组合导航系统的基本原理及应用特点

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。
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。
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。
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。
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：
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
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……
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。
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。
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。
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
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。
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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。
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。
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