gnss ins 組合導(dǎo)航原理與應(yīng)用

1、GNSS/INS組合導(dǎo)航原理,章紅平,Email: hpzhang@whu.edu.cn,GNSS/INS組合的需求與意義1.2 主要內(nèi)容和范圍1.3 組合導(dǎo)航簡介,2,內(nèi) 容,意義：導(dǎo)航技術(shù)是人類生活、航空航天的共性關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)！,3,GNSS/INS組合的需求與意義,飛機,空間站,導(dǎo)彈,艦船,衛(wèi)星,月球車,重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時俱進,4,JDAM低成本制導(dǎo)武器,精確打擊-?現(xiàn)代戰(zhàn)爭的主要手段！,彈道導(dǎo)彈,遠程空

2、空導(dǎo)彈,艦空導(dǎo)彈,精確打擊,重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時俱進,5,國家中長期發(fā)展規(guī)劃16個重大專項之一!,,美無人偵察機“全球鷹”在執(zhí)行任務(wù),偵察衛(wèi)星,機載高分辨率SAR及其運動補償系統(tǒng),對地觀測,重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時俱進,6,載人航天與探月工程,重大需求牽引導(dǎo)航技術(shù)與時俱進,7,二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與大飛機,1、 為什么要學(xué)習(xí)組合導(dǎo)航,8,1.2 課程的主要內(nèi)容和范圍,組合導(dǎo)航,何為導(dǎo)航？與制導(dǎo)什么區(qū)別？有哪些導(dǎo)航技術(shù)？為什

3、么要組合？如何進行組合？,引導(dǎo)載體從出發(fā)點到達目的地的技術(shù)和方法提供載體的導(dǎo)航參數(shù)，位置、速度和姿態(tài),9,1、為什么要學(xué)習(xí)組合導(dǎo)航？,（1）何為導(dǎo)航？,（2）與制導(dǎo)什么區(qū)別？,制導(dǎo)是根據(jù)預(yù)先規(guī)劃的航路，自動引導(dǎo)載體到達目的地的技術(shù)和方法,10,制導(dǎo)系統(tǒng)（Guidance System）原理框圖,運動參數(shù),導(dǎo)航系統(tǒng),飛行控制計算機,執(zhí)行機構(gòu),,控制指令,,,,,,舵偏角,,,航跡規(guī)劃,,11,（3） 導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史,天文導(dǎo)

4、航——航海、航天慣性導(dǎo)航——與慣性器件水平有關(guān)無線電導(dǎo)航——衛(wèi)星導(dǎo)航推算導(dǎo)航——速度和航向地形、景象匹配導(dǎo)航物理場匹配導(dǎo)航,12,（4）目前有哪些導(dǎo)航技術(shù)？,慣性導(dǎo)航——基本原理,13,陀螺儀: 定軸性 進動性,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,加速度計,矢量,矢量,在哪個坐標系里計算?如何確定坐標系?,,慣性儀表分類,14,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,慣性儀表,15,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的

5、特點？,微機電(MEMS)慣性器件,美國Draper實驗室研制的MEMS陀螺儀精度以達1º/h,美國AD公司研制單片集成的微陀螺儀，年產(chǎn)量數(shù)百萬只,Honeywell公司分辨率50 ?g諧振式加速度計,AD公司研制三軸單片集成的微加速度計,16,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,光纖陀螺特點： 精度高 響應(yīng)速度快 動態(tài)范圍大主要研究內(nèi)容和關(guān)鍵技術(shù)包括: 新型高穩(wěn)定光纖光源技術(shù) 全數(shù)字信號檢測技術(shù) 誤差機理及建模補償

6、方法 光纖陀螺可靠性設(shè)計方法,法國IXSEA公司研制的高精度光纖陀螺精度為0.001?/h,美國LITTON公司正在研制戰(zhàn)略級光纖陀螺精度達10-4 ?/h量級,高精度光纖陀螺,慣性導(dǎo)航——誤差特性,17,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,,慣性器件常值誤差,安裝誤差,標度因數(shù)誤差,隨機常值,白噪聲,與加速度有關(guān)誤差,一階馬爾可夫過程,位置誤差速度誤差姿態(tài)誤差,隨時間積累,慣性導(dǎo)航——特點,18,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,,

7、自主性強,短時間精度高,連續(xù)提供位置、速度、姿態(tài),誤差隨時間積累,價格昂貴（精度越高，價格越貴）,慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展歷史,19,20,美國Draper實驗室對當前陀螺儀發(fā)展現(xiàn)狀分析,慣性導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀,21,,美國Draper實驗室對2020年陀螺儀發(fā)展趨勢的預(yù)測,慣性導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展趨勢,22,無線電導(dǎo)航技術(shù)——基本原理,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,,,,,,,,23,無線電導(dǎo)航技術(shù)——衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù),（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,無線電導(dǎo)航受

8、區(qū)域限制,80年代開始發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航（將發(fā)射臺放到衛(wèi)星上）,美國GPS----?GPX 俄羅斯GLONASS 北斗雙星 伽利略,24,衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)——誤差特性,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,時鐘誤差,星歷誤差,大氣層誤差,電離層延時誤差,多路徑效應(yīng),隨機性誤差,25,衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)——特點,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,精度高，誤差不積累,全球，全天時，全天候,接收機價格便宜,,成本昂貴，不為我國所有,不能輸出姿態(tài)信息,輸出

9、不連續(xù),26,天文導(dǎo)航——古老而又年輕的導(dǎo)航技術(shù) 天文導(dǎo)航是一種利用光學(xué)敏感器測得的天體（月球、地球、太陽、其他行星和恒星）信息進行載體位置計算的定位導(dǎo)航方法。,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,完全天文定位導(dǎo)航基于航天器軌道動力學(xué)方程的定位導(dǎo)航,27,天文導(dǎo)航——基本原理,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,艦船天文導(dǎo)航基本原理 即通過觀測不同天體或不同時刻觀測同一天體，以各天體投影點為圓心，各觀測

10、天體高度為半徑畫天文位置圓，并求其交點來確定艦船的位置。,獲得高精度的天體高度和確定天體投影點是艦船天文導(dǎo)航的關(guān)鍵。,28,（5）各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,,完全自主,誤差不積累,不僅可得位置信息、還可得到姿態(tài)信息,定位精度不夠高（與敏感器精度有關(guān)）,輸出信息不連續(xù),隨機性誤差,天文導(dǎo)航的特點,29,天文導(dǎo)航的歷史,從航海上發(fā)展而來，起源中國，明代鄭和的過洋千星圖是當時最完整、最精確的天文航海原始記錄；1731年，哈德利發(fā)明了反射象限儀

11、，并很快發(fā)展成了六分儀；,六分儀,天文鐘,1735年 約翰·哈里森 天文鐘；1837年 美國船長沙姆那發(fā)現(xiàn)等高線，可同時測經(jīng)緯度；1875年 法國人圣西勒爾發(fā)現(xiàn)高度差法則，為天文導(dǎo)航重要基礎(chǔ)；二十世紀中葉，1950年后，隨著載人航天技術(shù)的發(fā)展，天文導(dǎo)航技術(shù)得到了極大的發(fā)展，尤其阿波羅登月，前蘇聯(lián)空間站。,30,天文導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀,推算導(dǎo)航——基本原理,31,各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,,計程儀或里程表,羅盤或單軸陀螺,司

12、南,指南車,記里鼓車,推算導(dǎo)航——特點,32,各種導(dǎo)航技術(shù)的特點？,,自主,結(jié)構(gòu)簡單，成本低,誤差積累太大，限于要求不高的場合,33,組合導(dǎo)航簡介,一、 組合導(dǎo)航技術(shù),34,組合導(dǎo)航簡介,采用兩種或兩種以上的非相似導(dǎo)航系統(tǒng)對同一信息作量測量,從這些量測量中計算出各導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差并校正之。,采用組合導(dǎo)航技術(shù)的系統(tǒng)稱為組合導(dǎo)航系統(tǒng) 參與組合的各導(dǎo)航系統(tǒng)稱為子系統(tǒng)。,二、 組合導(dǎo)航的基本方法,35,回路反饋法 采用經(jīng)典的回

13、路控制方法，抑制系統(tǒng)誤差，并使各系統(tǒng)間實現(xiàn)性能互補；,最優(yōu)估計法 采用卡爾曼濾波，從概率統(tǒng)計最優(yōu)的角度估計出系統(tǒng)誤差并消除之。,36,INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng),連續(xù)輸出位置、速度、姿態(tài) 誤差隨時間積累,GPS,,INS,,,KF,,,,,,,,,,,精度高 誤差不積累 輸出不連續(xù),優(yōu)勢互補-?組合導(dǎo)航系統(tǒng)的最佳方案！,位置、速度、姿態(tài),三、 組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能,37,充分利用各子系統(tǒng)的導(dǎo)航信息，形成單個子系統(tǒng)不具

14、備的功能和精度,綜合利用各子系統(tǒng)信息，取長補短，擴大使用范圍,各子系統(tǒng)感測同一信息源，使測量冗余，提高整個系統(tǒng)的可靠性,為了提高對動態(tài)載體運動目標（導(dǎo)彈、飛機、衛(wèi)星、坦克、車輛、艦船等）的跟蹤精度或?qū)討B(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)估計精度，需要多傳感器的組合導(dǎo)航。單一傳感器提供的信息很難滿足目標跟蹤或狀態(tài)估計的精度要求，采用多個傳感器進行組合導(dǎo)航，并將多類信息按某種最優(yōu)融合準則進行最優(yōu)融合，可望提高目標跟蹤或狀態(tài)估計的精度。多傳感器組合導(dǎo)航（多星座

15、衛(wèi)星組合、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合等）成為導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。,組合導(dǎo)航系統(tǒng),背景,GPS、GLONASS、BD及GALILEO衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，本身都存在著固有的缺陷或人為施加的干擾，于是，使用單一的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在著很大風(fēng)險。GPS系統(tǒng)受美國國家政策的影響，隨時可能出現(xiàn)人為“故障”，使得非美國的盟國不能利用衛(wèi)星資源，或其衛(wèi)星信號中存在顯著的異常干擾。GLONASS系統(tǒng)，雖然尚無明確的信號干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特殊時期的應(yīng)用

16、難以保證，而且GLONASS衛(wèi)星的穩(wěn)定性較差，導(dǎo)航精度也成問題。,5.2 多星座衛(wèi)星導(dǎo)航組合,5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）,需求,由于多星座提高了衛(wèi)星星座的幾何結(jié)構(gòu)，增強了可用性（availability）；GPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，衛(wèi)星覆蓋率將極大增強（星空璀璨——100顆衛(wèi)星以上），提高導(dǎo)航定位的連續(xù)性（continuity）；多衛(wèi)星信號組合可以很容易地探測和診斷某類衛(wèi)星信號的故障和隨機干擾，并

17、及時予以排除或及時給用戶發(fā)送預(yù)警信息，提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)的完好性（integrity）；多衛(wèi)星系統(tǒng)可提高相位模糊度搜索速度…。,5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）,衛(wèi)星組合導(dǎo)航的性能優(yōu)勢,5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）,衛(wèi)星組合導(dǎo)航的誤差補償優(yōu)勢,系統(tǒng)誤差——軌道系統(tǒng)誤差、衛(wèi)星鐘差、多路徑誤差…；隨機誤差——信號隨機誤差、軌道隨機誤差、鐘差隨機誤差…;有色噪聲——太陽光壓、隨時間變化的鐘差…;異常誤差——周跳、變軌誤差…。,利用

18、多種導(dǎo)航衛(wèi)星信號有利于誤差補償提高導(dǎo)航定位的精度和可靠性。,衛(wèi)星組合導(dǎo)航的缺點,1）存在信號遮擋。當接收機天線被建筑、隧道等遮擋時，衛(wèi)星信號中斷，無法定位。2）抗干擾能力差。當存在人為干擾時，接收機碼環(huán)環(huán)路很容易失鎖，導(dǎo)致接收機無法定位。3）多類衛(wèi)星信號在同一載體上常形成互相干擾。4）數(shù)據(jù)輸出頻率低。盡管目前一些新的GPS接收機可以提供10 Hz的無插值定位輸出，但大多數(shù)接收機的定位輸出頻率仍然為1 Hz。5）GPS、GLONA

19、SS、GALILEO分別由各自研制國直接控制，使用權(quán)受制于人。,5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）,盡管衛(wèi)星定位系統(tǒng)具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩(wěn)定性。多類導(dǎo)航衛(wèi)星組合仍然不能完全擺脫衛(wèi)星信號受遮擋而不能實施導(dǎo)航的風(fēng)險。當載體通過遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時，這種信號盲區(qū)一般不能通過多類衛(wèi)星組合加以克服。INS由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導(dǎo)航參數(shù)（位置、速度、姿態(tài)）等優(yōu)點，是目前最主要的導(dǎo)航系統(tǒng)之一。INS有一個

20、致命的缺點：導(dǎo)航定位誤差隨時間積累。,5.3 衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航的組合,需求,5、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）,可發(fā)現(xiàn)并標校慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差，提高導(dǎo)航精度。彌補衛(wèi)星導(dǎo)航的信號缺損問題，提高導(dǎo)航能力。提高衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航的可靠性。可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機對衛(wèi)星信號的捕獲能力，提高整體導(dǎo)航效率。增加觀測冗余度，提高異常誤差的監(jiān)測能力，提高系統(tǒng)的容錯功能。提高導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾能力，提高完好性。,

21、6、組合導(dǎo)航系統(tǒng)（續(xù)）,GNSS與INS組合導(dǎo)航的優(yōu)勢,松組合又稱級聯(lián)Kalman濾波(Cascaded Kalman Filter)方式。觀測量——INS和GNSS輸出的速度和位置信息的差值；系統(tǒng)方程——INS線性化的誤差方程；通過擴展Kalman濾波（Extended Kalman Filter= EKF）對INS的速度、位置、姿態(tài)以及傳感器誤差進行最優(yōu)估計，并根據(jù)估計結(jié)果對INS進行輸出或者反饋校正。,6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航

22、組合方式,6.1 松散組合(Loosely-Coupled Integration),松組合基本概念,GNSS接收機通常通過自己的Kalman濾波輸出其速度和位置，這種組合導(dǎo)致濾波器的串聯(lián)，使組合導(dǎo)航觀測噪聲時間相關(guān)（有色噪聲），不滿足EKF觀測噪聲為白噪聲的基本要求，嚴重時可能使濾波器不穩(wěn)定。幾乎無冗余信息，不利于異常診斷，不利于進行隨機模型改化 …。,松組合的主要缺點,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可以大幅度提高系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，并使IN

23、S具有動基座對準能力。,松組合的主要優(yōu)點,6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）,觀測量——根據(jù)GNSS接收機收到的星歷信息和INS輸出的位置和速度信息，計算相應(yīng)于INS位置的偽距和偽距率，GNSS接收機測量得到的偽距和偽距速率與INS計算值的差值。通過EKF對INS的誤差和GPS接收機的誤差進行最優(yōu)估計，然后對INS進行輸出或者反饋校正。由于不存在濾波器的級聯(lián)，并可對GNSS接收機的測距誤差進行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位

24、置、速度組合具有更高的組合精度。而且在可見星的個數(shù)少于4顆時也可以使用。,6.2 緊組合（Tightly-Coupled Integration）,6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）,開發(fā)了GNSS/INS精密定位定姿定向（POS）軟件，具備以下功能RTK，動態(tài)后處理精度達到了厘米級PPP，動態(tài)后處理精度達到了厘米級松組合，GNSS位置/速度與IMU數(shù)據(jù)組合PPP緊組合，國內(nèi)僅有的精密定位緊組合算法軌跡、殘差顯示,GNSS/

25、INS精密定位定姿定向（POS）軟件,RTK數(shù)據(jù)處理界面,PPP數(shù)據(jù)處理界面,GNSS/INS松組合界面,GNSS PPP/INS緊組合界面,POS后處理軟件---GINS數(shù)據(jù)處理功能界面,GINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果,機載測試數(shù)據(jù)，與Inertial Explorer軟件后處理RTK結(jié)果比較PPP精密定位結(jié)果達到了厘米級,GINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果,GINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果,上圖車載GPS動態(tài)測量 PPP結(jié)果，下圖為GPS/INS緊組合PPP結(jié)

26、果，GPS/INS緊組合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。,GPS/BDS/GLONASS多系統(tǒng)GNSS/INS緊組合（偽距/多普勒）定位結(jié)果（與RTK結(jié)果差異）,GINS數(shù)據(jù)后處理結(jié)果,GINS在高鐵不平順性監(jiān)測中的應(yīng)用,GINS軟件分析的高鐵軌道檢測結(jié)果，與現(xiàn)行方法德國Amberg GRP1000測量結(jié)果對比，精度在1mm以內(nèi)，一致性非常好。,GINS在高鐵不平順性監(jiān)測中的應(yīng)用,深組合是使用慣性導(dǎo)航信息對GNSS接收機進行輔助導(dǎo)

27、航的組合方式。主要思想：既使用濾波技術(shù)對INS的誤差進行最優(yōu)估計，同時使用校正后的INS速度信息對接收機的載波環(huán)、碼環(huán)進行輔助跟蹤，從而減小環(huán)路的等效帶寬，增加GPS接收機在高動態(tài)或強干擾環(huán)境下的跟蹤能力。嵌入式組合將INS和GNSS進行一體化設(shè)計，通過共用電源、時鐘等進一步減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。,6.3 深組合（Deeply-Coupled Integration）,6、衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航組合方式（續(xù)）,57,

28、GNSS/INS組合導(dǎo)航種類,,,,,,,,慣導(dǎo)輔助衛(wèi)導(dǎo),衛(wèi)導(dǎo)輔助慣導(dǎo),GNSS,INS,組合,動態(tài)響應(yīng)滯后,易受環(huán)境影響,提供時間信息,長期精度高,全自主工作,動態(tài)特性好,無時間信息,誤差易發(fā)散,58,GNSS/INS組合導(dǎo)航種類,59,GNSS/INS組合導(dǎo)航種類,60,深組合類型,61,深組合類型,62,測試內(nèi)容及條件,63,IMU零偏類誤差模型驗證,,,64,IMU零偏類誤差模型驗證,65,多普勒延遲模型驗證,,,,66,輔助前