信息融合技術在組合導航系統中的應用

2015.6.16主要內容一、組合導航概述二、GPS/INS組合導航系統三、信息融合四、信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用1組合導航概述（1）背景（續）幾種常用導航系統優缺點：衛星導航系統

慣性導航系統

優點：完全自主、運動參數完備、抗干擾性強缺點：誤差積累、成本較高優點：全天候、高精度、誤差不積累缺點：缺少姿態信息、易被干擾優點：自主、精度高、誤差不積累缺點：輸出信息不連續、受氣候條件影響大天文導航系統

1組合導航概述（2）組合導航概念兩種或兩種以上的導航技術的組合，組合后的系統稱為組合導航系統。組合導航系統克服了單一導航系統的局限性，充分發揮了各自導航系統的獨特性，能夠利用多種信息源，構成一種有冗余度和導航準確度更高的多功能系統。

1組合導航概述組合導航系統的類型主要有：（2）組合導航概念（續）慣性/衛星組合導航系統慣性/多普勒組合導航系統慣性/天文導航系統1組合導航概述（2）組合導航概念（續）衛星導航系統

慣性導航系統

信息融合優勢：綜合慣性/衛星導航優點改善了系統精度加強了系統的抗干擾能力1組合導航概述（2）組合導航概念（續）慣性導航系統

信息融合優勢：降低速度誤差提高慣性平臺姿態精度抑制位置誤差增大1組合導航概述天文導航系統

（2）組合導航概念（續）慣性導航系統

信息融合優勢：完全自主、實時性強運動參數完備姿態誤差不隨時間發散主要內容一、組合導航概述二、GPS/INS組合導航系統三、信息融合四、信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用2GPS/INS組合導航系統

GPS／INS組合導航系統可以優勢互補、取長補短。用GPS的高精度定位信息通過組合濾波器來標定和補償慣導系統的積累誤差，提高導航精度。同時，利用慣導系統的速度和加速度信息對GPS進行速度輔助，以提高GPS的抗干擾能力以及動態性能。即使在GPS出現故障時，慣性系統仍能獨立工作并提供高精度的導航數據。GPS／INS是一個最佳組合方案，其性能、成本和體積均能滿足各種運載器的導航技術要求。2GPS/INS組合導航系統（1）GPS/INS組合系統構成2GPS/INS組合導航系統（2）GPS/INS組合方式2GPS/INS組合導航系統2GPS/INS組合導航系統（3）GPS/INS組合方式優缺點2GPS/INS組合導航系統（4）GPS/INS組合導航的特點可發現并標校慣導系統誤差，提高導航精度；彌補衛星導航的信號缺損問題，提高導航能力；提高衛星導航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測能力，提高組合導航的可靠性；可以提高衛星導航接收機對衛星信號的捕獲能力，提高整體導航效率；增加觀測冗余度，提高異常誤差的監測能力，提高系統的容錯功能；提高導航系統的抗干擾能力，提高完好性。主要內容一、組合導航概述二、GPS/INS組合導航系統三、信息融合四、信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用3信息融合（1）信息融合技術概念導航系統：單一導航系統發展組合導航系統導航信息處理方法：單一系統信息處理發展信息融合信息融合又可稱作多傳感器融合，利用計算機技術對按時序獲得的若干傳感器的觀測信息在一定準則下加以自動分析、綜合以完成所需的決策和估計任務而進行的信息處理過程。3信息融合（2）信息融合原理信息融合原理的實質就是模仿人腦綜合處理復雜問題的過程。信息融合要充分利用信息資源，經由對通過傳感器得來的及其他已經掌握的信息合理使用和支配，對空間或時間上冗余或互補的信息，依據某種準則進行組合，以獲得被測對象的一致性解釋或描述。信息融合技術的基本目標是利用多傳感器系統的優勢，推導出更多的信息，提高多傳感器系統的功效。3信息融合多傳感器信息融合的關鍵是所處理的多傳感器信息具有更復雜的結構層次，并且能在不同的信息層次上出現，如數據層、特征層、決策層等。數據層融合結構3信息融合特征層融合結構決策級融合結構3信息融合（3）信息融合方法目前，國內外的信息融合方法主要有下面幾種：

加權平均信息融合方法

貝葉斯估計信息融合方法

D-S證據理論

模糊邏輯法神經網絡方法

Kalman濾波信息融合方法專家系統方法主要內容一、組合導航概述二、GPS/INS組合導航系統三、信息融合四、信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

4信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（1）應用背景

針對組合導航系統量測信息量多，數據處理困難這一特定問題，討論了多傳感器信息融合的基本原理和方法，將信息融合這一理論性概念，與組合導航系統的結構設計綁定起來，從而建立一種系統化的思想，并對目前最有發展前途的INS/GPS組合導航系統進行了分析、建模和仿真。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（2）基于信息融合的組合導航系統

對于組合導航系統而言，多源傳感器如慣性導航系統的陀螺儀和加速度計、GPS接收機等是信息融合導航系統的硬件基礎，它們獲得的原始量測數據是融合的對象,將其按照一定的結構方式進行融合處理，則具有最優估計的融合算法就是整個系統的核心。這樣就形成了基于信息融合的組合導航系統。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（3）多傳感器信息融合結構

信息融合系統的關鍵技術有兩部分:1)信息的轉換；2)信息的融合。信息融合結構如下圖所示：

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（3）多傳感器信息融合結構（續）

就組合導航系統而言，各子系統所量測的信息在種類和形式上都有所不同，可能有距離、速度，也可能有角度、加速度等。融合系統首先對這些數據進行預處理以完成數據配準，即通過坐標變換和單位換算，把各傳感器輸入的數據變換成統一的表達形式，然后將各量測系統所獲得信息的分析結果按一定的算法進行融合，得到最終的目標狀態估計。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（4）幾種融合方法的優缺點比較貝葉斯估計：每一個命題都要有一個先驗概率Dempster-Shafer證據理論：只支持當前信息有效的命題，這樣可以避免概率的不穩定性，但D-S理論積累單獨的信息源，造成事件合并后，時間權重和信任度之間的不合理關系。神經網絡：它需要較大的樣本進行訓練，使其在一些未知環境中的應用受到限制。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（4）幾種融合方法的優缺點比較（續）卡爾曼濾波：已逐漸成為多傳感器信息融合系統的主要技術手段。基于聯合卡爾曼濾波的信息融合算法用于實時地估計系統的誤差狀態，然后依據最小均方誤差估計的控制規律，對慣性導航系統進行反饋修正，從而提高整個系統的導航精度。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（5）算法描述與結果

組合導航系統的離散狀態方程和觀測方程分別為：GPS和INS兩個子系統所對應的局部濾波器獨立地進行時間更新和量測更新，它們采用的是常規集中式卡爾曼濾波，得到局部最優估計。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用

（5）算法描述與結果（續）

作為信息融合中心的全局濾波器在完成時間更新的同時，將各個全局濾波器的結果進行融合，并將融合后的結果按信息守恒原則反饋到各局部濾波器，作為下一濾波周期的初始值。

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信息融合技術在GPS/INS組合導航系統中的應用（3）激光斷面測量