卫星惯导组合导航共30页
惯导与GPS导航概述PPT学习教案
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1.2.1 概述
图1.3 导航系统的演变与发展趋势
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1.2.2 早期的导航方式 司南：战国时期，利用磁石制成，确定南北方位。
图1.4 汉代‘司南’模型
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1.2.2 早期的导航方式 指南针：北宋初期。 罗盘针：把指南针固定在方位盘中。
测出地速大小 利用载体上的多普勒/航向系统
输出航向角
把地速分解为地理北向和东向分量
确定载体位置
（多普勒导航原理）
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1.2.4 多普勒导航
多普勒导航的优点：主动工作、自主性强 （无需地面台站配合）
多普勒导航的缺点： （1）易受干扰、易暴露。（雷达开机发射电波） （2）定位精度与反射面的具体情况密切相关。
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载体（运载体）在空间运动过程的基本参数？ 位置、速度 、姿态 是载体运动过程的基本参数。
检测和确定这些参数是通过 具有导航功能的系统 完成。
导航的实质： 即是要获取载体的这三个基本参数 或其中一部分参数。
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1.1.1 导航与导航系统 （1）什么是导航？
导：引导 航：航行（泛指：飞行器、舰船、车辆、人、动物，等）
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1.1.4 导航与制导的区别
导航与制导 没有本质 的区别。两者的概念就已交叉， 随着科学的发展，更是相互融合。
实行导航时，要确定飞行器的位置，并且航迹是事先确 定的，导航要实时、连续地给出飞行器的位置、速度、 加速度、航向等导航参数。
制导则是利用导航系统输出的加速度、速度、位置和航 向姿态等信息，形成指令信号，控制载体的姿态、航向 或发动机，使其按预定轨道航行并到达目的地。
科技成果——惯性卫星深组合导航
科技成果——惯性卫星深组合导航技术开发单位中国航天科工集团公司北京控制与电子技术研究所技术简介通过深组合滤波技术，可以实时估计并补偿惯性导航随时间积累的导航误差；而且可以辅助接收机减少重捕获的时间和增强跟踪卫星信号的稳定性。
特别在卫星个数小于4颗后，仍能有效估计惯导误差，保证导航数据的连续性和有效性。
利用双天线测向技术可大幅度提高航向角精度。
该产品可为用户提供稳定、高精度的三维位置、速度、姿态和时间信息。
技术指标定位精度：＜3m（1σ）；速度精度：＜0.02m/s（1σ）；俯仰角精度：＜0.015（1σ）；横滚角精度：＜0.015（1σ）；航向角精度：＜0.1（1σ）；数据更新率：200Hz。
技术特点（1）解决了大姿态、高动态运动条件下的卫星信号的稳定捕获和跟踪环路带宽自适应调整，以及惯性导航误差的在线估计等难题，实现了高动态条件下的高精度组合导航；（2）通过高动态深耦合接收机环路设计及抑制干扰的方法，解决了传统接收机高动态和高抗干扰性能无法兼顾的难题，提高了接收机伪距率测量精度、动态适应能力和抗干扰能力；（3）通过卫星不完备条件下的深耦合惯性/卫星组合导航方法，实现了BD2/GPS/GLONASS三系统的数据融合和不间断导航，解决了卫星不完备时组合导航精度快速下降的问题，提高了全程高精度组合导航的连续性和可靠性；（4）通过基于深耦合系统的晶振加速度敏感度影响抑制方法，解决了大过载条件下晶振频率稳定性急剧下降导致组合导航精度大幅下降的难题。
技术水平国际领先、国内领先可应用领域和范围航空导航、舰载导航、地面车辆、无人车、智能交通专利状态已申请国家专利1项，申请国防专利16项。
技术状态小批量生产、工程应用阶段合作方式合作开发、技术服务投入需求1500万元转化周期半年预期效益该产品的研发成功，将是国内自主创新开发的首台兼容BD2惯性/卫星深组合导航产品，将促进卫星导航高端服务领域的重点突破，提升应用水平和应用规模，发挥卫星产品与服务在我国其他行业中的支撑作用。
导航系统-惯性导航PPT课件
VE
R hcos
V sin
R hcos
N VN
ψ
沿东向轴的变化: 沿北向轴的变化: 沿垂直轴向的变化:
E
VN Rh
V cos
Rh
N
cos
V sin
Rh
Z
sin
V R
h
sin
tg
2021年3月17日
导航系统
V VE E
23
导航系统--区域导航 地理坐标系相对于惯性系的运动角速度
导航系统--区域导航
导航系统课程内容
传统导航
➢ 仪表导航 ➢ 无线电导航
区域导航
➢ 简单区域导航（DME/DME、DME/VOR）
➢ 惯性导航
所需导航性能
➢ RNP参数
基于性能的导航（PBN）
2021年3月17日
导航系统
1
导航系统--区域导航
惯性导航概述
惯性导航系统功能
➢ 自动测量飞机各种导航参数及飞机控制参数，供飞行员使用 ➢ 与飞机其他控制系统相配合完成对飞机的人工或自动控制
2021年3月17日
导航系统
13
导航系统--区域导航
机体系与地理系之间的关系
地理系向机体系转换:
俯仰 XB
XG
γ:倾斜 XB
YG
:俯仰
YB
ZG ψ:真航向
ZB
倾斜 YB
XB 偏航
2021年3月17日
导航系统
ZB ZB
YB
14
导航系统--区域导航
坐标系变换
V
x
y
V
'
x' y'
则 V ' CV
惯导PPT第一章
2017年8月4日
惯导
29
地理坐标系与机体坐标系的关系
• 设起始时地理坐标系与机体坐标系重合。
Yaw YB
2017年8月4日
大气数据与惯导
31
地理坐标系与惯性坐标系的关系
地理坐标系相对惯性坐标系的运动组成：
– 地球自转 – 飞机运动
几种主要导航方法简介：
无线电导航：多普勒雷达导航；卫星导航；天文导航；惯性导航
惯性导航基本原理
惯性导航系统的基本组成
加速度计，陀螺仪； 稳定平台(机械的或数字的)； 导航计算机； 控制显示器；
惯性导航的特点
工作自主性强； 提供导航参数多； 抗干扰力强，适用条件宽；
惯性导航与惯性制导的区别
1、惯性制导(Inertial Guidance)与惯性导航(1nertial Navigation)其原理是 相同的，都基于牛顿运动第二定律，以测量载体加速度为其最基本的 信息源；其组成也是基本相同的，都有陀螺、加速度计和稳定平台( 对平台式惯性制导系统而言)；都有平台式和捷联式两种类型；输出 参数也基本相同。 2、二者区别主要是工作方式不同。惯性导航可以工作在两种不同的状态： 一种是根据惯性导航系统输出的位置、航向等导航参数，驾驶员可以 人工自由操纵并引导飞机按预定航线飞向目的地，此时惯导系统可以 说是一个导航参数测量装置，输出这些信息后即完成它的任务；另一 种是根据惯性导航系统输出的导航参数，直接传递给飞行自动控制系 统，通过控制系统解算，形成控制信号，直接操纵飞机自动按预定航 线飞向目的，这时的惯性导航系统相当于飞行控制系统(或自动驾驶仪 )中的一个敏感测量环节，由飞控系统实施闭环控制，驾驶员仅仅起到 一个监控作用，不参与飞机操纵。习惯上把第一种工作方式称为惯导 工作于指示状态，第二种工作方式称为自动导航状态。
GPS与惯导系统的组合导航技术
谢谢观看
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GPS/INS
INS:
INS 不仅能够提供载体位置、速度参数,还能提 供载体的三维姿态参数,是完全自主的导航方式,在 航空、航天、航海和陆地等几乎所有领域中都得 到了广泛应用。但是,INS 难以克服的缺点是其导航 定位误差随时间累加,难以长时间独立工作。
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GPS/INS
GPS/INS组合:
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紧耦合和松耦合
优点:
1.组合结构简单，便于工程实现，便于实现容错 2.两个系统能够独立工作，使得导航系统有一定的 余度
缺点:
1. GPS 输出的位置、速度通常是与时间相关的； 2.INS 和 GPS 信息流动是单向的，INS 无法辅GPS。
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GPS/INS
紧耦合:
紧耦合模式是指利用 GPS 接收机的的原始信息来和惯 导系统组合，原始信息一般是指伪距、伪距率、载波 相位等。
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分类:
基于卡尔曼组合数据的融合方法
按照组合中滤波器的设置来分类，可以分成： 集中式的卡尔曼滤波 分布式的卡尔曼滤波 按照对系统校正方法的不同，分为: 开环校正(输出校正) 闭环校正(反馈矫正) 按照组合水平的深度不同，分为： 松耦合 紧耦合 根据卡尔曼滤波器所估计的状态不同，卡尔曼 滤波在组合导航中的应用有: 直接法 间接法
目录
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紧耦合和松耦合
基于卡尔曼滤波的组合方式:
利用卡尔曼滤波器设计 GPS/INS 组合导航系统的方法 多种多样按照组合水平的深度不同，分为： 松耦合 紧耦合
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紧耦合和松耦合
松耦合:
松耦合模式是指直接利用 GPS 接收机输出的定位信 息与 INS 组合，它是一种 低水平的组合。位置、速 度组合是其典型代表，它 采用 GPS 和 INS 输出的位 置和速度信息的差值作为 量测值。
惯性导航基本原理 (入门两天半)
惯性导航基本原理（入门、两天半）刘保中二零一二年十二月目录目录 (2)1. 导航与控制 (3)1.1 导航系统与控制系统 (3)1.2 自主导航与非自主导航 (4)2. 惯导系统中常用的坐标系 (6)2.1 惯性坐标系（简称i系） (6)2.2 地球坐标系（简称e系） (7)2.3 载体坐标系（简称b系） (8)2.4 地理坐标系（简称t系） (8)2.5 目标方位坐标系（简称d系） (9)2.6 导航坐标系 (10)2.7 平台坐标系（简称P系） (10)3. 惯导系统的组成 (11)4. 平台的结构与组成 (12)4.1 平台的框架结构 (12)4.2加速度计组合与陀螺组合 (13)4.3 姿态角传感器与力矩电机 (15)5. 初始对准的基本概念 (16)5.1 导航前的准备 (16)5.2 初始对准的指标与分类 (17)6. 平台的表观运动 (19)6.1 地球自转引起的表观运动 (19)6.2 地理位置变化引起的表观运动 (21)6.3 控制指令角速率与表观运动的补偿 (23)7. 载体的运动加速度 (24)7.1 载体空间运动的描述 (24)7.2 载体空间运动的加速度 (25)7.3 惯性导航的基本方程 (32)8. 指北方位惯导系统的力学编排方案 (35)9. 捷联式惯导系统的基本原理 (39)9.1 方向余弦与方向余弦矩阵 (39)9.1.1 方向余弦矩阵及其特性 (39)9.1.2 方向余弦矩阵与欧拉角的关系 (43)9.2 捷联式惯导系统的机械编排方案 (46)9.3 姿态矩阵的即时更新 (50)9.3.1 欧拉角法（三参数法） (50)9.3.2 方向余弦法（九参数法） (53)9.3.3 四元数法（四参数法） (56)9.3.4 三种方法的对比 (68)9.4 捷联惯导初始对准的基本概念 (70)1. 导航与控制1.1 导航系统与控制系统“导航”一词在《辞海》中的解释为：“引导飞行器（或船舶）沿一定航线从一点运动到另一点的技术和方法”。
导航原理组合导航ppt课件
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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。
组合导航
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1
4.1 概述
一般而言，较理想的导航系统应具有以下性能：
①自主性强：不依赖天气、气候及其它外部条件；
②功能完备：可实时输出载体的全部运动参数，包 括位置、速度、姿态、角速度和加速度甚至角加速 度。
③精度高：提供足够精确的导航与控制参数；
④环境适应性好：在大的温度范围、恶劣的冲击、 振动及化学污染、烟尘等环境中能可靠工作；
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7
下面以外部位置信息阻尼方案为例予以说明。
利用天文导航系统得到的外部位置信息实现对 惯导系统阻尼的一种方案如图6.2所示：
r 为外部位置信息， c 为惯导系统的位置信息。
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8
图中， r为外部位置信息, 可由天文导航系统给出，
其和惯导系统输出的纬度信息相比较，以其差值
信号，通过k1,k2,k3环节反馈到系统中去。
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16
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9
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10
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。
第五章-惯性-天文-卫星组合导航技术说课讲解
2004年：上升到60%～70%； 1个架次/目标
关键
提高导航系统性能、同时降低成本
巡航导弹
弹道导弹
地空导弹
组合导航
远程空空导弹
制导炸弹
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
5.1 概述
• 几种常用的导航系统的优缺点
优点：
惯性
提供
导航系统
位置 速度 姿态
特点 ★ 完全自主、 运动参数完备
★ 短时精度高
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
5.2.2 基于集中滤波的SINS/CNS/GPS组合导航 (3) 系统误差模型
• 速度误差方程
.
V
x
. V y
.
0 0
0 0
0 0
f14 f 24
f15 f 25
V
x
f16 f 26
V
y
.
W
x
. W y
V z . x
0 1
. y
★ 广泛应用于武器装备
缺点：误差积累、成本较高
卫星
提供
导航系统
位置 速度
特点 优点：★ 全天候、高精度
★ 误差不积累
缺点：缺姿态信息、易被干扰
提供
天文 定姿系统
姿态
特点 优点：★ 自主、高精度
★ 误差不积累
缺点：无位置速度、气候受限
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院
5.1 概述
• SINS/GPS 组合导航的优缺点
瓶颈
导航制导系统（其误差占命中误差的70%）
导致
我国现役战略武器命中精度比要求值低5~10倍
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院