组合导航系统的基本原理及应用特点
组合导航的基本构成与工作模式
闭环法或反馈校正法
输出校正
开环法或输出校正法将估计值作为组
合系统导航参数的输出,或作为惯性导 航系统导航参数的校正量。
反馈校正
闭环法或反馈校正法是将估计反馈到惯性导航
系统和辅助导航系统中，估计出的导航参数就作 为惯性导航力学编排中的相应参数，估计出的误 差作为校正量，将惯性导航系统或其它导航设各 中的相应误差量校正掉。
Vy
R V V x sec x sec tg R R
Vx V tg ie cos x x R R R V V V x ie sin ie sin x tg y y R R R ie sin
直接法
直接以各导航子系统的导航输出参数作为 状态
间接法
间接滤波是指以各子系统的误差量作为状态、实 现组合导航的滤波处理方法。间接滤波中的各个 状态量都是误差量，系统方程是指状态误差量的
运动方程。估计出的是误差量。
直接法和间接法的比较
（1）直接法较准确的反应真实状态的演变情 况，间接法是按一阶近似推导出来的，有一定 的近似性。
组合导航系统的工作模式
惯性导航系统与GPS导航的组合，根据不同的应用要 求可以有不同方式的组合，按照组合的深度，可分为 以下三类： 重调法 松组合 紧组合
重调法
当获取卫星导航参数时，组合导航系统直接以卫星导 航的输出参数代替惯性导航系统的输出参数。
在下一次获得卫星导航参数前，惯性系统在被修正后 的精度基础上，按固有规律继续工作并输出导航参数， 同时也继续产生新的误差积累，直到被下一次获取的 卫星导航信息修正。
组合导航关键技术
组合导航系统是将载体( 飞机、舰船等) 上的导航设备组合成一个统一的系统，利用两种或两种以上的设备提供多重信息，构成一个多功能、高精度的冗余系统。
组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作, 成为导航系统发展的方向。
在所有的组合导航系统中，以北斗与惯性导航系统INS 组合的系统最为理想, 而深组合方式是北斗与惯性导航系统( INS) 组合的最优方法。
鉴于GPS 的不可依赖性，北斗卫星导航系统与INS 的组合是我国组合导航系统的发展趋势，我国自主研制北斗/INS深组合导航系统需要解决的关键技术。
1 北斗/惯导深组合导航算法深组合导航算法是由INS导航结果推算出伪距、伪距率，与北斗定位系统观测得到的伪距、伪距率作差得到观测量。
通过卡尔曼滤波对INS的误差和北斗接收机的误差进行最优估计，并根据估计出的INS误差结果对INS进行反馈校正, 使INS保持高精度的导航。
同时利用校正后的INS 速度信息对北斗接收机的载波环、码环进行辅助跟踪, 消除载波跟踪环和码跟踪环中载体的大部分动态因素, 以降低载波跟踪环和码跟踪环的阶数，从而减小环路的等效带宽, 增加北斗接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。
其组合方式如图 1所示，图中只画出了北斗的一个通道，其他通道均相同。
图 1 深组合方式框图组合导航参数估计是组合导航系统研究的关键问题之一。
经典Kalman滤波方法是组合导航系统中使用最广泛的滤波方法，但由于动态条件下组合导航系统状态噪声和量测噪声的统计信息的不准确，常导致滤波精度的下降，影响组合导航的性能。
滤波初值的选取与方差矩阵的初值对滤波结果的无偏性和稳定性有较大的影响，不恰当的选择可能导致滤波过程收敛速度慢，甚至有可能发散。
另外系统误差模型的不准确也会导致滤波过程的不稳定。
渐消记忆自适应滤波方法通过调节新量测值对估计值的修正作用来减小系统误差模型不准确对滤波过程的影响。
当系统模型不准确时，增强旧测量值对估计值的修正作用，减弱新测量值对估计值的修正作用。
导航系统的原理如何定位和导航
导航系统的原理如何定位和导航导航系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分，它通过使用卫星导航系统和其他技术，为用户提供准确的定位和导航服务。
本文将介绍导航系统的原理，包括定位和导航的过程。
一、全球卫星定位系统（GNSS）全球卫星定位系统（GNSS）是现代导航系统的核心，其基本原理是通过接收卫星信号来确定接收器的位置。
这些卫星距离地球几万公里，每个卫星都以固定的速度绕地球运行，同时向地面发射信号。
接收器接收到来自多颗卫星的信号后，通过计算信号传播的时间和接收到的信号强度，可以得出接收器的位置信息。
二、定位过程1. 接收卫星信号：导航系统的接收器通过天线接收卫星发射的信号。
天线需要面向开阔的天空，以确保能够接收到足够的卫星信号。
2. 信号传播时间计算：接收器同时接收到多颗卫星的信号，并测量信号从卫星到接收器的传播时间。
根据传播时间，可以获得接收器与每颗卫星之间的距离。
3. 定位计算：接收器通过与多颗卫星的距离组合，使用三角定位原理计算出自身的位置。
通过测量多颗卫星到接收器之间的距离，交叉计算并确定接收器的位置坐标。
4. 定位误差校正：定位过程中可能存在误差，例如信号传播的延迟以及大气层对信号的影响。
系统会使用校正算法对误差进行修正，以提供更准确的定位结果。
三、导航过程1. 目的地输入：用户在导航系统中输入目的地的地址或坐标。
导航系统将根据这些信息规划最佳的行驶路线。
2. 路线规划：导航系统根据用户输入的目的地和当前位置，利用地图数据和路况信息规划最优路线。
路线规划考虑了交通流量、道路类型、限速等因素，以提供最佳的导航建议。
3. 导航指引：导航系统会在行驶过程中提供语音或图像指引，指示用户在何时、何处转向或行驶。
导航器会根据实时定位信息和路线规划，持续更新导航指引，确保用户沿着正确的路线行驶。
4. 实时路况信息：现代导航系统通常会提供实时交通信息，以帮助用户选择最佳路线。
这些信息通过接收其他车辆或交通设施传输的数据，并与地图数据进行匹配，以提供准确的路况情报。
组合导航定位的基本原理
组合导航定位的基本原理
组合导航定位的基本原理是通过将多个传感器的信息进行组合，以提供更准确、鲁棒的定位结果。
这种方法通常使用不同类型的传
感器，如全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、地面参考站、惯性测量单元（IMU）等。
这些传感器提供的信息经过组合和融合，可以弥补彼此的局限性，从而提高定位的精度和可靠性。
组合
导航定位的基本原理是利用多传感器的信息相互校准和补偿，以实
现高精度、鲁棒的定位结果。
通过对传感器数据进行融合和处理，
可以减少误差和提高定位的准确性，从而满足不同应用场景对定位
精度的要求。
这种方法在航空航天、自动驾驶、室内定位等领域得
到广泛应用，为定位技术的发展提供了重要的支持。
组合导航
测绘与国土信息工程
组合导航系统容错方案
随着现代数学、现代控制理论及计算机技术的发展， 组合导航在其研究过程中，在以提高导航精度为主要 目标的同时，逐步从单纯的组合导航系统向着容错组 合与智能组合的方向发展。这就要求在卡尔曼滤波信 息融合过程中,应具有故障检测与容错的功能。 容错滤波技术的作用就是正确地提取各个导航系统的 信息，它的一个重要功能是判断各子系统的信息。当 局部系统发生故障时，对故障进行有效检测并完成在 有故障情况下的滤波处理，以保证整个系统的输出不 被错误信息污染。
测绘与国土信息工程
扩展卡尔曼滤波
在状态方程或测量方程为非线性时，通常采用扩展卡尔曼滤波 (EKF)。EKF对非线性函数的Taylor展开式进行一阶线性化截断 ，忽略其余高阶项，从而将非线性问题转化为线性，可以将卡 尔曼线性滤波算法应用于非线性系统中。这样以来，解决了非 线性问题。EKF虽然应用于非线性状态估计系统中已经得到了学 术界认可并为人广泛使用，然而该种方法也带来了两个缺点， 其一是当强非线性时EKF违背局部线性假设，Taylor展开式中被 忽略的高阶项带来大的误差时，EKF算法可能会使滤波发散；另 外，由于EKF在线性化处理时需要用雅克比(Jacobian)矩阵，其 繁琐的计算过程导致该方法实现相对困难。所以，在满足线性 系统、高斯白噪声、所有随机变量服从高斯(Gaussian)分布这3 个假设条件时，EKF是最小方差准则下的次优滤波器，其性能依 赖于局部非线性度。
1960年发表的论文 《A New Approach to Linear Filtering and Prediction Problem（线性滤波与预 测问题的新方法）
测绘与国土信息工程
测绘与国土信息工程
测绘与国土信息工程
卫星导航技术专题讲座_三_第6讲组合导航技术
卫星导航技术专题讲座(三)第6讲 组合导航技术Ξ徐 荣,边东明,张更新(解放军理工大学通信工程学院训练部,江苏南京210007)摘 要:组合导航是导航技术发展的重要方向。
随着科学技术的发展,出现了多种导航手段,而各种导航手段都有自己的优缺点,在很多应用中依赖单一手段无法达到某些应用需求。
为了获得更好的导航性能,可以将各种导航手段有机组合起来,互相取长补短,使整个导航系统的性能优化。
常用的组合方式有惯性导航与卫星导航的组合以及多卫星导航系统的组合。
未来也将会有新的导航手段和组合方式出现,推动组合导航技术不断发展。
关键词:组合导航;惯性导航;卫星导航中图分类号:TN 967.1文献标识码:A 文章编号:CN 3221289(2010)0120100205Inte g ra te d Na v iga tion Te chnique sX U R ong ,B IA N D ong 2m ing ,ZH A N G Geng 2x in(T raining D epartm ent I CE ,PLAU ST ,N anjing 210007,Ch ina )A bs tra c t :In tegrated navigati on is an i m po rtan t research field of navigati on techno logy .W iththe developm en t of science and techno logy ,m any navigati on m ethods have been inven ted ,bu t have their ow n advan tages and disadvan tages ,and can ′t m eet app licati on needs individually .To ach ieve better perfo r m ance ,all k inds of navigati on m ethod can be in tegrated .T hese m ethods he 2lp each o ther to ach ieve m o re effective capab ility .T he in tegrati on of the inertial navigati on and satellite navigati on together w ith in tegrati on of the differen t satellite navigati on system s are w idely u sed .In the fu tu re ,new navigati on m ethods and in tegrati on s w ill be p ropo sed ,and the in tegrated navigati on techn iques w ill con tinue to flou rish .Ke y w o rds :in tegrated navigati on ;inertial navigati on ;satellite navigati on随着科学技术的发展,导航的手段越来越丰富。
导航基本原理-组合导航
2）把惯导和GPS输出的位置和速度信息进 行加权平均，其原理框图如图6.6所示。在 短时间工作的情况下，惯导精度较高。而长 时间工作时，由于惯导误差随时间增长，因 此惯导输出的权随工作时间增加而减小。
二、用位置、速度信息综合（反馈校正方 式）
这是采用综合卡尔曼滤波器的一种综合模式， 其原理框图如图6.7所示。用GPS和惯导输出的 位置和速度信息的差值作为量测值，经综合卡 尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后对惯导 系统进行校正。
综合系统的状态方程为
X 1 (t) F1 (t) X1 (t) G1 (t)W1 (t)
X [E ,N ,U ,VE ,VN ,VU ,L,,h,bx,by,bz ,rx,ry ,rz ,x,y ,z ]T
W [gx ,gy ,gz ,bx ,by ,bz ,ax ,ay ,az ]T
措施：可以设计一个简单的噪声方差估计器，估计器 的输入是惯性传感器的输出，利用估计结果，动态调 解滤波中的噪声方差，使卡尔曼滤波器具有自适应滤 波性质，可使滤波效果得到改善。
4.4 GPS/惯性组合导航系统
4.4.1 GPS/惯性组合导航模式
惯性导航系统由于其工作的完全自主性和导航 功能的完备性决定了在完全综合导航系统中的 主体地位。而GPS全球定位系统以其优良的测 速定位性能、用户部分（GPS接收机）的造价 低廉而作为综合导航系统的辅助系统，成为设 计者的最佳选择。GPS/惯性组合作为一种颇 为理想的综合方案而得到广泛应用。
4.3 最优组合导航系统
-Kalman滤波在组合导航中的应用
根据KF所估计的状态不同，Kalman滤波在组 合导航中的应用有直接法与间接法之分。
直接法估计导航参数本身，间接法是估计导航 参数的误差。
导航原理_组合导航
Kalman滤波算法
白噪声
若随机过程 w(t) 满足
Ew(t) 0
E w(t)wT ( ) q (t )
则称 w(t)为白噪声过程，式中q称为 w(t) 的
方差强度。
Rudolf Emil Kalman
随机线性连续系统的数学模型
X (t) A(t)X (t) B(t)U (t) F(t)W (t) Z(t) H (t)X (t) D(t)U (t) V (t)
对于上述随机线性系统，噪声的假设与性 质如下：
系统的过程噪声W(t)和观测噪声V (t)为零均 值或非零均值的白噪声或高斯白噪声随 机过程向量；
定义 Q(t) 为系统的过程噪声向量 W (t) 的 方差强度阵，为对称非负定矩阵；R(t ) 是 系统的观测噪声向量V (t) 的方差强度阵， 为对称正定矩阵；
(4) 允许惯导系统进行动态初始对准与调整，既能减小 惯导系统的积累误差，又能缩短地面准备时间，提高快 速反应能力。
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。
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。
系统稳定后，从以上两式可得系 统的稳态误差为
由以上两式可见，在增加附加修正环节 和外部位置信息之后，在定位误差中， 消除了初始速度误差，而陀螺的常值漂 移只产生常值定位误差。平台的水平倾 角误差，只受加速度计误差的影响，其 它各项输入量产生的误差得到消除。因 此，这种综合系统与纯惯导系统相比， 提高了定位精度和姿态角精度。
组合导航与融合导航概要
3、惯性导航特点
3.1 惯性导航的优点
与外界不发生任何光、电和磁联系——隐蔽性好；
工作不受气象条件的限制——可用性强；
完全依靠运动载体设备自主完成导航任务——自主 性好； 能够提供比较齐全的导航参数——参数齐全； 目前已广泛应用于潜艇、水面舰艇、军用飞机、战 略导弹和战术导弹、战车和人造卫星等领域——应 用面广。
12
3、惯性导航（续）
3.2 惯性导航的缺点
系统精度主要取决于惯性测量元件，导航参数的误差 随时间而积累，不适宜长时间导航。 一般惯导系统的加热和初始对准所需时间较长，很难 满足远距离、高精度导航和其它特定条件下的快速反 应要求。
4 Deg
0
Vnorth
m/s
2
dL
-40 -80
0 0 0.0 -0.5 -1.0 -1.5 -2.0 -2.5 2000 4000 6000 8000
6
2、卫星导航的发展即存在的问题
2.2 卫星导航存在的问题（续）
3）GALILEO存在的主要问题 “伽利略计划”是由欧盟委员会和欧洲空间局共同发 起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划，它受多个 国家政策和利益的制约，政策具有摇摆性。 由于欧盟受美国的影响极大，“伽利略计划”本身 的独立性值得怀疑； GALILEO计划目前已经延后，考虑到目前的金融危机， 未来的GALILEO如何发展现在还看不清楚。
2、卫星导航的发展即存在的问题
3）北斗卫星定位系统可能存在的问题 由于地面高程精度不高，且卫星数量少，无冗余信息， 定位精度和可靠性不高。 用户必须向地面中心站申请定位，才能获得定位信息， 于是用户的隐蔽性成问题。 由于地面中心站是北斗一代的核心，地面中心站一旦 遭攻击，整个卫星系统将陷入瘫痪。
组合导航系统多源信息融合关键技术研究
组合导航系统多源信息融合关键技术研究一、本文概述随着导航技术的快速发展，组合导航系统已成为现代导航领域的重要研究方向。
它通过整合多种导航源的信息，以提高导航精度和可靠性，广泛应用于航空、航天、航海、智能驾驶等领域。
然而，多源信息融合作为组合导航系统的核心技术，其研究仍面临诸多挑战。
本文旨在探讨组合导航系统多源信息融合的关键技术，并分析其在实际应用中的效果与前景。
本文首先对组合导航系统及其多源信息融合的基本原理进行简要介绍，阐述多源信息融合在组合导航系统中的重要性和意义。
接着，文章重点分析了多源信息融合中的关键技术，包括数据预处理、信息融合算法、误差处理等方面。
在此基础上，文章通过实例分析，展示了多源信息融合技术在提高导航精度、增强系统可靠性以及应对复杂环境等方面的优势。
本文还对多源信息融合技术在组合导航系统中的应用进行了深入研究，探讨了不同导航源之间的融合策略和优化方法。
文章最后对多源信息融合技术在组合导航系统未来的发展趋势进行了展望，旨在为相关领域的研究人员和实践者提供有益的参考和启示。
二、组合导航系统基本原理组合导航系统是一种将多种导航传感器进行有机融合，以提高导航精度和可靠性的技术。
其基本原理主要基于多传感器信息融合技术，通过对不同导航传感器（如GPS、惯性导航系统、天文导航、地形匹配等）提供的导航信息进行合理处理和优化组合，以减小单一传感器误差，增强导航系统的整体性能。
传感器数据采集：从各种导航传感器中收集原始数据，这些数据可能包括位置、速度、加速度、姿态角等多种信息。
数据预处理：对采集到的原始数据进行必要的预处理，如去噪、滤波、校准等，以提高数据质量和为后续的数据融合提供基础。
数据融合：这是组合导航系统的核心部分。
通过采用适当的算法（如卡尔曼滤波、粒子滤波、神经网络等），将多个传感器的数据进行融合，生成一个更为准确、可靠的导航解算结果。
数据融合不仅需要考虑各传感器数据的权重分配，还要处理可能出现的传感器冲突和异常。
导航技术概论及组合导航基本概念
3.2 地文导航（Terrestrial Navigation ）
船位线（Line of Position） ：在导航上，凡是观测值相等 点的轨迹称为等值线，在导航定位中常称为位置线或船位 线。陆标定位使用的船位线主要有以下三种：方位船位线、 距离船位线和水平角船位线。
➢ 特点：由于可获取的各种数据资源的条件限 制，数据库参考系统往往不能为航行体提供 全程连续导航，所以通常和其他导航系统结 合在一起使用。
3.2 地文导航（Terrestrial Navigation ）
➢ 地文导航又称为陆标定位，是一种通过观测陆标 与船泊只见的某种相互位置关系进行定位的方法。
➢ 陆标是指海图上标有准确位置可供目视或雷达观 测，用以导航或定位的山头、岛屿、灯塔、立标 及其它显著固定物标的统称。
vE
1
cos
dt0
1 R
t
0 vNdt0
3.4 惯性导航（INS-Inertial navigation）
惯性导航涉及的问题
什么是惯性空间：坐标系及坐标系变换 ➢ 惯性导航1：坐标系及方向余弦 用什么测加速度，怎么测加速度 ➢ 惯性导航2：加速度及比力方程 有了加速度，怎么求速度，怎么求位置 （控制方程，基本方程，误差方程） ➢ 惯性导航3：平台式惯导系统基本原理 捷联惯导系统 ➢ 惯性导航4：捷联惯导系统基本原理
基本原理：利用预先测量的数据库或地图作 为参考，与传感器测量信息进行比较和匹配 来确定位置。
3.1 数据库参考导航(DBRN，
database reference navigation)
地磁导航 (Geomagnetic Navigation) 重力导航 (Gravity Navigation) 地形导航 (Terrain Aided Navigation)
GPSMIMU嵌入式组合导航关键技术研究
GPSMIMU嵌入式组合导航关键技术研究一、本文概述随着科技的快速发展，导航系统已经成为现代社会不可或缺的一部分，无论是在民用领域还是军事领域，其重要性都不言而喻。
而GPS/MIMU嵌入式组合导航技术，作为现代导航技术的重要组成部分，其研究与应用具有重大的理论和实际意义。
本文旨在对GPS/MIMU嵌入式组合导航的关键技术进行深入的研究和探讨，以期为该领域的发展做出一定的贡献。
本文首先介绍了GPS/MIMU嵌入式组合导航技术的基本原理和优势，阐述了其在导航领域的重要性和应用价值。
然后，重点分析了GPS/MIMU嵌入式组合导航中的关键技术，包括GPS和MIMU的数据融合算法、误差补偿技术、以及嵌入式系统的设计与实现等。
通过对这些关键技术的深入研究，本文提出了一些新的思路和方法，旨在提高导航系统的精度和稳定性。
接下来，本文还介绍了实验设计与实施过程，通过实际的数据采集和处理，验证了所提方法和思路的有效性和可行性。
实验结果表明，本文所研究的GPS/MIMU嵌入式组合导航关键技术能够显著提高导航系统的性能，具有重要的实用价值。
本文总结了研究成果，并对未来的研究方向进行了展望。
本文认为，随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，GPS/MIMU嵌入式组合导航技术将会有更广阔的发展空间和应用前景。
因此，后续研究应继续深入探索和优化相关技术，以满足日益增长的导航需求。
二、GPS/MIMU组合导航系统基本原理GPS/MIMU组合导航系统是一种融合全球定位系统（GPS）和微型惯性测量单元（MIMU）信息的导航技术。
其基本原理在于利用GPS提供的高精度绝对位置信息，与MIMU提供的连续、独立的姿态和速度信息进行组合，以克服各自系统的局限性，提高导航精度和可靠性。
GPS系统基于地球表面的卫星信号，通过三角测量法确定接收机的位置。
然而，GPS信号易受到天气、建筑物遮挡、多路径效应等因素的影响，导致信号丢失或精度下降。
相比之下，MIMU利用陀螺仪和加速度计测量载体在三维空间的角速度和加速度，通过积分运算得到载体的姿态、速度和位置信息。
组合导航
• 辅助工作站
海图修正 制定计划航线 选项：气象工作站可制定气象航线
服务器 记录对话和通信数据 • 航行数据记录器（VDR） 记录雷达数据 记录船舶运动
事故回放和分析
服务器
• 船舶最佳安全系统
气象工作站 最佳气象航线 最低油耗控制 船舶动态监测
GMDSS通信控制：通过SeaNET网连到主控制台 数字化海图桌 GPS/DGPS Loran C 导航传感器 Depth Sounder MK37 Gyrocompass Log
高精度组合导航系统 根据要求，取长补短， 一般组合导航系统 灵活转换 自动航行组合导航系统
***以自主式为基础
§4-3 组合导航计算机（P219）
技术基础：计算机 一、导航微机 已不仅是数据处理工具，而是组合导航的重要组 成部分
专用化 功能专用化：软件由硬件代替，处理速度 键盘 操作界面 通用化 易于操作 外设接口 多媒体
§4-6 自动航行组合导航实例
Litton Sperry Marine: VISION 2100 Integrated Bridge
Kelvin Hughes: Nucleus Integrated Navigation System
Ninas 9000 STN ATLAS Marine Electronics: Navigation System ATLAS NACOS Norcontrol: Norcontrol Bridgeline
§4 组合导航系统
组合导航系统：借助于现代（卡尔曼）滤波原理的计算机系统
产生：七十年代初提出组合导航思想 解决：大型油轮的安全性和经济性 功能：可实现自动定位、导航、避碰、驾驶、航线优选等。
卫惯组合导航系统的原理
卫惯组合导航系统的原理
卫惯组合导航系统是一种将卫星导航系统和惯性导航系统相结
合的导航系统，其原理是利用卫星导航系统（比如GPS、GLONASS等）提供的位置、速度和时间信息，结合惯性导航系统（如陀螺仪、加
速度计等）提供的姿态和加速度信息，通过融合算法来实现对飞行器、航行器或车辆的精确定位与导航。
首先，卫星导航系统通过接收来自卫星的信号，计算接收机与
卫星之间的距离，进而确定接收机的位置。
卫星导航系统能够提供
全球范围内的定位和导航服务，但在某些环境下（如城市高楼群、
山区、隧道等）信号可能会受到遮挡或多径效应的影响，导致定位
精度下降。
其次，惯性导航系统则是利用惯性传感器测量飞行器或车辆的
加速度和角速度，通过积分计算得到姿态、速度和位置信息。
惯性
导航系统具有快速响应、不受外界干扰的优点，但是由于误差累积
的问题，长时间的导航会导致位置漂移，导航精度下降。
卫惯组合导航系统的原理就是将两者的优势互补，通过融合算
法将卫星导航系统和惯性导航系统的信息进行优化处理，以获得更
加精确和可靠的定位和导航结果。
融合算法通常包括卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、粒子滤波等方法，通过对两种导航系统输出数据的加权融合，实现对位置、速度和姿态的精确估计。
总的来说，卫惯组合导航系统的原理是利用卫星导航系统和惯性导航系统相互补充的优势，通过融合算法实现对飞行器、航行器或车辆的精确定位与导航，从而提高导航的精度和可靠性。
第6章 组合导航系统
第6章组合导航系统6.1引言从惯性导航的工作原理和误差分析可以看出，惯导系统的自主性很强，它可以连续地提供包括姿态基准在内的全部导航参数，并且具有非常好的短期精度和稳定性。
在航空、航天、航海和许多民用领域都得到了广泛的应用，成为目前各种航行体上应用的一种主要导航设备。
其主要缺点是导航定位误差随时间增长，导航误差积累的速度主要由初始对准的精度、导航系统使用的惯性传感器的误差以及主运载体运动轨迹的动态特性决定。
因而长时间独立工作后误差会增加[1]。
解决这一问题的途径有两个，一是提高惯导系统本身的精度。
主要依靠采用新材料、新工艺、新技术，提高惯性器件的精度，或研制新型高精度的惯性器件。
实践已经证明，这需要花费很大的人力和财力，且惯性器件精度的提高是有限的。
另一个途径是采用组合导航技术。
主要是使用惯性系统外部的某些附加导航信息源，用以改善惯性系统的精度，通过软件技术来提高导航精度。
在实际应用中有多种不同原理的其它导航系统，它们具有不同的特点：如多普勒导航系统，系统的误差和工作时间长短无关，但保密性不好；天文导航系统，位置精度高，但受观测星体可见度的影响；卫星导航的精度高，容易做到全球、全天候导航，但它需要一套复杂的定位设备，当载体做机动飞行时，导航性能下降，尤其重要的是，卫星导航在战时将受到导航星发射国家的制约。
于是，人们设想把具有不同特点的导航系统组合在一起，取长补短，用以提高导航系统的精度。
实践证明，这是一种很有效的方法。
现在可以利用的各种现代辅助导航手段结合估算处理技术和高速计算机的进展，使组合导航系统在近年来获得了广泛的应用。
组合导航技术是目前导航技术发展的重要方向。
6.2 组合导航系统的基本原理和方法6.2.1 组合导航系统基本原理在辅助的惯性导航系统中，一个或多个惯性导航系统的输出信号与独立测量的由外部源导出的相同的量进行比较。
然后根据这些测量值的差异导出对惯性导航系统的修正。
适当组合这些信息，就有可能获得比独立使用惯性系统更高的导航精度[2]。
组合导航产品 综述 应用
组合导航产品综述应用随着互联网的快速发展，导航产品也在不断创新和进化。
组合导航产品作为一种集成了多种导航功能的综合性工具，已经成为现代人生活中必不可少的一部分。
本文将综述组合导航产品的应用领域、特点以及对用户生活的影响。
一、组合导航产品的应用领域组合导航产品广泛应用于各个领域，包括交通导航、旅游导航、户外导航等。
在交通导航领域，通过集成地图、实时路况、导航路径规划等功能，组合导航产品能够帮助用户选择最佳的行车路线，并提供实时的交通信息，使用户能够更加高效地出行。
在旅游导航领域，组合导航产品可以提供景点介绍、周边推荐、导航路线等功能，帮助用户规划旅游行程，并提供详细的导航指引。
在户外导航领域，组合导航产品能够结合GPS定位、高度测量、气象预报等功能，帮助用户在野外环境中进行定位和导航，提高安全性和便利性。
二、组合导航产品的特点1.综合性：组合导航产品集成了多种导航功能，能够满足用户在不同领域的导航需求，提供全方位的导航服务。
2.实时性：组合导航产品通过与云端服务器的实时数据交互，能够及时获取最新的路况、天气等信息，并根据用户的实际情况进行导航路径的调整。
3.个性化：组合导航产品可以根据用户的个性化需求进行定制，提供个性化的导航设置和推荐服务，使用户能够更好地适应不同的导航场景。
4.多平台支持：组合导航产品不仅可以在智能手机上使用，还可以在车载导航系统、智能手表等设备上使用，提供多种导航方式和使用场景。
5.数据共享：组合导航产品通过云端服务，可以将用户的导航数据进行共享和存储，方便用户进行历史记录查看和数据分析，提供更好的导航体验。
三、组合导航产品对用户生活的影响组合导航产品的出现极大地改变了用户的出行方式和生活习惯。
首先，组合导航产品提供了更准确、更及时的导航信息，能够帮助用户节省时间和精力，提高出行效率。
其次，组合导航产品提供了更多样化的导航功能，满足了用户对不同场景导航的需求，使用户能够更加便捷地进行出行和旅游。
组合导航的基本构成与工作模式
直接法
直接以各导航子系统的导航输出参数作为 状态
间接法
Hale Waihona Puke 间接滤波是指以各子系统的误差量作为状态、实 现组合导航的滤波处理方法。间接滤波中的各个 状态量都是误差量，系统方程是指状态误差量的
运动方程。估计出的是误差量。
直接法和间接法的比较
（1）直接法较准确的反应真实状态的演变情 况，间接法是按一阶近似推导出来的，有一定 的近似性。
卡尔曼滤波 在组合导航系统中的应用
组合导航
通过对两种或多种导航系统测量或输出信 息进行综合处理（应用卡尔曼滤波等状态 估计方法），获得更高的导航精度和可靠 性。
组合导航系统
组合导航的基本思想： 惯性导航系统的输出信号与独立测量的由其它 导航系统导出的相同的量进行比较； 通过卡尔曼滤波器给出对导航系统误差的实时 估计； 通过适当的校正方式，对惯性导航系统进行修 正，就有可能获得比单独惯性系统更高的导航 精度。
导航参数：运动体的位置、速度等状态量 随机误差：惯导的陀螺仪误差，加速度计误差， 卫星导航的时间误差等等。
组合导航系统的状态估计方法
应用卡尔曼滤波解决组合导航问题基本步骤： （1）选取状态量（直接法、间接法），列写 状态方程 （2）选取量测量，列写量测方程 （3）连续系统离散化 （4）利用卡尔曼滤波步骤递推估计出状态 （5）利用估计出的状态得到导航参数（输出 校正、反馈校正）
闭环法或反馈校正法
输出校正
开环法或输出校正法将估计值作为组
合系统导航参数的输出,或作为惯性导 航系统导航参数的校正量。
反馈校正
闭环法或反馈校正法是将估计反馈到惯性导航
导航系统的原理及其应用
导航系统的原理及其应用在当今高科技时代，导航系统已经成为人们生活中普遍使用的工具之一。
从最初的GPS定位到现今的Google地图、百度地图等，导航系统已经变得十分精准、便捷。
但是，很多人可能不了解导航系统的原理及其应用。
本文将为读者详细解释导航系统的原理和应用。
一、导航系统的原理导航系统的原理主要基于卫星和地面设备的组合。
目前的卫星导航系统主要有GPS系统(美国)、GLONASS系统(俄罗斯)、Galileo系统(欧洲联盟)、北斗系统(中国)。
这些卫星搭载了大量的电子设备，包括高性能的原子钟、无线电发射器和接收器、天线等等。
首先，卫星会定时向地面发送电磁信号。
接收器会接受到这些信号，并计算出从卫星到接收器的距离。
由于卫星搭载了原子钟，所以卫星发送的信号时间可以被精确测量。
如果接收器同时接收到多颗卫星的信号，那么它就可以计算出自己在地球上的位置。
但是，由于地球是一个三维的物体，所以接收器无法确定自己在地球上的高度。
此时，地面设备就派上用场了。
地面设备一般会放置在地图上已知位置的点上。
接收器将自己接收到的信号发送给地面设备，地面设备将处理后的信息返回给接收器，接收器再基于返回的信息计算自己的高度。
二、导航系统的应用导航系统的应用十分广泛，它被广泛应用于航空、航海、汽车、旅游等多个领域。
下面就针对各个领域进行讲解。
1.航空领域：在飞行过程中，导航系统可以为机组人员提供飞机所在的经纬度、高度、速度等信息，以及航线和交通信息等。
飞行员可以通过导航系统快速地确定下一航点并做好相应的准备工作。
2.航海领域：导航系统在海上航行中也同样十分有用。
现在的船只已经普遍配备了导航系统，为船员提供了精准的定位。
导航系统也可以提供海图、天气预报、潮汐预报、船舶间的通信等信息。
3.汽车领域：导航系统在汽车领域的应用也十分广泛。
汽车的导航系统可以为驾驶员提供方向盘转动的角度、速度、所在的地理位置、行程时间等信息。
导航系统还可以为驾驶员提供最佳路线，避免过于拥挤的道路等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
该组合的缺点是GPS的位置和速度误差与时间相关。
伪距、伪距率紧组合
紧组合模式的优点
• • • GPS与惯导系统集成，可以实现硬件一体化， 导航计算精度高，实际应用更为有效。 不需要同时跟踪4颗以上的卫星，才能进行组 合导航计算。 使用一个卡尔曼滤波器，当GPS不能正常工 作时，惯导系统暂时提供导航参数。
GPS和惯性导航各自独立工作，用GPS的位 置、速度直接重调惯性导航系统的输出，当GPS 工作时显示GPS的位置和速度，当GPS停止工作 时，惯导在原显示基础上变化，即GPS停止工作 瞬时的位置和速度作为惯导系统的初值。
b. 位置、速度组合
把 GPS和惯导输出的位置和速度信息进行加权平均， 用位置速度组合。 用GPS和惯导输出的位置和速度信息的差值作为观 测值，经组合卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后 对惯导系统进行校正，如图。
星光导航依靠天体 敏感器观测的天体方位 信息，可以解算获得包 括载体高度角、方位角 在内的位置及姿态信息。 星光导航自主性强， 隐蔽性好，抗电磁干扰 能力强，定位和定向精 度高，且误差不随时间 积累，是长时间运行载 体自主导航的重要方向。
惯性/地形组合导航
惯性/地形组合导航系统是将惯性导航与地形匹配 导航相结合的导航系统，地形匹配导航系统是一种自主 导航定位系统，通过机载高度计和地形匹配技术，将地 面轮廓与存储的地形图比较匹配，实现运载体的无源定 位。 惯性/地形组合导航系统可用于无人侦察机、无人 轰炸机和精确制导武器上，如德国的金牛、法国的风暴 阴影、俄罗斯的白杨导弹等。
INS/GPS组合导航
INS/GPS组合导航是目前应用最为广泛的组合导航 系统。根据不同的应用要求，GPS和惯性导航可以有不 同水平的组合，具体可分为： 1. 松组合 a) GPS重调惯性导航系统 b) 位置、速度组合 2. 紧组合 伪距、伪距率组合 3. 深组合（超紧组合）
a. GPS重调惯性导航
组合导航系统的特点
组合导航内各子系统之间能取长补短，使系统总精 度得以提高。 一旦某系统出现故障，可由子系统继续工作，或以 工作组合模式的转换来保证系统的正常工作，提高 了系统的稳定性和可靠性。 各子系统由计算机联接，以最优估计理论（卡尔曼 滤波技术）为理论基础，实现定位的自动化和能连 续实时的提供所需的导航定位参数。
惯性/星光组合导航
惯性/星光组合导航系统是将星光导航与惯性导航 组合，利用星敏感器提供的高精度姿态信息对惯导系统 进行校正，并对惯性器件的漂移进行补偿，从而实现高 精度导航，特别适用于远程、长航时的飞行器，如长航 时无人机、远程巡航或弹道导弹、空天往返飞行器、近 地空间飞行器等应用领域。
星光导航
最优组合方式（采用卡尔曼滤波器） 自20世纪60年代现代控制理论出现以后，根据最优 控制理论和卡尔曼滤波方法设计的滤波器成为组合导航 的重要方法，它是将各类传感器提供的导航信息应用卡 尔曼滤波方法进行信息处理，卡尔曼滤波是一种递推线 性最小方差估计，以此可以得出惯导系统误差的最优估 计值，再由控制器对惯导系统进行校正，使得系统误差 最小。
视觉图像中含有丰富的信息，是自然界中绝大多数 生物导航定位的关键依据，近年来随着图像处理技术、 高性能处理器等的发展，基于视觉的图像导航已广泛应 用于飞行器姿态控制等领域。 惯性/视觉组合导航可以有效的降低系统成本，并 很好的抑制惯性姿态解算产生的误差累积，从而大幅度 提高系统的可靠性。
重调方式
在惯性导航工作过程中，利用辅助导航源得到的位 置量测信息对惯性导航位置进行校正。这是一种利用回 路之外的导航信息来校正的工作方式，因此，惯导回路 的响应特性没有任何变化。
阻尼方式 利用惯性导航与辅助导航源的测量差，通过反馈去修 正惯性导航系统，使导航误差减小。但这种方式在机动 情况下，阻尼效果并不理想。
组合导航系统的分类
根据不同的应用要求与目的，可以构成不同的组合 导航系统，由于惯性导航系统的自主性，目前多以惯性 导航系统为主导航系统构成组合导航系统。根据辅助导 航信息源的不同，组合导航系统主要可分为： 惯性-卫星组合导航 惯性-地形组合导航 惯性-地磁组合导航 惯性-星光（天文）组合导航 惯性-视觉组合导航 无线电、重力……
最早出现的 组合导航系统是 惯导与多普勒雷 达的组合，利用 惯导高精度姿态 信息稳定多普勒 雷达天线，而多 普勒长期精度较 高，可以对惯导 实施空中对准。
组合导航系统
组合导航系统是指把两种或两种以上不同 的导航系统以适当的方式组合在一起，形成一 个有机的整体，利用其性能上的互补特性，以 获得比单独使用任一系统时更高的系统性能。
惯性/地磁组合导航
地磁信息具有无源、稳定以及与地理位置有对应关 系的特点，地磁导航是通过将地理坐标系中的磁场测量 值与存储的磁偏角和磁倾角图进行比较，或者通过对磁 场异常的匹配来获得位置坐标。 利用惯性/地磁组合导航可以校正惯性导航长时间 运行的误差，是解决高精度长航时自主导航的有效手段。
惯性/视觉组合导航
惯性/卫星组合导航
卫星导航是利用 空间中位置和速度已 知的导航卫星进行导 航定位的技术，通过 测定载体到导航卫星 的距离、距离差等参 数，并结合导航卫星 的瞬时位置来确定载 体位置。
卫星导航
目前主要的卫星导航系统有美国的GPS、俄 罗斯的GLONASS、我国的北斗和欧洲的GALILEO。 卫星导航实现了全天候、全天时、全球无源 式三维导航定位，定位精度高，定位误差不随 时间而增长。 但鉴于军事应用的特殊要求，卫星导航也存 在诸多不足，如当载体做机动飞行时易受无线 电等干扰，容易受到遮挡，无法使用于水下和 控制权问题，导致导航性能下降。
组合导航系统的基本原理
组合导航系统采用惯性系统以外的辅助导航信息源 以提高惯性系统的精度，通过将一个或多个惯性系统的 输出信号与外部源相同量的独立测量值进行比较，根据 这些测量值的差导出对惯性系统的修正值，适当组合这 些信息，就有可能获得比单独使用惯性系统更高的精度。
组合导航系统方法
考虑以惯性导航为主的组合导航系统，其组合方式 有三种：
组合导航系统的基本原理及应用特点
报告人：周亚军
学号：2120121066
方向：检测技术与自动化装置
主要内容
惯性导航系统依靠自身携带的陀螺仪和加速 度计，可以连续地提供包括航向、姿态在内的全 部导航参数，具有较高的短期精度和良好的稳定 性，尤其是在自主性和抗干扰性能方面，惯性导 航无可替代。 但是，在长时间的连续独立工作过程中，惯 性导航系统存在的主要缺点是导航定位误差会随 时间而积累。为解决这一问题，一种方法是选择 高精度的惯性器件，但这会耗费很大的成本，且 惯性器件精度的提高是有限的；另一种方法就是 采用组合导航系统，以惯性导航为基准，辅助以 外界的导航信息源，改善惯性系统的精度。