1、 組合導航組合導航 4.1 概述n一般而言，較理想的導航系統應具有以下性能：一般而言，較理想的導航系統應具有以下性能：n自主性強：不依賴天氣、氣候及其它外部條件；自主性強：不依賴天氣、氣候及其它外部條件；n功能完備：可實時輸出載體的全部運動參數，包功能完備：可實時輸出載體的全部運動參數，包括位置、速度、姿態、角速度和加速度甚至角加速括位置、速度、姿態、角速度和加速度甚至角加速度。度。n精度高：提供足夠精確的導航與控制參數；精度高：提供足夠精確的導航與控制參數；n環境適應性好：在大的溫度范圍、惡劣的沖擊、環境適應性好：在大的溫度范圍、惡劣的沖擊、振動及化學污染、煙塵等環境中能可靠工作；振動及化學

2、污染、煙塵等環境中能可靠工作；n此外，還要求體積小，重量輕，造價低廉，維護保此外，還要求體積小，重量輕，造價低廉，維護保養方便，使用壽命長等。養方便，使用壽命長等。n前述各種導航系統，各自都有其優點和特前述各種導航系統，各自都有其優點和特色，但也有固有的不足之處。慣性導航系色，但也有固有的不足之處。慣性導航系統自主性強，功能完備，但誤差隨時間積統自主性強，功能完備，但誤差隨時間積累。累。GPS全球定位系統具有全天候、全球、全球定位系統具有全天候、全球、實時高精度測速定位，但輸出參數更新率實時高精度測速定位，但輸出參數更新率低，天線被遮擋或空間衛星發生故障時會低，天線被遮擋或空間衛星發生故障時會

3、出現信號中斷，單獨用出現信號中斷，單獨用GPS導航的方案受導航的方案受到限制。天文導航，也有缺點。綜上所述，到限制。天文導航，也有缺點。綜上所述，單一的導航系統均存在不足，難以滿足航單一的導航系統均存在不足，難以滿足航天器對導航系統的性能要求。天器對導航系統的性能要求。n將兩種或兩種以上的導航系統組合起來成將兩種或兩種以上的導航系統組合起來成為一個綜合導航系統，其導航性能比單一為一個綜合導航系統，其導航性能比單一的系統好，我們把這種系統稱為組合導航的系統好，我們把這種系統稱為組合導航系統。系統。n根據使用對象，綜合方案可以多種多樣，根據使用對象，綜合方案可以多種多樣，共性在于：以慣性導航系統為

4、主，以其它共性在于：以慣性導航系統為主，以其它導航系統為輔，這是由慣導系統的全自主導航系統為輔，這是由慣導系統的全自主的特點和輸出導航參數較多決定的。的特點和輸出導航參數較多決定的。 綜合導航系統的優點可歸納如下：綜合導航系統的優點可歸納如下：n(1) 能有效地利用各子系統的導航信息，互相補充，使能有效地利用各子系統的導航信息，互相補充，使系統定位精度大大提高，并能抑制慣導系統的休拉振蕩。系統定位精度大大提高，并能抑制慣導系統的休拉振蕩。n(2) 進一步提高子系統的可靠性。利用故障檢測及識別進一步提高子系統的可靠性。利用故障檢測及識別技術，在一個子系統失效時，余度導航信息容許系統的技術，在一個

5、子系統失效時，余度導航信息容許系統的工作模式進行自動轉換。工作模式進行自動轉換。n(3) 可實現對各子系統及其元件的校準，從而能放寬對可實現對各子系統及其元件的校準，從而能放寬對子系統元件指標的要求，有利于低成本的子系統及元件子系統元件指標的要求，有利于低成本的子系統及元件構成高精度的綜合導航系統。構成高精度的綜合導航系統。n(4) 允許慣導系統進行動態初始對準與調整，既能減小允許慣導系統進行動態初始對準與調整，既能減小慣導系統的積累誤差，又能縮短地面準備時間，提高快慣導系統的積累誤差，又能縮短地面準備時間，提高快速反應能力。速反應能力。n60年代以前，綜合導航一般都采用頻率濾波的方法年代以前

6、，綜合導航一般都采用頻率濾波的方法或古典控制中校正的方法，具體的形式是環節的校或古典控制中校正的方法，具體的形式是環節的校正。正。60年代以來，濾波技術更加成熟，尤其是計算年代以來，濾波技術更加成熟，尤其是計算機技術迅猛發展，使得綜合方式轉變為以機技術迅猛發展，使得綜合方式轉變為以Kalman （卡爾曼）濾波為主，即在兩個（或兩個以上）導（卡爾曼）濾波為主，即在兩個（或兩個以上）導航系統輸出的基礎上，利用卡爾曼濾波去估計系統航系統輸出的基礎上，利用卡爾曼濾波去估計系統的各種誤差（稱為誤差狀態），再用誤差狀態的估的各種誤差（稱為誤差狀態），再用誤差狀態的估值去校正系統，達到綜合的目的。值去校正系

7、統，達到綜合的目的。n卡爾曼濾波的估計技術是一種最優估計，因此，利卡爾曼濾波的估計技術是一種最優估計，因此，利用卡爾曼濾波器實現綜合的導航系統也叫做最優綜用卡爾曼濾波器實現綜合的導航系統也叫做最優綜合導航系統。合導航系統。 1.阻尼式綜合導航系統（經典阻尼式綜合導航系統（經典組合原理）組合原理）n阻尼式組合導航系統的設計思想阻尼式組合導航系統的設計思想 n1.減弱慣導系統的積累性誤差。慣導系統的誤減弱慣導系統的積累性誤差。慣導系統的誤差隨時間而積累、精度隨時間而降低。因此要差隨時間而積累、精度隨時間而降低。因此要求與慣導系統組合的導航系統的誤差和精度不求與慣導系統組合的導航系統的誤差和精度不隨

8、時間而變化。隨時間而變化。n2.抑制慣導系統的無阻尼振蕩。從慣導系統的抑制慣導系統的無阻尼振蕩。從慣導系統的誤差分析中可知：慣導系統的振蕩周期有休拉誤差分析中可知：慣導系統的振蕩周期有休拉周期、地球自轉周期和與緯度有關的傅科周期。周期、地球自轉周期和與緯度有關的傅科周期。n目標：實現較精確的導航與定位。目標：實現較精確的導航與定位。 4.2 系統組合原理系統組合原理n下面以外部位置信息阻尼方案為例予以說明。下面以外部位置信息阻尼方案為例予以說明。n利用天文導航系統得到的外部位置信息實現對利用天文導航系統得到的外部位置信息實現對慣導系統阻尼的一種方案如圖慣導系統阻尼的一種方案如圖6.2所示：所示

9、：r為外部位置信息，為外部位置信息， 為慣導系統的位置信息。為慣導系統的位置信息。cn圖中，圖中， 為外部位置信息為外部位置信息, 可由天文導航系統給出，可由天文導航系統給出，其和慣導系統輸出的緯度信息相比較，以其差值其和慣導系統輸出的緯度信息相比較，以其差值信號，通過信號，通過k1,k2,k3環節反饋到系統中去。環節反饋到系統中去。rn由上式可見，系統成為三階系統，可通由上式可見，系統成為三階系統，可通過適當選擇參數過適當選擇參數K1、K2和和K3，使原來無，使原來無阻尼的慣導系統變成阻尼綜合導航系統阻尼的慣導系統變成阻尼綜合導航系統（也可通過引入外部速度信息來實現）。（也可通過引入外部速度

10、信息來實現）。此外，還可通過適當選擇參數來改變自此外，還可通過適當選擇參數來改變自振周期以得到所需的動態特性。振周期以得到所需的動態特性。系統穩定后，從以上兩式可得系系統穩定后，從以上兩式可得系統的穩態誤差為統的穩態誤差為n由以上兩式可見，在增加附加修正環節由以上兩式可見，在增加附加修正環節和外部位置信息之后，在定位誤差中，和外部位置信息之后，在定位誤差中，消除了初始速度誤差，而陀螺的常值漂消除了初始速度誤差，而陀螺的常值漂移只產生常值定位誤差。平臺的水平傾移只產生常值定位誤差。平臺的水平傾角誤差，只受加速度計誤差的影響，其角誤差，只受加速度計誤差的影響，其它各項輸入量產生的誤差得到消除。因它各項輸入量