组合导航系统
北大《导航与通信导论》第十章组合导航的系统与方法（53P）
导航与通讯导论第十章组合导航系统主要了解与GNSS组合的系统和方法导航与通讯导论本章内容•概述导航与通讯导论导航与通讯导论组合导航应用广泛导航与通讯导论导航关注的问题导航与通讯导论导航系统比较•无线电导航定位系统导航与通讯导论本章内容•概述组合导航导航与通讯导论GNSS•4大全球导航卫星系统建成后，天空中GNSS组合导航系统导航与通讯导论GNSS组合导航系统－优点导航与通讯导论•提高了系统完善性GNSS组合导航系统－优点导航与通讯导论导航与通讯导论存在问题•信号接收问题•1994•双星单频–既能接收GPS L1信号，又能接收其它系统的单频信号，进行联合定位。
–对可靠性、安全性要求较高的导航和授时领域CNS100-BG Euro-80NovAtelDL-V3兼容接收机•双星双频TrimbleR8 GNSS•三星多频–GPS+GLONASS+GALILEO –BD2+GPS+GLONASS拓普康Net-G3芯片东方联星OTrack-32东方联星NavCore-S导航与通讯导论本章内容•概述导航与通讯导论导航与通讯导论惯性导航系统•惯性导航系统INS原理导航与通讯导论•加速计测量线加速度陀螺仪测量角速度导航与通讯导论通讯导论通讯导论•惯性导航系统（通讯导论•惯性导航系统属于一种平台式INS导航与通讯导论•将加速度计和陀螺仪安装在惯导平台上的惯性导航系统。
平台式INS特点导航与通讯导论•按照建立坐标系的不同，又可分为捷联式INS导航与通讯导论•将加速度计和陀螺仪安装在运动载体上，由计算机软件建立一个数学平台，取代机械惯性平台。
捷联式INS特点导航与通讯导论通讯导论•不依赖于外部信息，通讯导论INS应用导航与通讯导论•最早（导航与通讯导论本章内容•概述导航与通讯导论GPS-捷联惯性导航GNSS/INS组合导航导航与通讯导论•为了提高导航定位精度，出现了多种组合导航的通讯导论•利用通讯导论•进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠GPS/INS优点导航与通讯导论•GPS/INS非耦合方式GPS/INS系统结构导航与通讯导论非耦合方式松耦合GPS/INS系统结构导航与通讯导论松耦合方式通讯导论•系统导航解至通讯导论紧耦合方式GPS/INS系统结构导航与通讯导论紧耦合方式GPS/INS应用实例导航与通讯导论•高精度导航与通讯导论本章内容•概述AGPS导航与通讯导论MSC AGPS服务器GPS/INU/DM组合导航系统导航与通讯导论•GPS/INU/DM(Global Positioning System/ InertialGPS/DR组合导航系统导航与通讯导论•DR (Dead Reckoning)组合导航系统导航与通讯导论INS/GPS/Odometer•INS/GPS/Odometer。
低精度IMU与GPS组合导航系统研究
3、导航数据融合效果有待进一步提高。
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数值计算方 法，优化算法性能，提高实时性。
ห้องสมุดไป่ตู้
3、算法优化：针对卡尔曼滤波 算法复杂度较高的问题
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
1、GPS和IMU数据采集与同步：采用分频复用技术，实现GPS和IMU数据的同 步采集；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
2、数据预处理：对原始数据进行滤波和平滑处理，以提高数据质量； 3、状态估计：采用扩展卡尔曼滤波算法，估计系统的状态变量和协方差；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
2、GPS和捷联惯导组合导航系统具有互补性，可以实现优势互补， 提高导航系统的性能。
然而，本研究仍存在一些不足之处。首先，对于GPS和捷联惯导组合导航系统 的具体实现方法，尚未进行详细探讨。未来研究可以进一步深入研究系统的硬件 实现方法、软件算法等具体技术细节。其次，虽然本次演示对GPS和捷联惯导组 合导航系统的应用进行了简要介绍，但尚未对其在各领域的应用进行深入研究。 未来可以对不同领域的应用场景进行详细分析，为实际应用提供更有针对性的指 导。
4、实现卡尔曼滤波算法：根据预处理后的数据和状态估计结果，实现卡尔曼 滤波算法，进行数据融合；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
5、系统调试与优化：对系统进行实际环境下的调试与优化，确保系统的稳定 性和性能。
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统是一种基于微电子机械系统惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的导航系统。
它通过将IMU和GPS的测量数据进行集成和融合，提供更准确和可靠的位置、速度和姿态信息。
在本文中，将详细介绍MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现原理和关键技术。
首先，需要了解IMU和GPS的基本原理。
IMU主要由三个加速度计和三个陀螺仪组成，用于测量物体的加速度和角速度。
GPS则通过接收卫星发射的信号来测量接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
IMU和GPS各自都有一定的测量误差，但是通过集成和融合它们的测量数据，可以大幅度提高导航系统的性能。
在实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统时，首先需要对IMU和GPS的数据进行预处理。
对于IMU数据，需要进行误差补偿和积分处理。
误差补偿包括陀螺仪的零偏校准和加速度计的尺度因素校准等，以减小测量误差。
积分处理则可以将加速度计的测量值积分得到速度和位置信息，将陀螺仪的测量值积分得到姿态信息。
对于GPS数据，则需要通过解算接收机与卫星之间的距离，从而确定接收机的位置。
接下来，需要进行导航滤波的处理。
导航滤波是将IMU和GPS的数据进行集成和融合的关键步骤，常用的滤波算法包括卡尔曼滤波和粒子滤波等。
卡尔曼滤波是一种利用概率统计的方法对系统状态进行估计和预测的算法，可以融合IMU和GPS的数据，提供更准确和可靠的导航结果。
粒子滤波则是一种基于蒙特卡洛方法的滤波算法，通过对系统状态进行随机取样，逐步逼近真实状态。
此外，还需要考虑导航系统的误差补偿和校准。
导航系统在使用过程中，由于环境变化和传感器老化等因素，可能会产生误差和漂移。
为了提高系统的精度和可靠性，需要进行误差补偿和校准。
误差补偿包括对IMU 和GPS数据的实时校准和修正，以减小测量误差。
校准则包括对传感器的定标和校准，以保证传感器的准确性和一致性。
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。
KY-INS112 组合导航系统 使用说明书
KY-INS112组合导航系统使用说明书北京北斗星通导航技术股份有限公司导航产品事业部目录1.概述 (1)2.功能及指标 (1)2.1主要功能 (1)2.2性能指标 (1)3.工作原理 (3)3.1.产品组成 (3)3.2.基本原理 (3)4.使用说明 (4)4.1外形尺寸 (4)4.2电气接口 (5)5.系统导航工作流程 (8)5.1.组合导航流程 (8)5.2.纯惯性导航流程 (8)6.产品配置 (9)6.1.设备接口功能 (9)6.2.配置查询 (10)6.3.波特率配置 (10)6.4.协议及更新率配置 (10)6.5.初始值配置 (12)6.6.功能模块配置 (12)6.7.“零速修正”配置 (12)6.8.“位置输出平滑”配置 (13)6.9.载体类型配置 (13)6.10.GNSS天线杆臂配置 (14)6.11.输出杆臂设置 (15)6.12.安装角设置 (15)6.13.输出角设置 (16)6.14.强制转惯性导航 (16)6.15.系统复位 (17)7.输出语句解析格式 (17)7.1.可输出的协议类型 (17)8.存储数据导出 (22)9.系统维护 (24)9.1.固件升级 (24)9.2.参数上传 (24)10.注意事项 (25)11.附录 (25)11.1.卫星接收机COM2输出配置 (25)11.2.差分配置说明 (26)11.2.1.差分基准站设置 (27)11.2.2.差分通讯链路设置 (27)11.2.3.差分移动站设置 (28)11.3.32位CRC校验计算方法 (28)1. 概述KY-INS112组合导航系统由MEMS传感器及高端GNSS 接收机板卡（NovAtel-718D ）组成，通过多传感器融合及导航解算算法实现。
该产品可靠性高，环境适应性强。
通过匹配不同的软件，产品可广泛应用于无人机、无人车、测绘、船用罗经、稳定平台、水下运载器等领域。
2. 功能及指标2.1主要功能组合导航系统能够利用GNSS 接收机接收到的卫星导航信息进行组合导航，输出载体的俯仰、横滚、航向、位置、速度、时间等信息；失去信号后输出惯性解算的位置、速度和航姿信息，短时间内具备一定的导航精度保持功能。
组合惯性导航系统有哪些
组合惯性导航系统有哪些？随着时代的发展，单一惯性导航系统逐渐被组合惯性导航系统所代替。
单一导航系统都有各自的局限性，组合惯性导航系统是将飞机和舰船等运载体上的两种或两种以上的导航设备组合在一起的导航系统。
下面雅驰为你介绍一些利用多种信息源互补构成精确度更高的多功能导航系统。
1、卫星惯导组合：通过卫星定位系统信息定时对惯性系统进行偏差纠正。
在无法接受卫星信号时，惯性定向定位导航系统也能够保障信息在一定时间内的精准度。
具有精度高，可通讯的特点，但是需要从外界获取信息。
2、天文与惯性导航系统组合：关于天文和惯性导航系统组合，以下三种方式供你参考：一是利用惯性导航和天文导航系统位置信息差值来校正的组合方法，给出工程应用的实际结果；二是根据天文导航系统观测天体的高度、方位值，依据天文原理计算两者之差作为观测卡尔曼滤波组合；三是确定产台坐标系在惯性坐标中跟踪地理坐标系的误差作为观测卡尔曼滤波组合，最后采用天文导航位置信息对陀螺常值漂移的校正。
3、GPS/INS组合导航系统：能很好的实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准和高度稳定性等，从而提高惯导系统的性能、精度、跟踪卫星的能力。
还可以实现GPS完整性检测，提高可靠性，实现一体化。
4、惯导/多普勒组合：惯性导航系统和多普勒导航的组合解决了多普勒受地形影响的因素，又解决了惯性导航自身的误差，体现了两者很好的互补效果。
5、惯导/地磁组合导航系统：具有自主性强、隐蔽性好、成本低、可用范围广等优点，是当前惯性导航系统研究领域的一个热点。
6、惯导/地形匹配组合导航系统：因为地形匹配的定位精度很高，所以可以利用这种精度的信息来消除长时间工作的误差累计，提高惯性导航的定位精度。
7、GPS/航迹推算组合导航系统：航迹推算是在GPS失效的情况下，根据大气数据测得空速，推算出地速和航迹角。
当信号中断或差时，由航迹确定位置；当信号质量好时，利用GPS定位确定位置。
这样有效的降低了系统的成本。
车载组合导航系统发展现状
车载组合导航系统发展现状随着科学技术的不断发展，现代导航系统的种类越来越多，如: INS、全球定位系统(GPS)、多普勒(Doppler)测速系统、奥米加导航系统(Omega),罗兰系统(Loran)，塔康系统(Tacan)，还有天文导航(CNS)、地形辅助系统等，这些导航设备都各有优缺点，精度和成本也不大相同。
同时，由于各领域，尤其是军事领域对导航信息量的要求越来越多，对导航精度的要求也越来越高。
要使系统性能得到提高，靠提高单一导航系统的精度，不仅在技术上难度很大，而且在实际中效果也不十分明显，无法满足高精度要求的。
若将多种导航系统适当地组合起来，即可大大提高导航精度。
组合导航系统与单一导航系统的性能比较，具有以下优点1) 组合系统中惯性导航系统的精度比单独使用惯性导航系统时要求的精度低，能够降低惯性导航系统的成本，还可提高系统的可靠性和容错性能;2) 组合导航具有余度的导航信息，可利用其余度信息检测出某个导航子系统的故障，并隔离掉失效的子系统，然后将其余正常子系统重新组合(系统重构)，就能够继续完成导航任务。
因而在20世纪70年代，组合导航技术的出现使得这一问题有了完美的解决方案，使其得到了迅速发展，并取得了令人瞩目的成就。
它克服了单个导航系统的缺点，取长补短，使组合后的导航精度高于各个系统单独工作的精度。
组合导航系统就是将具有不同特点的导航设备与导航方法进行综合，应用计算机技术对多种导航信息进行融合处理，以提高整个系统的性能。
它是一种综合工程技术，涉及到各导航信息源相关设备技术、计算机技术、显示技术以及控制系统、最优估计等理论。
目前，组合导航系统技术在工程实践中还必须解决以下问题: 在导航信息大量冗余的情况下，计算量过大，实时性不能保证；导航子系统的增加使故障率也随之增加，如果某一子系统出现故障而又没有及时监测出并隔离掉时，故障数据会污染整个系统，使可靠性降低。
针对组合导航系统量测信息量多，数据处理困难这一特定问题，导航信息的处理技术也从根据单个传感器所获得的数据集来进行的单一信息处理向多传感器获得的多数据集的信息融合方向发展。
组合导航系统
➢ 测量方程 GPS伪距表达式为:
1
i
[(
X
i G
X i )2
(YGi
Y i )2
(
Z
i G
Z i )2]2
dtu
Vi
采用变分法,导出伪距误差方程：
i ei1 X ei2Y ei3 Z tu Vi
其中 tu为GPS接收机时钟偏差等效的距离误差 ，Vi 为测量白噪声
ei1
i X i
Pk
Pk
/k 1
Pk
H
/k 1 k
[Hk
Pk
H
/k 1 k
Rk ]1 Hk Pk/k1
[I Kk Hk ]Pk/k1
滤波增益
Hk
Pk
/
k
1H
k
[
H
k
Pk
/
k
1
H
k
Rk ]1
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波的性质
① 卡尔曼滤波是一种递推算法，启动时必须先给定初值和。 ② 计算估计的均方误差阵有三种等价形式：
完全自主的导航 可提供多种导航信息 ➢ 缺点： 精度逐渐降低。 初始对准时间长
卫星导航系统（GPS）： ➢ 优点：
定位精度高 精度不随时间变化 ➢ 缺点： 卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差易产生周跳
GPS系统与惯导系统具有互补的特 点
因而被认为是目前导航领域和大地测量领域 最理想的组合方式。
概述
卫星导航
Global Navigation Satellite System
第八章 船用惯性导航系统 与GPS的组合
本章内容安排
➢ 概述 ➢ 船用惯性导航系统 ➢ 卡尔曼滤波器 ➢ GPS/INS组合导航 ➢ 双差分GPS/INS组合导航系统 ➢ 推算船位与GPS的组合
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Pk (I Kk Hk )Pk /k1(I Kk Hk )T Kk Rk KkT
Pk
(I
Kk Hk )Pk /k 1(I
Kk Hk )T
K
k
Rk
K
T k
Pk1
P 1 k /k 1
H
T k
Rk1H k
③ 卡尔曼滤波估计 xˆk 是无偏估计 ④ Kk 与Qk1成正比，而与Pk 成反比
卫星导航系统
Global Navigation Satellite System
卫星导航系统课程 自动化学院 哈尔滨工程大学 组
第八章 船用惯性导航系统 与GPS的组合
本章内容安排
➢ 概述 ➢ 船用惯性导航系统 ➢ 卡尔曼滤波器 ➢ GPS/INS组合导航 ➢ 双差分GPS/INS组合导航系统 ➢ 推算船位与GPS的组合
Vehicle acceleration
Accelerometer
Gyroscope
Navigation Computer
Vehicle angular rate
Accel Rate
Coordinate Transform
Velocity Integration
Quaternion Calculation
3. 位置误差方程 : 采用摄动法，直接得到位置误差方程：
& VN
R
&
VE
R
cos
VN R
sec
tg
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波算法是一种线性最小方差估计的递推算法，相对 其它几种最优估计方法，卡尔曼滤波具有如下特点：
算法是递推的 采用动力学方程描述被估计量的动态变化规律 卡尔曼滤波具有连续型和离散型两类算法
概述
组合导航优点
➢ GPS/INS组合对改善系统精度有利 ➢ GPS/INS组合加强系统的抗干扰能力 ➢ 惯导系统提高GPS接收机的跟踪能力 ➢ 解决周跳问题 ➢ 组合系统将降低对惯导系统的要求
船用惯性导航系统
船用平台式惯性导航系统 一般采用水平指北方案。由陀螺仪（三个单自由或二个双
自由）构成稳定平台，跟踪并稳定在当地地理坐标系内。在惯性 平台上安装两个敏感轴互相垂直、分别沿东西向和南北向放置的 加速度计，用以测量这两个方向的加速度信息。
卡尔曼滤波器
离散系统的卡尔曼滤器
动态方程 量测方程
xk x k ,k 1 k 1 k 1 k 1
zk Hk xk k k 1
状态预测估计 方差预测 状态估计 方差迭代
xˆk /k 1 k,k 1xˆk 1
Pk / k 1
P k,k1 k1 k,k1
k1Qk1k1
xˆk xˆk/k1 Kk (zk Hk xˆk/k1)
考虑在地球表面运动的船舶，忽略垂直速度得到
V&n
VV&&EN
fE fN
VN (& VE (&
2Ωie
)
sin
2Ωie ) sin
一次积分：
Vn t V&ndt V n (0) o
第二次积分：
t o t
o
VN dt (0)
R
VE
sec dt
(0)
R
V n (0)、(0) 、(0) 分别表
Pkk
[Hk
Pk
H
/k 1 k
Rk ]1 Hk Pk/k1
[I Kk Hk ]Pk/k1
滤波增益
Hk
Pk
/
k
1H
k
[
H
k
Pk
/
k
1
H
k
Rk ]1
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波的性质
① 卡尔曼滤波是一种递推算法，启动时必须先给定初值和。 ② 计算估计的均方误差阵有三种等价形式：
概述
惯性导航系统（INS）： ➢ 优点：
完全自主的导航 可提供多种导航信息 ➢ 缺点： 精度逐渐降低。 初始对准时间长
卫星导航系统（GPS）： ➢ 优点：
定位精度高 精度不随时间变化 ➢ 缺点： 卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差易产生周跳
GPS系统与惯导系统具有互补的特 点
因而被认为是目前导航领域和大地测量领域 最理想的组合方式。
重力无异常时， gn 0
enn和ine
enn和ine 的反对称矩阵
ine {0， ie sin ，iecos}
enn
{ VN
R
，VE
R
，tg
R
VE
VE R
sec2
}
f n 比力误差在地理坐标系的投影，主要是由加速度计零位误差▽和平
台（或捷联式惯导的“数学平台”）偏离地理坐标系所致
船用惯性导航系统
R
, VE
R
ie
sin
,
(VE R
sec2
Ωie
cos )
1 R
tg VE }
陀螺漂移 在地理坐标系的投影： n
平台惯导： n
捷联惯导： n Cbn
船体坐标系到地理坐标系的方向余弦阵：Cbn
船用惯性导航系统
2. 速度误差方程 采用摄动法，得到速度误差方程：
V&n (enn 2ine )V n (enn 2ine )V n g n f n
则：
V&n Cin[&r&i (Ωien 2Ωiie )CinVn ΩiieΩiieri ]
fn
V&n
(Ω
n en
2Ωine )V n
gn
g2n Ω CineVinΩniieΩ及iierΩi ennGVnn分别为代地表球载引体力运与动离的心哥力氏之加差速，度即项重和力离。心加速度项；
船用惯性导航系统
Accelerate Integration
Rate Integration
Euler Angle Calculation
Position Velocity
Attitude
船用惯性导航系统
船用惯性导航系统误差方程的推导 1. 平台姿态误差方程
&&n &n inn inn n
inn
{ VN
船用惯性导航系统
加速度计测量的是比力 ，即载体惯性力与地球引力之差：
f n Cin[&r&i Gi ] Cin&r&i Gn
C
n i
表示从惯性坐标系i到地理坐标系n的方向余弦矩阵，以下类
同；r为载体的地心位置矢量；G为地球引力。
地理坐标系内的速度及加速度 ：
Vn
C
n e
r&e
Cin (r&i Ωiieri )
示速度矢量、纬度及经度
的初始值。
船用惯性导航系统
船用捷联式惯导系统 捷联式惯性导航系统就是将惯性敏感元件直接安装在运载
体上，不再需要稳定平台和常平架结构的惯导系统。它通过 计算机内的姿态矩阵实时解析计算，起到“数学解析平台” 的作用，把惯性导航系统中加速度计测量到的比力信息，转 换到导航动参考坐标系，并从姿态矩阵的有关元素中提取舰 船的姿态角（艏向角、横摇角和纵摇角）。