信息融合技术在组合导航中的应用

信息融合技术在组合导航系统中的应用

2015.6.16主要内容一、组合导航概述二、GPS/INS组合导航系统三、信息融合四、信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用1组合导航概述（1）背景（续）几种常用导航系统优缺点：卫星导航系统

惯性导航系统

优点：完全自主、运动参数完备、抗干扰性强缺点：误差积累、成本较高优点：全天候、高精度、误差不积累缺点：缺少姿态信息、易被干扰优点：自主、精度高、误差不积累缺点：输出信息不连续、受气候条件影响大天文导航系统

1组合导航概述（2）组合导航概念两种或两种以上的导航技术的组合，组合后的系统称为组合导航系统。组合导航系统克服了单一导航系统的局限性，充分发挥了各自导航系统的独特性，能够利用多种信息源，构成一种有冗余度和导航准确度更高的多功能系统。

1组合导航概述组合导航系统的类型主要有：（2）组合导航概念（续）惯性/卫星组合导航系统惯性/多普勒组合导航系统惯性/天文导航系统1组合导航概述（2）组合导航概念（续）卫星导航系统

惯性导航系统

信息融合优势：综合惯性/卫星导航优点改善了系统精度加强了系统的抗干扰能力1组合导航概述（2）组合导航概念（续）惯性导航系统

信息融合优势：降低速度误差提高惯性平台姿态精度抑制位置误差增大1组合导航概述天文导航系统

（2）组合导航概念（续）惯性导航系统

信息融合优势：完全自主、实时性强运动参数完备姿态误差不随时间发散主要内容一、组合导航概述二、GPS/INS组合导航系统三、信息融合四、信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用2GPS/INS组合导航系统

GPS／INS组合导航系统可以优势互补、取长补短。用GPS的高精度定位信息通过组合滤波器来标定和补偿惯导系统的积累误差，提高导航精度。同时，利用惯导系统的速度和加速度信息对GPS进行速度辅助，以提高GPS的抗干扰能力以及动态性能。即使在GPS出现故障时，惯性系统仍能独立工作并提供高精度的导航数据。GPS／INS是一个最佳组合方案，其性能、成本和体积均能满足各种运载器的导航技术要求。2GPS/INS组合导航系统（1）GPS/INS组合系统构成2GPS/INS组合导航系统（2）GPS/INS组合方式2GPS/INS组合导航系统2GPS/INS组合导航系统（3）GPS/INS组合方式优缺点2GPS/INS组合导航系统（4）GPS/INS组合导航的特点可发现并标校惯导系统误差，提高导航精度；弥补卫星导航的信号缺损问题，提高导航能力；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，提高组合导航的可靠性；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，提高系统的容错功能；提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性。主要内容一、组合导航概述二、GPS/INS组合导航系统三、信息融合四、信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用3信息融合（1）信息融合技术概念导航系统：单一导航系统发展组合导航系统导航信息处理方法：单一系统信息处理发展信息融合信息融合又可称作多传感器融合，利用计算机技术对按时序获得的若干传感器的观测信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。3信息融合（2）信息融合原理信息融合原理的实质就是模仿人脑综合处理复杂问题的过程。信息融合要充分利用信息资源，经由对通过传感器得来的及其他已经掌握的信息合理使用和支配，对空间或时间上冗余或互补的信息，依据某种准则进行组合，以获得被测对象的一致性解释或描述。信息融合技术的基本目标是利用多传感器系统的优势，推导出更多的信息，提高多传感器系统的功效。3信息融合多传感器信息融合的关键是所处理的多传感器信息具有更复杂的结构层次，并且能在不同的信息层次上出现，如数据层、特征层、决策层等。数据层融合结构3信息融合特征层融合结构决策级融合结构3信息融合（3）信息融合方法目前，国内外的信息融合方法主要有下面几种：

加权平均信息融合方法

贝叶斯估计信息融合方法

D-S证据理论

模糊逻辑法神经网络方法

Kalman滤波信息融合方法专家系统方法主要内容一、组合导航概述二、GPS/INS组合导航系统三、信息融合四、信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

4信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（1）应用背景

针对组合导航系统量测信息量多，数据处理困难这一特定问题，讨论了多传感器信息融合的基本原理和方法，将信息融合这一理论性概念，与组合导航系统的结构设计绑定起来，从而建立一种系统化的思想，并对目前最有发展前途的INS/GPS组合导航系统进行了分析、建模和仿真。

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（2）基于信息融合的组合导航系统

对于组合导航系统而言，多源传感器如惯性导航系统的陀螺仪和加速度计、GPS接收机等是信息融合导航系统的硬件基础，它们获得的原始量测数据是融合的对象,将其按照一定的结构方式进行融合处理，则具有最优估计的融合算法就是整个系统的核心。这样就形成了基于信息融合的组合导航系统。

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（3）多传感器信息融合结构

信息融合系统的关键技术有两部分:1)信息的转换；2)信息的融合。信息融合结构如下图所示：

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（3）多传感器信息融合结构（续）

就组合导航系统而言，各子系统所量测的信息在种类和形式上都有所不同，可能有距离、速度，也可能有角度、加速度等。融合系统首先对这些数据进行预处理以完成数据配准，即通过坐标变换和单位换算，把各传感器输入的数据变换成统一的表达形式，然后将各量测系统所获得信息的分析结果按一定的算法进行融合，得到最终的目标状态估计。

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（4）几种融合方法的优缺点比较贝叶斯估计：每一个命题都要有一个先验概率Dempster-Shafer证据理论：只支持当前信息有效的命题，这样可以避免概率的不稳定性，但D-S理论积累单独的信息源，造成事件合并后，时间权重和信任度之间的不合理关系。神经网络：它需要较大的样本进行训练，使其在一些未知环境中的应用受到限制。

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（4）几种融合方法的优缺点比较（续）卡尔曼滤波：已逐渐成为多传感器信息融合系统的主要技术手段。基于联合卡尔曼滤波的信息融合算法用于实时地估计系统的误差状态，然后依据最小均方误差估计的控制规律，对惯性导航系统进行反馈修正，从而提高整个系统的导航精度。

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（5）算法描述与结果

组合导航系统的离散状态方程和观测方程分别为：GPS和INS两个子系统所对应的局部滤波器独立地进行时间更新和量测更新，它们采用的是常规集中式卡尔曼滤波，得到局部最优估计。

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用

（5）算法描述与结果（续）

作为信息融合中心的全局滤波器在完成时间更新的同时，将各个全局滤波器的结果进行融合，并将融合后的结果按信息守恒原则反馈到各局部滤波器，作为下一滤波周期的初始值。

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信息融合技术在GPS/INS组合导航系统中的应用（3）激光断面测量