第八章組合導(dǎo)航與工作模式

8.3組合導(dǎo)航系統(tǒng)的工作模式8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航8.2基本的組合導(dǎo)航系統(tǒng)和要求8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法第八章組合導(dǎo)航的概念和工作模式8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航8.1.1組合導(dǎo)航：

兩種或兩種以上的導(dǎo)航技術(shù)的組合，組合后的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng)，克服了單一導(dǎo)航系統(tǒng)的局限性，充分發(fā)揮了各自導(dǎo)航系統(tǒng)的獨(dú)特性，能夠利用多種信息源，構(gòu)成一種有多余度和導(dǎo)航準(zhǔn)確度更高的多功能系統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通過測量飛行器的加速度(慣性)，并自動(dòng)進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得飛行器瞬時(shí)速度和瞬時(shí)位置數(shù)據(jù)的技術(shù)。組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)備都安裝在飛行器內(nèi)，工作時(shí)不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。

8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航8.1.2慣性導(dǎo)航的主要特點(diǎn)：

1）工作自主性強(qiáng)，慣性導(dǎo)航僅依靠機(jī)載，彈載設(shè)備感測加速度，不依靠其他信息可以獨(dú)立的完成導(dǎo)航任務(wù)，是自主性最強(qiáng)的導(dǎo)航方法；2）提供最全面的導(dǎo)航參數(shù)。既可以為飛機(jī)導(dǎo)彈艦船提供加速度的、速度和位置姿態(tài)，也可以與飛行控制器交聯(lián)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)的自動(dòng)駕駛；3）抗干擾能力強(qiáng)，適用條件寬，不受天氣的影響，滿足全天候的要求。8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航慣性導(dǎo)航的突出缺點(diǎn)：

導(dǎo)航精度隨時(shí)間增長而降低，由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件是陀螺儀，陀螺儀的漂移誤差使得穩(wěn)定的平臺隨著時(shí)間的不斷增長而偏離基準(zhǔn)位置的角度越來越大，導(dǎo)航精度不斷降低。就目前的制造工藝來看，要繼續(xù)提高陀螺儀的精度已經(jīng)很困難，而且代價(jià)相當(dāng)高。8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航8.1.3組合導(dǎo)航8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航GPS和INS具有優(yōu)勢互補(bǔ)的特點(diǎn)。以適當(dāng)?shù)姆椒▽烧呓M合可以克服各自缺點(diǎn)，取長補(bǔ)短，組合后的導(dǎo)航精度高于兩個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)工作的精度。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)還表現(xiàn)為，對于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)慣性傳感器的校準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的空中對準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)高度通道的穩(wěn)定等，從而可以有效地提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和精度。而對于GPS系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助可以提高其跟蹤衛(wèi)星的能力，提高接收機(jī)的動(dòng)態(tài)特性和抗干擾性。另外，GPS與INS組合還可以實(shí)現(xiàn)GPS完整性的檢測，從而提高可靠性，便于實(shí)現(xiàn)慣性導(dǎo)航和GPS的同步，減小非同步誤差。總之，GPS與INS組合可以構(gòu)成一種比較理想的導(dǎo)航系統(tǒng)，是目前組合導(dǎo)航技術(shù)的主要形式之一。8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航8.1.4組合導(dǎo)航的實(shí)質(zhì)：

以計(jì)算機(jī)為中心，將各個(gè)導(dǎo)航傳感器送來的信息加以綜合和最優(yōu)化數(shù)據(jù)處理，然后多導(dǎo)航參數(shù)進(jìn)行綜合顯示或者輸出，其中的導(dǎo)航傳感器包含各種導(dǎo)航設(shè)備和計(jì)算機(jī)外部的設(shè)備等實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航的關(guān)鍵：

各種傳感器數(shù)據(jù)的處理方法，或者稱為數(shù)據(jù)的融合8.1慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航8.2基本的組合導(dǎo)航8.2.1組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本功能：

根據(jù)不通的要求，組合導(dǎo)航系統(tǒng)有多種形式，但多以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為主要的分系統(tǒng)，其功能為：1）協(xié)合功能，利用分系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，形成分系統(tǒng)所不具備的導(dǎo)航功能2）互補(bǔ)功能，組合后的系統(tǒng)功能能雖然與各分系統(tǒng)的導(dǎo)航功能相同，但它能綜合利用分系統(tǒng)的特點(diǎn)，擴(kuò)大了使用范圍并且提高了精度；3）余度功能，兩種或者以上的導(dǎo)航系統(tǒng)的組合具有導(dǎo)航余度的功能，增加了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性8.2基本的組合導(dǎo)航8.2.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)類型：

1）慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)2）慣性/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)3）慣性/測向測距離導(dǎo)航系統(tǒng)4）慣性/天文導(dǎo)航系統(tǒng)8.2基本的組合導(dǎo)航1）慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)

目前，倍受世界矚目的是慣導(dǎo)與GPS的組合，這不僅因?yàn)閮烧叨际侨?、全天候、全時(shí)間的導(dǎo)航設(shè)備，而且它們都能提供十分完全的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。兩者優(yōu)勢互補(bǔ)并能消除各自的缺點(diǎn)，使GPS/工NS的應(yīng)用越來越廣泛。以適當(dāng)?shù)姆椒▽烧呓M合起來成為一個(gè)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，必定可以提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度及導(dǎo)航性能，而且使慣導(dǎo)具有空中再對準(zhǔn)的能力。GPS接收機(jī)在慣導(dǎo)位置和速度信息的輔助下，也將大大改善捕獲、跟蹤和再捕獲的能力，并且在衛(wèi)星分布條件或可見星少的情況下，不致影響導(dǎo)航精度。8.2基本的組合導(dǎo)航慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢：1）GPS/INS組合改善了系統(tǒng)精度

高精度的GPS信息可以用來修正INS，控制其誤差隨時(shí)間的積累。利用GPS信息可以估計(jì)出INS的誤差參數(shù)以及GPS接收機(jī)的鐘差等。另一方面，利用INS短時(shí)間內(nèi)定位精度較高和數(shù)據(jù)采樣率高的特點(diǎn)，可以為GPS提供輔助信息。利用這些輔助信息，GPS接收機(jī)可以保持較低的跟蹤帶寬，從而可以改善系統(tǒng)重新俘獲衛(wèi)星信號的能力.

慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢：2）GPS/INS組合加強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力

當(dāng)GPS信號受到高強(qiáng)度干擾，或當(dāng)衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，INS系統(tǒng)可GPS接收機(jī)提供有關(guān)的初始位置、速度等信息，以供在迅速重新獲取GPS碼和載波時(shí)使用。INS系統(tǒng)信號也可用來輔助GPS接收機(jī)的天線對準(zhǔn)GPS衛(wèi)星，從而減小了干擾對系統(tǒng)的影響。

8.2基本的組合導(dǎo)航8.2基本的組合導(dǎo)航慣性/衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)勢：3）解決周跳問題

對于GPS載波相位測量，INS可以很好地解決GPS周跳和信號失鎖后整周模糊度參數(shù)的重新解算，也降低了至少4顆衛(wèi)星可見的要求。4）解決GPS動(dòng)態(tài)應(yīng)用采樣頻率低的問題

在某些動(dòng)態(tài)應(yīng)用領(lǐng)域，高頻INS數(shù)據(jù)可以在GPS定位結(jié)果之間高精度內(nèi)插所求事件發(fā)生的位置(如航空相機(jī)曝光瞬間的位置測定)。8.2基本的組合導(dǎo)航

目前，以美國“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈為代表的對地攻擊導(dǎo)彈中制導(dǎo)方式仍然是慣導(dǎo)+輔助導(dǎo)航系統(tǒng)。由于美國軍用GPS具有相當(dāng)高的精度并且使用方便，美國和其它一些西方國家都在中段制導(dǎo)中，采用GPS作為慣導(dǎo)的輔助導(dǎo)航系統(tǒng)而不再采用地形匹配。此外，許多新型制導(dǎo)武器如洛馬公司研制的“聯(lián)合防區(qū)外空地導(dǎo)彈”(JASSM)和波音公司制造的“聯(lián)合直接攻擊彈藥”(JDAM)等均依靠GPS/INS進(jìn)行高精度制導(dǎo)。8.2基本的組合導(dǎo)航2）慣性/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)

多普勒雷達(dá)輸出的地速信號精度較高，但瞬間的噪聲較大，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供精確的航向信息，且速度信息的瞬態(tài)性能好，但精度不高，兩者結(jié)合可降低速度誤差，提高慣性平臺的姿態(tài)精度，從而抑制位置誤差的增大。應(yīng)用卡爾曼濾波技術(shù)可以估計(jì)出陀螺的漂移等干擾量，是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的性能得到改善，因此慣性/多普勒組合導(dǎo)航系統(tǒng)屬于自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，常用于軍用飛機(jī)。8.2基本的組合導(dǎo)航

此外，多普勒雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)還可以與GPS導(dǎo)航系統(tǒng)組合，多普勒導(dǎo)航雷達(dá)與GPS的組合系統(tǒng)曾在海灣戰(zhàn)爭中經(jīng)受實(shí)戰(zhàn)的考驗(yàn)，證明它是一種適應(yīng)性強(qiáng)、造價(jià)低、精度高的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。它不過份依賴于GPS，即使在C/A碼的情況下，位置精度也高達(dá)10余米。這對當(dāng)前慣導(dǎo)尚未普遍使用的國家有一定的現(xiàn)實(shí)意義。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓展和使用要求的變化，當(dāng)今和將來的不少應(yīng)用場合，8.2基本的組合導(dǎo)航3）慣性/測向測距組合導(dǎo)航系統(tǒng)

慣性/測向測距導(dǎo)航系統(tǒng)能夠直接改善慣性導(dǎo)航的定位精度和慣性平臺的姿態(tài)精度，也可以對慣性平臺進(jìn)行空中對準(zhǔn)，對準(zhǔn)時(shí)間約為30min，測向系統(tǒng)的方位角誤差較大，故方位角對準(zhǔn)的精度也差。如果用雙測距系統(tǒng)來組合，則可以改善方位對準(zhǔn)精度，既可以間段組合，也可以連續(xù)組合。這種系統(tǒng)可以用來對慣性平臺進(jìn)行空中在對準(zhǔn)，使運(yùn)載體在地面臺覆蓋區(qū)域以外能夠用對準(zhǔn)后的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航。8.2基本的組合導(dǎo)航3）慣性/天文導(dǎo)航系統(tǒng)

天文導(dǎo)航最早是由航海方面發(fā)展而來，其基本原理是利用光學(xué)儀器(如六分儀)人工觀測星體高度角，進(jìn)而確定航行體的位置。目前發(fā)展為星體跟蹤器，利用光學(xué)或射電望遠(yuǎn)鏡接收星體發(fā)射的電磁波進(jìn)而測量高度角及方位角，從而推算航行體在地球上的位置及航向。在空氣稀薄的高空，天文導(dǎo)航對宇宙航行是比較理想的。但在地球附近，天文導(dǎo)航受到云層及氣象條件的限制。組合導(dǎo)航中的天文導(dǎo)航能夠估計(jì)出陀螺的漂移，還可以估計(jì)真實(shí)的平臺姿態(tài)誤差，從而實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航的功能。8.2基本的組合導(dǎo)航8.2.3組合導(dǎo)航的基本要求

1）導(dǎo)航精度和可靠性

導(dǎo)航的精度和可靠性指標(biāo)是組合導(dǎo)航系統(tǒng)的根本指標(biāo)，通過研究可行性組合方案，分析系統(tǒng)誤差并建立模型，應(yīng)用信息融合技術(shù)和智能方法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和定位，克服單個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的不足，因此在原有的導(dǎo)航基礎(chǔ)上應(yīng)該有精度上的改進(jìn)，對導(dǎo)航結(jié)果的可靠性有進(jìn)一步的提高

8.2基本的組合導(dǎo)航8.2.3組合導(dǎo)航的基本要求

2）實(shí)時(shí)導(dǎo)航

對于飛機(jī)，導(dǎo)彈等大型快速運(yùn)行的物體而言，導(dǎo)航參數(shù)輸出的實(shí)時(shí)性又很重大的意義，如果輸出的導(dǎo)航參數(shù)延遲，即使具有較高的精度，也是沒有意義的，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，現(xiàn)代組合導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)一般采用的是卡爾曼濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)的融合。3）小型化與一體化大型運(yùn)載體為導(dǎo)航設(shè)備提供的空間有限，必須使導(dǎo)航設(shè)備小型化。

8.2基本的組合導(dǎo)航8.2.4組合導(dǎo)航的研究內(nèi)容

1）導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成

微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，航天技術(shù)，通訊技術(shù)，智能信息處理技術(shù)，信息融合技術(shù)2）組合系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)方法

從各相互的系統(tǒng)之間找到合理的最佳導(dǎo)航參數(shù)3）組合導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用小型化，智能化，新理論，新方法，新結(jié)構(gòu)8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.4建立導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型的原則8.3.1

系統(tǒng)的基本構(gòu)成8.3.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作模式：8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.1系統(tǒng)的基本構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)的構(gòu)成是：

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)：完全自主的定位導(dǎo)航系統(tǒng)，可以連續(xù)提供位置、速度和姿態(tài)信息，在短時(shí)間內(nèi)精度高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)：能夠全天候?qū)崟r(shí)的提供三維位置和速度信息

天文導(dǎo)航系統(tǒng)：信號源不再載體上的自主定位導(dǎo)航技術(shù)，能夠提供載體精確的姿態(tài)信息，且誤差不隨時(shí)間積累8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作方式：8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作方式：8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.2組合導(dǎo)航系統(tǒng)工作模式：組合導(dǎo)航系統(tǒng)有多種工作模式，設(shè)計(jì)組合導(dǎo)航的工作模式，實(shí)質(zhì)是設(shè)計(jì)一種具有可行性的，能夠高效利用子系統(tǒng)導(dǎo)航信息的工作方式：1）重調(diào)法2）深耦合法3）淺耦合法4）淺耦合－深耦合混合型組合模式8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式1）重調(diào)法這種方法是一種早期的組合導(dǎo)航模式，在重調(diào)法組合模式中，總是假定衛(wèi)星的導(dǎo)航精度高于慣性導(dǎo)航的導(dǎo)航精度，衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)大約每秒產(chǎn)生一次位置速度等導(dǎo)航信息，當(dāng)獲取衛(wèi)星導(dǎo)航參數(shù)時(shí)，組合導(dǎo)航系統(tǒng)直接以衛(wèi)星導(dǎo)航的輸出參數(shù)代替慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出參數(shù)，這么樣就限制了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的漂移，使系統(tǒng)精度限制在衛(wèi)星導(dǎo)航誤差的范圍之內(nèi)。8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式2）深耦合法深耦合工作模式是指在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，利用各種導(dǎo)航傳感器的觀測信息，獲得導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)估計(jì)或次最優(yōu)估計(jì)，同時(shí)利用各個(gè)傳感器之間的各自優(yōu)點(diǎn)以及濾波得到的關(guān)于各導(dǎo)航傳感器的參數(shù)估計(jì)值，在傳感器之間進(jìn)行相互輔助，相互修正，以減少傳感器各自的系統(tǒng)誤差與量測誤差，提高估計(jì)精度。8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式3）淺偶合法淺耦合，是指各傳感器之間并不相互修正與輔助，只是利用各傳感器的觀測信息，通過狀態(tài)估計(jì)，得到關(guān)于導(dǎo)航參數(shù)的最優(yōu)或次最優(yōu)估計(jì)。深耦合組合方式的優(yōu)點(diǎn)：減少各傳感器的誤差量，使得量測信息更為準(zhǔn)確淺耦合組合方式的優(yōu)點(diǎn)：無需在各傳感器之間相互修正4）淺偶合法－深耦合混合型組合模式8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法組合導(dǎo)航系統(tǒng)的多源信息結(jié)構(gòu)、融合模型與算法是構(gòu)造最優(yōu)組合系統(tǒng)的核心問題，目前一般是采用卡爾曼濾波理論的狀態(tài)估計(jì)方法。狀態(tài)是來自于現(xiàn)代控制理論，包含了導(dǎo)航參數(shù)與誤差量兩部分：導(dǎo)航參數(shù):位置，速度，誤差量：陀螺儀誤差，加速度計(jì)誤差系數(shù)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間誤差8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法直接法：直接以各導(dǎo)航子系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)輸出參數(shù)作為狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航的濾波方式8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法直接法濾波的特點(diǎn)：

1）直接法的模型系統(tǒng)方程直接描述系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)的動(dòng)態(tài)過程，它能教準(zhǔn)確地反映真實(shí)狀態(tài)的演變情況；2）直接法的模型系統(tǒng)方程是慣性導(dǎo)航力學(xué)編排方程和某些誤差變量方程的綜合；3）直接法的系統(tǒng)方程都是非線性方程，卡爾曼濾波必須采用廣義濾波；4）直接法濾波的系統(tǒng)狀態(tài)量數(shù)值相差太大8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法間接法間隔濾波是指以各個(gè)子系統(tǒng)的誤差量作為狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航的濾波處理方法。兩種工作方法：

1)將估計(jì)量作為組合系統(tǒng)導(dǎo)航參數(shù)的輸出，這種方法稱為開環(huán)法或輸出校正法2)將估計(jì)反饋到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星信號接收機(jī)中，估計(jì)出的導(dǎo)航參數(shù)就作為慣性導(dǎo)航力學(xué)編排中的相應(yīng)參數(shù)。估計(jì)出誤差作為校正量，將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或其他設(shè)備中的相應(yīng)誤差量校正掉，稱為反饋校正法8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法間接法濾波輸出校正示意圖8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.3導(dǎo)航狀態(tài)估計(jì)方法間接法濾波反饋校正示意圖8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式組合導(dǎo)航系統(tǒng)容錯(cuò)方案組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，導(dǎo)航系統(tǒng)信息獲取的方式不通，噪聲和故障也不相同，各導(dǎo)航系統(tǒng)既互為冗余又相互補(bǔ)充8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.3.4建立導(dǎo)航系統(tǒng)誤差模型的原則1）誤差模型的形式，誤差模型的形式應(yīng)與所采用的信息融合方法相適應(yīng)2）誤差模型的階次，模型的階次越高，信息融合的難度就越大，數(shù)據(jù)處理的計(jì)算量也就越大3）系統(tǒng)噪聲的考查陀螺儀結(jié)構(gòu)8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式慣性平臺的結(jié)構(gòu)8.3組合導(dǎo)航的基本構(gòu)成模式與工作方式8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4.1信息融合的定義8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4.2信息融合的來源和特點(diǎn)8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4.3信息融合技術(shù)的發(fā)展

信息融合是近十年發(fā)展起來的信息處理技術(shù)，它是將各種途徑、任意時(shí)間和任意空間上獲得的信息作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合分析處理，為決策及控制奠定基礎(chǔ)。最初信息融合技術(shù)是為滿足戰(zhàn)爭的需求而發(fā)展起來的，目前軍事領(lǐng)域仍然是信息融合的最大應(yīng)用領(lǐng)域，也是發(fā)展最快的領(lǐng)域。信息融合又稱數(shù)據(jù)融合，首先提出數(shù)據(jù)融合一詞的是美國。早在1973年，美國研究機(jī)構(gòu)就在國防部的自主下開始了聲納信號理解系統(tǒng)的研究，數(shù)據(jù)融合技術(shù)在這一系統(tǒng)中得到了最早的體現(xiàn)。1984年，美國國防部成立了數(shù)據(jù)融合專家組，指導(dǎo)、組織并協(xié)調(diào)有關(guān)這一關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)性研究，此后，發(fā)達(dá)國家紛紛開展信息融合系統(tǒng)的研究，相繼出現(xiàn)了幾十個(gè)實(shí)戰(zhàn)型軍用信息融合系統(tǒng)。早期著重于研究增強(qiáng)計(jì)算能力，有效的聯(lián)合數(shù)據(jù)和改進(jìn)傳感器群的性能，并且主要是基于軍事應(yīng)用；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，它得到了驚人的發(fā)展，并開發(fā)出了一些實(shí)用的系統(tǒng)，如預(yù)警系統(tǒng)、武器系統(tǒng)的指揮和控制、情報(bào)保障系統(tǒng)、軍事力量的評估和指揮系統(tǒng)等，這些成果在海灣戰(zhàn)爭中得到很好的驗(yàn)證。8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法信息融合技術(shù)的發(fā)展8.4.4信息融合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法

信息融合是一個(gè)逐層抽象理解的過程，先由底層傳感器接收目標(biāo)及環(huán)境信息，完成底層融合，產(chǎn)生較抽象的信息并傳往高層，最終至用戶處理層。近二十年來，人們提出多種信息融合模型。如UK情報(bào)環(huán)、Boyd控制回路(OODA環(huán))、JDL模型、瀑布模型、Dasarathy模型，其中心思想都是在信息融合過程中進(jìn)行多級處理。8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4.5信息融合的功能模型為了更加精確、全面地完成對目標(biāo)定位、特征估計(jì)，從而更確切地提供局部和全局的態(tài)勢和威脅估計(jì)，資源的管理是融合系統(tǒng)必不可少的部分，它對資源的合理調(diào)度和科學(xué)配置起著重要作用，從而構(gòu)成了信息融合的閉環(huán)功能框架，包括信息獲取、融合、專家干預(yù)、任務(wù)計(jì)劃的形成、傳感器管理及執(zhí)行控制。8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法信息融合的功能模型8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法信息融合的功能模型8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法信息融合的結(jié)構(gòu)8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法信息融合特點(diǎn)1)提高了對目標(biāo)或環(huán)境描述的能力2)提高了對系統(tǒng)描述的精度3)提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率4）提高了系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力5）可降低系統(tǒng)的成本信息融合的層次

數(shù)據(jù)層融合：首先將全部傳感器的觀測數(shù)據(jù)融合，然后從融合的數(shù)據(jù)中提取特征向量，并進(jìn)行判斷識別特征層融合：每種傳感器提供從觀測數(shù)據(jù)中提取的有代表性的特征，這些特征融合成單一的特征向量，然后運(yùn)用模式識別的方法進(jìn)行處理8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法決策層融合：在每個(gè)傳感器對目標(biāo)做出識別后，將多個(gè)傳感器的識別結(jié)果進(jìn)行融合，由于對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行了濃縮，能夠?qū)?dǎo)航結(jié)果提供更加準(zhǔn)確的信息四層結(jié)構(gòu)方式信號級融合，像素級融合，特征級融合，符號級融合8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法數(shù)據(jù)層融合8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法特征層融合8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法決策層融合四級分類模型8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法屬性信息融合結(jié)構(gòu)8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法靈活的屬性信息融合結(jié)構(gòu)8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法信息融合的基本方法1）加權(quán)平均法2）數(shù)理統(tǒng)計(jì)法，極大似然估計(jì)，貝葉斯估計(jì)3）證據(jù)決策理論：將傳感器采集的信息作為證據(jù)，并在決策目標(biāo)集上建立一個(gè)相應(yīng)的基本可信度4）選舉決策法：布爾代數(shù)融合不同傳感器5）卡爾曼濾波6）自適應(yīng)性人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法貝葉斯估計(jì)信息融合方法

貝葉斯估計(jì)是融合靜態(tài)環(huán)境中多傳感器底層信息的常用方法。它使傳感器信息依據(jù)概率原則進(jìn)行則和，測量不確定性以條件概率表示。貝葉斯推理方法解決了傳統(tǒng)推理方法的某些缺點(diǎn)，它把每個(gè)傳感器看作是一個(gè)貝葉斯估計(jì)器，用于將每一個(gè)目標(biāo)各自的關(guān)聯(lián)概率分布綜合成一個(gè)聯(lián)合后驗(yàn)分布函數(shù)，然后隨觀測值的到來，不斷更新假設(shè)的該聯(lián)合分布的似然函數(shù)的極大或極小值進(jìn)行信息的最后融合。它的主要缺點(diǎn)是:定義先驗(yàn)似然函數(shù)比較困難;當(dāng)有多個(gè)可能的假設(shè)和多個(gè)條件相關(guān)事件時(shí)，計(jì)算復(fù)雜8.4組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)方法統(tǒng)計(jì)決策理論信息融合方法

在系統(tǒng)決策分析中，先討論單個(gè)傳感器的決策分析，單個(gè)傳感器接收的觀測量通過決策規(guī)則得到對目標(biāo)分類決策的估計(jì)，經(jīng)過多次接收判決后，得到對目標(biāo)分類判決的多個(gè)估計(jì)值，將這些估計(jì)值送到融合中心，可