1、組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理及應(yīng)用特點(diǎn)報(bào)告人：周亞軍報(bào)告人：周亞軍學(xué)號：學(xué)號：21201210662120121066方向：檢測技術(shù)與自動化裝置方向：檢測技術(shù)與自動化裝置主要內(nèi)容主要內(nèi)容 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)依靠自身攜帶的陀螺儀和加速度計(jì)，可以連續(xù)地提供包括航向、姿態(tài)在內(nèi)的全部導(dǎo)航參數(shù)，具有較高的短期精度和良好的穩(wěn)定性，尤其是在自主性和抗干擾性能方面，慣性導(dǎo)航無可替代。 但是，在長時間的連續(xù)獨(dú)立工作過程中，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在的主要缺點(diǎn)是導(dǎo)航定位誤差會隨時間而積累。為解決這一問題，一種方法是選擇高精度的慣性器件，但這會耗費(fèi)很大的成本，且慣性器件精度的提高是有限的；另一種方法就是采

2、用組合導(dǎo)航系統(tǒng)，以慣性導(dǎo)航為基準(zhǔn)，輔助以外界的導(dǎo)航信息源，改善慣性系統(tǒng)的精度。 最早出現(xiàn)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是慣導(dǎo)與多普勒雷達(dá)的組合，利用慣導(dǎo)高精度姿態(tài)信息穩(wěn)定多普勒雷達(dá)天線，而多普勒長期精度較高，可以對慣導(dǎo)實(shí)施空中對準(zhǔn)。組合導(dǎo)航系統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng) 組合導(dǎo)航系統(tǒng)是指把兩種或兩種以上不同的導(dǎo)航系統(tǒng)以適當(dāng)?shù)姆绞浇M合在一起，形成一個有機(jī)的整體，利用其性能上的互補(bǔ)特性，以獲得比單獨(dú)使用任一系統(tǒng)時更高的系統(tǒng)性能。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的分類組合導(dǎo)航系統(tǒng)的分類 根據(jù)不同的應(yīng)用要求與目的，可以構(gòu)成不同的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，由于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的自主性，目前多以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為主導(dǎo)航系統(tǒng)構(gòu)成組合導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)輔助導(dǎo)航信息源的不同，組合導(dǎo)航

3、系統(tǒng)主要可分為： 慣性-衛(wèi)星組合導(dǎo)航 慣性-地形組合導(dǎo)航 慣性-地磁組合導(dǎo)航 慣性-星光（天文）組合導(dǎo)航 慣性-視覺組合導(dǎo)航 無線電、重力組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理組合導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理 組合導(dǎo)航系統(tǒng)采用慣性系統(tǒng)以外的輔助導(dǎo)航信息源以提高慣性系統(tǒng)的精度，通過將一個或多個慣性系統(tǒng)的輸出信號與外部源相同量的獨(dú)立測量值進(jìn)行比較，根據(jù)這些測量值的差導(dǎo)出對慣性系統(tǒng)的修正值，適當(dāng)組合這些信息，就有可能獲得比單獨(dú)使用慣性系統(tǒng)更高的精度。組合導(dǎo)航系統(tǒng)方法組合導(dǎo)航系統(tǒng)方法 考慮以慣性導(dǎo)航為主的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其組合方式有三種：重調(diào)方式 在慣性導(dǎo)航工作過程中，利用輔助導(dǎo)航源得到的位置量測信息對慣性導(dǎo)航位置進(jìn)行校正。這是

4、一種利用回路之外的導(dǎo)航信息來校正的工作方式，因此，慣導(dǎo)回路的響應(yīng)特性沒有任何變化。 阻尼方式 利用慣性導(dǎo)航與輔助導(dǎo)航源的測量差，通過反饋去修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，使導(dǎo)航誤差減小。但這種方式在機(jī)動情況下，阻尼效果并不理想。 最優(yōu)組合方式（采用卡爾曼濾波器） 自20世紀(jì)60年代現(xiàn)代控制理論出現(xiàn)以后，根據(jù)最優(yōu)控制理論和卡爾曼濾波方法設(shè)計(jì)的濾波器成為組合導(dǎo)航的重要方法，它是將各類傳感器提供的導(dǎo)航信息應(yīng)用卡爾曼濾波方法進(jìn)行信息處理，卡爾曼濾波是一種遞推線性最小方差估計(jì)，以此可以得出慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差的最優(yōu)估計(jì)值，再由控制器對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正，使得系統(tǒng)誤差最小。組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)組合導(dǎo)航系統(tǒng)的特點(diǎn)組合導(dǎo)航內(nèi)各子系統(tǒng)之

5、間能取長補(bǔ)短，使系統(tǒng)總精度得以提高。一旦某系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可由子系統(tǒng)繼續(xù)工作，或以工作組合模式的轉(zhuǎn)換來保證系統(tǒng)的正常工作，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。各子系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)聯(lián)接，以最優(yōu)估計(jì)理論（卡爾曼濾波技術(shù)）為理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)定位的自動化和能連續(xù)實(shí)時的提供所需的導(dǎo)航定位參數(shù)。慣性慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航衛(wèi)星組合導(dǎo)航 衛(wèi)星導(dǎo)航是利用空間中位置和速度已知的導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位的技術(shù)，通過測定載體到導(dǎo)航衛(wèi)星的距離、距離差等參數(shù)，并結(jié)合導(dǎo)航衛(wèi)星的瞬時位置來確定載體位置。衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航目前主要的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、我國的北斗和歐洲的GALILEO。衛(wèi)星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)了全天候、全天時、全球無

6、源式三維導(dǎo)航定位，定位精度高，定位誤差不隨時間而增長。但鑒于軍事應(yīng)用的特殊要求，衛(wèi)星導(dǎo)航也存在諸多不足，如當(dāng)載體做機(jī)動飛行時易受無線電等干擾，容易受到遮擋，無法使用于水下和控制權(quán)問題，導(dǎo)致導(dǎo)航性能下降。INS/GPS組合導(dǎo)航組合導(dǎo)航 INS/GPS組合導(dǎo)航是目前應(yīng)用最為廣泛的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，GPS和慣性導(dǎo)航可以有不同水平的組合，具體可分為：1.松組合a)GPS重調(diào)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)b)位置、速度組合2.緊組合 偽距、偽距率組合3.深組合（超緊組合）a. GPS重調(diào)慣性導(dǎo)航重調(diào)慣性導(dǎo)航 GPS和慣性導(dǎo)航各自獨(dú)立工作，用GPS的位置、速度直接重調(diào)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的輸出，當(dāng)GPS工作時顯示G

7、PS的位置和速度，當(dāng)GPS停止工作時，慣導(dǎo)在原顯示基礎(chǔ)上變化，即GPS停止工作瞬時的位置和速度作為慣導(dǎo)系統(tǒng)的初值。b. 位置、速度組合位置、速度組合 把 GPS和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息進(jìn)行加權(quán)平均，用位置速度組合。 用GPS和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息的差值作為觀測值，經(jīng)組合卡爾曼濾波，估計(jì)慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差，然后對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正，如圖。 該組合的缺點(diǎn)是GPS的位置和速度誤差與時間相關(guān)。偽距、偽距率緊組合偽距、偽距率緊組合緊組合模式的優(yōu)點(diǎn)緊組合模式的優(yōu)點(diǎn)GPS與慣導(dǎo)系統(tǒng)集成，可以實(shí)現(xiàn)硬件一體化，導(dǎo)航計(jì)算精度高，實(shí)際應(yīng)用更為有效。不需要同時跟蹤4顆以上的衛(wèi)星，才能進(jìn)行組合導(dǎo)航計(jì)算。使用一個卡爾曼濾

8、波器，當(dāng)GPS不能正常工作時，慣導(dǎo)系統(tǒng)暫時提供導(dǎo)航參數(shù)。慣性慣性/星光組合導(dǎo)航星光組合導(dǎo)航 慣性/星光組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將星光導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合，利用星敏感器提供的高精度姿態(tài)信息對慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行校正，并對慣性器件的漂移進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)高精度導(dǎo)航，特別適用于遠(yuǎn)程、長航時的飛行器，如長航時無人機(jī)、遠(yuǎn)程巡航或彈道導(dǎo)彈、空天往返飛行器、近地空間飛行器等應(yīng)用領(lǐng)域。星光導(dǎo)航星光導(dǎo)航 星光導(dǎo)航依靠天體敏感器觀測的天體方位信息，可以解算獲得包括載體高度角、方位角在內(nèi)的位置及姿態(tài)信息。 星光導(dǎo)航自主性強(qiáng)，隱蔽性好，抗電磁干擾能力強(qiáng)，定位和定向精度高，且誤差不隨時間積累，是長時間運(yùn)行載體自主導(dǎo)航的重要方向。慣性慣性/

9、地形組合導(dǎo)航地形組合導(dǎo)航 慣性/地形組合導(dǎo)航系統(tǒng)是將慣性導(dǎo)航與地形匹配導(dǎo)航相結(jié)合的導(dǎo)航系統(tǒng)，地形匹配導(dǎo)航系統(tǒng)是一種自主導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過機(jī)載高度計(jì)和地形匹配技術(shù)，將地面輪廓與存儲的地形圖比較匹配，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載體的無源定位。 慣性/地形組合導(dǎo)航系統(tǒng)可用于無人偵察機(jī)、無人轟炸機(jī)和精確制導(dǎo)武器上，如德國的金牛、法國的風(fēng)暴陰影、俄羅斯的白楊導(dǎo)彈等。慣性慣性/地磁組合導(dǎo)航地磁組合導(dǎo)航 地磁信息具有無源、穩(wěn)定以及與地理位置有對應(yīng)關(guān)系的特點(diǎn)，地磁導(dǎo)航是通過將地理坐標(biāo)系中的磁場測量值與存儲的磁偏角和磁傾角圖進(jìn)行比較，或者通過對磁場異常的匹配來獲得位置坐標(biāo)。 利用慣性/地磁組合導(dǎo)航可以校正慣性導(dǎo)航長時間運(yùn)行的誤差，是解決高精度長航時自主導(dǎo)航的有效手段。慣性慣性/視覺組合導(dǎo)航視覺組