组合导航系统
北大《导航与通信导论》第十章组合导航的系统与方法（53P）
导航与通讯导论第十章组合导航系统主要了解与GNSS组合的系统和方法导航与通讯导论本章内容•概述导航与通讯导论导航与通讯导论组合导航应用广泛导航与通讯导论导航关注的问题导航与通讯导论导航系统比较•无线电导航定位系统导航与通讯导论本章内容•概述组合导航导航与通讯导论GNSS•4大全球导航卫星系统建成后，天空中GNSS组合导航系统导航与通讯导论GNSS组合导航系统－优点导航与通讯导论•提高了系统完善性GNSS组合导航系统－优点导航与通讯导论导航与通讯导论存在问题•信号接收问题•1994•双星单频–既能接收GPS L1信号，又能接收其它系统的单频信号，进行联合定位。
–对可靠性、安全性要求较高的导航和授时领域CNS100-BG Euro-80NovAtelDL-V3兼容接收机•双星双频TrimbleR8 GNSS•三星多频–GPS+GLONASS+GALILEO –BD2+GPS+GLONASS拓普康Net-G3芯片东方联星OTrack-32东方联星NavCore-S导航与通讯导论本章内容•概述导航与通讯导论导航与通讯导论惯性导航系统•惯性导航系统INS原理导航与通讯导论•加速计测量线加速度陀螺仪测量角速度导航与通讯导论通讯导论通讯导论•惯性导航系统（通讯导论•惯性导航系统属于一种平台式INS导航与通讯导论•将加速度计和陀螺仪安装在惯导平台上的惯性导航系统。
平台式INS特点导航与通讯导论•按照建立坐标系的不同，又可分为捷联式INS导航与通讯导论•将加速度计和陀螺仪安装在运动载体上，由计算机软件建立一个数学平台，取代机械惯性平台。
捷联式INS特点导航与通讯导论通讯导论•不依赖于外部信息，通讯导论INS应用导航与通讯导论•最早（导航与通讯导论本章内容•概述导航与通讯导论GPS-捷联惯性导航GNSS/INS组合导航导航与通讯导论•为了提高导航定位精度，出现了多种组合导航的通讯导论•利用通讯导论•进一步突出捷联式惯性导航系统结构简单、可靠GPS/INS优点导航与通讯导论•GPS/INS非耦合方式GPS/INS系统结构导航与通讯导论非耦合方式松耦合GPS/INS系统结构导航与通讯导论松耦合方式通讯导论•系统导航解至通讯导论紧耦合方式GPS/INS系统结构导航与通讯导论紧耦合方式GPS/INS应用实例导航与通讯导论•高精度导航与通讯导论本章内容•概述AGPS导航与通讯导论MSC AGPS服务器GPS/INU/DM组合导航系统导航与通讯导论•GPS/INU/DM(Global Positioning System/ InertialGPS/DR组合导航系统导航与通讯导论•DR (Dead Reckoning)组合导航系统导航与通讯导论INS/GPS/Odometer•INS/GPS/Odometer。
低精度IMU与GPS组合导航系统研究
3、导航数据融合效果有待进一步提高。
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数值计算方 法，优化算法性能，提高实时性。
ห้องสมุดไป่ตู้
3、算法优化：针对卡尔曼滤波 算法复杂度较高的问题
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
1、GPS和IMU数据采集与同步：采用分频复用技术，实现GPS和IMU数据的同 步采集；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
2、数据预处理：对原始数据进行滤波和平滑处理，以提高数据质量； 3、状态估计：采用扩展卡尔曼滤波算法，估计系统的状态变量和协方差；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
2、GPS和捷联惯导组合导航系统具有互补性，可以实现优势互补， 提高导航系统的性能。
然而，本研究仍存在一些不足之处。首先，对于GPS和捷联惯导组合导航系统 的具体实现方法，尚未进行详细探讨。未来研究可以进一步深入研究系统的硬件 实现方法、软件算法等具体技术细节。其次，虽然本次演示对GPS和捷联惯导组 合导航系统的应用进行了简要介绍，但尚未对其在各领域的应用进行深入研究。 未来可以对不同领域的应用场景进行详细分析，为实际应用提供更有针对性的指 导。
4、实现卡尔曼滤波算法：根据预处理后的数据和状态估计结果，实现卡尔曼 滤波算法，进行数据融合；
3、算法优化：针对卡尔曼滤波算法复杂度较高的问题，采用高效数 值计算方法，优化算法性能，提高实时性。
5、系统调试与优化：对系统进行实际环境下的调试与优化，确保系统的稳定 性和性能。
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现
MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统是一种基于微电子机械系统惯性测量单元(IMU)和全球定位系统(GPS)的导航系统。
它通过将IMU和GPS的测量数据进行集成和融合，提供更准确和可靠的位置、速度和姿态信息。
在本文中，将详细介绍MEMS_IMU_GPS组合导航系统的实现原理和关键技术。
首先，需要了解IMU和GPS的基本原理。
IMU主要由三个加速度计和三个陀螺仪组成，用于测量物体的加速度和角速度。
GPS则通过接收卫星发射的信号来测量接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
IMU和GPS各自都有一定的测量误差，但是通过集成和融合它们的测量数据，可以大幅度提高导航系统的性能。
在实现MEMS_IMU_GPS组合导航系统时，首先需要对IMU和GPS的数据进行预处理。
对于IMU数据，需要进行误差补偿和积分处理。
误差补偿包括陀螺仪的零偏校准和加速度计的尺度因素校准等，以减小测量误差。
积分处理则可以将加速度计的测量值积分得到速度和位置信息，将陀螺仪的测量值积分得到姿态信息。
对于GPS数据，则需要通过解算接收机与卫星之间的距离，从而确定接收机的位置。
接下来，需要进行导航滤波的处理。
导航滤波是将IMU和GPS的数据进行集成和融合的关键步骤，常用的滤波算法包括卡尔曼滤波和粒子滤波等。
卡尔曼滤波是一种利用概率统计的方法对系统状态进行估计和预测的算法，可以融合IMU和GPS的数据，提供更准确和可靠的导航结果。
粒子滤波则是一种基于蒙特卡洛方法的滤波算法，通过对系统状态进行随机取样，逐步逼近真实状态。
此外，还需要考虑导航系统的误差补偿和校准。
导航系统在使用过程中，由于环境变化和传感器老化等因素，可能会产生误差和漂移。
为了提高系统的精度和可靠性，需要进行误差补偿和校准。
误差补偿包括对IMU 和GPS数据的实时校准和修正，以减小测量误差。
校准则包括对传感器的定标和校准，以保证传感器的准确性和一致性。
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。
KY-INS112 组合导航系统 使用说明书
KY-INS112组合导航系统使用说明书北京北斗星通导航技术股份有限公司导航产品事业部目录1.概述 (1)2.功能及指标 (1)2.1主要功能 (1)2.2性能指标 (1)3.工作原理 (3)3.1.产品组成 (3)3.2.基本原理 (3)4.使用说明 (4)4.1外形尺寸 (4)4.2电气接口 (5)5.系统导航工作流程 (8)5.1.组合导航流程 (8)5.2.纯惯性导航流程 (8)6.产品配置 (9)6.1.设备接口功能 (9)6.2.配置查询 (10)6.3.波特率配置 (10)6.4.协议及更新率配置 (10)6.5.初始值配置 (12)6.6.功能模块配置 (12)6.7.“零速修正”配置 (12)6.8.“位置输出平滑”配置 (13)6.9.载体类型配置 (13)6.10.GNSS天线杆臂配置 (14)6.11.输出杆臂设置 (15)6.12.安装角设置 (15)6.13.输出角设置 (16)6.14.强制转惯性导航 (16)6.15.系统复位 (17)7.输出语句解析格式 (17)7.1.可输出的协议类型 (17)8.存储数据导出 (22)9.系统维护 (24)9.1.固件升级 (24)9.2.参数上传 (24)10.注意事项 (25)11.附录 (25)11.1.卫星接收机COM2输出配置 (25)11.2.差分配置说明 (26)11.2.1.差分基准站设置 (27)11.2.2.差分通讯链路设置 (27)11.2.3.差分移动站设置 (28)11.3.32位CRC校验计算方法 (28)1. 概述KY-INS112组合导航系统由MEMS传感器及高端GNSS 接收机板卡（NovAtel-718D ）组成，通过多传感器融合及导航解算算法实现。
该产品可靠性高，环境适应性强。
通过匹配不同的软件，产品可广泛应用于无人机、无人车、测绘、船用罗经、稳定平台、水下运载器等领域。
2. 功能及指标2.1主要功能组合导航系统能够利用GNSS 接收机接收到的卫星导航信息进行组合导航，输出载体的俯仰、横滚、航向、位置、速度、时间等信息；失去信号后输出惯性解算的位置、速度和航姿信息，短时间内具备一定的导航精度保持功能。
组合惯性导航系统有哪些
组合惯性导航系统有哪些？随着时代的发展，单一惯性导航系统逐渐被组合惯性导航系统所代替。
单一导航系统都有各自的局限性，组合惯性导航系统是将飞机和舰船等运载体上的两种或两种以上的导航设备组合在一起的导航系统。
下面雅驰为你介绍一些利用多种信息源互补构成精确度更高的多功能导航系统。
1、卫星惯导组合：通过卫星定位系统信息定时对惯性系统进行偏差纠正。
在无法接受卫星信号时，惯性定向定位导航系统也能够保障信息在一定时间内的精准度。
具有精度高，可通讯的特点，但是需要从外界获取信息。
2、天文与惯性导航系统组合：关于天文和惯性导航系统组合，以下三种方式供你参考：一是利用惯性导航和天文导航系统位置信息差值来校正的组合方法，给出工程应用的实际结果；二是根据天文导航系统观测天体的高度、方位值，依据天文原理计算两者之差作为观测卡尔曼滤波组合；三是确定产台坐标系在惯性坐标中跟踪地理坐标系的误差作为观测卡尔曼滤波组合，最后采用天文导航位置信息对陀螺常值漂移的校正。
3、GPS/INS组合导航系统：能很好的实现惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准和高度稳定性等，从而提高惯导系统的性能、精度、跟踪卫星的能力。
还可以实现GPS完整性检测，提高可靠性，实现一体化。
4、惯导/多普勒组合：惯性导航系统和多普勒导航的组合解决了多普勒受地形影响的因素，又解决了惯性导航自身的误差，体现了两者很好的互补效果。
5、惯导/地磁组合导航系统：具有自主性强、隐蔽性好、成本低、可用范围广等优点，是当前惯性导航系统研究领域的一个热点。
6、惯导/地形匹配组合导航系统：因为地形匹配的定位精度很高，所以可以利用这种精度的信息来消除长时间工作的误差累计，提高惯性导航的定位精度。
7、GPS/航迹推算组合导航系统：航迹推算是在GPS失效的情况下，根据大气数据测得空速，推算出地速和航迹角。
当信号中断或差时，由航迹确定位置；当信号质量好时，利用GPS定位确定位置。
这样有效的降低了系统的成本。
车载组合导航系统发展现状
车载组合导航系统发展现状随着科学技术的不断发展，现代导航系统的种类越来越多，如: INS、全球定位系统(GPS)、多普勒(Doppler)测速系统、奥米加导航系统(Omega),罗兰系统(Loran)，塔康系统(Tacan)，还有天文导航(CNS)、地形辅助系统等，这些导航设备都各有优缺点，精度和成本也不大相同。
同时，由于各领域，尤其是军事领域对导航信息量的要求越来越多，对导航精度的要求也越来越高。
要使系统性能得到提高，靠提高单一导航系统的精度，不仅在技术上难度很大，而且在实际中效果也不十分明显，无法满足高精度要求的。
若将多种导航系统适当地组合起来，即可大大提高导航精度。
组合导航系统与单一导航系统的性能比较，具有以下优点1) 组合系统中惯性导航系统的精度比单独使用惯性导航系统时要求的精度低，能够降低惯性导航系统的成本，还可提高系统的可靠性和容错性能;2) 组合导航具有余度的导航信息，可利用其余度信息检测出某个导航子系统的故障，并隔离掉失效的子系统，然后将其余正常子系统重新组合(系统重构)，就能够继续完成导航任务。
因而在20世纪70年代，组合导航技术的出现使得这一问题有了完美的解决方案，使其得到了迅速发展，并取得了令人瞩目的成就。
它克服了单个导航系统的缺点，取长补短，使组合后的导航精度高于各个系统单独工作的精度。
组合导航系统就是将具有不同特点的导航设备与导航方法进行综合，应用计算机技术对多种导航信息进行融合处理，以提高整个系统的性能。
它是一种综合工程技术，涉及到各导航信息源相关设备技术、计算机技术、显示技术以及控制系统、最优估计等理论。
目前，组合导航系统技术在工程实践中还必须解决以下问题: 在导航信息大量冗余的情况下，计算量过大，实时性不能保证；导航子系统的增加使故障率也随之增加，如果某一子系统出现故障而又没有及时监测出并隔离掉时，故障数据会污染整个系统，使可靠性降低。
针对组合导航系统量测信息量多，数据处理困难这一特定问题，导航信息的处理技术也从根据单个传感器所获得的数据集来进行的单一信息处理向多传感器获得的多数据集的信息融合方向发展。
组合导航系统
➢ 测量方程 GPS伪距表达式为:
1
i
[(
X
i G
X i )2
(YGi
Y i )2
(
Z
i G
Z i )2]2
dtu
Vi
采用变分法,导出伪距误差方程：
i ei1 X ei2Y ei3 Z tu Vi
其中 tu为GPS接收机时钟偏差等效的距离误差 ，Vi 为测量白噪声
ei1
i X i
Pk
Pk
/k 1
Pk
H
/k 1 k
[Hk
Pk
H
/k 1 k
Rk ]1 Hk Pk/k1
[I Kk Hk ]Pk/k1
滤波增益
Hk
Pk
/
k
1H
k
[
H
k
Pk
/
k
1
H
k
Rk ]1
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波的性质
① 卡尔曼滤波是一种递推算法，启动时必须先给定初值和。 ② 计算估计的均方误差阵有三种等价形式：
完全自主的导航 可提供多种导航信息 ➢ 缺点： 精度逐渐降低。 初始对准时间长
卫星导航系统（GPS）： ➢ 优点：
定位精度高 精度不随时间变化 ➢ 缺点： 卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差易产生周跳
GPS系统与惯导系统具有互补的特 点
因而被认为是目前导航领域和大地测量领域 最理想的组合方式。
概述
卫星导航
Global Navigation Satellite System
第八章 船用惯性导航系统 与GPS的组合
本章内容安排
➢ 概述 ➢ 船用惯性导航系统 ➢ 卡尔曼滤波器 ➢ GPS/INS组合导航 ➢ 双差分GPS/INS组合导航系统 ➢ 推算船位与GPS的组合
飞行器组合导航系统的设计与实现
飞行器组合导航系统的设计与实现随着航空业的不断发展，飞行器的导航系统变得越来越复杂和精细。
如今，现代飞行器依赖于许多不同的导航系统，在航线规划和安全控制方面发挥着至关重要的作用。
其中，飞行器组合导航系统也成为了一项重要的技术。
飞行器组合导航系统是一种集成多个导航系统的技术，例如GPS（全球定位系统）、惯性导航系统（INS）、地面基准导航系统等等。
飞行员可以同时访问所有这些系统，以帮助他们在飞行中保持航向和高度。
与传统的单一导航系统相比，组合导航系统可以提供更高的精度和可靠性。
在设计和实现飞行器组合导航系统时，需要考虑多个因素。
下面将分别介绍这些因素。
1. GPS系统GPS是飞行器组合导航系统中的一个重要组成部分。
GPS可以提供精确的位置信息，有助于飞行员在飞行过程中准确地确定飞机的位置和目标航线。
在实际应用中，GPS通常需要与惯性导航系统相结合，以补充GPS在移动过程中的误差。
2. 惯性导航系统惯性导航系统采用陀螺仪和加速度计等仪器测量飞行器的位置和速度，没有外界支持就能提供垂直和水平方向的导航和位置数据。
由于惯性导航系统的误差是随时间积累的，因此在长时间飞行中，需要对系统进行校正和修正。
3. 地面基准导航系统地面基准导航系统是一种被动外部辅助导航系统，可以提供飞行器在地球表面上的准确位置和高度。
该系统使用地球表面上的接收器和天线接收GPS卫星的信号，并将信号地面位置与航班计划中的经纬度坐标进行比对，以确定飞行器的准确位置。
该系统通常用于在飞行离开GPS可用信号覆盖的区域时进行定位。
在实现飞行器组合导航系统时，需要考虑一些技术挑战和难点。
下面将列举这些挑战和难点。
1. 复杂的集成性飞行器组合导航系统需要将多个导航系统进行集成，这往往需要一定的软件工程技术。
此外，不同导航系统之间的数据传输也需要协调和管理，以保证数据的及时交换和正确性。
2. 高精度与高可靠性由于飞行器在飞行中面临风险和危险，因此要求导航系统具有高精度和高可靠性。
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PPT课件
上式说明，组合导航系统的导航参数的误差就 是惯导系统导航参数误差估值的估计误差。
.
9
2、反馈校正
采用反馈校正的间接法估计是将导航参数误差 的估值反馈到各导航系统内，对误差状态进行 校正。反馈校正的滤波示意图如图6.5所示
.
10
输出校正和反馈校正的分析
从形式看，输出校正只是校正系统的输出量，而 反馈校正则校正系统内部状态，但可以证明，如 果滤波器是最优滤波器，则两种校正方式的结果 是一样的。然而，真正意义上的“最优滤波器” 工程上是不存在的。未校正系统导航参数的误差 会随时间而增大，因而输出校正方式下的滤波器 状态值会越来越大。这使得方程线性化等近似计 算误差不断增大，从而滤波效果变差。
.
5
间接法估计的状态都是误差状态，即滤波 方程中的状态矢量是导航参数误差状态和 其它误差状态的集合（用 正和反馈校正。
1、输出校正
以惯导系统和其它某一导航系统组合为
例，间接法的组合导航卡尔曼滤波器将惯
导系统和其它导航系统各自计算的某些导
组合导航
.
1
2. 最优综合导航系统
采用卡尔曼滤波器的组合方法
卡尔曼滤波是一种递推线性最小方差估计，它 用“状态”表征系统的各个物理量，而以“状 态方程”和“观测方程”描述系统的动力学特 性。它要求应用对象是线性系统，且已知系统 的某些先验知识，如系统噪声和测量噪声的统 计特性。综合导航系统基本满足这些条件，因 而适合采用卡尔曼滤波。
(ie
cos L
VE RN
N
、)
hU
E
VN RM
h N
N
式中角注E、N、U 代表东、北、天；
RM Re (1 2 f 3 f sin 2 L)
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在当今科技飞速发展的时代，导航技术在各个领域的应用越来越广泛，从航空航天到陆地交通，从军事作战到民用出行，都离不开精准可靠的导航系统。
然而，单一的导航系统往往存在着各种局限性，为了提高导航的精度、可靠性和适应性，组合导航系统应运而生。
组合导航系统通过融合多种不同类型的导航传感器信息，实现优势互补，从而为用户提供更优质的导航服务。
而在组合导航系统中，多源信息融合是至关重要的环节，其关键技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
组合导航系统通常由多种不同类型的导航传感器组成，如全球定位系统（GPS）、惯性导航系统（INS）、北斗导航系统、地磁导航系统、视觉导航系统等。
这些传感器各有优缺点，例如 GPS 能够提供高精度的位置和速度信息，但在信号遮挡或干扰的环境下容易失效；INS 则具有自主性强、短期精度高的特点，但存在误差随时间积累的问题。
通过将这些传感器的信息进行融合，可以有效地克服单一传感器的局限性，提高导航系统的整体性能。
多源信息融合的关键技术之一是数据预处理。
由于不同传感器的工作原理和输出特性各不相同，采集到的数据可能存在噪声、偏差和异常值等问题。
因此，在进行信息融合之前，需要对这些数据进行预处理，包括滤波、校准、去噪等操作，以提高数据的质量和可靠性。
例如，对于 GPS 数据，可以采用卡尔曼滤波等方法去除噪声和多路径效应的影响；对于 INS 数据，则需要进行初始对准和误差补偿，以减小其初始误差和积累误差。
传感器的时空配准也是多源信息融合中的一个重要问题。
不同传感器的采样频率、测量时刻和坐标系可能不同，需要将它们统一到相同的时间和空间基准下，才能进行有效的融合。
在时间配准方面，可以采用内插或外推等方法，将不同传感器的数据同步到同一时刻；在空间配准方面，则需要进行坐标变换和姿态校正，将不同传感器测量的物理量转换到统一的坐标系中。
信息融合算法是组合导航系统的核心。
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。
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。
《基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现》范文
《基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现》篇一基于嵌入式系统的北斗-GPS-SINS组合导航系统设计与实现一、引言随着科技的不断进步，导航技术已经成为现代生活中不可或缺的一部分。
在众多导航系统中，北斗/GPS/SINS组合导航系统以其高精度、高稳定性和高可靠性等特点，在嵌入式系统中得到了广泛应用。
本文将详细介绍基于嵌入式系统的北斗/GPS/SINS 组合导航系统的设计与实现过程。
二、系统设计1. 硬件设计本系统硬件设计主要包括嵌入式处理器、北斗/GPS接收模块、SINS模块以及相关传感器等。
其中，嵌入式处理器负责数据处理和系统控制，北斗/GPS接收模块用于接收卫星信号，SINS模块则负责提供姿态和位置信息。
此外，还需配备温度传感器、压力传感器等，以实现环境参数的实时监测。
2. 软件设计软件设计包括操作系统、驱动程序、导航算法等部分。
操作系统选用实时性较强的嵌入式操作系统，以保障系统的稳定性和响应速度。
驱动程序负责与硬件设备进行通信，实现数据采集和传输。
导航算法则是本系统的核心，包括北斗/GPS定位算法、SINS算法以及组合导航算法等。
三、系统实现1. 数据采集与处理系统通过北斗/GPS接收模块和SINS模块采集卫星信号和环境参数。
数据经过预处理后，通过嵌入式处理器的运算和分析，提取出有用的导航信息。
2. 北斗/GPS定位算法实现北斗/GPS定位算法是实现系统定位功能的关键。
通过分析卫星信号的传播时间和角度等信息，计算出用户的位置。
本系统采用差分定位技术，进一步提高定位精度。
3. SINS算法实现SINS算法通过陀螺仪和加速度计等传感器获取姿态和速度信息，实现自主导航。
本系统采用三轴陀螺仪和三轴加速度计，通过卡尔曼滤波算法对数据进行融合和处理，得到精确的姿态和位置信息。
4. 组合导航算法实现组合导航算法将北斗/GPS定位信息和SINS导航信息进行有效融合，提高系统的定位精度和稳定性。
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。
无人机结构与系统课件：组合导航系统
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。
► 系统误差——轨道系统误差、卫星钟差、多路径误 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——太阳光压、随时间变化的钟差…; ► 异常误差——周跳、变轨误差…。
➢ 此外，因为没有GLONASS卫星的精确轨道源数据， 故无法测定精度。与GPS相比这是GLONASS的个一 主要缺陷。
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；
的容错功能。 ➢ 提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性。
（4）多传感器组合导航系统
多传感器组合导航系统是指传感器数目多于两个的组合导 航系统，GPS／INS／Loran-C、GPS／Glonass／INS、 GPS／JTIDS／INS等都是实用的例子。在不少应用场合 传感器数目可能大于等于4个，例如GPS／INS／ DNS/Loran-C和GPS／INS/JTIDS/TAN／SAR等。 优点： • 实时性好、容错性强和精度高。 • 未来发展趋势。
组合导航系统
全球卫星导航定位系统（GPS、 GLONASS、GALILEO、BD）
惯性导航（包括惯性导航INS、航位推
现
算导航DR）
有
导 航
天文导航系统（CNS）
系
统
重磁导航（重力导航、磁力导航）
匹配导航（地形匹配导航、影像匹配导 航）
1.卫星导航存在的问题
1）美国GPS可能存在问题
导航原理_组合导航
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。
第二阶段：数值仿真 第三阶段：实验检验和完善设计
综合卡尔曼滤波器设计中几个需要注意的 问题：
1、坐标系问题 2、滤波器状态的可观测性问题 3、滤波器初值的确定 4、提高综合滤波器的自适应能力
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。
些导航参数（分别用
表示）进
行比较，
其差值就包含了惯导某些航参数误差 X I 和其它导航系统的误差 XN ,即
滤波器将这种差值作为测量值，经过滤 波计算，得到滤波器状态（也即包括和 在内的各种误差状态）的估值。其结构 如图6.4所示。
所谓输出校正，就是用导航参数误差的 估值去校正系统输出的导航参数，得到 综合导航系统的导航参数估值
上式说明，综合导航系统的导航参数的误差就 是惯导系统导航参数误差估值的估计误差。
中国组合导航系统行业发展研究报告
中国组合导航系统行业发展研究报告摘要：组合导航系统是一种基于全球定位系统（GNSS）和惯性测量单元（IMU）的导航技术。
随着全球航空、航海、车载导航和无人机行业的快速发展，组合导航系统在中国市场得到了广泛应用和推广。
本文通过对中国组合导航系统行业的发展进行研究，分析了其市场规模、发展趋势、应用领域以及存在的挑战和机遇。
第一部分：介绍导航技术在人类社会的交通、军事、航空航海等领域起着重要作用。
组合导航系统是一种将GNSS和IMU技术相结合的导航系统，通过将GNSS的定位数据和IMU的惯性测量数据进行融合，可以提供更加精确和可靠的导航定位信息。
在全球范围内，组合导航系统已经成为各种交通工具导航装备的标配。
第二部分：市场分析中国是全球最大的汽车市场和无人机生产制造大国，这为中国的组合导航系统市场提供了巨大的发展机会。
根据市场调研数据显示，中国组合导航系统市场在过去几年里保持着稳定的增长态势。
预计在未来几年，随着无人机行业的快速发展以及对精确定位需求的增加，中国组合导航系统市场将继续保持较高的增长速度。
第三部分：应用领域在中国，组合导航系统主要应用于航空航海、车辆导航和无人机等领域。
航空航海领域是组合导航系统的主要应用领域之一，通过使用组合导航系统，航空航海员可以准确地确定飞机和船只的位置和航向，提高航行安全性。
在车载导航领域，组合导航系统能够提供高精度的导航和定位服务，为驾驶员提供实时的导航信息。
无人机作为近年来兴起的新兴产业，也对组合导航系统有着高度需求，组合导航系统可以帮助无人机实现精确定位和安全飞行。
第四部分：挑战和机遇尽管组合导航系统在中国市场上发展迅速，但仍面临一些挑战。
首先，高成本是一个制约组合导航系统发展的因素之一。
目前，组合导航系统的价格相对较高，这使得一些中小型企业在采购和应用时存在一定的难度。
另外，技术标准和规范的缺乏也是制约行业发。
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Pk (I Kk Hk )Pk /k1(I Kk Hk )T Kk Rk KkT
Pk
(I
Kk Hk )Pk /k 1(I
Kk Hk )T
K
k
Rk
K
T k
Pk1
P 1 k /k 1
H
T k
Rk1H k
③ 卡尔曼滤波估计 xˆk 是无偏估计 ④ Kk 与Qk1成正比，而与Pk 成反比
卫星导航系统
Global Navigation Satellite System
卫星导航系统课程 自动化学院 哈尔滨工程大学 组
第八章 船用惯性导航系统 与GPS的组合
本章内容安排
➢ 概述 ➢ 船用惯性导航系统 ➢ 卡尔曼滤波器 ➢ GPS/INS组合导航 ➢ 双差分GPS/INS组合导航系统 ➢ 推算船位与GPS的组合
Vehicle acceleration
Accelerometer
Gyroscope
Navigation Computer
Vehicle angular rate
Accel Rate
Coordinate Transform
Velocity Integration
Quaternion Calculation
3. 位置误差方程 : 采用摄动法，直接得到位置误差方程：
& VN
R
&
VE
R
cos
VN R
sec
tg
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波算法是一种线性最小方差估计的递推算法，相对 其它几种最优估计方法，卡尔曼滤波具有如下特点：
算法是递推的 采用动力学方程描述被估计量的动态变化规律 卡尔曼滤波具有连续型和离散型两类算法
概述
组合导航优点
➢ GPS/INS组合对改善系统精度有利 ➢ GPS/INS组合加强系统的抗干扰能力 ➢ 惯导系统提高GPS接收机的跟踪能力 ➢ 解决周跳问题 ➢ 组合系统将降低对惯导系统的要求
船用惯性导航系统
船用平台式惯性导航系统 一般采用水平指北方案。由陀螺仪（三个单自由或二个双
自由）构成稳定平台，跟踪并稳定在当地地理坐标系内。在惯性 平台上安装两个敏感轴互相垂直、分别沿东西向和南北向放置的 加速度计，用以测量这两个方向的加速度信息。
卡尔曼滤波器
离散系统的卡尔曼滤器
动态方程 量测方程
xk x k ,k 1 k 1 k 1 k 1
zk Hk xk k k 1
状态预测估计 方差预测 状态估计 方差迭代
xˆk /k 1 k,k 1xˆk 1
Pk / k 1
P k,k1 k1 k,k1
k1Qk1k1
xˆk xˆk/k1 Kk (zk Hk xˆk/k1)
考虑在地球表面运动的船舶，忽略垂直速度得到
V&n
VV&&EN
fE fN
VN (& VE (&
2Ωie
)
sin
2Ωie ) sin
一次积分：
Vn t V&ndt V n (0) o
第二次积分：
t o t
o
VN dt (0)
R
VE
sec dt
(0)
R
V n (0)、(0) 、(0) 分别表
Pkk
[Hk
Pk
H
/k 1 k
Rk ]1 Hk Pk/k1
[I Kk Hk ]Pk/k1
滤波增益
Hk
Pk
/
k
1H
k
[
H
k
Pk
/
k
1
H
k
Rk ]1
卡尔曼滤波器
卡尔曼滤波的性质
① 卡尔曼滤波是一种递推算法，启动时必须先给定初值和。 ② 计算估计的均方误差阵有三种等价形式：
概述
惯性导航系统（INS）： ➢ 优点：
完全自主的导航 可提供多种导航信息 ➢ 缺点： 精度逐渐降低。 初始对准时间长
卫星导航系统（GPS）： ➢ 优点：
定位精度高 精度不随时间变化 ➢ 缺点： 卫星信号不易捕获和跟踪 抗干扰能力差易产生周跳
GPS系统与惯导系统具有互补的特 点
因而被认为是目前导航领域和大地测量领域 最理想的组合方式。
重力无异常时， gn 0
enn和ine
enn和ine 的反对称矩阵
ine {0， ie sin ，iecos}
enn
{ VN
R
，VE
R
，tg
R
VE
VE R
sec2
}
f n 比力误差在地理坐标系的投影，主要是由加速度计零位误差▽和平
台（或捷联式惯导的“数学平台”）偏离地理坐标系所致
船用惯性导航系统
R
, VE
R
ie
sin
,
(VE R
sec2
Ωie
cos )
1 R
tg VE }
陀螺漂移 在地理坐标系的投影： n
平台惯导： n
捷联惯导： n Cbn
船体坐标系到地理坐标系的方向余弦阵：Cbn
船用惯性导航系统
2. 速度误差方程 采用摄动法，得到速度误差方程：
V&n (enn 2ine )V n (enn 2ine )V n g n f n
则：
V&n Cin[&r&i (Ωien 2Ωiie )CinVn ΩiieΩiieri ]
fn
V&n
(Ω
n en
2Ωine )V n
gn
g2n Ω CineVinΩniieΩ及iierΩi ennGVnn分别为代地表球载引体力运与动离的心哥力氏之加差速，度即项重和力离。心加速度项；
船用惯性导航系统
Accelerate Integration
Rate Integration
Euler Angle Calculation
Position Velocity
Attitude
船用惯性导航系统
船用惯性导航系统误差方程的推导 1. 平台姿态误差方程
&&n &n inn inn n
inn
{ VN
船用惯性导航系统
加速度计测量的是比力 ，即载体惯性力与地球引力之差：
f n Cin[&r&i Gi ] Cin&r&i Gn
C
n i
表示从惯性坐标系i到地理坐标系n的方向余弦矩阵，以下类
同；r为载体的地心位置矢量；G为地球引力。
地理坐标系内的速度及加速度 ：
Vn
C
n e
r&e
Cin (r&i Ωiieri )
示速度矢量、纬度及经度
的初始值。
船用惯性导航系统
船用捷联式惯导系统 捷联式惯性导航系统就是将惯性敏感元件直接安装在运载
体上，不再需要稳定平台和常平架结构的惯导系统。它通过 计算机内的姿态矩阵实时解析计算，起到“数学解析平台” 的作用，把惯性导航系统中加速度计测量到的比力信息，转 换到导航动参考坐标系，并从姿态矩阵的有关元素中提取舰 船的姿态角（艏向角、横摇角和纵摇角）。