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1、GNSS/INS组合导航原理,章红平,Email: hpzhang,GNSS/INS组合的需求与意义 1.2 主要内容和范围 1.3 组合导航简介,2,内 容,意义：导航技术是人类生活、航空航天的共性关键基础技术！,3,GNSS/INS组合的需求与意义,飞机,空间站,导弹,舰船,卫星,月球车,重大需求牵引导航技术与时俱进,4,JDAM低成本制导武器,精确打击-现代战争的主要手段！,弹道导弹,远程空空导弹,舰空导弹,精确打击,重大需求牵引导航技术与时俱进,5,国家中长期发展规划16个重大专项之一!,美无人侦察机“全球鹰”在执行任务,侦察卫星,机载高分辨率SAR及其运动补偿系统,对地观测,重大需求
2、牵引导航技术与时俱进,6,载人航天与探月工程,重大需求牵引导航技术与时俱进,7,二代卫星导航系统与大飞机,1、 为什么要学习组合导航,8,1.2 课程的主要内容和范围,组合导航,何为导航？ 与制导什么区别？ 有哪些导航技术？ 为什么要组合？ 如何进行组合？,引导载体从出发点到达目的地的技术和方法 提供载体的导航参数，位置、速度和姿态,9,1、为什么要学习组合导航？,（1）何为导航？,（2）与制导什么区别？,制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到达目的地的技术和方法,10,制导系统（Guidance System）原理框图,运动 参数,导航 系统,飞行控制 计算机,执行 机构,控制 指令,舵偏
3、角,航迹规划,11,（3） 导航技术发展历史,天文导航航海、航天 惯性导航与惯性器件水平有关 无线电导航卫星导航 推算导航速度和航向 地形、景象匹配导航 物理场匹配导航,12,（4）目前有哪些导航技术？,惯性导航基本原理,13,陀螺仪: 定轴性 进动性,（5）各种导航技术的特点？,加速度计,矢量,矢量,在哪个坐标系里计算? 如何确定坐标系?,惯性仪表分类,14,（5）各种导航技术的特点？,惯性仪表,15,（5）各种导航技术的特点？,微机电(MEMS)惯性器件,美国Draper实验室研制的MEMS陀螺仪精度以达1/h,美国AD公司研制单片集成的微陀螺仪，年产量数百万只,Honeywell公司分辨
4、率 50 g谐振式加速度计,AD公司研制三轴单片 集成的微加速度计,16,（5）各种导航技术的特点？,光纤陀螺特点： 精度高 响应速度快 动态范围大 主要研究内容和关键技术包括: 新型高稳定光纤光源技术 全数字信号检测技术 误差机理及建模补偿方法 光纤陀螺可靠性设计方法,法国IXSEA公司研制的高精度光纤陀螺精度为0.001/h,美国LITTON公司正在 研制战略级光纤陀螺 精度达10-4 /h量级,高精度光纤陀螺,惯性导航误差特性,17,（5）各种导航技术的特点？,惯性器件常值误差,安装误差,标度因数误差,随机常值,白噪声,与加速度有关误差,一阶马尔可夫过程,位置误差 速度误差 姿态误差,随
5、时间 积累,惯性导航特点,18,（5）各种导航技术的特点？,自主性强,短时间精度高,连续提供位置、速度、姿态,误差随时间积累,价格昂贵（精度越高，价格越贵）,惯性导航技术发展历史,19,20,美国Draper实验室对当前陀螺仪发展现状分析,惯性导航技术现状,21,美国Draper实验室对2020年陀螺仪发展趋势的预测,惯性导航技术发展趋势,22,无线电导航技术基本原理,（5）各种导航技术的特点？,23,无线电导航技术卫星导航技术,（5）各种导航技术的特点？,无线电导航受区域限制,80年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）,美国GPS-GPX 俄罗斯GLONASS 北斗双星 伽利略,24,卫
6、星导航技术误差特性,（5）各种导航技术的特点？,时钟误差,星历误差,大气层误差,电离层延时误差,多路径效应,随机性误差,25,卫星导航技术特点,（5）各种导航技术的特点？,精度高，误差不积累,全球，全天时，全天候,接收机价格便宜,成本昂贵，不为我国所有,不能输出姿态信息,输出不连续,26,天文导航古老而又年轻的导航技术 天文导航是一种利用光学敏感器测得的天体（月球、地球、太阳、其他行星和恒星）信息进行载体位置计算的定位导航方法。,（5）各种导航技术的特点？,完全天文定位导航 基于航天器轨道动力学方程的定位导航,27,天文导航基本原理,（5）各种导航技术的特点？,舰船天文导航基本原理 即通过观测
7、不同天体或不同时刻观测同一天体，以各天体投影点为圆心，各观测天体高度为半径画天文位置圆，并求其交点来确定舰船的位置。,获得高精度的天体高度和确定天体投影点是舰船天文导航的关键。,28,（5）各种导航技术的特点？,完全自主,误差不积累,不仅可得位置信息、还可得到姿态信息,定位精度不够高（与敏感器精度有关）,输出信息不连续,随机性误差,天文导航的特点,29,天文导航的历史,从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记录； 1731年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展成了六分仪；,六分仪,天文钟,1735年 约翰哈里森 天文钟； 1837年 美国船长沙姆那发
8、现等高线，可同时测经纬度； 1875年 法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天文导航重要基础； 二十世纪中叶，1950年后，随着载人航天技术的发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿波罗登月，前苏联空间站。,30,天文导航发展现状,推算导航基本原理,31,各种导航技术的特点？,计程仪 或里程表,罗盘或 单轴陀螺,司 南,指南车,记里鼓车,推算导航特点,32,各种导航技术的特点？,自主,结构简单，成本低,误差积累太大，限于要求不高的场合,33,组合导航简介,一、 组合导航技术,34,组合导航简介,采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一信息作量测量,从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。,
9、采用组合导航技术的系统称为组合导航系统 参与组合的各导航系统称为子系统。,二、 组合导航的基本方法,35,回路反馈法 采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，并使各系统间实现性能互补；,最优估计法 采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估计出系统误差并消除之。,36,INS/GPS组合导航系统,连续输出位置、速度、姿态 误差随时间积累,GPS,INS,KF,精度高 误差不积累 输出不连续,优势互补-组合导航系统的最佳方案！,位置、速度、姿态,三、 组合导航系统的功能,37,充分利用各子系统的导航信息，形成单个子系统不具备的功能和精度,综合利用各子系统信息，取长补短，扩大使用范围,各子系统感测同一信
10、息源，使测量冗余，提高整个系统的可靠性,为了提高对动态载体运动目标（导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等）的跟踪精度或对动态系统的状态估计精度，需要多传感器的组合导航。 单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求，采用多个传感器进行组合导航，并将多类信息按某种最优融合准则进行最优融合，可望提高目标跟踪或状态估计的精度。 多传感器组合导航（多星座卫星组合、卫星导航与惯性导航的组合等）成为导航系统的发展趋势。,组合导航系统,背景,GPS、GLONASS、BD及GALILEO卫星导航系统，本身都存在着固有的缺陷或人为施加的干扰，于是，使用单一的卫星导航系统存在着很大风险。 GPS系统受
11、美国国家政策的影响，随时可能出现人为“故障”，使得非美国的盟国不能利用卫星资源，或其卫星信号中存在显著的异常干扰。 GLONASS系统，虽然尚无明确的信号干扰政策，但它由俄罗斯空军控制，特殊时期的应用难以保证，而且GLONASS卫星的稳定性较差，导航精度也成问题。,5.2 多星座卫星导航组合,5、组合导航系统（续）,需求,由于多星座提高了卫星星座的几何结构，增强了可用性（availability）； GPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，卫星覆盖率将极大增强（星空璀璨100颗卫星以上），提高导航定位的连续性（continuity）； 多卫星信号组合可以很容易地探测和
12、诊断某类卫星信号的故障和随机干扰，并及时予以排除或及时给用户发送预警信息，提高导航系统的抗干扰能力，从而提高系统的完好性（integrity）； 多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度。,5、组合导航系统（续）,卫星组合导航的性能优势,5、组合导航系统（续）,卫星组合导航的误差补偿优势,系统误差轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差； 随机误差信号随机误差、轨道随机误差、钟差随机误差; 有色噪声太阳光压、随时间变化的钟差; 异常误差周跳、变轨误差。,利用多种导航卫星信号有利于误差补偿提高导航定位的精度和可靠性。,卫星组合导航的缺点,1）存在信号遮挡。当接收机天线被建筑、隧道等遮挡时，卫星信号中断，无法
13、定位。 2）抗干扰能力差。当存在人为干扰时，接收机码环环路很容易失锁，导致接收机无法定位。 3）多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。 4）数据输出频率低。尽管目前一些新的GPS接收机可以提供10 Hz的无插值定位输出，但大多数接收机的定位输出频率仍然为1 Hz。 5）GPS、GLONASS、GALILEO分别由各自研制国直接控制，使用权受制于人。,5、组合导航系统（续）,尽管卫星定位系统具有较高精度和较低的成本，且具有长期稳定性。多类导航卫星组合仍然不能完全摆脱卫星信号受遮挡而不能实施导航的风险。当载体通过遂道或行驶在高耸的楼群间的街道时，这种信号盲区一般不能通过多类卫星组合加以克服。 I
14、NS由于具有全天候、完全自主、不受外界干扰、可以提供全导航参数（位置、速度、姿态）等优点，是目前最主要的导航系统之一。INS有一个致命的缺点：导航定位误差随时间积累。,5.3 卫星导航与惯性导航的组合,需求,5、组合导航系统（续）,可发现并标校惯导系统误差，提高导航精度。 弥补卫星导航的信号缺损问题，提高导航能力。 提高卫星导航载波相位的模糊度搜索速度，提高信号周跳的检测能力，提高组合导航的可靠性。 可以提高卫星导航接收机对卫星信号的捕获能力，提高整体导航效率。 增加观测冗余度，提高异常误差的监测能力，提高系统的容错功能。 提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性。,6、组合导航系统（续）,GNS
15、S与INS组合导航的优势,松组合又称级联Kalman滤波(Cascaded Kalman Filter)方式。 观测量INS和GNSS输出的速度和位置信息的差值； 系统方程INS线性化的误差方程； 通过扩展Kalman滤波（Extended Kalman Filter= EKF）对INS的速度、位置、姿态以及传感器误差进行最优估计，并根据估计结果对INS进行输出或者反馈校正。,6、卫星导航与惯性导航组合方式,6.1 松散组合(Loosely-Coupled Integration),松组合基本概念,GNSS接收机通常通过自己的Kalman滤波输出其速度和位置，这种组合导致滤波器的串联，使组合导
16、航观测噪声时间相关（有色噪声），不满足EKF观测噪声为白噪声的基本要求，严重时可能使滤波器不稳定。 几乎无冗余信息，不利于异常诊断，不利于进行随机模型改化 。,松组合的主要缺点,系统结构简单，易于实现，可以大幅度提高系统的导航精度，并使INS具有动基座对准能力。,松组合的主要优点,6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）,观测量根据GNSS接收机收到的星历信息和INS输出的位置和速度信息，计算相应于INS位置的伪距和伪距率，GNSS接收机测量得到的伪距和伪距速率与INS计算值的差值。 通过EKF对INS的误差和GPS接收机的误差进行最优估计，然后对INS进行输出或者反馈校正。 由于不存在滤波器的级联，并可对GNSS接收机的测距误差进行建模，因此这种伪距、伪距率组合方式比位置、速度组合具有更高的组合精度。而且在可见星的个数少于4颗时也可以使用。,6.2 紧组合（Tight
