惯卫组合导航原理与应用(章红平教授课件)

1、GNSS/INSGNSS/INS组合的需求与意义组合的需求与意义1.2 1.2 主要内容和范围主要内容和范围1.3 1.3 组合导航简介组合导航简介2 2内意义：意义：导航技术导航技术是人类生活、航空航天的是人类生活、航空航天的共性关键基础技术！共性关键基础技术！3 3GNSS/INS重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进4 4 JDAM JDAM低成本制导武器低成本制导武器弹道导弹弹道导弹远程空空导弹远程空空导弹舰空导弹舰空导弹重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进5 5必要必要条件条件技术技术瓶颈瓶颈美无人侦察机美无人侦察机“全全球鹰球鹰”在执行任务在执

2、行任务侦察卫星侦察卫星机载高分辨率机载高分辨率SARSAR及其运动补偿系统及其运动补偿系统重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进6 6重大需求牵引导航技术与时俱进重大需求牵引导航技术与时俱进7 7 1 1、 为什么要学习组合导航为什么要学习组合导航8 8引导载体从出发点到达目的地的技术和方法引导载体从出发点到达目的地的技术和方法提供载体的导航参数，位置、速度和姿态提供载体的导航参数，位置、速度和姿态9 91010舵偏角舵偏角1111天文导航天文导航航海、航天航海、航天惯性导航惯性导航与惯性器件水平有关与惯性器件水平有关无线电导航无线电导航卫星导航卫星导航推算导航推算导航速度和

3、航向速度和航向地形、景象匹配导航地形、景象匹配导航物理场匹配导航物理场匹配导航1212惯性导航惯性导航基本原理基本原理1313VaP,惯性仪表分类惯性仪表分类1414液浮陀螺仪三浮陀螺仪挠性陀螺仪静电陀螺仪激光陀螺仪光纤陀螺仪MEMS惯性器件MOEMS惯性器件半球谐振陀螺仪压电陀螺仪1515美国Draper实验室研制的MEMS陀螺仪精度以达1/h美国AD公司研制单片集成的微陀螺仪，年产量数百万只Honeywell公司分辨率50 g谐振式加速度计AD公司研制三轴单片集成的微加速度计1616光纤陀螺特点： 精度高 响应速度快 动态范围大主要研究内容和关键技术包括: 新型高稳定光纤光源技术 全数字信

4、号检测技术 误差机理及建模补偿方法 光纤陀螺可靠性设计方法法国IXSEA公司研制的高精度光纤陀螺精度为0.001/h美国LITTON公司正在研制战略级光纤陀螺精度达10-4 /h量级惯性导航惯性导航误差特性误差特性1717惯性导航惯性导航特点特点1818惯性导航技术发展历史惯性导航技术发展历史1919202021212222无线电导航技术无线电导航技术基本原理基本原理2323无线电导航技术无线电导航技术卫星导航技术卫星导航技术2424卫星导航技术卫星导航技术误差特性误差特性2525卫星导航技术卫星导航技术特点特点2626天文导航天文导航古老而又年轻的导航技术古老而又年轻的导航技术 天文导航是一

5、种利用光学敏感器测得的天天文导航是一种利用光学敏感器测得的天体（月球、地球、太阳、其他行星和恒星）信息体（月球、地球、太阳、其他行星和恒星）信息进行载体位置计算的定位导航方法。进行载体位置计算的定位导航方法。2727天文导航天文导航基本原理基本原理获得高精度的获得高精度的天体高度天体高度和和确定天体投影点确定天体投影点是舰船天是舰船天文导航的关键。文导航的关键。28282929六分仪天文钟3030推算导航推算导航基本原理基本原理3131Sv推算导航推算导航特点特点32323333 一、一、 组合导航技术组合导航技术3434组合导 二、二、 组合导航的基本方法组合导航的基本方法35353636

6、KF Z 三、三、 组合导航系统的功能组合导航系统的功能3737 为了提高对动态载体运动目标（导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等）为了提高对动态载体运动目标（导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等）的跟踪精度或对动态系统的状态估计精度，需要多传感器的组合导航。的跟踪精度或对动态系统的状态估计精度，需要多传感器的组合导航。 单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求，采用多个单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求，采用多个传感器进行组合导航，并将多类信息按某种最优融合准则进行最优融合，可传感器进行组合导航，并将多类信息按某种最优融合准则进行最优融合，可望提高目标跟

7、踪或状态估计的精度。望提高目标跟踪或状态估计的精度。 多传感器组合导航（多星座卫星组合、卫星导航与惯性导航的组合等）成为多传感器组合导航（多星座卫星组合、卫星导航与惯性导航的组合等）成为导航系统的发展趋势。导航系统的发展趋势。组合导航系统组合导航系统背景背景 GPSGPS、GLONASSGLONASS、BDBD及及GALILEOGALILEO卫星导航系统，本身都存在着固有的缺陷或人卫星导航系统，本身都存在着固有的缺陷或人为施加的干扰，于是，使用单一的卫星导航系统存在着很大风险。为施加的干扰，于是，使用单一的卫星导航系统存在着很大风险。 GPSGPS系统受美国国家政策的影响，随时可能出现人为系统

8、受美国国家政策的影响，随时可能出现人为“故障故障”，使得非美国，使得非美国的盟国不能利用卫星资源，或其卫星信号中存在显著的异常干扰。的盟国不能利用卫星资源，或其卫星信号中存在显著的异常干扰。 GLONASSGLONASS系统，虽然尚无明确的信号干扰政策，但它由俄罗斯空军控制，特系统，虽然尚无明确的信号干扰政策，但它由俄罗斯空军控制，特殊时期的应用难以保证，而且殊时期的应用难以保证，而且GLONASSGLONASS卫星的稳定性较差，导航精度也成问卫星的稳定性较差，导航精度也成问题。题。5.2 5.2 多星座卫星导航组合多星座卫星导航组合5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 需求需求 由

9、于多星座提高了卫星星座的几何结构，增强了由于多星座提高了卫星星座的几何结构，增强了可用性（可用性（availabilityavailability）； GPS/GLONASS/COMPASS/GalileoGPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，卫星覆盖率将极大增强（星空璀全部建成后，卫星覆盖率将极大增强（星空璀璨璨100100颗卫星以上），提高导航定位的连续性（颗卫星以上），提高导航定位的连续性（continuitycontinuity）；）； 多卫星信号组合可以很容易地探测和诊断某类卫星信号的故障和随机干扰，多卫星信号组合可以很容易地探测和诊断某类卫星信号的故障和

10、随机干扰，并及时予以排除或及时给用户发送预警信息，提高导航系统的抗干扰能力，并及时予以排除或及时给用户发送预警信息，提高导航系统的抗干扰能力，从而提高系统的从而提高系统的完好性完好性（integrityintegrity）；）； 多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度。5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 卫星组合导航的性能优势卫星组合导航的性能优势5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 卫星组合导航的误差补偿优势卫星组合导航的误差补偿优势系统误差系统误差轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差；随机误差随机误差信号随

11、机误差、轨道随机误差、钟差随机误差信号随机误差、轨道随机误差、钟差随机误差;有色噪声有色噪声太阳光压、随时间变化的钟差太阳光压、随时间变化的钟差;异常误差异常误差周跳、变轨误差周跳、变轨误差。利用多种导航卫星信号有利于误差补偿提高导航定位的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精度和可靠性。 卫星组合导航的缺点卫星组合导航的缺点1 1）存在信号遮挡。当接收机天线被建筑、隧道等遮挡时，卫星信号中断，无法存在信号遮挡。当接收机天线被建筑、隧道等遮挡时，卫星信号中断，无法定位。定位。2 2）抗干扰能力差。当存在人为干扰时，接收机码环环路很容易失锁，导致接收抗干扰能力差。当存在人

12、为干扰时，接收机码环环路很容易失锁，导致接收机无法定位。机无法定位。3 3）多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。4 4）数据输出频率低。尽管目前一些新的数据输出频率低。尽管目前一些新的GPSGPS接收机可以提供接收机可以提供10 Hz10 Hz的无插值定位的无插值定位输出，但大多数接收机的定位输出频率仍然为输出，但大多数接收机的定位输出频率仍然为1 Hz1 Hz。5 5）GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO分别由各自研制国直接控制，使用权受制于人。分别由各自研制国直接控制，使用权受制于人。5 5、组合导航系统（续）

13、、组合导航系统（续） 尽管卫星定位系统具有较高精度和较低的成本，且具有长期稳定性。多类尽管卫星定位系统具有较高精度和较低的成本，且具有长期稳定性。多类导航卫星组合仍然不能完全摆脱卫星信号受遮挡而不能实施导航的风险。导航卫星组合仍然不能完全摆脱卫星信号受遮挡而不能实施导航的风险。当载体通过遂道或行驶在高耸的楼群间的街道时，这种当载体通过遂道或行驶在高耸的楼群间的街道时，这种信号盲区信号盲区一般不能一般不能通过多类卫星组合加以克服。通过多类卫星组合加以克服。 INSINS由于具有全天候、完全自主、不受外界干扰、可以提供全导航参数（位由于具有全天候、完全自主、不受外界干扰、可以提供全导航参数（位置、

14、速度、姿态）等优点，是目前最主要的导航系统之一。置、速度、姿态）等优点，是目前最主要的导航系统之一。INSINS有一个致命有一个致命的缺点：的缺点：导航定位误差随时间积累导航定位误差随时间积累。5.3 5.3 卫星导航与惯性导航的组合卫星导航与惯性导航的组合 需求需求5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） 可发现并标校惯导系统误差，提高可发现并标校惯导系统误差，提高导航精度导航精度。 弥补卫星导航的信号缺损问题，提高弥补卫星导航的信号缺损问题，提高导航能力导航能力。 提高卫星导航载波相位的模糊度搜索速度，提高信号周跳的检测能力，提提高卫星导航载波相位的模糊度搜索速度，提高信号周跳的检测

15、能力，提高组合高组合导航的可靠性导航的可靠性。 可以提高卫星导航接收机对卫星信号的捕获能力，提高整体可以提高卫星导航接收机对卫星信号的捕获能力，提高整体导航效率导航效率。 增加观测冗余度，提高异常误差的监测能力，提高系统的增加观测冗余度，提高异常误差的监测能力，提高系统的容错功能容错功能。 提高导航系统的抗干扰能力，提高提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性完好性。6 6、组合导航系统（续）、组合导航系统（续） GNSS GNSS与与INSINS组合导航的优势组合导航的优势 松组合又称级联松组合又称级联KalmanKalman滤波滤波(Cascaded Kalman Filter)(Cascad

16、ed Kalman Filter)方式。方式。 观测量观测量INSINS和和GNSSGNSS输出的速度和位置信息的差值；输出的速度和位置信息的差值； 系统方程系统方程INSINS线性化的误差方程；线性化的误差方程； 通过扩展通过扩展KalmanKalman滤波（滤波（Extended Kalman Filter= EKFExtended Kalman Filter= EKF）对）对INSINS的速度、位置、的速度、位置、姿态以及传感器误差进行最优估计，并根据估计结果对姿态以及传感器误差进行最优估计，并根据估计结果对INSINS进行输出或者反馈进行输出或者反馈校正。校正。6 6、卫星导航与惯性导

17、航组合方式、卫星导航与惯性导航组合方式6.1 6.1 松散组合松散组合(Loosely-Coupled Integration)(Loosely-Coupled Integration) 松组合基本概念松组合基本概念 GNSSGNSS接收机通常通过自己的接收机通常通过自己的KalmanKalman滤波输出其速度和位置，这种组合导滤波输出其速度和位置，这种组合导致滤波器的串联，使组合导航观测噪声时间相关（致滤波器的串联，使组合导航观测噪声时间相关（有色噪声有色噪声），不满足），不满足EKFEKF观测噪声为白噪声的基本要求，严重时可能使滤波器不稳定。观测噪声为白噪声的基本要求，严重时可能使滤波器不

18、稳定。 几乎无冗余信息，不利于异常诊断，不利于进行随机模型改化几乎无冗余信息，不利于异常诊断，不利于进行随机模型改化 。 松组合的主要缺点松组合的主要缺点系统结构简单，易于实现，可以大幅度提高系统的导航精度，并使系统结构简单，易于实现，可以大幅度提高系统的导航精度，并使INSINS具具有动基座对准能力。有动基座对准能力。 松组合的主要优点松组合的主要优点6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续） 观测量观测量根据根据GNSSGNSS接收机收到的星历信息和接收机收到的星历信息和INSINS输出的位置和速度信息，计算输出的位置和速度信息，计算相应于相应于INSINS

19、位置的伪距和伪距率，位置的伪距和伪距率，GNSSGNSS接收机测量得到的伪距和伪距速率与接收机测量得到的伪距和伪距速率与INSINS计算值的差值。计算值的差值。 通过通过EKFEKF对对INSINS的误差和的误差和GPSGPS接收机的误差进行最优估计，然后对接收机的误差进行最优估计，然后对INSINS进行输出或进行输出或者反馈校正。者反馈校正。 由于不存在滤波器的级联，并可对由于不存在滤波器的级联，并可对GNSSGNSS接收机的测距误差进行建模，因此这种接收机的测距误差进行建模，因此这种伪距、伪距率组合伪距、伪距率组合方式比方式比位置、速度组合位置、速度组合具有更高的组合精度。而且在可见星具有

20、更高的组合精度。而且在可见星的个数少于的个数少于4 4颗时也可以使用。颗时也可以使用。6.2 6.2 紧组合（紧组合（Tightly-Coupled IntegrationTightly-Coupled Integration）6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）开发了开发了GNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POS）软件，具备以下功）软件，具备以下功能能RTK，动态后处理精度达到了厘米级，动态后处理精度达到了厘米级PPP，动态后处理精度达到了厘米级，动态后处理精度达到了厘米级松组合，松组合，GNSS位置位置/速度与速度与IMU数据组合数据

21、组合PPP紧组合，国内仅有的精密定位紧组合算法紧组合，国内仅有的精密定位紧组合算法轨迹、残差显示轨迹、残差显示GNSS/INSGNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POSPOS）软件）软件RTK数据处理界面数据处理界面PPP数据处理界面数据处理界面GNSS/INS松组合界面松组合界面GNSS PPP/INS紧组合界面紧组合界面POSPOS后处理软件后处理软件-GINS-GINS数据处理功能界面数据处理功能界面3.453.463.473.483.493.53.513.52x 105-0.3-0.2-0.100.10.20.3Time (s)Positioning Accuracy

22、(m)Dynamic PPP Positioning Acuracy distribution Airborne Test dE(meter)dN(meter)dU(meter)RMS(dE)=0.045m RMS(dN)=0.014m RMS(dU)=0.086mStd(dE) =0.012m RMS(dN)=0.013m RMS(dU)=0.085mGINSGINS数据后处理结果数据后处理结果机载测试数据，与机载测试数据，与Inertial Explorer软件后处理软件后处理RTK结果比较结果比较PPP精密定位结果达到了厘米级精密定位结果达到了厘米级GINSGINS数据后处理结果数据后处

23、理结果05001000150020002500300035004000-0.5-0.2500.250.50.751Position Accuracy(m)GPS-PPP(land) dNdEdU05001000150020002500300035004000-0.5-0.2500.250.50.751GPS PPP/INS Tightly coupled(land)time(sec) Position Accuracy (m)dNdEdURMS(dN)=0.052m RMS(dE)=0.079m RMS(dU)=0.103mRMS(dN)=0.049m RMS(dE)=0.079m RMS(d

24、U)=0.267mGINSGINS数据后处理结果数据后处理结果上图车载上图车载GPS动态测量动态测量 PPP结果，下图为结果，下图为GPS/INS紧组合紧组合PPP结果，结果，GPS/INS紧组合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。紧组合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。GPS/BDS/GLONASS多系统多系统GNSS/INS紧组合（伪距紧组合（伪距/多普勒）定位结果（与多普勒）定位结果（与RTK结果差异）结果差异）GINSGINS数据后处理结果数据后处理结果GINSGINS在高铁不平顺性监测中的应用在高铁不平顺性监测中的应用020406080100120140160-4-2024Tr

25、ack Mileage m h mm GNSS/INSAmberg GRP1000GINS软件分析的高铁轨道检测结果，软件分析的高铁轨道检测结果，与现行方法与现行方法德国德国Amberg GRP1000测量结果对比测量结果对比，精度在，精度在1mm以内，一致以内，一致性非常好。性非常好。GINSGINS在高铁不平顺性监测中的应用在高铁不平顺性监测中的应用 深组合是使用惯性导航信息对深组合是使用惯性导航信息对GNSSGNSS接收机进行辅助导航的组合方式。接收机进行辅助导航的组合方式。 主要思想：主要思想：既使用滤波技术对既使用滤波技术对INSINS的误差进行最优估计，同时使用校正后的误差进行最优

26、估计，同时使用校正后的的INSINS速度信息对接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，从而减小环路的速度信息对接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，从而减小环路的等效带宽，增加等效带宽，增加GPSGPS接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。 嵌入式组合将嵌入式组合将INSINS和和GNSSGNSS进行一体化设计，通过共用电源、时钟等进一步进行一体化设计，通过共用电源、时钟等进一步减小体积、降低成本和减小非同步误差的影响。减小体积、降低成本和减小非同步误差的影响。6.3 6.3 深组合（深组合（Deeply-Coupled IntegrationDeeply-Co

27、upled Integration）6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）57GNSS/INSGNSS/INS组合导航种类组合导航种类惯导辅助卫导惯导辅助卫导卫导辅助惯导卫导辅助惯导GNSSINS组合组合动态响应滞后易受环境影响提供时间信息长期精度高全自主工作动态特性好无时间信息误差易发散58根据信息融合深度不同，GNSS和INS组合方式分为：松组合、紧组合和深组合。GNSS/INSGNSS/INS组合导航种类组合导航种类59GNSS/INSGNSS/INS组合导航种类组合导航种类60深组合类型深组合类型根据接收机的跟踪环结构，GNSS/INS深组合可分为：

28、标量深组合结构、矢量深组合结构。61目前商用和民用GNSS接收机产品普遍采用传统的标量跟踪结构，所以标量深组合结构的研究和实现更具可操作性。深组合类型深组合类型GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证62测试内容及条件测试内容及条件GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证63IMUIMU零偏类误差模型验证零偏类误差模型验证以IMU零偏类误差、辅助延迟为例仿真场景定量分析：载噪比50dB-Hz，OCXO，20ms相干积分，环路带宽10Hz、2Hz。对比普通二阶环、低精度惯导辅助PLL、中等精度惯导

29、辅助PLL。采用统计平均方法分析：跟踪误差结果以秒为单位拆分为若干个样本，每个样本有50个数据，将所有样本对应时刻的数据取RMS测试结果与误差模型分析结果对比均表明，实际仿真测试结果得到的IMU零偏类误差对环路误差的影响规律与误差模型分析结果相吻合GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证64IMUIMU零偏类误差模型验证零偏类误差模型验证测试结果相对偏小的原因：v误差建模时传感器误差1:1的映射到辅助信息；实际测试时传感器误差根据卫星仰角按一定比例投影到多普勒辅助信息上v误差建模时，初始速度误差参数采用了的是整秒修正后的速度误差；接收机工作时，实际影响环路误差的是整秒时刻速度修正量。两者的大小关系与测试结果相吻合v仿真测试选用的惯导参数与理论分析时也不尽不同GNSS/INS 标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证标量深组合跟踪技术研究与原型系统验证65多普勒延迟模型验证多普勒延迟模型验证较低动态（较低动态（0.5g）较高动态（较高动态（2.5g）结果与模型相符。中