組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)

1、組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用特點(diǎn) 報(bào)告人：周亞軍報(bào)告人：周亞軍 學(xué)號(hào)：學(xué)號(hào)：21201210662120121066 方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)依靠自身攜帶的陀螺儀和加速 度計(jì)，可以連續(xù)地提供包括航向、姿態(tài)在內(nèi)的全 部導(dǎo)航參數(shù)，具有較高的短期精度和良好的穩(wěn)定 性，尤其是在自主性和抗干擾性能方面，慣性導(dǎo) 航無可替代。 但是，在長時(shí)間的連續(xù)獨(dú)立工作過程中，慣 性導(dǎo)航系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)是導(dǎo)航定位誤差會(huì)隨 時(shí)間而積累。為解決這一問題，一種方法是選擇 高精度的慣性器件，但這會(huì)耗費(fèi)很大的成本，且 慣性器件精度的提高是

2、有限的；另一種方法就是 采用組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以慣性導(dǎo)航為基準(zhǔn)，輔助以 外界的導(dǎo)航信息源，改善慣性系統(tǒng)的精度。 最早出現(xiàn)的 組合導(dǎo)航系統(tǒng)是 慣導(dǎo)與多普勒雷 達(dá)的組合，利用 慣導(dǎo)高精度姿態(tài) 信息穩(wěn)定多普勒 雷達(dá)天線，而多 普勒長期精度較 高，可以對(duì)慣導(dǎo) 實(shí)施空中對(duì)準(zhǔn)。 組合導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng) 組合導(dǎo)航系統(tǒng)是指把兩種或兩種以上不同 的導(dǎo)航系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在一起，形成一 個(gè)有機(jī)的整體，利用其性能上的互補(bǔ)特性，以 獲得比單獨(dú)使用任一系統(tǒng)時(shí)更高的系統(tǒng)性能。 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的分類組合導(dǎo)航系統(tǒng)的分類 根據(jù)不同的應(yīng)用要求與目的，可以構(gòu)成不同的組 合導(dǎo)航系統(tǒng)，由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主性，目前 多以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主

3、導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成組合導(dǎo)航系 統(tǒng)。根據(jù)輔助導(dǎo)航信息源的不同，組合導(dǎo)航系統(tǒng) 主要可分為： 慣性-衛(wèi)星組合導(dǎo)航 慣性-地形組合導(dǎo)航 慣性-地磁組合導(dǎo)航 慣性-星光（天文）組合導(dǎo)航 慣性-視覺組合導(dǎo)航 無線電、重力 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理 組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用慣性系統(tǒng)以外的輔助導(dǎo)航信息源 以提高慣性系統(tǒng)的精度，通過將一個(gè)或多個(gè)慣性系統(tǒng)的 輸出信號(hào)與外部源相同量的獨(dú)立測量值進(jìn)行比較，根據(jù) 這些測量值的差導(dǎo)出對(duì)慣性系統(tǒng)的修正值，適當(dāng)組合這 些信息，就有可能獲得比單獨(dú)使用慣性系統(tǒng)更高的精度。 組合導(dǎo)航系統(tǒng)方法組合導(dǎo)航系統(tǒng)方法 考慮以慣性導(dǎo)航為主的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其組合方式 有三種： 重調(diào)方式 在

4、慣性導(dǎo)航工作過程中，利用輔助導(dǎo)航源得到的位 置量測信息對(duì)慣性導(dǎo)航位置進(jìn)行校正。這是一種利 用回路之外的導(dǎo)航信息來校正的工作方式，因此， 慣導(dǎo)回路的響應(yīng)特性沒有任何變化。 阻尼方式 利用慣性導(dǎo)航與輔助導(dǎo)航源的測量差，通過反饋去修 正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，使導(dǎo)航誤差減小。但這種方式在機(jī) 動(dòng)情況下，阻尼效果并不理想。 最優(yōu)組合方式（采用卡爾曼濾波器） 自20世紀(jì)60年代現(xiàn)代控制理論出現(xiàn)以后，根據(jù)最優(yōu) 控制理論和卡爾曼濾波方法設(shè)計(jì)的濾波器成為組合 導(dǎo)航的重要方法，它是將各類傳感器提供的導(dǎo)航信 息應(yīng)用卡爾曼濾波方法進(jìn)行信息處理，卡爾曼濾波 是一種遞推線性最小方差估計(jì)，以此可以得出慣導(dǎo) 系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計(jì)值，再由

5、控制器對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn) 行校正，使得系統(tǒng)誤差最小。 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn) 組合導(dǎo)航內(nèi)各子系統(tǒng)之間能取長補(bǔ)短，使系統(tǒng)總精 度得以提高。 一旦某系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可由子系統(tǒng)繼續(xù)工作，或以 工作組合模式的轉(zhuǎn)換來保證系統(tǒng)的正常工作，提高 了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 各子系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)聯(lián)接，以最優(yōu)估計(jì)理論（卡爾曼 濾波技術(shù)）為理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)定位的自動(dòng)化和能連 續(xù)實(shí)時(shí)的提供所需的導(dǎo)航定位參數(shù)。 慣性慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航衛(wèi)星組合導(dǎo)航 衛(wèi)星導(dǎo)航是利用 空間中位置和速度已 知的導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo) 航定位的技術(shù)，通過 測定載體到導(dǎo)航衛(wèi)星 的距離、距離差等參 數(shù)，并結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星 的瞬時(shí)位置來確定載 體位置。 衛(wèi)星導(dǎo)航

6、衛(wèi)星導(dǎo)航 目前主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS、俄 羅斯的GLONASS、我國的北斗和歐洲的GALILEO。 衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)了全天候、全天時(shí)、全球無源 式三維導(dǎo)航定位，定位精度高，定位誤差不隨 時(shí)間而增長。 但鑒于軍事應(yīng)用的特殊要求，衛(wèi)星導(dǎo)航也存 在諸多不足，如當(dāng)載體做機(jī)動(dòng)飛行時(shí)易受無線 電等干擾，容易受到遮擋，無法使用于水下和 控制權(quán)問題，導(dǎo)致導(dǎo)航性能下降。 INS/GPS組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航 INS/GPS組合導(dǎo)航是目前應(yīng)用最為廣泛的組合導(dǎo) 航系統(tǒng)。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，GPS和慣性導(dǎo)航 可以有不同水平的組合，具體可分為： 松組合 GPS重調(diào)慣性導(dǎo)航系統(tǒng) 位置、速度組合 緊組合 偽距、偽距率組合

7、深組合（超緊組合） a. GPS重調(diào)慣性導(dǎo)航重調(diào)慣性導(dǎo)航 GPS和慣性導(dǎo)航各自獨(dú)立工作，用GPS的位 置、速度直接重調(diào)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出，當(dāng)GPS 工作時(shí)顯示GPS的位置和速度，當(dāng)GPS停止工作 時(shí)，慣導(dǎo)在原顯示基礎(chǔ)上變化，即GPS停止工作 瞬時(shí)的位置和速度作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的初值。 b. 位置、速度組合位置、速度組合 把 GPS和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息進(jìn)行加權(quán)平均， 用位置速度組合。 用GPS和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息的差值作為觀 測值，經(jīng)組合卡爾曼濾波，估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，然后 對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正，如圖。 該組合的缺點(diǎn)是GPS的位置和速度誤差與時(shí)間相關(guān)。 偽距、偽距率緊組合偽距、偽距率緊組合

8、緊組合模式的優(yōu)點(diǎn)緊組合模式的優(yōu)點(diǎn) GPS與慣導(dǎo)系統(tǒng)集成，可以實(shí)現(xiàn)硬件一體化， 導(dǎo)航計(jì)算精度高，實(shí)際應(yīng)用更為有效。 不需要同時(shí)跟蹤4顆以上的衛(wèi)星，才能進(jìn)行組 合導(dǎo)航計(jì)算。 使用一個(gè)卡爾曼濾波器，當(dāng)GPS不能正常工 作時(shí)，慣導(dǎo)系統(tǒng)暫時(shí)提供導(dǎo)航參數(shù)。 慣性慣性/星光組合導(dǎo)航星光組合導(dǎo)航 慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將星光導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航 組合，利用星敏感器提供的高精度姿態(tài)信息對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng) 進(jìn)行校正，并對(duì)慣性器件的漂移進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)高 精度導(dǎo)航，特別適用于遠(yuǎn)程、長航時(shí)的飛行器，如長航 時(shí)無人機(jī)、遠(yuǎn)程巡航或彈道導(dǎo)彈、空天往返飛行器、近 地空間飛行器等應(yīng)用領(lǐng)域。 星光導(dǎo)航星光導(dǎo)航 星光導(dǎo)航依靠天體 敏感器觀測

9、的天體方位 信息，可以解算獲得包 括載體高度角、方位角 在內(nèi)的位置及姿態(tài)信息。 星光導(dǎo)航自主性強(qiáng)， 隱蔽性好，抗電磁干擾 能力強(qiáng)，定位和定向精 度高，且誤差不隨時(shí)間 積累，是長時(shí)間運(yùn)行載 體自主導(dǎo)航的重要方向。 慣性慣性/地形組合導(dǎo)航地形組合導(dǎo)航 慣性/地形組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將慣性導(dǎo)航與地形匹配 導(dǎo)航相結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng)，地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主 導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過機(jī)載高度計(jì)和地形匹配技術(shù)，將地 面輪廓與存儲(chǔ)的地形圖比較匹配，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載體的無源定 位。 慣性/地形組合導(dǎo)航系統(tǒng)可用于無人偵察機(jī)、無人 轟炸機(jī)和精確制導(dǎo)武器上，如德國的金牛、法國的風(fēng)暴 陰影、俄羅斯的白楊導(dǎo)彈等。 慣性慣性/地磁組合導(dǎo)航地磁組合導(dǎo)航 地磁信息具有無源、穩(wěn)定以及與地理位置有對(duì)應(yīng)關(guān) 系的特點(diǎn)，地磁導(dǎo)航是通過將地理坐標(biāo)系中的磁場測量 值與存儲(chǔ)的磁偏角和磁傾角圖進(jìn)行比較，或者通過對(duì)磁 場異常的匹配來獲得位置坐標(biāo)。 利用慣性/地磁組合導(dǎo)航可以校正慣性導(dǎo)航長時(shí)間 運(yùn)行的誤差，是解決高精度長航時(shí)自主導(dǎo)航的有效手段。 慣性慣性/視覺組合導(dǎo)航視覺組合導(dǎo)航 視覺圖像中含有豐富