第八章组合导航与工作模式

8.3组合导航系统的工作模式8.1惯性导航和组合导航8.2基本的组合导航系统和要求8.4组合导航系统状态估计方法第八章组合导航的概念和工作模式8.1惯性导航和组合导航8.1.1组合导航：

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，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，构成一种有多余度和导航准确度更高的多功能系统惯性导航系统通过测量飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。

8.1惯性导航和组合导航8.1.2惯性导航的主要特点：

1）工作自主性强，惯性导航仅依靠机载，弹载设备感测加速度，不依靠其他信息可以独立的完成导航任务，是自主性最强的导航方法；2）提供最全面的导航参数。既可以为飞机导弹舰船提供加速度的、速度和位置姿态，也可以与飞行控制器交联，实现飞机的自动驾驶；3）抗干扰能力强，适用条件宽，不受天气的影响，满足全天候的要求。8.1惯性导航和组合导航惯性导航的突出缺点：

导航精度随时间增长而降低，由于惯性导航系统的核心部件是陀螺仪，陀螺仪的漂移误差使得稳定的平台随着时间的不断增长而偏离基准位置的角度越来越大，导航精度不断降低。就目前的制造工艺来看，要继续提高陀螺仪的精度已经很困难，而且代价相当高。8.1惯性导航和组合导航8.1.3组合导航8.1惯性导航和组合导航组合导航8.1惯性导航和组合导航GPS和INS具有优势互补的特点。以适当的方法将两者组合可以克服各自缺点，取长补短，组合后的导航精度高于两个系统单独工作的精度。GPS/INS组合导航系统的优点还表现为，对于惯性导航系统，可以实现惯性传感器的校准、惯性导航系统的空中对准、惯性导航系统高度通道的稳定等，从而可以有效地提高惯性导航系统的性能和精度。而对于GPS系统，惯性导航系统的辅助可以提高其跟踪卫星的能力，提高接收机的动态特性和抗干扰性。另外，GPS与INS组合还可以实现GPS完整性的检测，从而提高可靠性，便于实现惯性导航和GPS的同步，减小非同步误差。总之，GPS与INS组合可以构成一种比较理想的导航系统，是目前组合导航技术的主要形式之一。8.1惯性导航和组合导航8.1.4组合导航的实质：

以计算机为中心，将各个导航传感器送来的信息加以综合和最优化数据处理，然后多导航参数进行综合显示或者输出，其中的导航传感器包含各种导航设备和计算机外部的设备等实现组合导航的关键：

各种传感器数据的处理方法，或者称为数据的融合8.1惯性导航和组合导航8.2基本的组合导航8.2.1组合导航系统的基本功能：

根据不通的要求，组合导航系统有多种形式，但多以惯性导航系统作为主要的分系统，其功能为：1）协合功能，利用分系统的导航信息，形成分系统所不具备的导航功能2）互补功能，组合后的系统功能能虽然与各分系统的导航功能相同，但它能综合利用分系统的特点，扩大了使用范围并且提高了精度；3）余度功能，两种或者以上的导航系统的组合具有导航余度的功能，增加了导航系统的可靠性8.2基本的组合导航8.2.2组合导航系统类型：

1）惯性/卫星组合导航系统2）惯性/多普勒组合导航系统3）惯性/测向测距离导航系统4）惯性/天文导航系统8.2基本的组合导航1）惯性/卫星组合导航系统

目前，倍受世界瞩目的是惯导与GPS的组合，这不仅因为两者都是全球、全天候、全时间的导航设备，而且它们都能提供十分完全的导航数据。两者优势互补并能消除各自的缺点，使GPS/工NS的应用越来越广泛。以适当的方法将两者组合起来成为一个组合导航系统，必定可以提高系统的整体导航精度及导航性能，而且使惯导具有空中再对准的能力。GPS接收机在惯导位置和速度信息的辅助下，也将大大改善捕获、跟踪和再捕获的能力，并且在卫星分布条件或可见星少的情况下，不致影响导航精度。8.2基本的组合导航惯性/卫星导航系统的优势：1）GPS/INS组合改善了系统精度

高精度的GPS信息可以用来修正INS，控制其误差随时间的积累。利用GPS信息可以估计出INS的误差参数以及GPS接收机的钟差等。另一方面，利用INS短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为GPS提供辅助信息。利用这些辅助信息，GPS接收机可以保持较低的跟踪带宽，从而可以改善系统重新俘获卫星信号的能力.

惯性/卫星导航系统的优势：2）GPS/INS组合加强了系统的抗干扰能力

当GPS信号受到高强度干扰，或当卫星系统接收机出现故障时，INS系统可GPS接收机提供有关的初始位置、速度等信息，以供在迅速重新获取GPS码和载波时使用。INS系统信号也可用来辅助GPS接收机的天线对准GPS卫星，从而减小了干扰对系统的影响。

8.2基本的组合导航8.2基本的组合导航惯性/卫星导航系统的优势：3）解决周跳问题

对于GPS载波相位测量，INS可以很好地解决GPS周跳和信号失锁后整周模糊度参数的重新解算，也降低了至少4颗卫星可见的要求。4）解决GPS动态应用采样频率低的问题

在某些动态应用领域，高频INS数据可以在GPS定位结果之间高精度内插所求事件发生的位置(如航空相机曝光瞬间的位置测定)。8.2基本的组合导航

目前，以美国“战斧”巡航导弹为代表的对地攻击导弹中制导方式仍然是惯导+辅助导航系统。由于美国军用GPS具有相当高的精度并且使用方便，美国和其它一些西方国家都在中段制导中，采用GPS作为惯导的辅助导航系统而不再采用地形匹配。此外，许多新型制导武器如洛马公司研制的“联合防区外空地导弹”(JASSM)和波音公司制造的“联合直接攻击弹药”(JDAM)等均依靠GPS/INS进行高精度制导。8.2基本的组合导航2）惯性/多普勒组合导航系统

多普勒雷达输出的地速信号精度较高，但瞬间的噪声较大，惯性导航系统能够提供精确的航向信息，且速度信息的瞬态性能好，但精度不高，两者结合可降低速度误差，提高惯性平台的姿态精度，从而抑制位置误差的增大。应用卡尔曼滤波技术可以估计出陀螺的漂移等干扰量，是惯性导航系统的性能得到改善，因此惯性/多普勒组合导航系统属于自主式导航系统，常用于军用飞机。8.2基本的组合导航

此外，多普勒雷达导航系统还可以与GPS导航系统组合，多普勒导航雷达与GPS的组合系统曾在海湾战争中经受实战的考验，证明它是一种适应性强、造价低、精度高的自主式导航系统。它不过份依赖于GPS，即使在C/A码的情况下，位置精度也高达10余米。这对当前惯导尚未普遍使用的国家有一定的现实意义。随着应用领域的拓展和使用要求的变化，当今和将来的不少应用场合，8.2基本的组合导航3）惯性/测向测距组合导航系统

惯性/测向测距导航系统能够直接改善惯性导航的定位精度和惯性平台的姿态精度，也可以对惯性平台进行空中对准，对准时间约为30min，测向系统的方位角误差较大，故方位角对准的精度也差。如果用双测距系统来组合，则可以改善方位对准精度，既可以间段组合，也可以连续组合。这种系统可以用来对惯性平台进行空中在对准，使运载体在地面台覆盖区域以外能够用对准后的惯性导航系统进行导航。8.2基本的组合导航3）惯性/天文导航系统

天文导航最早是由航海方面发展而来，其基本原理是利用光学仪器(如六分仪)人工观测星体高度角，进而确定航行体的位置。目前发展为星体跟踪器，利用光学或射电望远镜接收星体发射的电磁波进而测量高度角及方位角，从而推算航行体在地球上的位置及航向。在空气稀薄的高空，天文导航对宇宙航行是比较理想的。但在地球附近，天文导航受到云层及气象条件的限制。组合导航中的天文导航能够估计出陀螺的漂移，还可以估计真实的平台姿态误差，从而实现组合导航的功能。8.2基本的组合导航8.2.3组合导航的基本要求

1）导航精度和可靠性

导航的精度和可靠性指标是组合导航系统的根本指标，通过研究可行性组合方案，分析系统误差并建立模型，应用信息融合技术和智能方法实现导航和定位，克服单个导航系统的不足，因此在原有的导航基础上应该有精度上的改进，对导航结果的可靠性有进一步的提高

8.2基本的组合导航8.2.3组合导航的基本要求

2）实时导航

对于飞机，导弹等大型快速运行的物体而言，导航参数输出的实时性又很重大的意义，如果输出的导航参数延迟，即使具有较高的精度，也是没有意义的，甚至可能导致严重的后果，现代组合导航状态估计一般采用的是卡尔曼滤波技术实现组合导航数据的融合。3）小型化与一体化大型运载体为导航设备提供的空间有限，必须使导航设备小型化。

8.2基本的组合导航8.2.4组合导航的研究内容

1）导航系统的构成

微电子技术，计算机技术，航天技术，通讯技术，智能信息处理技术，信息融合技术2）组合系统的导航参数估计方法

从各相互的系统之间找到合理的最佳导航参数3）组合导航系统的实现和应用小型化，智能化，新理论，新方法，新结构8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.4建立导航系统误差模型的原则8.3.1

系统的基本构成8.3.2组合导航系统工作模式：8.3.3导航状态估计方法8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.1系统的基本构成组合导航系统的构成是：

惯性导航系统：完全自主的定位导航系统，可以连续提供位置、速度和姿态信息，在短时间内精度高卫星导航系统：能够全天候实时的提供三维位置和速度信息

天文导航系统：信号源不再载体上的自主定位导航技术，能够提供载体精确的姿态信息，且误差不随时间积累8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3组合导航的基本构成模式与工作方式组合导航系统工作方式：8.3组合导航的基本构成模式与工作方式组合导航系统工作方式：8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.2组合导航系统工作模式：组合导航系统有多种工作模式，设计组合导航的工作模式，实质是设计一种具有可行性的，能够高效利用子系统导航信息的工作方式：1）重调法2）深耦合法3）浅耦合法4）浅耦合－深耦合混合型组合模式8.3组合导航的基本构成模式与工作方式1）重调法这种方法是一种早期的组合导航模式，在重调法组合模式中，总是假定卫星的导航精度高于惯性导航的导航精度，卫星导航接收机大约每秒产生一次位置速度等导航信息，当获取卫星导航参数时，组合导航系统直接以卫星导航的输出参数代替惯性导航系统的输出参数，这么样就限制了惯性导航系统的漂移，使系统精度限制在卫星导航误差的范围之内。8.3组合导航的基本构成模式与工作方式2）深耦合法深耦合工作模式是指在组合导航系统中，利用各种导航传感器的观测信息，获得导航参数的最优估计或次最优估计，同时利用各个传感器之间的各自优点以及滤波得到的关于各导航传感器的参数估计值，在传感器之间进行相互辅助，相互修正，以减少传感器各自的系统误差与量测误差，提高估计精度。8.3组合导航的基本构成模式与工作方式3）浅偶合法浅耦合，是指各传感器之间并不相互修正与辅助，只是利用各传感器的观测信息，通过状态估计，得到关于导航参数的最优或次最优估计。深耦合组合方式的优点：减少各传感器的误差量，使得量测信息更为准确浅耦合组合方式的优点：无需在各传感器之间相互修正4）浅偶合法－深耦合混合型组合模式8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.3导航状态估计方法组合导航系统的多源信息结构、融合模型与算法是构造最优组合系统的核心问题，目前一般是采用卡尔曼滤波理论的状态估计方法。状态是来自于现代控制理论，包含了导航参数与误差量两部分：导航参数:位置，速度，误差量：陀螺仪误差，加速度计误差系数，卫星导航系统的时间误差8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.3导航状态估计方法直接法：直接以各导航子系统的导航参数输出参数作为状态，实现组合导航的滤波方式8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.3导航状态估计方法直接法滤波的特点：

1）直接法的模型系统方程直接描述系统导航参数的动态过程，它能教准确地反映真实状态的演变情况；2）直接法的模型系统方程是惯性导航力学编排方程和某些误差变量方程的综合；3）直接法的系统方程都是非线性方程，卡尔曼滤波必须采用广义滤波；4）直接法滤波的系统状态量数值相差太大8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.3导航状态估计方法间接法间隔滤波是指以各个子系统的误差量作为状态，实现组合导航的滤波处理方法。两种工作方法：

1)将估计量作为组合系统导航参数的输出，这种方法称为开环法或输出校正法2)将估计反馈到惯性导航系统和卫星信号接收机中，估计出的导航参数就作为惯性导航力学编排中的相应参数。估计出误差作为校正量，将惯性导航系统或其他设备中的相应误差量校正掉，称为反馈校正法8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.3导航状态估计方法间接法滤波输出校正示意图8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.3导航状态估计方法间接法滤波反馈校正示意图8.3组合导航的基本构成模式与工作方式组合导航系统容错方案组合导航系统中，导航系统信息获取的方式不通，噪声和故障也不相同，各导航系统既互为冗余又相互补充8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.3.4建立导航系统误差模型的原则1）误差模型的形式，误差模型的形式应与所采用的信息融合方法相适应2）误差模型的阶次，模型的阶次越高，信息融合的难度就越大，数据处理的计算量也就越大3）系统噪声的考查陀螺仪结构8.3组合导航的基本构成模式与工作方式惯性平台的结构8.3组合导航的基本构成模式与工作方式8.4组合导航系统状态估计方法8.4.1信息融合的定义8.4组合导航系统状态估计方法8.4.2信息融合的来源和特点8.4组合导航系统状态估计方法8.4.3信息融合技术的发展

信息融合是近十年发展起来的信息处理技术，它是将各种途径、任意时间和任意空间上获得的信息作为一个整体进行综合分析处理，为决策及控制奠定基础。最初信息融合技术是为满足战争的需求而发展起来的，目前军事领域仍然是信息融合的最大应用领域，也是发展最快的领域。信息融合又称数据融合，首先提出数据融合一词的是美国。早在1973年，美国研究机构就在国防部的自主下开始了声纳信号理解系统的研究，数据融合技术在这一系统中得到了最早的体现。1984年，美国国防部成立了数据融合专家组，指导、组织并协调有关这一关键技术的系统性研究，此后，发达国家纷纷开展信息融合系统的研究，相继出现了几十个实战型军用信息融合系统。早期着重于研究增强计算能力，有效的联合数据和改进传感器群的性能，并且主要是基于军事应用；随着计算机技术、通讯技术的发展，它得到了惊人的发展，并开发出了一些实用的系统，如预警系统、武器系统的指挥和控制、情报保障系统、军事力量的评估和指挥系统等，这些成果在海湾战争中得到很好的验证。8.4组合导航系统状态估计方法信息融合技术的发展8.4.4信息融合系统的设计8.4组合导航系统状态估计方法

信息融合是一个逐层抽象理解的过程，先由底层传感器接收目标及环境信息，完成底层融合，产生较抽象的信息并传往高层，最终至用户处理层。近二十年来，人们提出多种信息融合模型。如UK情报环、Boyd控制回路(OODA环)、JDL模型、瀑布模型、Dasarathy模型，其中心思想都是在信息融合过程中进行多级处理。8.4组合导航系统状态估计方法8.4.5信息融合的功能模型为了更加精确、全面地完成对目标定位、特征估计，从而更确切地提供局部和全局的态势和威胁估计，资源的管理是融合系统必不可少的部分，它对资源的合理调度和科学配置起着重要作用，从而构成了信息融合的闭环功能框架，包括信息获取、融合、专家干预、任务计划的形成、传感器管理及执行控制。8.4组合导航系统状态估计方法信息融合的功能模型8.4组合导航系统状态估计方法信息融合的功能模型8.4组合导航系统状态估计方法信息融合的结构8.4组合导航系统状态估计方法信息融合特点1)提高了对目标或环境描述的能力2)提高了对系统描述的精度3)提高了系统的运行效率4）提高了系统的可靠性和容错能力5）可降低系统的成本信息融合的层次

数据层融合：首先将全部传感器的观测数据融合，然后从融合的数据中提取特征向量，并进行判断识别特征层融合：每种传感器提供从观测数据中提取的有代表性的特征，这些特征融合成单一的特征向量，然后运用模式识别的方法进行处理8.4组合导航系统状态估计方法8.4组合导航系统状态估计方法决策层融合：在每个传感器对目标做出识别后，将多个传感器的识别结果进行融合，由于对传感器的数据进行了浓缩，能够对导航结果提供更加准确的信息四层结构方式信号级融合，像素级融合，特征级融合，符号级融合8.4组合导航系统状态估计方法数据层融合8.4组合导航系统状态估计方法特征层融合8.4组合导航系统状态估计方法决策层融合四级分类模型8.4组合导航系统状态估计方法8.4组合导航系统状态估计方法属性信息融合结构8.4组合导航系统状态估计方法灵活的属性信息融合结构8.4组合导航系统状态估计方法信息融合的基本方法1）加权平均法2）数理统计法，极大似然估计，贝叶斯估计3）证据决策理论：将传感器采集的信息作为证据，并在决策目标集上建立一个相应的基本可信度4）选举决策法：布尔代数融合不同传感器5）卡尔曼滤波6）自适应性人工神经网络法8.4组合导航系统状态估计方法8.4组合导航系统状态估计方法贝叶斯估计信息融合方法

贝叶斯估计是融合静态环境中多传感器底层信息的常用方法。它使传感器信息依据概率原则进行则和，测量不确定性以条件概率表示。贝叶斯推理方法解决了传统推理方法的某些缺点，它把每个传感器看作是一个贝叶斯估计器，用于将每一个目标各自的关联概率分布综合成一个联合后验分布函数，然后随观测值的到来，不断更新假设的该联合分布的似然函数的极大或极小值进行信息的最后融合。它的主要缺点是:定义先验似然函数比较困难;当有多个可能的假设和多个条件相关事件时，计算复杂8.4组合导航系统状态估计方法统计决策理论信息融合方法

在系统决策分析中，先讨论单个传感器的决策分析，单个传感器接收的观测量通过决策规则得到对目标分类决策的估计，经过多次接收判决后，得到对目标分类判决的多个估计值，将这些估计值送到融合中心，可