组合导航复习完整版讲述
自动驾驶组合导航(1)
自动驾驶组合导航1卫惯组合导航需求逐渐刚性，百亿级市场已来临1.1. GNSS与IMU融合可提供稳定的绝对位置信息全球卫星导航系统（GNSS）是能为地球表面或近地空间任何地点提供全天候定位、导航、授时的空基无线电导航定位系统。
美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）、欧盟的伽利略卫星导航系统（Galileo）以及我国的北斗卫星导航系统（BDS）是全球四大卫星导航定位系统。
受多路径效应、对流层折射等因素影响，普通GNSS单点定位精度一般在5-10米（实际普通GNSS在开阔地带单频单模单点定位精度约为2. 5米）。
为提高卫星导航系统的定位精度，出现了高精度卫星定位技术，主要包括以基于网络RTK技术的连续运行参考站系统（CORS）为代表的地基增强技术、以美国广域增强系统（WAAS）为代表的区域星基增强系统以及基于实时精密单点定位技术（PPP）的商业全球星站差分增强技术。
惯性导航系统（INS）属于推算导航方式，即从一已知点的位置根据连续测得的运动体航向角和速度推算出其下一点的位置，因而可连续测出运动体的当前位置。
惯性导航系统的核心部件为陀螺仪和加速度计，利用载体先前的位置、惯性传感器测量的加速度和角速度来确定其当前位置。
给定初始条件，加速度经过一次积分得到速度，经过二次积分得到位移。
角速度经过处理可以得出车辆的俯仰、偏航、滚转等姿态信息，利用姿态信息可以把导航参数从载体坐标系变换到当地水平坐标系中。
惯性导航系统有自主导航、不受外部依赖、输出频率高（大于IoOHZ）等优点。
定位精度取决于陀螺仪、加速度计等惯性传感器的测量精度，高性能IMU价格昂贵。
惯性导航定位误差会随着时间不断累积，导致位置和姿态的测量结果偏离实际位置，因此无法用来做长时间的高精度定位。
因此，通常采用惯性导航系统作为GNSS信号丢失时的补偿，以使导航系统功能连续。
惯性导航起源于军工领域，因其成本高，长期用于国防和商用航空航天领域，相关模组器件主要由我国军工企业研发制造，产品以高精度战术级器件为主（包括激光惯性导航、光纤惯性导航和高精度MEMS惯性导航）。
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。
组合导航复习（完整版）
组合导航复习（完整版）⼀.名词解释.1.导航,导航系统及常⽤导航⽅法.(书P1)导航:将航⾏体从起始点导引到⽬的地的技术⽅法.导航系统:能够向航⾏体的操纵者或控制系统提供航⾏体位置,速度,航向等即时运动状态的系统.常⽤导航⽅法:①航标⽅法.②航位推算法.③天⽂导航.④惯性导航.⑤⽆线电导航.⑥卫星定位导航.2.航位推算导航.(书P1)航位推算导航:从⼀个已知坐标位置开始,根据航⾏体在该点的航向,航速和航⾏时间,推算下⼀时刻的坐标位置的导航过程和⽅法.优点:航位推算导航技术不受天⽓,地理条件的限制,是⼀种⾃主式导航⽅法.缺点:随着时间的推移,其位置累积误差会越来越⼤.3.衡量导航性能的参数有哪些?答:精度,覆盖范围,系统容量,导航信息更新率,导航信息维数;可⽤性,可靠性,完善性,多值性.4.伪距.(书P13)⽤户接收机⼀般不可能有⼗分精确的时钟,他们也不与卫星钟同步,因此⽤户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的,计算得到的距离也不是⽤户接收机和卫星之间的真实距离.这种距离叫做伪距.5.定轴性与进动性.(书P36)定轴性:陀螺仪的转⼦绕⾃转轴⾼速旋转,即具有动量矩H 时,如果不受外⼒矩作⽤,⾃转轴将有相对惯性空间保持⽅向不变的特性.进动性:如果在陀螺仪上施加外⼒矩M,会引起陀螺仪动量矩H 相对惯性空间转动的特性.6.⽐⼒.(书P53)设质点在i 系(惯性系)中的位⽮为r ,质点在外⼒作⽤下在惯性空间的运动状态可⽤⽜顿第⼆定律导出,即22i d r F m mr dt == .在上述等式当中,+F F F = 引⾮引⼒,F ⾮引⼒为⾮引⼒外⼒,是指作⽤在载体上的发动机推⼒,空⽓阻⼒,升⼒,地⾯反作⽤⼒等等.=F mG 引为引⼒外⼒.由此得22i F d r G dt m =+ ⾮引⼒.⽐⼒定义为F f m =⾮引⼒,为载体的⾮引⼒惯性加速度⽮量,也称视加速度⽮量.G 为中⼼引⼒加速度⽮量.7.惯导系统(书P31)惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是利⽤惯性敏感器(陀螺仪和加速度计)测量得到的载体运动的⾓速率和加速度,依据惯性定律计算载体位置,速度,姿态等运动参数的装置或系统.8.数学平台.(书P21)数学平台的主要任务是⽤捷联陀螺仪测量的载体⾓速度计算出载体坐标系b 到导航坐标系n 的姿态变换矩阵nb C ;从姿态矩阵的元素中提取载体的姿态和航向⾓信息;⽤姿态矩阵把捷联系统加速度计的输出从载体坐标系变换到导航坐标系(n nb b f C f ).姿态矩阵计算,姿态航向⾓计算,⽐⼒变换等效于平台惯导的实体平台功能,但是靠数学变换和计算机实现.通常把这三项计算称作”数学平台”.9.对准.(书P72)在惯导系统加电启动后,平台的三轴指向是任意的,没有确定的⽅位.因此,在系统进⼊导航⼯作状态之前,必须将平台的指向准确估计出来.这⼀确定平台坐标系相对于参考系的⽅位的过程称为惯导系统的对准.10.传递对准.(书P81)传递对准是主惯导向⼦惯导实时传输⼦惯导对准所需要的导航参数和数据,⼦惯导通过动态匹配它与主惯导的数据,估计它所建⽴的坐标系与主惯导所建⽴坐标系之间的差别,并进⾏修正,以建⽴与主惯导相⼀致的导航坐标系的过程.(这段话⽐较拗⼝,要耐⼼地看.)11.标定与补偿.(书P94,P96)标定:通过⽐较陀螺仪,加速度计的输出值与已知的输⼊运动或基准信息,确定误差模型或测量模型的误差系数,使输出在其取值范围内符合使⽤要求的过程.误差补偿:通过测量确定适当的误差系数,并利⽤这误差系数通过误差模型对测量值加以修正,以除去惯性敏感器或系统中可预测的误差项.12.组合导航(书P26)组合导航技术是指使⽤两种或两种以上的不同导航系统(或设备)对同⼀信息源作测量,利⽤不同导航设备性能上的互补特性,从这些测量值的⽐较值中提取各系统的误差并校正之,以提⾼整个导航系统性能的⽅法和⼿段.13.最优组合导航(书P104)为了与经典的回路控制⽅法和其他确定性修正⽅法相区别,通常称采⽤滤波和估计技术的组合导航为最优组合导航.最优组合导航的基本原理是利⽤两种或两种以上的具有互补误差特性的独⽴信息源或⾮相似导航系统,对同⼀导航信息作测量并解算以形成量(liang,第⼆声)测量(liang,第四声),以其中⼀个系统作为主系统,利⽤滤波算法估计该系统的各种误差(称为状态误差),再⽤状态误差的估值去校正系统状态值,以使组合系统的性能⽐其中任何⼀个独⽴的⼦系统都更为优越,达到综合⽬的.14.线性滤波(书P106)基于线性系统进⾏的滤波称为线性滤波.主要包括:①最⼩⼆乘估计:它不考虑被估参数和观测参数的统计特性,因此不是最优估计.②卡尔曼滤波器:1960年卡尔曼提出了⼀种实⽤的递推最优估计算法:卡尔曼滤波器.它是建⽴在状态空间时域公式基础上的最优递推滤波算法,成为现代许多信息融合算法的基础.15.卡尔曼滤波(书P113)卡尔曼滤波是⼀种线性⽆偏,以误差⽅差最⼩为估计准则的最优估计算法.特点:①它的数学模型是⼀阶的,即连续系统是⼀阶微分⽅程,离散系统是⼀阶差分⽅程,特别适合计算机处理.②由于采⽤了状态转移矩阵来描述实际的动态系统,在许多⼯程领域中都可以使⽤.③卡尔曼滤波器的每次运算,只要求前⼀时刻的估计数据和当前时刻的测量数据,不必存储⼤量的历史数据.16.Sagnac效应.(书P42)光学陀螺的⼯作原理主要是基于Sagnac效应.所谓Sagnac效应是指在任意⼏何形状的闭合光路中,从某⼀观察点出发的⼀对光波沿相反⽅向运⾏⼀周后⼜回到该观察点时,这对光波的光程将由于该闭合光路相对于惯性空间的旋转⽽不同,光程差的⼤⼩与闭合光路的转动速率成正⽐.17.数据库参考导航(书P248)数据库参考导航(Data Base Reference Navigation,DBRN)是利⽤预先测量的地理或天⽂数据(源)库或地图作为参考,与传感器测量的相关信息进⾏计算,⽐较和相关处理,确定载体精确的定位信息和为载体提供导航的过程,⽅法和技术的总称.18.地形辅助导航(书P22)地形辅助导航(Terrain Aided Navigation,TAN)是利⽤地形,地物和地貌特征进⾏导航的总概念.地形辅助导航的基本⼯作原理:在系统中存储有飞⾏器所要飞越地区的三维数字地图;在飞⾏过程中,系统利⽤地形特征传感器得出飞⾏器正下⽅的地形剖⾯图或其他特征;系统将所存储的数字地图与测得的地形剖⾯图相⽐较,当达到匹配时,便求出了飞⾏器所在点的位置.⼆.简答题1.简述GPS 的组成,定位的⼏何原理以及GPS 定位过程.①GPS 系统的组成:GPS 卫星星座(空间部分),地⾯监控系统(控制部分),GPS 信号接收机(⽤户部分).②定位原理:三球交会(不是汇)原理.(书P13)三球交会原理:⽤户接收机与卫星之间的距离为:R =其中111,,,R x y z 为卫星到⽤户接收机之间的距离,卫星的坐标,是已知量;,,x y z 为⽤户接收机的坐标,为未知量.如果接收机能测出距三颗卫星的距离,便有三个这样的⽅程式,把这三个⽅程式联⽴起来,便能求解接收机的位置坐标,从⽽确定⽤户的位置.实际上, ⽤户接收机⼀般不可能有⼗分精确的时钟,他们也不与卫星钟同步,因此⽤户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的,计算得到的距离也不是⽤户接收机和卫星之间的真实距离.这种距离叫做伪距.假设⽤户接收机在接收卫星信号的瞬间,接收机的时钟与卫星导航系统所⽤时钟的时间差为t ,则有:R c t =+其中,c 为光速;t 为未知数.只要接收机能测出据四颗卫星的伪距,便有四个这样的⽅程.联⽴即可求解接收机的位置和准确的时间.③GPS 定位过程:围绕地球运转的⼈造地球卫星连续向地球表⾯发射经过编码调制的连续⽆线电信号,信号中含有卫星信号准确的发射时间,以及不同的时间卫星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数描述);卫星导航接收机接收卫星发出的⽆线电信号,测量信号的到达时间,计算卫星和⽤户之间的距离;⽤导航算法(最⼩⼆乘法或滤波估计算法)解算得到⽤户的准确位置.2.简述平台式惯导原理.平台式惯导以陀螺为测量元件,通过三个框架形成了⼀个不随载体姿态和载体在地球上的位置⽽变动的物理稳定平台,保持着指向东北天三个⽅向的坐标系.固定在平台上的加速度计分别测量出在这三个⽅向上的载体加速度,将其对时间⼀次和⼆次积分,从⽽导出载体的速度和所经过的距离,载体的航向与姿态,最后由陀螺及框架构成的稳定平台输出.3.简述捷联式惯导原理.捷联式惯导将陀螺和加速度计直接固联在运载体上.惯性传感器(陀螺,加速度计)输出的是载体相对惯性空间的加速度和⾓速度,由计算机将载体坐标系下测量的数据变换到导航坐标系中再进⾏导航计算.因为导航计算是以参考坐标系(导航坐标系)为参考来确定载体的位置,速度,姿态等运动参数的,坐标变化和姿态⾓计算实际上起到了平台式惯导系统的稳定平台的作⽤,所以也称为”数学平台”.4.为什么说陀螺仪和加速度计是决定惯导系统精度的决定因素?(书P70)①陀螺仪的误差:陀螺漂移引起的误差⼤多数是振荡的,但对某些导航参数和平台误差⾓将产⽣常值误差.⽽最为严重的是北向陀螺的漂移y ε及⽅位陀螺的漂移z ε,对于经度误差()t δλ将引起随时间积累的位置偏差.但这并不意味着可以放松对东向陀螺的要求.实际上东向陀螺漂移x ε直接影响⽅位对准精度.因此,3个陀螺漂移的⼤⼩都是决定系统精度的关键因素.②加速度计的误差:加速度计零偏误差将产⽣振荡误差及常值误差.如两个⽔平加速度计的零偏误差,x y ??将引起经纬度及平台姿态⾓的常值误差.总之,陀螺仪和加速度计的精度是影响惯导系统精度的决定性因素,其中陀螺仪的精度尤为突出.5.阐述惯导系统的基本误差特性.(P70,与题⽬4类似,是题⽬4的概括)①陀螺仪:引起的系统误差⼤多为振荡的,对某些导航参数和平台误差⾓将产⽣常值误差.最为严重的是北向陀螺漂移以及⽅位陀螺漂移,对经度误差将引起随时间积累的位置偏差.东向陀螺的漂移误差将直接影响⽅位对准精度.②加速度计的误差:产⽣振荡及常值误差.其中⽔平加速度计将引起经纬度及平台姿态⾓常值误差.总之,陀螺仪和加速度计的精度是影响惯导系统精度的决定性因素,其中陀螺仪的精度尤为突出.6.最优组合导航的原理,及其主要过程.①定义:采⽤滤波和估计技术的组合导航为最优组合导航.②基本原理:是利⽤两种或两种以上的具有互补误差特性的独⽴信息源或⾮相似导航系统,对同⼀导航信息作测量并解算以形成量测量,以其中⼀个系统作为主系统,利⽤滤波算法估计该系统的各种误差(称为状态误差),再⽤状态误差的估值去校正系统状态值,以使组合系统的性能⽐其中任何⼀个独⽴的⼦系统都更为优越,达到综合⽬的.③应⽤最优滤波实现组合导航的主要过程:a.设计”最优”系统并对其特性进⾏计算和评估.b.考虑成本限制,灵敏度特性,计算要求和能⼒,测量程序和系统知识了解程度等,对”最优”系统进⾏简化,设计合适的”次优”系统.c.构建并试验样机系统,并按要求做最后调整和改进.7.卡尔曼滤波器的定义,特点:①定义:卡尔曼滤波是⼀种线性,⽆偏,以误差⽅差最⼩为估计准则的最优估计算法.②主要特点:a.它的数学模型是⼀阶的,即连续系统是⼀阶微分⽅程,离散系统是⼀阶差分⽅程,特别适合计算机处理.b.由于采⽤了状态转移矩阵来描述实际的动态系统,在许多⼯程领域中都可以使⽤.c.卡尔曼滤波器的每次运算,只要求前⼀时刻的估计数据和当前时刻的测量数据,不必存储⼤量的历史数据,⼤⼤减少了对计算机运算能⼒的要求.8.写出离散卡尔曼滤波⽅程组.9.卡尔曼滤波误差产⽣的原因?①系统数学模型不准确或对系统数学模型作了⼀定的简化及近似,忽略了有关误差因素,使实际系统的状态转移矩阵,系统⼲扰矩阵等等与滤波计算时应⽤的相应参数矩阵有差别.②初始状态⽅差估计不准确,即0P 存在误差.③噪声的统计特性不准确,即,k k Q R 存在误差.④使⽤了不准确的增益矩阵k K .10.联邦滤波的基本思想.基本思想是先分散处理,再全局融合,即在诸多⾮相似⼦系统中选择⼀个信息全⾯,输出效率⾼,可靠性绝对保证的⼦系统作为公共参考系统,与其他⼦系统两两相结合,形成若⼲⼦滤波器;各⼦滤波器并⾏运⾏,获得建⽴在⼦滤波器局部观测基础上的局部最优估计;这些局部最优估计在主滤波器内按融合算法合成,从⽽获得建⽴在所有观测量基础上的全局估计.11.什么是直接估计⽅法,间接估计⽅法?惯性组合导航系统根据滤波器状态可将估计⽅法分为直接估计法和间接估计法.①直接估计法以各种导航参数(如惯导系统输出的精度λ,纬度L 和对地速度,,N U E v v v 等,采⽤符号I X 表⽰)为主要滤波状态,滤波器估值的主要部分就是导航参数估值.②间接法以惯导系统导航参数误差I X ?为滤波器主要状态,滤波器估值的主要部分就是导航参数误差估值?X ?,然后⽤?X ?去校正IX .12.简述输出校正和反馈校正的优缺点.(书P132)①输出校正:优点:⼯程实现⽐较⽅便,组合滤波器的故障不会影响惯导的⼯作.缺点:由于输出校正的滤波器所估计的状态是未经校正的导航参数误差,⽽惯导的误差是随时间增长的,卡尔曼滤波器的数学模型建⽴在误差为⼀阶⼩量且取⼀阶近似的基础上,因此在长时间⼯作时,由于惯导误差不再是⼩量,会使滤波⽅程出现模型误差,使滤波精度下降.②反馈校正:优点:反馈校正的滤波器所估计的状态是经过校正的导航参数误差,在反馈校正后,惯导的输出就是组合系统的输出,误差始终保持为⼩量,克服了输出校正的缺点,因此可以认为利⽤反馈校正的系统状态⽅程,更能接近真实地反映系统误差状态的动态过程,也可以认为没有模型误差.缺点:⼯程实现没有输出校正简单,且滤波器故障直接影响惯导输出,降低了系统可靠性.13.简述GPS/INS松耦合,紧耦合,并⽐较两者的特点.(P151)①松耦合组合(速度位置组合):将INS(惯导)和GNSS(全球导航卫星系统,这⾥特指GPS系统)接收机各⾃输出的位置估值和速度估值进⾏⽐较,得到的差值形成滤波器(如卡尔曼滤波器)的测量输⼊量,对惯导系统提供测量更新.②紧耦合组合(伪距,伪距率组合):将GNSS接收机的伪距测量值和伪距率测量值,与利⽤INS导航输出计算出的相应伪距,伪距率估计值进⾏⽐较,得到的差值形成(卡尔曼)滤波器的测量输⼊值,经组合导航滤波器,⽣成惯导系统的误差估值,这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进⾏修正,以提⾼惯导的精度.③特点(⽂字版):与松耦合相⽐,紧耦合的主要优点有:不存在将⼀个卡尔曼滤波器的输出⽤作第⼆个滤波器的测量输⼊时所产⽣的问题;隐含完成GNSS 位置和速度协⽅差的交接;组合系统不需要⽤完整的GNSS数据来辅助INS,即使只跟踪到单个卫星信号,GNSS数据也会输⼊滤波器,⽤于估计INS的误差,从⽽增加了GNSS使⽤的灵活性,但是在这种情况下估计精度会下降很快.④特点⽐较(表格版本):(见书P151)14.GPS/INS伪距,伪距率组合的概念.紧耦合组合是将GNSS接收机的伪距测量值和伪距率测量值,与利⽤INS导航输出计算出的相应伪距,伪距率估计值进⾏⽐较,得到的差值形成(卡尔曼)滤波器的测量输⼊值,经组合导航滤波器,⽣成惯导系统的误差估值,这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进⾏修正,以提⾼惯导的精度.由于这种组合使⽤GNSS测量的伪距和伪距率以及INS导航结果相应的伪距和伪距率估值作为组合滤波器的测量值,因此,这种紧耦合组合也称为伪距,伪距率组合.15.简述SITAN地形辅助导航的原理.(书P261)根据INS输出的位置可在数字地图上找到地形⾼程,⽽INS输出的绝对⾼度与地形⾼程之差为飞⾏器相对⾼度的估计值,它与雷达⾼度表实测相对⾼度之差就是卡尔曼滤波的测量值.由于地形的⾮线性特性导致了量测⽅程的⾮线性,采⽤地形随机线性化算法可实时地获得地形斜率,得到线性化的量测⽅程;结合INS的误差状态⽅程,经过卡尔曼滤波递推算法可得导航误差状态的最优估值,采⽤输出校正可修正INS的导航状态,从⽽获得最优导航状态.16.巡航导弹的惯性地形匹配制导过程.(书P256)①在侦查阶段,预先绘制出飞⾏弹道附近区域的数字地形标⾼数字地图获取数字的地形⾼程数据,按巡航导弹预定的发射点到被攻击⽬标点之间的最佳基准弹道,确定若⼲个具有明显地形特征的地形匹配区.②巡航导弹飞⾏过程中进⾏地形数据实测,确定出导弹实际位置.③修正巡航导弹的飞⾏航迹.三.计算题.1.推导并说明纯惯性⾼度通道的稳定性.2.写出惯导⽐⼒⽅程,并说明其含义,指出每⼀项的物理意义.上述⽅程表明了加速度计所敏感的⽐⼒与载体相对地球加速度之间的关系.其右边第⼀项是载体对地速度在导航坐标系中的变化率,即在测量坐标系中表⽰的载体相对地球的加速度;第⼆项是地球⾃转⾓速度和导航坐标系相对地球的转动所产⽣的科⽒加速度和向⼼加速度;第三项是地球重⼒加速度.(需会推导)推荐⼀⾸歌:《ありふれたかなしみの果て》Contributed by 施俊杰。
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
导航原理_组合导航
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。
下面以外部位置信息阻尼方案为例予以说明。 利用天文导航系统得到的外部位置信息实现对
惯导系统阻尼的一种方案如图6.2所示：
r 为外部位置信息，c 为惯导系统的位置信息。
图中，r为外部位置信息, 可由天文导航系统给出，
其和惯导系统输出的纬度信息相比较，以其差值
信号，通过k1,k2,k3环节反馈到系统中去。
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
1
非线性系统卡尔曼滤波
采用线性化的方法，称为EKF（扩展卡 尔曼滤波）
若线性化后的系统误差较大，则采用 UKF滤波方法（Unscented Kalman Filter）
Kalman滤波的稳定性问题
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。
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。
合导航第九讲机载SAR运动补偿
一、机载SAR运补用SINS/GPS组合导航技术概述
运动补偿是高分辨率机载SAR的关键
实际航线不可能为匀速直线
SAR成像要求 载机匀速直线飞行
自聚焦方法: 计算量巨大,高分辨率SAR难以实时 基于SINS/GPS的运动补偿: 计算量小，精度高 机载高分辨率SAR实时成像的必要手段 机载合成孔径雷达运动补偿原理图 技术瓶颈
0.003 0.007
德国IGI公司研制的SAR运动补偿用光纤陀螺IMU/GPS组合导航系统 Aerocontrl
14
一、机载SAR运补用SINS/GPS组合导航技术概述 1.2 国内外研究现状——德国
光纤陀螺IMU/GPS组合系统
Aerocontrol Aerocontrol应用于德国DLR研制的E-SAR 使E-SAR实现了 0.25米分辨率 15
0.005 0.005 0.008
加拿大APPLANIX公司的SAR运补用挠性陀螺IMU/GPS组合导航系统
POS/AV 510
12
一、机载SAR运补用SINS/GPS组合导航技术概述 1.2 国内外研究现状——加拿大
POS/AV 510
POS/AV510应用于美国Sandia国家实验室研制的 Lynx SAR 使 Lynx SAR 实现了0.1米分辨率
必须运动补偿
11
一、机载SAR运补用SINS/GPS组合导航技术概述 1.2 国内外研究现状——加拿大
POS/AV510 C/A DGPS 后处理
定位(m)
速度(m/s) 侧滚与俯仰() 实际航向()
4.0~6.0
0.05 0.008 0.070
0.5~2.0
0.05 0.008 0.05
0.05~0.3
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。
捷联惯导算法与组合导航原理讲义(20210220)
捷联惯导算法与组合导航原理讲义严恭敏，翁浚编著西北工业大学2021-9前言近年来，惯性技术不管在军事上、工业上，还是在民用上，特别是消费电子产品领域，都获得了广泛的应用，大到潜艇、舰船、高铁、客机、导弹和人造卫星，小到医疗器械、电动独轮车、小型四旋翼无人机、空中鼠标和手机，都有惯性技术存在甚至大显身手的身影。
相应地，惯性技术的研究和开发也获得前所未有的蓬勃开展，越来越多的高校学生、爱好者和工程技术人员参加到惯性技术的研发队伍中来。
惯性技术涉及面广，涵盖元器件技术、测试设备和测试方法、系统集成技术和应用开发技术等方面，囿于篇幅和作者知识面限制，本书主要讨论捷联惯导系统算法方面的有关问题，包括姿态算法根本理论、捷联惯导更新算法与误差分析、组合导航卡尔曼滤波原理、捷联惯导系统的初始对准技术、组合导航系统建模以及算法仿真等内容。
希望读者参阅之后可以对捷联惯导算法有个系统而深化的理解，并能快速而有效地将根本算法应用于解决实际问题。
本书在编写和定稿过程中得到以下同行的热心支持，指出了不少错误之处或提出了许多珍贵的修改建议，深表谢意：西北工业大学自动化学院：梅春波、赵彦明、刘洋、沈彦超、肖迅、牟夏、郑江涛、刘士明、金竹、冯理成、赵雪华；航天科工第九总体设计部：王亚军；辽宁工程技术大学：丁伟；北京腾盛科技：刘兴华；东南大学：童金武；中国农业大学：包建华；南京航空航天大学：赵宣懿；武汉大学：董翠军；网友：Zoro；山东科技大学：王云鹏。
书中缺点和错误在所难免，望读者不吝批评指正。
作者2021年9月目录第1章概述 (6)捷联惯导算法简介 (6)1.2 Kalman滤波与组合导航原理简介 (7)第2章捷联惯导姿态解算根底 (10)反对称阵及其矩阵指数函数 (10)2.1.1 反对称阵 (10)2.1.2 反对称阵的矩阵指数函数 (12)方向余弦阵与等效旋转矢量 (13)2.2.1 方向余弦阵 (13)2.2.2 等效旋转矢量 (14)方向余弦阵微分方程及其求解 (16)2.3.1 方向余弦阵微分方程 (16)2.3.2 方向余弦阵微分方程的求解 (17)姿态更新的四元数表示 (19)2.4.1 四元数的根本概念 (19)2.4.2 四元数微分方程 (23)2.4.3 四元数微分方程的求解 (24)等效旋转矢量微分方程及其泰勒级数解 (26)2.5.1 等效旋转矢量微分方程 (26)2.5.2 等效旋转矢量微分方程的泰勒级数解 (29)圆锥运动条件下的等效旋转矢量算法 (31)2.6.1 圆锥运动的描绘 (31)2.6.2 圆锥误差补偿算法 (33)第3章地球形状与重力场根底 (40)地球的形状描绘 (40)地球的正常重力场 (46)地球重力场的球谐函数模型 (50)3.3.1 球谐函数的根本概念 (50)3.3.2 地球引力位函数 (58)3.3.3 重力位及重力计算 (63)第4章捷联惯导更新算法及误差分析 (69)4.1捷联惯导数值更新算法 (69)4.1.1 姿态更新算法 (69)4.1.2 速度更新算法 (70)4.1.3 位置更新算法 (76)捷联惯导误差方程 (76)惯性传感器测量误差 (76)姿态误差方程 (78)速度误差方程 (79)位置误差方程 (79)误差方程的整理 (80)静基座误差特性分析 (82)4.3.1 静基座误差方程 (82)4.3.2 高度通道 (83)4.3.3 程度通道 (83)4.3.4 程度通道的简化 (88)4.3.5 程度通道误差方程的仿真 (90)第5章卡尔曼滤波根本理论 (92)递推最小二乘法 (92)5.2 Kalman滤波方程的推导 (94)连续时间随机系统的离散化与连续时间Kalman滤波 (101)噪声相关条件下的Kalman滤波 (107)序贯滤波 (111)信息滤波与信息交融 (113)平方根滤波 (116)遗忘滤波 (123)5.9 Sage-Husa自适应滤波 (125)最优平滑算法 (126)非线性系统的EKF滤波、二阶滤波与迭代滤波 (129)间接滤波与滤波校正 (135)联邦滤波〔待完善〕 (135)滤波的稳定性与可观测度分析 (140)第6章初始对准及组合导航技术 (146)捷联惯导粗对准 (146)矢量定姿原理 (146)解析粗对准方法 (148)间接粗对准方法 (151)捷联惯导精对准 (152)惯性/卫星组合导航 (156)空间杆臂误差 (156)时间不同步误差 (157)状态空间模型 (157)车载惯性/里程仪组合导航 (158)航位推算算法 (158)航位推算误差分析 (160)6.惯性/里程仪组合 (163)低本钱姿态航向参考系统〔AHRS〕 (166)简化的惯导算法及误差方程 (166)6地磁场测量及误差方程 (168)低本钱组合导航系统模型 (169)低本钱惯导的姿态初始化 (170).5捷联式地平仪的工作原理 (172)第7章捷联惯导与组合导航仿真 (175)飞行轨迹和惯性器件信息仿真 (175)飞行轨迹设计 (175)7.1.2 捷联惯导反演算法 (176)7.1.3 仿真 (177)捷联惯导仿真 (179)7.2.1 Matlab子函数 (179)捷联惯导仿真主程序 (184)惯导/卫星组合导航仿真 (184)子函数 (184)组合导航仿真主程序 (186)附录 (188)A一些重要的三维矢量运算关系 (188)B 运载体姿态的欧拉角描绘 (190)C 姿态更新的毕卡算法、龙格—库塔算法及准确数值解法 (197)D 从非直角坐标系到直角坐标系的矩阵变换 (205)E 线性系统根本理论 (209)F 加权最小二乘估计 (214)G 矩阵求逆引理 (215)H 几种矩阵分解方法〔QR、Cholesky与UD〕 (217)I 二阶滤波中的引理证明 (221)J 方差阵上界的证明 (223)K 三阶非奇异方阵的奇异值分解 (224)L Matlab仿真程序 (229)M 练习题 (235)参考文献 (239)第1章概述第1章概述 (6)捷联惯导算法简介 (6)1.2 Kalman滤波与组合导航原理简介 (7)1.1捷联惯导算法简介在捷联惯导系统〔SINS〕中惯性测量器件〔陀螺和加速度计〕直接与运载体固联，通过导航计算机采集惯性器件的输出信息并进展数值积分求解运载体的姿态、速度和位置等导航参数，这三组参数的求解过程即所谓的姿态更新算法、速度更新算法和位置更新算法。
组合导航算法总结
组合导航算法总结引言组合导航是一种将多个导航算法相结合的技术，旨在提高导航系统的准确性和效率。
该算法通过采用多个不同的导航策略，并将它们的结果进行组合来取得更好的导航性能。
本文将对组合导航算法进行总结，并介绍其应用场景和优势。
组合导航算法的原理组合导航算法的核心原理是通过将多个独立的导航算法的结果进行组合，从而得到更准确和可靠的导航路径。
通常情况下，组合导航算法会采用多种导航策略，如最短路径算法、遗传算法、模拟退火算法等。
这些不同的导航策略可能会有不同的优势和局限性，通过将它们组合起来，可以克服各自的限制，提高导航性能。
组合导航算法的应用场景组合导航算法可以应用于各种导航系统，比如车载导航、无人机导航、船舶导航等。
在这些场景中，导航的准确性和效率对于任务的完成至关重要。
而组合导航算法可以通过融合多种导航策略的结果，来提供更可靠和精确的导航路径。
组合导航算法的优势使用组合导航算法的主要优势包括以下几点：1.提高导航准确性：组合导航算法可以充分利用多个导航策略的优势，从而减小导航误差，提高导航准确性。
2.提高导航鲁棒性：由于组合导航算法考虑了多种导航策略，即使某个策略无法适应特定的导航场景，其他策略仍然可以提供可行的导航路径，从而提高导航的鲁棒性。
3.提高导航效率：组合导航算法可以通过并行计算多个导航策略，从而加快导航路径的计算和更新速度，提高导航效率。
4.适应多样化的导航环境：由于组合导航算法可以灵活选择不同的导航策略，因此可以适应各种不同的导航环境和场景，包括复杂的城市道路、山区、海洋等。
总结组合导航算法是一种将多个导航策略相结合的技术，可以提高导航系统的准确性和效率。
通过使用组合导航算法，可以充分利用多种导航策略的优势，克服各自的限制，从而获得更可靠、精确和高效的导航路径。
因此，组合导航算法在各种导航系统中有着广泛的应用前景。
注意：本文仅为组合导航算法总结，若需详细了解该算法的具体实现和应用细节，请查阅相关专业文献或与领域专家进行交流。
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)
组合导航技术复习题
组合导航技术复习题一、名词和概念解释1. 航位推算导航2. 卫星星历3. 伪距4. 比力5. 数学平台6.对准7. 标定与补偿8. 最优滤波器9. 惯性导航10. 组合导航二、简答题1.简述GPS的组成和定位原理。
2.GPS系统是如何准确描述卫星的位置的？3.简述伪随机码测距的原理？4.画出惯性导航系统的误差传递框图，并说明惯性导航的误差传递过程。
5.为什么说陀螺仪是决定惯性导航系统精度的关键？6.画出捷联式惯导系统的计算流程框图，并说明捷联惯导系统是如何利用加速度计和陀螺仪的测量值计算出载体的位置、速度和姿态的？7.列写离散系统Kalman滤波方程组，并解释各方程的意义。
8.画出GPS/INS伪距、伪距率组合导航系统的原理框图并说明其工作原理。
简述GPS/INS位置、速度组合与伪距、伪距率组合的主要区别？9.画出SITAN地形辅助导航算法的原理框图，并说明其工作原理。
10.以TERCOM地形辅助导航为例，说明巡航导弹采用惯性地形匹配制导的过程。
三、推导题1.推导惯性导航的比力方程，并说明方程各项的物理意义。
2.推导并说明纯惯性导航高度通道是不稳定的。
3.推导GPS/INS位置、速度组合的位置观测方程。
4.推导GPS/INS伪距、伪距率组合的伪距差和伪距率差观测方程。
四、计算题1. 设有线性定常系统的状态方程和量测方程为11k k k k k k X XW Z X V --=Φ+=+式中状态变量k X 与量测k Z 都是标量，Φ为常数。
1,k k W V -为互不相关的零均值白噪声序列，协方差为k k ,R j k j j k j W W Q V V δδ⎡⎤⎡⎤==⎣⎦⎣⎦E E （1） 写出该系统的卡尔曼滤波方程组（2） 当01Q R P Φ===＝时，求k K 和k P ，并画出不同时刻k 的k P 和k |k -1P 变化曲线。
2. 某导航定位系统的状态误差方程和量测方程分别为0p vv aa δδδδδ=== 和 p z p v δ=-+位置误差p δ、速度误差v δ和加速度误差a δ的方差初值（P 0）分别为：(1850m)2, (3.75m/s)2, (0m/s 2)2。
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]。
2012组合导航系统复习题
2011-2012学年第2学期《组合导航系统》复习题1. 什么是导航？简述推算式和几何式两种导航定位方式的基本原理。
答：将航行载体从起始点引导到目的地的过程称为导航。
推算式定位：最有代表性的推算式导航技术是可以实现完全自主导航的惯性导航。
惯性导航在获得初始条件的基础上，完全依靠自身的加速度计和陀螺实现对速度、位置和姿态的推算。
在陆地车辆和舰船导航系统中，通常基于角速率传感器和速度计或里程仪构建的实现二维平面导航定位的DR （"deduced" or "dead reckoning"）算法也是一种目前常用的推算式导航定位系统。
另外，基于多普勒频移测速的多普勒导航，用多普勒雷达测量飞行器相对于地球的速度，通过积分进行导航定位，也是一种推算式的导航定位技术和系统。
几何式定位：相对于多个已知点进行测距的几何定位技术主要包括一些无线电导航定位（卫星定位）和路标定位等。
无线导航定位系统的基本功能是载体携带的接收装置收集在一定地理区域内无线信号发射台发射的无线导航信息，根据接收信号频率、到达时间及角度等信号参量的变化，处理得到对待测位置信息的估计。
典型的无线导航定位系统有罗兰C （Loran-C ）、奥米加（Omega ）、全球卫星导航定位系统等。
另外，利用现代移动通信系统的蜂窝网络提供导航、位置信息是一种新的定位方式。
它通过测量到达（或来自）一系列固定或移动基站携带的与移动台位置信息有关的信号来确定移动基站位置。
2. 请给出惯性坐标系、地球坐标系、地理坐标系和机体坐标系的定义。
答：1．惯性坐标系(i 系)惯性坐标系是牛顿定律在其中成立的坐标系。
经典力学中，研究物体运动的时候，选取静止或匀速直线运动的参考系，牛顿力学定律才能成立，常将相对恒星确定的参考系称为惯性空间。
常用的惯性坐标系有日心惯性坐标系、地心惯性坐标系、地球卫星轨道惯性坐标系和起飞点(发射点)惯性坐标系等2．地球坐标系(e 系)地球坐标系也称为地心地球固联坐标系（Earth-Centered, Earth Fixed ECEF ），该坐标系随地球一起转动。
卡尔曼滤波与组合导航原理—初始对准
.
27
2.3 惯导系统的误差方程
静基座初始对准时，位置和垂直方向速度可准确知道 惯导系统的误差方程可简化为：
rN 0 siL n L
1
0
0
0
0
0 rN 0
rE
rV D N
sL iL nc0oLsc0oLs
g/R 0
0
0 0 0
1
0
(2)siL n
0
1 L
0
0
0
0
0
fD
0 rE 0
0 fE
rV D N
惯导系统的Ψ角误差方程：
惯导系统的误差模型可由下列3个基本方程表示：
V V f g
r rV
（2.3.1）
• δV、r和Ψ分别为速度、位置和姿态矢量
• Ω为地球自转角速度
• ω为导航坐标系相对惯性坐标系的角速度矢量
• ▽是加速度计常值偏值，ε是陀螺常值漂移
• f是比力，△g是重力矢量计算误差，
静基座条件下速度误差方程：
速度误差定义为计算速度与真实速度之差
V N 2 sL iV E n E g N
V E 2 sL iV n N N g E
静基座条件下位置误差方程：
（2.3.9）
L
1 R
VN
VE secL
R
.
32
2.3 惯导系统的误差方程
最终可得，平台惯导系统的Φ角误差方程： 不考虑δλ平台惯导系统的Φ角误差方程可简化为：
可以证明两种模型是等价的！
.
23
2.3 惯导系统的误差方程
描述惯导系统误差特性的微分方程可分为：
两种
平动误差方程 表示形式
变量取为位置误差 变量取为速度误差
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一.名词解释.1.导航,导航系统及常用导航方法.(书P1)导航:将航行体从起始点导引到目的地的技术方法.导航系统:能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体位置,速度,航向等即时运动状态的系统.常用导航方法:①航标方法.②航位推算法.③天文导航.④惯性导航.⑤无线电导航.⑥卫星定位导航.2.航位推算导航.(书P1)航位推算导航:从一个已知坐标位置开始,根据航行体在该点的航向,航速和航行时间,推算下一时刻的坐标位置的导航过程和方法.优点:航位推算导航技术不受天气,地理条件的限制,是一种自主式导航方法.缺点:随着时间的推移,其位置累积误差会越来越大.3.衡量导航性能的参数有哪些?答:精度,覆盖范围,系统容量,导航信息更新率,导航信息维数;可用性,可靠性,完善性,多值性.4.伪距.(书P13)用户接收机一般不可能有十分精确的时钟,他们也不与卫星钟同步,因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的,计算得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真实距离.这种距离叫做伪距.5.定轴性与进动性.(书P36)定轴性:陀螺仪的转子绕自转轴高速旋转,即具有动量矩H 时,如果不受外力矩作用,自转轴将有相对惯性空间保持方向不变的特性.进动性:如果在陀螺仪上施加外力矩M,会引起陀螺仪动量矩H 相对惯性空间转动的特性.6.比力.(书P53)设质点在i 系(惯性系)中的位矢为r ,质点在外力作用下在惯性空间的运动状态可用牛顿第二定律导出,即22i d r F m mr dt ==.在上述等式当中,+F F F =引非引力,F 非引力为非引力外力,是指作用在载体上的发动机推力,空气阻力,升力,地面反作用力等等.=F mG 引为引力外力.由此得22i F d r G dt m =+非引力.比力定义为F f m=非引力,为载体的非引力惯性加速度矢量,也称视加速度矢量.G 为中心引力加速度矢量.7.惯导系统(书P31)惯性导航系统(Inertial Navigation System,INS)是利用惯性敏感器(陀螺仪和加速度计)测量得到的载体运动的角速率和加速度,依据惯性定律计算载体位置,速度,姿态等运动参数的装置或系统.8.数学平台.(书P21)数学平台的主要任务是用捷联陀螺仪测量的载体角速度计算出载体坐标系b 到导航坐标系n 的姿态变换矩阵nb C ;从姿态矩阵的元素中提取载体的姿态和航向角信息;用姿态矩阵把捷联系统加速度计的输出从载体坐标系变换到导航坐标系(n nb b f C f ).姿态矩阵计算,姿态航向角计算,比力变换等效于平台惯导的实体平台功能,但是靠数学变换和计算机实现.通常把这三项计算称作”数学平台”.9.对准.(书P72)在惯导系统加电启动后,平台的三轴指向是任意的,没有确定的方位.因此,在系统进入导航工作状态之前,必须将平台的指向准确估计出来.这一确定平台坐标系相对于参考系的方位的过程称为惯导系统的对准.10.传递对准.(书P81)传递对准是主惯导向子惯导实时传输子惯导对准所需要的导航参数和数据,子惯导通过动态匹配它与主惯导的数据,估计它所建立的坐标系与主惯导所建立坐标系之间的差别,并进行修正,以建立与主惯导相一致的导航坐标系的过程.(这段话比较拗口,要耐心地看.)11.标定与补偿.(书P94,P96)标定:通过比较陀螺仪,加速度计的输出值与已知的输入运动或基准信息,确定误差模型或测量模型的误差系数,使输出在其取值范围内符合使用要求的过程.误差补偿:通过测量确定适当的误差系数,并利用这误差系数通过误差模型对测量值加以修正,以除去惯性敏感器或系统中可预测的误差项.12.组合导航(书P26)组合导航技术是指使用两种或两种以上的不同导航系统(或设备)对同一信息源作测量,利用不同导航设备性能上的互补特性,从这些测量值的比较值中提取各系统的误差并校正之,以提高整个导航系统性能的方法和手段.13.最优组合导航(书P104)为了与经典的回路控制方法和其他确定性修正方法相区别,通常称采用滤波和估计技术的组合导航为最优组合导航.最优组合导航的基本原理是利用两种或两种以上的具有互补误差特性的独立信息源或非相似导航系统,对同一导航信息作测量并解算以形成量(liang,第二声)测量(liang,第四声),以其中一个系统作为主系统,利用滤波算法估计该系统的各种误差(称为状态误差),再用状态误差的估值去校正系统状态值,以使组合系统的性能比其中任何一个独立的子系统都更为优越,达到综合目的.14.线性滤波(书P106)基于线性系统进行的滤波称为线性滤波.主要包括:①最小二乘估计:它不考虑被估参数和观测参数的统计特性,因此不是最优估计.②卡尔曼滤波器:1960年卡尔曼提出了一种实用的递推最优估计算法:卡尔曼滤波器.它是建立在状态空间时域公式基础上的最优递推滤波算法,成为现代许多信息融合算法的基础.15.卡尔曼滤波(书P113)卡尔曼滤波是一种线性无偏,以误差方差最小为估计准则的最优估计算法.特点:①它的数学模型是一阶的,即连续系统是一阶微分方程,离散系统是一阶差分方程,特别适合计算机处理.②由于采用了状态转移矩阵来描述实际的动态系统,在许多工程领域中都可以使用.③卡尔曼滤波器的每次运算,只要求前一时刻的估计数据和当前时刻的测量数据,不必存储大量的历史数据.16.Sagnac效应.(书P42)光学陀螺的工作原理主要是基于Sagnac效应.所谓Sagnac效应是指在任意几何形状的闭合光路中,从某一观察点出发的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时,这对光波的光程将由于该闭合光路相对于惯性空间的旋转而不同,光程差的大小与闭合光路的转动速率成正比.17.数据库参考导航(书P248)数据库参考导航(Data Base Reference Navigation,DBRN)是利用预先测量的地理或天文数据(源)库或地图作为参考,与传感器测量的相关信息进行计算,比较和相关处理,确定载体精确的定位信息和为载体提供导航的过程,方法和技术的总称.18.地形辅助导航(书P22)地形辅助导航(Terrain Aided Navigation,TAN)是利用地形,地物和地貌特征进行导航的总概念.地形辅助导航的基本工作原理:在系统中存储有飞行器所要飞越地区的三维数字地图;在飞行过程中,系统利用地形特征传感器得出飞行器正下方的地形剖面图或其他特征;系统将所存储的数字地图与测得的地形剖面图相比较,当达到匹配时,便求出了飞行器所在点的位置.二.简答题1.简述GPS 的组成,定位的几何原理以及GPS 定位过程.①GPS 系统的组成:GPS 卫星星座(空间部分),地面监控系统(控制部分),GPS 信号接收机(用户部分).②定位原理:三球交会(不是汇)原理.(书P13)三球交会原理:用户接收机与卫星之间的距离为:R =其中111,,,R x y z 为卫星到用户接收机之间的距离,卫星的坐标,是已知量;,,x y z 为用户接收机的坐标,为未知量.如果接收机能测出距三颗卫星的距离,便有三个这样的方程式,把这三个方程式联立起来,便能求解接收机的位置坐标,从而确定用户的位置.实际上, 用户接收机一般不可能有十分精确的时钟,他们也不与卫星钟同步,因此用户接收机测量得出的卫星信号在空间的传播时间是不准确的,计算得到的距离也不是用户接收机和卫星之间的真实距离.这种距离叫做伪距.假设用户接收机在接收卫星信号的瞬间,接收机的时钟与卫星导航系统所用时钟的时间差为t ,则有:R c t = 其中,c 为光速;t 为未知数.只要接收机能测出据四颗卫星的伪距,便有四个这样的方程.联立即可求解接收机的位置和准确的时间.③GPS 定位过程:围绕地球运转的人造地球卫星连续向地球表面发射经过编码调制的连续无线电信号,信号中含有卫星信号准确的发射时间,以及不同的时间卫星在空间的准确位置(由卫星运动的星历参数和历书参数描述);卫星导航接收机接收卫星发出的无线电信号,测量信号的到达时间,计算卫星和用户之间的距离;用导航算法(最小二乘法或滤波估计算法)解算得到用户的准确位置.2.简述平台式惯导原理.平台式惯导以陀螺为测量元件,通过三个框架形成了一个不随载体姿态和载体在地球上的位置而变动的物理稳定平台,保持着指向东北天三个方向的坐标系.固定在平台上的加速度计分别测量出在这三个方向上的载体加速度,将其对时间一次和二次积分,从而导出载体的速度和所经过的距离,载体的航向与姿态,最后由陀螺及框架构成的稳定平台输出.3.简述捷联式惯导原理.捷联式惯导将陀螺和加速度计直接固联在运载体上.惯性传感器(陀螺,加速度计)输出的是载体相对惯性空间的加速度和角速度,由计算机将载体坐标系下测量的数据变换到导航坐标系中再进行导航计算.因为导航计算是以参考坐标系(导航坐标系)为参考来确定载体的位置,速度,姿态等运动参数的,坐标变化和姿态角计算实际上起到了平台式惯导系统的稳定平台的作用,所以也称为”数学平台”.4.为什么说陀螺仪和加速度计是决定惯导系统精度的决定因素?(书P70)①陀螺仪的误差:陀螺漂移引起的误差大多数是振荡的,但对某些导航参数和平台误差角将产生常值误差.而最为严重的是北向陀螺的漂移y ε及方位陀螺的漂移z ε,对于经度误差()t δλ将引起随时间积累的位置偏差.但这并不意味着可以放松对东向陀螺的要求.实际上东向陀螺漂移x ε直接影响方位对准精度.因此,3个陀螺漂移的大小都是决定系统精度的关键因素.②加速度计的误差:加速度计零偏误差将产生振荡误差及常值误差.如两个水平加速度计的零偏误差,x y ∇∇将引起经纬度及平台姿态角的常值误差.总之,陀螺仪和加速度计的精度是影响惯导系统精度的决定性因素,其中陀螺仪的精度尤为突出.5.阐述惯导系统的基本误差特性.(P70,与题目4类似,是题目4的概括)①陀螺仪:引起的系统误差大多为振荡的,对某些导航参数和平台误差角将产生常值误差.最为严重的是北向陀螺漂移以及方位陀螺漂移,对经度误差将引起随时间积累的位置偏差.东向陀螺的漂移误差将直接影响方位对准精度.②加速度计的误差:产生振荡及常值误差.其中水平加速度计将引起经纬度及平台姿态角常值误差.总之,陀螺仪和加速度计的精度是影响惯导系统精度的决定性因素,其中陀螺仪的精度尤为突出.6.最优组合导航的原理,及其主要过程.①定义:采用滤波和估计技术的组合导航为最优组合导航.②基本原理:是利用两种或两种以上的具有互补误差特性的独立信息源或非相似导航系统,对同一导航信息作测量并解算以形成量测量,以其中一个系统作为主系统,利用滤波算法估计该系统的各种误差(称为状态误差),再用状态误差的估值去校正系统状态值,以使组合系统的性能比其中任何一个独立的子系统都更为优越,达到综合目的.③应用最优滤波实现组合导航的主要过程:a.设计”最优”系统并对其特性进行计算和评估.b.考虑成本限制,灵敏度特性,计算要求和能力,测量程序和系统知识了解程度等,对”最优”系统进行简化,设计合适的”次优”系统.c.构建并试验样机系统,并按要求做最后调整和改进.7.卡尔曼滤波器的定义,特点:①定义:卡尔曼滤波是一种线性,无偏,以误差方差最小为估计准则的最优估计算法.②主要特点:a.它的数学模型是一阶的,即连续系统是一阶微分方程,离散系统是一阶差分方程,特别适合计算机处理.b.由于采用了状态转移矩阵来描述实际的动态系统,在许多工程领域中都可以使用.c.卡尔曼滤波器的每次运算,只要求前一时刻的估计数据和当前时刻的测量数据,不必存储大量的历史数据,大大减少了对计算机运算能力的要求.8.写出离散卡尔曼滤波方程组.9.卡尔曼滤波误差产生的原因?①系统数学模型不准确或对系统数学模型作了一定的简化及近似,忽略了有关误差因素,使实际系统的状态转移矩阵,系统干扰矩阵等等与滤波计算时应用的相应参数矩阵有差别.②初始状态方差估计不准确,即0P 存在误差.③噪声的统计特性不准确,即,k k Q R 存在误差.④使用了不准确的增益矩阵k K .10.联邦滤波的基本思想.基本思想是先分散处理,再全局融合,即在诸多非相似子系统中选择一个信息全面,输出效率高,可靠性绝对保证的子系统作为公共参考系统,与其他子系统两两相结合,形成若干子滤波器;各子滤波器并行运行,获得建立在子滤波器局部观测基础上的局部最优估计;这些局部最优估计在主滤波器内按融合算法合成,从而获得建立在所有观测量基础上的全局估计.11.什么是直接估计方法,间接估计方法?惯性组合导航系统根据滤波器状态可将估计方法分为直接估计法和间接估计法.①直接估计法以各种导航参数(如惯导系统输出的精度λ,纬度L 和对地速度,,N U E v v v 等,采用符号I X 表示)为主要滤波状态,滤波器估值的主要部分就是导航参数估值.②间接法以惯导系统导航参数误差I X ∆为滤波器主要状态,滤波器估值的主要部分就是导航参数误差估值ˆX∆,然后用ˆX ∆去校正I X .12.简述输出校正和反馈校正的优缺点.(书P132)①输出校正:优点:工程实现比较方便,组合滤波器的故障不会影响惯导的工作.缺点:由于输出校正的滤波器所估计的状态是未经校正的导航参数误差,而惯导的误差是随时间增长的,卡尔曼滤波器的数学模型建立在误差为一阶小量且取一阶近似的基础上,因此在长时间工作时,由于惯导误差不再是小量,会使滤波方程出现模型误差,使滤波精度下降.②反馈校正:优点:反馈校正的滤波器所估计的状态是经过校正的导航参数误差,在反馈校正后,惯导的输出就是组合系统的输出,误差始终保持为小量,克服了输出校正的缺点,因此可以认为利用反馈校正的系统状态方程,更能接近真实地反映系统误差状态的动态过程,也可以认为没有模型误差.缺点:工程实现没有输出校正简单,且滤波器故障直接影响惯导输出,降低了系统可靠性.13.简述GPS/INS松耦合,紧耦合,并比较两者的特点.(P151)①松耦合组合(速度位置组合):将INS(惯导)和GNSS(全球导航卫星系统,这里特指GPS系统)接收机各自输出的位置估值和速度估值进行比较,得到的差值形成滤波器(如卡尔曼滤波器)的测量输入量,对惯导系统提供测量更新.②紧耦合组合(伪距,伪距率组合):将GNSS接收机的伪距测量值和伪距率测量值,与利用INS导航输出计算出的相应伪距,伪距率估计值进行比较,得到的差值形成(卡尔曼)滤波器的测量输入值,经组合导航滤波器,生成惯导系统的误差估值,这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进行修正,以提高惯导的精度.③特点(文字版):与松耦合相比,紧耦合的主要优点有:不存在将一个卡尔曼滤波器的输出用作第二个滤波器的测量输入时所产生的问题;隐含完成GNSS位置和速度协方差的交接;组合系统不需要用完整的GNSS数据来辅助INS,即使只跟踪到单个卫星信号,GNSS数据也会输入滤波器,用于估计INS的误差,从而增加了GNSS使用的灵活性,但是在这种情况下估计精度会下降很快.④特点比较(表格版本):(见书P151)14.GPS/INS伪距,伪距率组合的概念.紧耦合组合是将GNSS接收机的伪距测量值和伪距率测量值,与利用INS导航输出计算出的相应伪距,伪距率估计值进行比较,得到的差值形成(卡尔曼)滤波器的测量输入值,经组合导航滤波器,生成惯导系统的误差估值,这些估值可在每次测量更新后对惯导系统进行修正,以提高惯导的精度.由于这种组合使用GNSS测量的伪距和伪距率以及INS导航结果相应的伪距和伪距率估值作为组合滤波器的测量值,因此,这种紧耦合组合也称为伪距,伪距率组合.15.简述SITAN地形辅助导航的原理.(书P261)根据INS输出的位置可在数字地图上找到地形高程,而INS输出的绝对高度与地形高程之差为飞行器相对高度的估计值,它与雷达高度表实测相对高度之差就是卡尔曼滤波的测量值.由于地形的非线性特性导致了量测方程的非线性,采用地形随机线性化算法可实时地获得地形斜率,得到线性化的量测方程;结合INS的误差状态方程,经过卡尔曼滤波递推算法可得导航误差状态的最优估值,采用输出校正可修正INS的导航状态,从而获得最优导航状态.16.巡航导弹的惯性地形匹配制导过程.(书P256)①在侦查阶段,预先绘制出飞行弹道附近区域的数字地形标高数字地图获取数字的地形高程数据,按巡航导弹预定的发射点到被攻击目标点之间的最佳基准弹道,确定若干个具有明显地形特征的地形匹配区.②巡航导弹飞行过程中进行地形数据实测,确定出导弹实际位置.③修正巡航导弹的飞行航迹.三.计算题.1.推导并说明纯惯性高度通道的稳定性.2.写出惯导比力方程,并说明其含义,指出每一项的物理意义.上述方程表明了加速度计所敏感的比力与载体相对地球加速度之间的关系.其右边第一项是载体对地速度在导航坐标系中的变化率,即在测量坐标系中表示的载体相对地球的加速度;第二项是地球自转角速度和导航坐标系相对地球的转动所产生的科氏加速度和向心加速度;第三项是地球重力加速度.(需会推导)推荐一首歌:《ありふれたかなしみの果て》Contributed by 施俊杰。