GNSS/INS组合导航原理组合导航原理 章红平章红平章红平章红平 Email: hpzhangwhu.edu.cnEmail: hpzhangwhu.edu.cnEmail: hpzhangwhu.edu.cnEmail: hpzhangwhu.edu.cnGNSS/INSGNSS/INS组合的需求与意义组合的需求与意义1.2 1.2 主要内容和范围主要内容和范围1.3 1.3 组合导航简介组合导航简介2意义：意义：导航技术导航技术是人类生活、航空航天的是人类生活、航空航天的共性关键基础技术！共性关键基础技术！3飞机飞机飞机飞机空间站空间站空间站空间站导弹导弹导弹导弹舰船舰船舰船舰船卫星卫星卫星卫星月球车月球车月球车月球车重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进4 JDAM JDAM低成本制导武器低成本制导武器 精确打击精确打击- -现代战争的主要手段！现代战争的主要手段！ 弹道导弹弹道导弹远程空空导弹远程空空导弹舰空导弹舰空导弹l l 精确打击精确打击精确打击精确打击 导航导航导航导航 技术技术技术技术 核心核心核心核心 技术技术技术技术 陆、海、空、天陆、海、空、天陆、海、空、天陆、海、空、天 武器系统武器系统武器系统武器系统 应用于应用于应用于应用于 精确制导精确制导精确制导精确制导 精确打击精确打击精确打击精确打击 必要必要必要必要 条件条件条件条件 重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进5目标信息获取是目标信息获取是目标信息获取是目标信息获取是精确打击的前提精确打击的前提精确打击的前提精确打击的前提高分辨率高分辨率高分辨率高分辨率对地观测系统对地观测系统对地观测系统对地观测系统必要必要条件条件惯性稳定技术惯性稳定技术惯性稳定技术惯性稳定技术技术技术瓶颈瓶颈国家中长期发展规划国家中长期发展规划1616个重大专项之一个重大专项之一! !美无人侦察机美无人侦察机“全全球鹰球鹰”在执行任务在执行任务侦察卫星侦察卫星机载高分辨率机载高分辨率SARSAR及其运动补偿系统及其运动补偿系统l l 对地观测对地观测对地观测对地观测重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进6 载人航天载人航天载人航天载人航天 探月工程探月工程探月工程探月工程 导航技术导航技术导航技术导航技术 关键关键关键关键 技术技术技术技术 l l 载人航天与探月工程载人航天与探月工程载人航天与探月工程载人航天与探月工程重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进7l l 二代卫星导航系统与大飞机二代卫星导航系统与大飞机二代卫星导航系统与大飞机二代卫星导航系统与大飞机引导载体从出发点到达目的地的技术和方法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、速度和姿态提供载体的导航参数，位置、速度和姿态9（1 1 1 1）何为导航？）何为导航？）何为导航？）何为导航？（2 2 2 2）与制导什么区别？）与制导什么区别？）与制导什么区别？）与制导什么区别？n n制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到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达目的地的技术和方法达目的地的技术和方法达目的地的技术和方法10制导系统（制导系统（制导系统（制导系统（Guidance SystemGuidance SystemGuidance SystemGuidance System）原理框图）原理框图）原理框图）原理框图运动运动运动运动参数参数参数参数导航导航导航导航系统系统系统系统飞行控制飞行控制飞行控制飞行控制计算机计算机计算机计算机执行执行执行执行机构机构机构机构控制控制控制控制指令指令指令指令舵偏角舵偏角航迹规划航迹规划航迹规划航迹规划11（3 3 3 3） 导航技术发展历史导航技术发展历史导航技术发展历史导航技术发展历史古代古代古代古代路标、指南针、天文等路标、指南针、天文等路标、指南针、天文等路标、指南针、天文等20202020年代年代年代年代磁罗盘、速度表、里程表磁罗盘、速度表、里程表磁罗盘、速度表、里程表磁罗盘、速度表、里程表仪表导航仪表导航仪表导航仪表导航30303030年代年代年代年代无线电导航无线电导航无线电导航无线电导航问世问世问世问世40-7040-7040-7040-70年代年代年代年代惯性导航系统、多普勒导航系统惯性导航系统、多普勒导航系统惯性导航系统、多普勒导航系统惯性导航系统、多普勒导航系统80808080年代末年代末年代末年代末全球卫星定位系统全球卫星定位系统全球卫星定位系统全球卫星定位系统问世问世问世问世1997199719971997年年年年惯性惯性惯性惯性/ / / /卫星组合导航系统卫星组合导航系统卫星组合导航系统卫星组合导航系统大量推广大量推广大量推广大量推广2001200120012001年年年年新型导航系统新型导航系统新型导航系统新型导航系统和和和和复合导航系统复合导航系统复合导航系统复合导航系统天文导航天文导航航海、航天航海、航天惯性导航惯性导航与惯性器件水平有关与惯性器件水平有关无线电导航无线电导航卫星导航卫星导航推算导航推算导航速度和航向速度和航向地形、景象匹配导航地形、景象匹配导航物理场匹配导航物理场匹配导航12（4 4 4 4）目前有哪些导航技术？）目前有哪些导航技术？）目前有哪些导航技术？）目前有哪些导航技术？惯性导航惯性导航基本原理基本原理13陀螺仪陀螺仪陀螺仪陀螺仪: : : : 定轴性定轴性定轴性定轴性 进动性进动性进动性进动性（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？加速度计加速度计加速度计加速度计矢矢矢矢量量量量矢矢矢矢量量量量在哪个坐标系里计算在哪个坐标系里计算在哪个坐标系里计算在哪个坐标系里计算? ?如何确定坐标系如何确定坐标系如何确定坐标系如何确定坐标系? ?Z Z Z ZX X X XY Y Y Y惯性仪表分类惯性仪表分类14（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？惯惯惯惯性性性性仪仪仪仪表表表表惯性敏感器件惯性敏感器件惯性敏感器件惯性敏感器件惯性技术惯性技术惯性技术惯性技术核核核核 心心心心传统机械陀螺仪传统机械陀螺仪传统机械陀螺仪传统机械陀螺仪光学陀螺仪光学陀螺仪光学陀螺仪光学陀螺仪MEMS/MOMES MEMS/MOMES MEMS/MOMES MEMS/MOMES 陀螺仪陀螺仪陀螺仪陀螺仪超导磁悬浮陀螺仪超导磁悬浮陀螺仪超导磁悬浮陀螺仪超导磁悬浮陀螺仪液浮陀螺仪三浮陀螺仪挠性陀螺仪静电陀螺仪激光陀螺仪光纤陀螺仪MEMS惯性器件MOEMS惯性器件振动陀螺仪振动陀螺仪振动陀螺仪振动陀螺仪半球谐振陀螺仪压电陀螺仪加速度计加速度计加速度计加速度计15（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？微机电微机电(MEMS)(MEMS)惯性器件惯性器件美国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 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）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 高精度光纤陀螺高精度光纤陀螺惯性导航惯性导航误差特性误差特性17（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？惯惯惯惯导导导导系系系系统统统统误误误误差差差差确定性误差确定性误差确定性误差确定性误差随机误差随机误差随机误差随机误差惯性器件常值误差惯性器件常值误差惯性器件常值误差惯性器件常值误差安装误差安装误差安装误差安装误差标度因数误差标度因数误差标度因数误差标度因数误差随机常值随机常值随机常值随机常值白噪声白噪声白噪声白噪声与加速度有关误差与加速度有关误差与加速度有关误差与加速度有关误差一阶马尔可夫过程一阶马尔可夫过程一阶马尔可夫过程一阶马尔可夫过程位置误差位置误差位置误差位置误差速度误差速度误差速度误差速度误差姿态误差姿态误差姿态误差姿态误差随时间随时间随时间随时间积累积累积累积累惯性导航惯性导航特点特点18（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？惯惯惯惯性性性性导导导导航航航航技技技技术术术术优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点自主性强自主性强自主性强自主性强短时间精度高短时间精度高短时间精度高短时间精度高连续提供位置、速度、姿态连续提供位置、速度、姿态连续提供位置、速度、姿态连续提供位置、速度、姿态误差随时间积累误差随时间积累误差随时间积累误差随时间积累价格昂贵（精度越高，价格越贵）价格昂贵（精度越高，价格越贵）价格昂贵（精度越高，价格越贵）价格昂贵（精度越高，价格越贵）惯性导航技术发展历史惯性导航技术发展历史191852185218521852年年年年傅科陀螺，验证了地球自转傅科陀螺，验证了地球自转傅科陀螺，验证了地球自转傅科陀螺，验证了地球自转1906190619061906年年年年安休兹制成安休兹制成安休兹制成安休兹制成陀螺方向仪陀螺方向仪陀螺方向仪陀螺方向仪惯性导航的先导惯性导航的先导惯性导航的先导惯性导航的先导1923192319231923年年年年 舒拉摆理论舒拉摆理论舒拉摆理论舒拉摆理论，陀螺仪的设计开始完善，陀螺仪的设计开始完善，陀螺仪的设计开始完善，陀螺仪的设计开始完善1942194219421942年年年年德国德国德国德国V2V2V2V2火箭火箭火箭火箭，两个陀螺和一个加速度计两个陀螺和一个加速度计两个陀螺和一个加速度计两个陀螺和一个加速度计1954195419541954年年年年 惯性导航系统惯性导航系统惯性导航系统惯性导航系统在飞机上试飞成功在飞机上试飞成功在飞机上试飞成功在飞机上试飞成功1958195819581958年年年年美国潜艇依靠美国潜艇依靠美国潜艇依靠美国潜艇依靠液浮陀螺平台惯导液浮陀螺平台惯导液浮陀螺平台惯导液浮陀螺平台惯导穿越北极穿越北极穿越北极穿越北极,21,21,21,21天天天天20美国美国美国美国DraperDraperDraperDraper实验室对当前陀螺仪发展现状分析实验室对当前陀螺仪发展现状分析实验室对当前陀螺仪发展现状分析实验室对当前陀螺仪发展现状分析 n n惯性导航技术现状惯性导航技术现状惯性导航技术现状惯性导航技术现状21 美国美国美国美国DraperDraperDraperDraper实验室对实验室对实验室对实验室对2020202020202020年陀螺仪发展趋势的预测年陀螺仪发展趋势的预测年陀螺仪发展趋势的预测年陀螺仪发展趋势的预测 n n惯性导航技术发展趋势惯性导航技术发展趋势惯性导航技术发展趋势惯性导航技术发展趋势22无线电导航技术无线电导航技术基本原理基本原理（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？23无线电导航技术无线电导航技术卫星导航技术卫星导航技术（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？无线电导航受区域限制无线电导航受区域限制无线电导航受区域限制无线电导航受区域限制80808080年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）年代开始发展卫星导航（将发射台放到卫星上）l l 美国美国美国美国GPS-GPS-GPS-GPS-GPXGPXGPXGPXl l 俄罗斯俄罗斯俄罗斯俄罗斯GLONASSGLONASSGLONASSGLONASSl l 北斗双星北斗双星北斗双星北斗双星l l 伽利略伽利略伽利略伽利略24卫星导航技术卫星导航技术误差特性误差特性（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？卫卫卫卫星星星星导导导导航航航航误误误误差差差差时钟误差时钟误差时钟误差时钟误差星历误差星历误差星历误差星历误差大气层误差大气层误差大气层误差大气层误差电离层延时误差电离层延时误差电离层延时误差电离层延时误差多路径效应多路径效应多路径效应多路径效应随机性误差随机性误差随机性误差随机性误差25卫星导航技术卫星导航技术特点特点（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？卫卫卫卫星星星星导导导导航航航航技技技技术术术术优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点精度高，误差不积累精度高，误差不积累精度高，误差不积累精度高，误差不积累全球，全天时，全天候全球，全天时，全天候全球，全天时，全天候全球，全天时，全天候接收机价格便宜接收机价格便宜接收机价格便宜接收机价格便宜成本昂贵，不为我国所有成本昂贵，不为我国所有成本昂贵，不为我国所有成本昂贵，不为我国所有不能输出姿态信息不能输出姿态信息不能输出姿态信息不能输出姿态信息输出不连续输出不连续输出不连续输出不连续26天文导航天文导航古老而又年轻的导航技术古老而又年轻的导航技术 天天文文导导航航是是一一种种利利用用光光学学敏敏感感器器测测得得的的天天体体（月月球球、地地球球、太太阳阳、其其他他行行星星和和恒恒星星）信信息息进行载体位置计算的定位导航方法。进行载体位置计算的定位导航方法。（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？l l完全天文定位导航完全天文定位导航完全天文定位导航完全天文定位导航l l基于航天器轨道动力学方程的定位导航基于航天器轨道动力学方程的定位导航基于航天器轨道动力学方程的定位导航基于航天器轨道动力学方程的定位导航27天文导航天文导航基本原理基本原理（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？l l舰船天文导航基本原理舰船天文导航基本原理舰船天文导航基本原理舰船天文导航基本原理 即通过观测不同天体或不同时刻观测同一天体，以各天即通过观测不同天体或不同时刻观测同一天体，以各天即通过观测不同天体或不同时刻观测同一天体，以各天即通过观测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，体投影点为圆心，各观测天体高度为半径画天文位置圆，体投影点为圆心，各观测天体高度为半径画天文位置圆，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。并求其交点来确定舰船的位置。并求其交点来确定舰船的位置。并求其交点来确定舰船的位置。获得高精度的获得高精度的天体高度天体高度和和确定天体投影点确定天体投影点是舰船天文是舰船天文导航的关键。导航的关键。28（5 5 5 5）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？）各种导航技术的特点？天天天天文文文文导导导导航航航航技技技技术术术术优点优点优点优点缺点缺点缺点缺点完全自主完全自主完全自主完全自主误差不积累误差不积累误差不积累误差不积累不仅可得位置信息、还可得到姿态信息不仅可得位置信息、还可得到姿态信息不仅可得位置信息、还可得到姿态信息不仅可得位置信息、还可得到姿态信息定位精度不够高（与敏感器精度有关）定位精度不够高（与敏感器精度有关）定位精度不够高（与敏感器精度有关）定位精度不够高（与敏感器精度有关）输出信息不连续输出信息不连续输出信息不连续输出信息不连续随机性误差随机性误差随机性误差随机性误差n n 天文导航的特点天文导航的特点天文导航的特点天文导航的特点29n n 天文导航的历史天文导航的历史天文导航的历史天文导航的历史l ll从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋从航海上发展而来，起源中国，明代郑和的过洋从航海上发展而来，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千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记录；录；录；录；录；录；l ll173117311731173117311731年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展年，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展成了六分仪；成了六分仪；成了六分仪；成了六分仪；成了六分仪；成了六分仪；六分仪天文钟l ll173517351735173517351735年年年年年年 约翰约翰约翰约翰约翰约翰哈里森哈里森哈里森哈里森哈里森哈里森 天文钟；天文钟；天文钟；天文钟；天文钟；天文钟；l ll183718371837183718371837年年年年年年 美国船长沙姆那发现等高线，可同时测美国船长沙姆那发现等高线，可同时测美国船长沙姆那发现等高线，可同时测美国船长沙姆那发现等高线，可同时测美国船长沙姆那发现等高线，可同时测美国船长沙姆那发现等高线，可同时测经纬度；经纬度；经纬度；经纬度；经纬度；经纬度；l ll187518751875187518751875年年年年年年 法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天文导航重要基础；文导航重要基础；文导航重要基础；文导航重要基础；文导航重要基础；文导航重要基础；l ll二十世纪中叶，二十世纪中叶，二十世纪中叶，二十世纪中叶，二十世纪中叶，二十世纪中叶，195019501950195019501950年后，随着载人航天技术的年后，随着载人航天技术的年后，随着载人航天技术的年后，随着载人航天技术的年后，随着载人航天技术的年后，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，尤其阿发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿发展，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。波罗登月，前苏联空间站。波罗登月，前苏联空间站。波罗登月，前苏联空间站。波罗登月，前苏联空间站。波罗登月，前苏联空间站。 30n n天文导航发展现状天文导航发展现状天文导航发展现状天文导航发展现状日期日期日期日期系统名称系统名称系统名称系统名称测量类型测量类型测量类型测量类型测量仪器测量仪器测量仪器测量仪器最高定位最高定位最高定位最高定位精度精度精度精度(1)(1)(1)(1)1977-1977-1977-1977-1981198119811981空间六分仪自空间六分仪自空间六分仪自空间六分仪自主导航和姿态主导航和姿态主导航和姿态主导航和姿态基准系统基准系统基准系统基准系统(SS/ANARS)(SS/ANARS)(SS/ANARS)(SS/ANARS)恒星方向，月恒星方向，月恒星方向，月恒星方向，月球球球球( ( ( (地球地球地球地球) ) ) )边缘边缘边缘边缘空间六分空间六分空间六分空间六分仪仪仪仪224224224224米米米米1979-1979-1979-1979-1985198519851985多任务姿态确多任务姿态确多任务姿态确多任务姿态确定和自主导航定和自主导航定和自主导航定和自主导航系统系统系统系统(MADAN)(MADAN)(MADAN)(MADAN)恒星方向，地恒星方向，地恒星方向，地恒星方向，地平方向平方向平方向平方向星敏感器星敏感器星敏感器星敏感器与地平仪与地平仪与地平仪与地平仪100100100100米米米米1988-1988-1988-1988-1994199419941994麦氏自主导航麦氏自主导航麦氏自主导航麦氏自主导航系统系统系统系统(MANS)(MANS)(MANS)(MANS)对地距离对地距离对地距离对地距离( ( ( (用用用用光学敏感器测光学敏感器测光学敏感器测光学敏感器测量量量量) ) ) )，对地、，对地、，对地、，对地、对日及对月的对日及对月的对日及对月的对日及对月的方向方向方向方向MANSMANSMANSMANS天天天天体敏感器体敏感器体敏感器体敏感器30303030米米米米推算导航推算导航基本原理基本原理31各种导航技术的特点？各种导航技术的特点？各种导航技术的特点？各种导航技术的特点？计程仪计程仪计程仪计程仪或里程表或里程表或里程表或里程表罗盘或罗盘或罗盘或罗盘或单轴陀螺单轴陀螺单轴陀螺单轴陀螺司司司司 南南南南指南车指南车指南车指南车记里鼓车记里鼓车记里鼓车记里鼓车推算导航推算导航特点特点32各种导航技术的特点？各种导航技术的特点？各种导航技术的特点？各种导航技术的特点？推推推推算算算算导导导导航航航航技技技技术术术术优点优点优点优点缺点：缺点：缺点：缺点：自主自主自主自主结构简单，成本低结构简单，成本低结构简单，成本低结构简单，成本低误差积累太大，限于要求不高的场合误差积累太大，限于要求不高的场合误差积累太大，限于要求不高的场合误差积累太大，限于要求不高的场合33 一、一、 组合导航技术组合导航技术34n n采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一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信息作量测量信息作量测量信息作量测量, , , ,从这些量测量中计算出各导航从这些量测量中计算出各导航从这些量测量中计算出各导航从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。系统的误差并校正之。系统的误差并校正之。系统的误差并校正之。n n采用组合导航技术的系统称为组合导航系统采用组合导航技术的系统称为组合导航系统采用组合导航技术的系统称为组合导航系统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。参与组合的各导航系统称为子系统。参与组合的各导航系统称为子系统。参与组合的各导航系统称为子系统。 二、二、 组合导航的基本方法组合导航的基本方法35n n回路反馈法回路反馈法回路反馈法回路反馈法 采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，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；并使各系统间实现性能互补；并使各系统间实现性能互补；并使各系统间实现性能互补；n n最优估计法最优估计法最优估计法最优估计法 采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估计出系统误差并消除之。计出系统误差并消除之。计出系统误差并消除之。计出系统误差并消除之。36INS/GPSINS/GPSINS/GPSINS/GPS组合导航系统组合导航系统组合导航系统组合导航系统 连续输出位置、速度、姿态连续输出位置、速度、姿态连续输出位置、速度、姿态连续输出位置、速度、姿态 误差随时间积累误差随时间积累误差随时间积累误差随时间积累 GPS GPS GPS GPS INS INS INS INS KF 精度高精度高精度高精度高 误差不积累误差不积累误差不积累误差不积累 输出不连续输出不连续输出不连续输出不连续 优势互补优势互补- -组合导航系统的最佳方案！组合导航系统的最佳方案！ 位置、速度、姿态位置、速度、姿态位置、速度、姿态位置、速度、姿态 三、三、 组合导航系统的功能组合导航系统的功能37 组合导航组合导航组合导航组合导航 系统功能系统功能系统功能系统功能 协合超越协合超越协合超越协合超越 优势互补优势互补优势互补优势互补 余度功能余度功能余度功能余度功能 充分利用各子系充分利用各子系充分利用各子系充分利用各子系统的导航信息，形统的导航信息，形统的导航信息，形统的导航信息，形成单个子系统不具成单个子系统不具成单个子系统不具成单个子系统不具备的功能和精度备的功能和精度备的功能和精度备的功能和精度 综合利用各子系综合利用各子系综合利用各子系综合利用各子系统信息，取长补短，统信息，取长补短，统信息，取长补短，统信息，取长补短，扩大使用范围扩大使用范围扩大使用范围扩大使用范围 各子系统感测同各子系统感测同各子系统感测同各子系统感测同一信息源，使测量一信息源，使测量一信息源，使测量一信息源，使测量冗余，提高整个系冗余，提高整个系冗余，提高整个系冗余，提高整个系统的可靠性统的可靠性统的可靠性统的可靠性 为为了了提提高高对对动动态态载载体体运运动动目目标标（导导弹弹、飞飞机机、卫卫星星、坦坦克克、车车辆辆、舰舰船船等等）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。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。单单一一传传感感器器提提供供的的信信息息很很难难满满足足目目标标跟跟踪踪或或状状态态估估计计的的精精度度要要求求，采采用用多多个个传传感感器器进进行行组组合合导导航航，并并将将多多类类信信息息按按某某种种最最优优融融合合准准则则进进行行最最优优融融合合，可可望提高目标跟踪或状态估计的精度。望提高目标跟踪或状态估计的精度。多多传传感感器器组组合合导导航航（多多星星座座卫卫星星组组合合、卫卫星星导导航航与与惯惯性性导导航航的的组组合合等等）成成为为导航系统的发展趋势。导航系统的发展趋势。组合导航系统组合导航系统背景背景GPSGPS、GLONASSGLONASS、BDBD及及GALILEOGALILEO卫卫星星导导航航系系统统，本本身身都都存存在在着着固固有有的的缺缺陷陷或或人人为施加的干扰，于是，使用单一的卫星导航系统存在着很大风险。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。GPSGPS系系统统受受美美国国国国家家政政策策的的影影响响，随随时时可可能能出出现现人人为为“故故障障”，使使得得非非美美国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。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。GLONASSGLONASS系系统统，虽虽然然尚尚无无明明确确的的信信号号干干扰扰政政策策，但但它它由由俄俄罗罗斯斯空空军军控控制制，特特殊殊时时期期的的应应用用难难以以保保证证，而而且且GLONASSGLONASS卫卫星星的的稳稳定定性性较较差差，导导航航精精度度也也成成问问题。题。5.2 5.2 多星座卫星导航组合多星座卫星导航组合5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 需求需求由于多星座提高了卫星星座的几何结构，增强了由于多星座提高了卫星星座的几何结构，增强了可用性（可用性（availabilityavailability）；GPS/GLONASS/COMPASS/GalileoGPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全全部部建建成成后后，卫卫星星覆覆盖盖率率将将极极大大增增强强（星星空空璀璀璨璨100100颗卫星以上），提高导航定位的连续性（颗卫星以上），提高导航定位的连续性（continuitycontinuity）；）；多多卫卫星星信信号号组组合合可可以以很很容容易易地地探探测测和和诊诊断断某某类类卫卫星星信信号号的的故故障障和和随随机机干干扰扰，并并及及时时予予以以排排除除或或及及时时给给用用户户发发送送预预警警信信息息，提提高高导导航航系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力，从而提高系统的从而提高系统的完好性完好性（integrityintegrity）；）；多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度。5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 卫星组合导航的性能优势卫星组合导航的性能优势5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 卫星组合导航的误差补偿优势卫星组合导航的误差补偿优势系统误差系统误差轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差；随机误差随机误差信号随机误差、轨道随机误差、钟差随机误差信号随机误差、轨道随机误差、钟差随机误差;有色噪声有色噪声太阳光压、随时间变化的钟差太阳光压、随时间变化的钟差;异常误差异常误差周跳、变轨误差周跳、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精度和可靠性。 卫星组合导航的缺点卫星组合导航的缺点1 1）存存在在信信号号遮遮挡挡。当当接接收收机机天天线线被被建建筑筑、隧隧道道等等遮遮挡挡时时，卫卫星星信信号号中中断断，无无法法定位。定位。2 2）抗抗干干扰扰能能力力差差。当当存存在在人人为为干干扰扰时时，接接收收机机码码环环环环路路很很容容易易失失锁锁，导导致致接接收收机无法定位。机无法定位。3 3）多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。4 4）数数据据输输出出频频率率低低。尽尽管管目目前前一一些些新新的的GPSGPS接接收收机机可可以以提提供供10 10 HzHz的的无无插插值值定定位位输出，但大多数接收机的定位输出频率仍然为输出，但大多数接收机的定位输出频率仍然为1 Hz1 Hz。5 5）GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO分别由各自研制国直接控制，使用权受制于人。分别由各自研制国直接控制，使用权受制于人。5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）尽尽管管卫卫星星定定位位系系统统具具有有较较高高精精度度和和较较低低的的成成本本，且且具具有有长长期期稳稳定定性性。多多类类导导航航卫卫星星组组合合仍仍然然不不能能完完全全摆摆脱脱卫卫星星信信号号受受遮遮挡挡而而不不能能实实施施导导航航的的风风险险。当当载载体体通通过过遂遂道道或或行行驶驶在在高高耸耸的的楼楼群群间间的的街街道道时时，这这种种信信号号盲盲区区一一般般不不能能通通过多类卫星组合加以克服。过多类卫星组合加以克服。INSINS由由于于具具有有全全天天候候、完完全全自自主主、不不受受外外界界干干扰扰、可可以以提提供供全全导导航航参参数数（位位置置、速速度度、姿姿态态）等等优优点点，是是目目前前最最主主要要的的导导航航系系统统之之一一。INSINS有有一一个个致致命命的缺点：的缺点：导航定位误差随时间积累导航定位误差随时间积累。5.3 5.3 卫星导航与惯性导航的组合卫星导航与惯性导航的组合 需求需求5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）可发现并标校惯导系统误差，提高可发现并标校惯导系统误差，提高导航精度导航精度。弥补卫星导航的信号缺损问题，提高弥补卫星导航的信号缺损问题，提高导航能力导航能力。提提高高卫卫星星导导航航载载波波相相位位的的模模糊糊度度搜搜索索速速度度，提提高高信信号号周周跳跳的的检检测测能能力力，提提高组合高组合导航的可靠性导航的可靠性。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容错功能。提高导航系统的抗干扰能力，提高提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性完好性。6 6、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） GNSS GNSS与与INSINS组合导航的优势组合导航的优势松组合又称级联松组合又称级联KalmanKalman滤波滤波(Cascaded Kalman Filter)(Cascaded Kalman Filter)方式。方式。观测量观测量INSINS和和GNSSGNSS输出的速度和位置信息的差值；输出的速度和位置信息的差值；系统方程系统方程INSINS线性化的误差方程；线性化的误差方程；通通过过扩扩展展KalmanKalman滤滤波波（Extended Extended Kalman Kalman Filter= Filter= EKFEKF）对对INSINS的的速速度度、位位置置、姿姿态态以以及及传传感感器器误误差差进进行行最最优优估估计计，并并根根据据估估计计结结果果对对INSINS进进行行输输出出或或者者反反馈馈校正。校正。6 6、卫星导航与惯性导航组合方式、卫星导航与惯性导航组合方式6.1 6.1 松散组合松散组合(Loosely-Coupled Integration)(Loosely-Coupled Integration) 松组合基本概念松组合基本概念GNSSGNSS接接收收机机通通常常通通过过自自己己的的KalmanKalman滤滤波波输输出出其其速速度度和和位位置置，这这种种组组合合导导致致滤滤波波器器的的串串联联，使使组组合合导导航航观观测测噪噪声声时时间间相相关关（有有色色噪噪声声），不不满满足足EKFEKF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。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INSINS具具有动基座对准能力。有动基座对准能力。 松组合的主要优点松组合的主要优点6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）观观测测量量根根据据GNSSGNSS接接收收机机收收到到的的星星历历信信息息和和INSINS输输出出的的位位置置和和速速度度信信息息，计计算算相相应应于于INSINS位位置置的的伪伪距距和和伪伪距距率率，GNSSGNSS接接收收机机测测量量得得到到的的伪伪距距和和伪伪距距速速率率与与INSINS计算值的差值。计算值的差值。通通过过EKFEKF对对INSINS的的误误差差和和GPSGPS接接收收机机的的误误差差进进行行最最优优估估计计，然然后后对对INSINS进进行行输输出出或或者者反馈校正。反馈校正。由由于于不不存存在在滤滤波波器器的的级级联联，并并可可对对GNSSGNSS接接收收机机的的测测距距误误差差进进行行建建模模，因因此此这这种种伪伪距距、伪伪距距率率组组合合方方式式比比位位置置、速速度度组组合合具具有有更更高高的的组组合合精精度度。而而且且在在可可见见星星的的个数少于个数少于4 4颗时也可以使用。颗时也可以使用。6.2 6.2 紧组合（紧组合（Tightly-Coupled IntegrationTightly-Coupled Integration）6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）开发了开发了GNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POS）软件，具备以下功）软件，具备以下功能能RTK，动态后处理精度达到了厘米级，动态后处理精度达到了厘米级PPP，动态后处理精度达到了厘米级，动态后处理精度达到了厘米级松组合，松组合，GNSS位置位置/速度与速度与IMU数据组合数据组合PPP紧组合，国内仅有的精密定位紧组合算法紧组合，国内仅有的精密定位紧组合算法轨迹、残差显示轨迹、残差显示GNSS/INSGNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POSPOS）软件）软件RTK数据处理界面数据处理界面PPP数据处理界面数据处理界面GNSS/INS松组合界面松组合界面GNSS PPP/INS紧组合界面紧组合界面POSPOS后处理软件后处理软件-GINS-GINS数据处理功能界面数据处理功能界面GINSGINS数据后处理结果数据后处理结果机载测试数据，与机载测试数据，与Inertial Explorer软件后处理软件后处理RTK结果比较结果比较PPP精密定位结果达到了厘米级精密定位结果达到了厘米级GINSGINS数据后处理结果数据后处理结果GINSGINS数据后处理结果数据后处理结果上图车载上图车载GPS动态测量动态测量 PPP结果，下图为结果，下图为GPS/INS紧组合紧组合PPP结结果，果，GPS/INS紧组合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。紧组合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。GPS/BDS/GLONASS多系统多系统GNSS/INS紧组合（伪距紧组合（伪距/多普勒）定位结果（与多普勒）定位结果（与RTK结果差异）结果差异）GINSGINS数据后处理结果数据后处理结果GINSGINS在高铁不平顺性监测中的应用在高铁不平顺性监测中的应用GINS软件分析的高铁轨道检测结果，软件分析的高铁轨道检测结果，与现行方法与现行方法德国德国Amberg GRP1000测量结果对比测量结果对比，精度在，精度在1mm以内，一致以内，一致性非常好。性非常好。GINSGINS在高铁不平顺性监测中的应用在高铁不平顺性监测中的应用深组合是使用惯性导航信息对深组合是使用惯性导航信息对GNSSGNSS接收机进行辅助导航的组合方式。接收机进行辅助导航的组合方式。主主要要思思想想：既既使使用用滤滤波波技技术术对对INSINS的的误误差差进进行行最最优优估估计计，同同时时使使用用校校正正后后的的INSINS速速度度信信息息对对接接收收机机的的载载波波环环、码码环环进进行行辅辅助助跟跟踪踪，从从而而减减小小环环路路的的等等效效带宽，增加带宽，增加GPSGPS接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。嵌嵌入入式式组组合合将将INSINS和和GNSSGNSS进进行行一一体体化化设设计计，通通过过共共用用电电源源、时时钟钟等等进进一一步步减减小体积、降低成本和减小非同步误差的影响。小体积、降低成本和减小非同步误差的影响。6.3 6.3 深组合（深组合（Deeply-Coupled IntegrationDeeply-Coupled Integration）6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）57GNSS/INSGNSS/INS组合导航种类组合导航种类惯导辅助卫导惯导辅助卫导卫导辅助惯导卫导辅助惯导GNSSINS组合组合动态响应滞后易受环境影响提供时间信息长期精度高全自主工作动态特性好无时间信息误差易发散58根据信息融合深度不同，GNSS和INS组合方式分为：松组合、紧组合和深组合。GNSS/INSGNSS/INS组合导航种类组合导航种类59松组合紧组合深组合信息融合深度GNSS导航结果GNSS观测量GNSS信号接收机调整不需要导航解算基带控制实现难度容易较难复杂动态性能一般较好优越完好性抗干扰能力差少于4颗卫星可持续更新好，接收机观测质量改善系统成本一般需要战术级以上IMU器件一般需要战术级以上IMU器件较低，可采用MEMS IMU现状低端商用？商用/军用研究/军用GNSS/INSGNSS/INS组合导航种类组合导航种类60深组合类型深组合类型根据接收机的跟踪环结构，GNSS/INS深组合可分为：标量深组合结构、矢量深组合结构。61目前商用和民用GNSS接收机产品普遍采用传统的标量跟踪结构，所以标量深组合结构的研究和实现更具可操作性。深组合类型深组合类型GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证62测试内容及条件测试内容及条件GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证63IMUIMU零偏类误差模型验证零偏类误差模型验证以IMU零偏类误差、辅助延迟为例仿真场景定量分析：载噪比50dB-Hz，OCXO，20ms相干积分，环路带宽10Hz、2Hz。对比普通二阶环、低精度惯导辅助PLL、中等精度惯导辅助PLL。采用统计平均方法分析：跟踪误差结果以秒为单位拆分为若干个样本，每个样本有50个数据，将所有样本对应时刻的数据取RMS测试结果与误差模型分析结果对比均表明，实际仿真测试结果得到的IMU零偏类误差对环路误差的影响规律与误差模型分析结果相吻合GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证64环路参数MTI-G（分析结果）MEMS（实测结果）FSAS（分析结果）IXSEA(实测结果)20ms，10Hz0.012rad0.004rad0.0003rad0.0008rad20ms，2Hz0.04rad0.0110.01rad0.0015radIMUIMU零偏类误差模型验证零偏类误差模型验证测试结果相对偏小的原因：v误差建模时传感器误差1:1的映射到辅助信息；实际测试时传感器误差根据卫星仰角按一定比例投影到多普勒辅助信息上v误差建模时，初始速度误差参数采用了的是整秒修正后的速度误差；接收机工作时，实际影响环路误差的是整秒时刻速度修正量。两者的大小关系与测试结果相吻合v仿真测试选用的惯导参数与理论分析时也不尽不同GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证65多普勒延迟模型验证多普勒延迟模型验证较低动态（较低动态（0.5g）较高动态（较高动态（2.5g）结果与模型相符。中等精度惯导辅助的跟踪环中，辅助信息延迟可能比IMU零偏类误差、标度因子类误差对环路误差影响更大。多普勒辅助延迟是前馈支路中不可忽略的误差源，延迟误差在高动态环境下表现得尤其突出，辅助延迟是深组合工程设计中必须要重视的问题。GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证66辅助前后的环路误差辅助前后的环路误差动态仿真场景测试环路误差：卫星仰角34,载噪比为50dB-Hz，最大加速度2.5g，TCXO；辅助前后的不同带宽、不同积分时间跟踪环性能对比测试。（文中有较低动态结果）普通普通PLLINS辅助辅助PLLGNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证67动态车载场景环路误差：PRN19（80）,载噪比50dB-Hz, PRN13（45）,载噪比48dB-Hz, 最大加速度0.5g，TCXO；辅助前后的20ms、2Hz跟踪环性能对比测试。多普勒相对变化多普勒相对变化普通普通PLL低精度惯导辅助低精度惯导辅助PLL中等精度惯导辅助中等精度惯导辅助PLL结论：仿真及实测测试结果与前文中的误差模型分析结果相符。为了响应动态变化，普通跟踪环的带宽不能过窄、积分时间不能过长；INS辅助跟踪环在保证动态响应的同时，可以通过压缩环路带宽、加长积分时间抑制噪声影响；在一般动态条件下，低精度惯导对环路的辅助作用明显。（论文中对瞬态响应也进行了详细的分析验证）辅助前后的环路误差辅助前后的环路误差GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证68开环跟踪误差验证开环跟踪误差验证采用仿真场景验证:情况1:在组合导航正常更新的前提下，对卫星PRN22连续开环控制10s（4s-14s），测试低精度惯导、中等精度惯导惯导开环控制结果;情况2:组合导航不更新情况下，进行相应测试情况情况1：低精度惯导：低精度惯导情况情况1:中等精度惯导中等精度惯导情况情况2:低精度惯导低精度惯导情况情况2:中等精度惯导中等精度惯导结论：在少数卫星信号遮挡时，低精度惯导可以持续开环跟踪载波频率，中等精度惯导可以持续开环跟踪载波相位；在所有卫星信号遮挡时，只能维持几秒的开环跟踪载波相位。结论与开环误差模型分析结论一致，验证了开环跟踪误差模型的正确合理。69