第七章 GPS组合导航技术

1、第七章 GPS组合导航技术一、什么是惯性导航系统？惯性导航系统通常有那几部分组成？常用的惯性仪器有哪些？（Inertial Navigation System，INS）惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。惯性导航系统的主要部件，由陀螺（G）、加速度计（A）以及有关的辅助电路构成，称之为惯性测量部件：IMU（inertia

2、l measuring unit）常用仪器：液浮式陀螺仪、动力调协陀螺仪、压电式陀螺仪、微机电式陀螺仪、光纤式陀螺仪、激光式；石英加速度计、液浮摆式加速度计、微机电加速度计、振弦式加速度计、振梁式加速度计。PS：惯性导航系统属于一种推算导航方式即从一已知点的位置根据连续测得的运载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。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次和分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯性导航系统有如下主要优点（1）由于它是不依赖于任何外部

3、信息也不向外部辐射能量的自主式系统故隐蔽性好已不受外界电磁干扰的影响；（2）可全天流全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好其缺点是（1）由于导肮伯息经过积分而产生定位误差随时间而增大长期精度差；（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；（3）设备的价格较昂贵；（4）不能给出时间信息 但惯导有固定的漂移率，这样会造成物体运动的误差，因此射程远的武器通常会采用指令、GPS等对惯导进行定时修正，以获取持续准确的位置参数。惯导系统目前已经发展出挠性惯导、光纤惯导、激光惯导、微固态惯性仪表

4、等多种方式。陀螺仪由传统的绕线陀螺发展到静电陀螺、激光陀螺、光纤陀螺、微机械陀螺等。激光陀螺测量动态范围宽，线性度好，性能稳定，具有良好的温度稳定性和重复性，在高精度的应用领域中一直占据着主导位置。由于科技进步，成本较低的光纤陀螺（FOG）和微机械陀螺（MEMS）精度越来越高，是未来陀螺技术发展的方向。 我国的惯导技术近年来已经取得了长足进步，液浮陀螺平台惯性导航系统、动力调谐陀螺四轴平台系统已相继应用于长征系列运载火箭。其他各类小型化捷联惯导、光纤陀螺惯导、 激光陀螺惯导以及匹配GPS修正的惯导装置等也已经大量应用于战术制导武器、飞机、舰艇、运载火箭、宇宙飞船等。如漂移率0.01°

5、0.02°/h 的新型激光陀螺捷联系统在新型战机上试飞，漂移率0.05°/h 以下的光纤陀螺、捷联惯导在舰艇、潜艇上的应用，以及小型化挠性捷联惯导在各类导弹制导武器上的应用，都极大的改善了我军装备的性能。 二、什么是平台式惯导？什么是捷联式惯导？二者各有什么缺点和优点？平台式惯导：其核心是一个惯性级的陀螺稳定平台，由加速度计、陀螺、力矩器、信号器、坐标分解器、导航计算机、控制台组成。捷联式惯导：惯性测量元件（陀螺仪和加速度计）直接装在飞行器、舰艇、导弹等需要诸如姿态、速度、航向等导航信息的主体上，用计算机把测量信号变换为导航参数的一种导航技术。现代电子计算机技术的迅速发展为

6、捷联式惯性导航系统创造了条件。自50年代末人们开始研究这种新型导航系统以来，它已成功地用于导引航天器再入大气层的飞行。捷联式惯性导航系统在美国“阿波罗”号飞船上作为备用系统曾发挥了作用。1、 硬件和软件的复杂程度由于捷联式惯导系统没有平台框架和相连的伺服装置，因而简化了硬件；代价是增加了计算机的负担，需要一个比较复杂的实时程序。2、可靠性      捷联式惯导系统的可靠性要比平台系统好，其原因是它的机械构件少，加之容易采用多敏感元件配置，实现冗余技术。3、成本和可维护性    

7、0; 由于平台系统在机械结构上要复杂得多，而对于捷联系统只是算法复杂些，因而从制造成本上看捷联系统要比平台系统低。从市场供应得情况来看，数字计算机的价格一直在上升。此外，捷联系统比平台系统具有较长得平均故障间隔时间，加之模块化设计简化了维修，从而捷联系统得可靠性比平台系统大为提高了。4、初始对准精度和系统精度      决定系统精度得重要因素之一式惯导系统得初始基准建立得准确性。平台系统得陀螺安装在台体上以后可以相对重力加速度和地球自转轴方向任意定位，还可以根据需要标定惯性器件的误差；而捷联系统的敏感元件在载体上安装以后就不

8、再标定，因此要求捷联敏感元件有较高的参数稳定性。在系统的精度方面，由于捷联系统式靠计算机来实现“平台”作用的，所以其算法误差比平台系统要大一些。5、参与系统综合的能力      捷联系统可以提供载体所要求的全部惯性基准信号，特别是可以直接给出载体的角速率，而平台系统则无法直接给出。至于载体的姿态捷联系统可以很高的速率和精度以数字形式提供，而平台系统则是通过框架间安装的同步器获得的，而且还需要把它们分解到机体轴上。这样会带来传递误差。因而，从姿态和加速度信息的精度和完整性上来看，捷联系统要比平台系统优越。捷联系统还可以采用共同的惯性元件

9、来执行多任务，既具有较强的参与系统综合的能力。      综上所速，捷联系统与平台系统相比，就可靠性，体积，重量和成本而言，前者优于后者。就精度而言，后者优于前者。三、大地测量的任务是什么？传统大地测量的方法有哪些？任务是：(1)为地形测图和大型工程测量提供基本的平面和高程控制；(2)为空间科学和国防建设提供精确的点位坐标、距离、方位角和地球重力场数值；(3)为研究地球形状大小、地壳运动和地震预报等提供资料。通过精密角度测量、距离测量、水准测量确定地球及地面的形状与位置；通过重力测量确定地球形状与重力场；最重要的是通过以上结论、地球椭

10、球面计算与投影变换确定地球几何模型。建立国家平面大地控制网的方法常规大地测量法：三角测量法、导线测量法、三遍测量及边角同测法。天文测量法、GPS测量、甚长基线干涉测量系统（VLBI）、惯性测量系统。四、在大地测量中，什么是惯性测量方法？如何实现？大地测量定义：确定地面点位、地球形状大小和地球重力场的精密测量。内容包括三角测量、精密导线测量、水准测量、天文测量、卫星大地测量、重力测量和大地测量计算等。五、为什么会有组合导航技术的提出？解决了什么问题？将两种或两种以上导航系统以适当方式组合为一种导航系统，以达到提高系统精度和改善系统可靠性等目的，这种系统被称为组合（或综合）导航系统。至于哪些导航系

11、统可相互结合成为组合导航系统，一般是没有什么限制的。但惯性导航系统由于其工作的完全自主性、以及所提供信息的多样性（位置、速度及姿态），已成为当前各种航行体上应用的一种主要导航设备；并且，在现已得到应用的机载组合导航系统中，绝大部分为惯性为基的组合系统，其中惯性与GPS两者组合的导航系统是组合导航技术发展的一个重要方向。解决了各自导航技术的不足，虽然GNSS是当前最先进的具有全球、全天候、高精度、实时定位等优点的卫星导航定位系统，但是其动态性能和抗干扰能力较差。INS具有自主导航能力，不需要任何外界电磁信号就可以独立给出载体的姿态、速度和位置信息，抗外界干扰能力强。但是INS定位误差随时间的延续

12、不断增大，即误差积累、漂移大。GNSS/INS组合能够充分发挥各自的优点、克服缺点，实现在高动态和强电子干扰的环境下实时、高精度的导航定位。因此，GNSS/INS组合导航定位系统具有广泛的应用前景，特别是航空、航天导航和武器制导等方面，具有非常重要的作用。组合式导航定位系统通常利用GNSS、DR、INS以及数字地图GIS或者其它技术等相互组合而成。根据目前国际科技发展水平，全球范围内现有的组合导航定位技术主要有:GNSS/INS、GNSS/INS/GIS。六、GPS与惯性导航组合的方式有哪些？各有什么优缺点？1、采用卡尔曼滤波器的组合方法2、采用位置、速度组合的GPS/INS导航系统3、采用伪距、伪距率组合的GPS/INS导航系统七、总结GPS组合导航定位的优点。组合系统的优点可归纳如下：1、能有效利用各子系统的导航信息，提高组合系统定位精度； 2、允许在子系统工作模式间进行自动转换，从而进一步提高系统工作可靠性； 3、可实现对各子系统及其元件的校准，从而放宽了对子系统技术指标的要求； 4、允许惯导系统进行空中对准和调整，有利于缩短惯导系统的地面对准时间。八、了解GPS组合导航定位系统的军事应用。自80年代始，组合导航系统日益扩展其应用，尤其受到航空界的重视。在军用方面，美国和北约国家的军用飞机大量装备的是以惯性为基的组合导航系统，其中GPS与惯性的组合更是占有特殊重要的地位