示。在 短时间工作的情况下，惯导精度较高。而长 时间工作时，由于惯导误差随时间增长，因 此惯导输出的权随工作时间增加而减小。
二、用位置、速度信息综合（反馈校正方 式）
这是采用综合卡尔曼滤波器的一种综合模式， 其原理框图如图6.7所示。用GPS和惯导输出的 位置和速度信息的差值作为量测值，经综合卡 尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后对惯导 系统进行校正。
综合系统的状态方程为
X 1 (t) F1 (t) X1 (t) G1 (t)W1 (t)
X [E ,N ,U ,VE ,VN ,VU ,L,,h,bx,by,bz ,rx,ry ,rz ,x,y ,z ]T
W [gx ,gy ,gz ,bx ,by ,bz ,ax ,ay ,az ]T
措施：可以设计一个简单的噪声方差估计器，估计器 的输入是惯性传感器的输出，利用估计结果，动态调 解滤波中的噪声方差，使卡尔曼滤波器具有自适应滤 波性质，可使滤波效果得到改善。
4.4 GPS/惯性组合导航系统
4.4.1 GPS/惯性组合导航模式
惯性导航系统由于其工作的完全自主性和导航 功能的完备性决定了在完全综合导航系统中的 主体地位。而GPS全球定位系统以其优良的测 速定位性能、用户部分（GPS接收机）的造价 低廉而作为综合导航系统的辅助系统，成为设 计者的最佳选择。GPS/惯性组合作为一种颇 为理想的综合方案而得到广泛应用。
4.3 最优组合导航系统
-Kalman滤波在组合导航中的应用
根据KF所估计的状态不同，Kalman滤波在组 合导航中的应用有直接法与间接法之分。
直接法估计导航参数本身，间接法是估计导航 参数的误差。
导航原理_组合导航
Kalman滤波算法
白噪声
若随机过程 w(t) 满足
Ew(t) 0
E w(t)wT ( ) q (t )
则称 w(t)为白噪声过程，式中q称为 w(t) 的
方差强度。
Rudolf Emil Kalman
随机线性连续系统的数学模型
X (t) A(t)X (t) B(t)U (t) F(t)W (t) Z(t) H (t)X (t) D(t)U (t) V (t)
对于上述随机线性系统，噪声的假设与性 质如下：
系统的过程噪声W(t)和观测噪声V (t)为零均 值或非零均值的白噪声或高斯白噪声随 机过程向量；
定义 Q(t) 为系统的过程噪声向量 W (t) 的 方差强度阵，为对称非负定矩阵；R(t ) 是 系统的观测噪声向量V (t) 的方差强度阵， 为对称正定矩阵；
(4) 允许惯导系统进行动态初始对准与调整，既能减小 惯导系统的积累误差，又能缩短地面准备时间，提高快 速反应能力。
60年代以前，综合导航一般都采用频率滤波的方法 或古典控制中校正的方法，具体的形式是环节的校 正。60年代以来，滤波技术更加成熟，尤其是计算 机技术迅猛发展，使得综合方式转变为以Kalman （卡尔曼）滤波为主，即在两个（或两个以上）导 航系统输出的基础上，利用卡尔曼滤波去估计系统 的各种误差（称为误差状态），再用误差状态的估 值去校正系统，达到综合的目的。
由上式可见，系统成为三阶系统，可通 过适当选择参数K1、K2和K3，使原来无 阻尼的惯导系统变成阻尼综合导航系统 （也可通过引入外部速度信息来实现）。 此外，还可通过适当选择参数来改变自 振周期以得到所需的动态特性。
系统稳定后，从以上两式可得系 统的稳态误差为
由以上两式可见，在增加附加修正环节 和外部位置信息之后，在定位误差中， 消除了初始速度误差，而陀螺的常值漂 移只产生常值定位误差。平台的水平倾 角误差，只受加速度计误差的影响，其 它各项输入量产生的误差得到消除。因 此，这种综合系统与纯惯导系统相比， 提高了定位精度和姿态角精度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
该组合的缺点是GPS的位置和速度误差与时间相关。
伪距、伪距率紧组合
紧组合模式的优点
• • • GPS与惯导系统集成，可以实现硬件一体化， 导航计算精度高，实际应用更为有效。 不需要同时跟踪4颗以上的卫星，才能进行组 合导航计算。 使用一个卡尔曼滤波器，当GPS不能正常工 作时，惯导系统暂时提供导航参数。
GPS和惯性导航各自独立工作，用GPS的位 置、速度直接重调惯性导航系统的输出，当GPS 工作时显示GPS的位置和速度，当GPS停止工作 时，惯导在原显示基础上变化，即GPS停止工作 瞬时的位置和速度作为惯导系统的初值。
b. 位置、速度组合
把 GPS和惯导输出的位置和速度信息进行加权平均， 用位置速度组合。 用GPS和惯导输出的位置和速度信息的差值作为观 测值，经组合卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后 对惯导系统进行校正，如图。
星光导航依靠天体 敏感器观测的天体方位 信息，可以解算获得包 括载体高度角、方位角 在内的位置及姿态信息。 星光导航自主性强， 隐蔽性好，抗电磁干扰 能力强，定位和定向精 度高，且误差不随时间 积累，是长时间运行载 体自主导航的重要方向。
惯性/地形组合导航
惯性/地形组合导航系统是将惯性导航与地形匹配 导航相结合的导航系统，地形匹配导航系统是一种自主 导航定位系统，通过机载高度计和地形匹配技术，将地 面轮廓与存储的地形图比较匹配，实现运载体的无源定 位。 惯性/地形组合导航系统可用于无人侦察机、无人 轰炸机和精确制导武器上，如德国的金牛、法国的风暴 阴影、俄罗斯的白杨导弹等。
INS/GPS组合导航
INS/GPS组合导航是目前应用最为广泛的组合导航 系统。根据不同的应用要求，GPS和惯性导航可以有不 同水平的组合，具体可分为： 1. 松组合 a) GPS重调惯性导航系统 b) 位置、速度组合 2. 紧组合 伪距、伪距率组合 3. 深组合（超紧组合）
a. GPS重调惯性导航
组合导航系统的特点
组合导航内各子系统之间能取长补短，使系统总精 度得以提高。 一旦某系统出现故障，可由子系统继续工作，或以 工作组合模式的转换来保证系统的正常工作，提高 了系统的稳定性和可靠性。 各子系统由计算机联接，以最优估计理论（卡尔曼 滤波技术）为理论基础，实现定位的自动化和能连 续实时的提供所需的导航定位参数。
惯性/星光组合导航
惯性/星光组合导航系统是将星光导航与惯性导航 组合，利用星敏感器提供的高精度姿态信息对惯导系统 进行校正，并对惯性器件的漂移进行补偿，从而实现高 精度导航，特别适用于远程、长航时的飞行器，如长航 时无人机、远程巡航或弹道导弹、空天往返飞行器、近 地空间飞行器等应用领域。
星光导航
最优组合方式（采用卡尔曼滤波器） 自20世纪60年代现代控制理论出现以后，根据最优 控制理论和卡尔曼滤波方法设计的滤波器成为组合导航 的重要方法，它是将各类传感器提供的导航信息应用卡 尔曼滤波方法进行信息处理，卡尔曼滤波是一种递推线 性最小方差估计，以此可以得出惯导系统误差的最优估 计值，再由控制器对惯导系统进行校正，使得系统误差 最小。
视觉图像中含有丰富的信息，是自然界中绝大多数 生物导航定位的关键依据，近年来随着图像处理技术、 高性能处理器等的发展，基于视觉的图像导航已广泛应 用于飞行器姿态控制等领域。 惯性/视觉组合导航可以有效的降低系统成本，并 很好的抑制惯性姿态解算产生的误差累积，从而大幅度 提高系统的可靠性。
重调方式
在惯性导航工作过程中，利用辅助导航源得到的位 置量测信息对惯性导航位置进行校正。这是一种利用回 路之外的导航信息来校正的工作方式，因此，惯导回路 的响应特性没有任何变化。
阻尼方式 利用惯性导航与辅助导航源的测量差，通过反馈去修 正惯性导航系统，使导航误差减小。但这种方式在机动 情况下，阻尼效果并不理想。
组合导航系统的分类
根据不同的应用要求与目的，可以构成不同的组合 导航系统，由于惯性导航系统的自主性，目前多以惯性 导航系统为主导航系统构成组合导航系统。根据辅助导 航信息源的不同，组合导航系统主要可分为： 惯性-卫星组合导航 惯性-地形组合导航 惯性-地磁组合导航 惯性-星光（天文）组合导航 惯性-视觉组合导航 无线电、重力……
最早出现的 组合导航系统是 惯导与多普勒雷 达的组合，利用 惯导高精度姿态 信息稳定多普勒 雷达天线，而多 普勒长期精度较 高，可以对惯导 实施空中对准。
组合导航系统
组合导航系统是指把两种或两种以上不同 的导航系统以适当的方式组合在一起，形成一 个有机的整体，利用其性能上的互补特性，以 获得比单独使用任一系统时更高的系统性能。
惯性/地磁组合导航
地磁信息具有无源、稳定以及与地理位置有对应关 系的特点，地磁导航是通过将地理坐标系中的磁场测量 值与存储的磁偏角和磁倾角图进行比较，或者通过对磁 场异常的匹配来获得位置坐标。 利用惯性/地磁组合导航可以校正惯性导航长时间 运行的误差，是解决高精度长航时自主导航的有效手段。
惯性/视觉组合导航
惯性/卫星组合导航
卫星导航是利用 空间中位置和速度已 知的导航卫星进行导 航定位的技术，通过 测定载体到导航卫星 的距离、距离差等参 数，并结合导航卫星 的瞬时位置来确定载 体位置。
卫星导航
目前主要的卫星导航系统有美国的GPS、俄 罗斯的GLONASS、我国的北斗和欧洲的GALILEO。 卫星导航实现了全天候、全天时、全球无源 式三维导航定位，定位精度高，定位误差不随 时间而增长。 但鉴于军事应用的特殊要求，卫星导航也存 在诸多不足，如当载体做机动飞行时易受无线 电等干扰，容易受到遮挡，无法使用于水下和 控制权问题，导致导航性能下降。
组合导航系统的基本原理
组合导航系统采用惯性系统以外的辅助导航信息源 以提高惯性系统的精度，通过将一个或多个惯性系统的 输出信号与外部源相同量的独立测量值进行比较，根据 这些测量值的差导出对惯性系统的修正值，适当组合这 些信息，就有可能获得比单独使用惯性系统更高的精度。
组合导航系统方法
考虑以惯性导航为主的组合导航系统，其组合方式 有三种：
组合导航系统的基本原理及应用特点
报告人：周亚军
学号：2120121066
方向：检测技术与自动化装置
主要内容
惯性导航系统依靠自身携带的陀螺仪和加速 度计，可以连续地提供包括航向、姿态在内的全 部导航参数，具有较高的短期精度和良好的稳定 性，尤其是在自主性和抗干扰性能方面，惯性导 航无可替代。 但是，在长时间的连续独立工作过程中，惯 性导航系统存在的主要缺点是导航定位误差会随 时间而积累。为解决这一问题，一种方法是选择 高精度的惯性器件，但这会耗费很大的成本，且 惯性器件精度的提高是有限的；另一种方法就是 采用组合导航系统，以惯性导航为基准，辅助以 外界的导航信息源，改善惯性系统的精度。