1、GNSS/INSGNSS/INS組合的需求與意義組合的需求與意義1.2 1.2 主要內容和范圍主要內容和范圍1.3 1.3 組合導航簡介組合導航簡介2 2內意義：意義：導航技術導航技術是人類生活、航空航天的是人類生活、航空航天的共性關鍵基礎技術！共性關鍵基礎技術！3 3GNSS/INS重大需求牽引導航技術與時俱進重大需求牽引導航技術與時俱進4 4 JDAM JDAM低成本制導武器低成本制導武器彈道導彈彈道導彈遠程空空導彈遠程空空導彈艦空導彈艦空導彈重大需求牽引導航技術與時俱進重大需求牽引導航技術與時俱進5 5必要必要條件條件技術技術瓶頸瓶頸美無人偵察機美無人偵察機“全全球鷹球鷹”在執行任務在執

2、行任務偵察衛星偵察衛星機載高分辨率機載高分辨率SARSAR及其運動補償系統及其運動補償系統重大需求牽引導航技術與時俱進重大需求牽引導航技術與時俱進6 6重大需求牽引導航技術與時俱進重大需求牽引導航技術與時俱進7 7 1 1、 為什么要學習組合導航為什么要學習組合導航8 8引導載體從出發點到達目的地的技術和方法引導載體從出發點到達目的地的技術和方法提供載體的導航參數，位置、速度和姿態提供載體的導航參數，位置、速度和姿態9 91010舵偏角舵偏角1111天文導航天文導航航海、航天航海、航天慣性導航慣性導航與慣性器件水平有關與慣性器件水平有關無線電導航無線電導航衛星導航衛星導航推算導航推算導航速度和

3、航向速度和航向地形、景象匹配導航地形、景象匹配導航物理場匹配導航物理場匹配導航1212慣性導航慣性導航基本原理基本原理1313VaP,慣性儀表分類慣性儀表分類1414液浮陀螺儀三浮陀螺儀撓性陀螺儀靜電陀螺儀激光陀螺儀光纖陀螺儀MEMS慣性器件MOEMS慣性器件半球諧振陀螺儀壓電陀螺儀1515美國Draper實驗室研制的MEMS陀螺儀精度以達1/h美國AD公司研制單片集成的微陀螺儀，年產量數百萬只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1616光纖陀螺特點： 精度高 響應速度快 動態范圍大主要研究內容和關鍵技術包括: 新型高穩定光纖光源技術 全數字信

4、號檢測技術 誤差機理及建模補償方法 光纖陀螺可靠性設計方法法國IXSEA公司研制的高精度光纖陀螺精度為0.001/h美國LITTON公司正在研制戰略級光纖陀螺精度達10-4 /h量級慣性導航慣性導航誤差特性誤差特性1717慣性導航慣性導航特點特點1818慣性導航技術發展歷史慣性導航技術發展歷史1919202021212222無線電導航技術無線電導航技術基本原理基本原理2323無線電導航技術無線電導航技術衛星導航技術衛星導航技術2424衛星導航技術衛星導航技術誤差特性誤差特性2525衛星導航技術衛星導航技術特點特點2626天文導航天文導航古老而又年輕的導航技術古老而又年輕的導航技術 天文導航是一

5、種利用光學敏感器測得的天天文導航是一種利用光學敏感器測得的天體（月球、地球、太陽、其他行星和恒星）信息體（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航方法。進行載體位置計算的定位導航方法。2727天文導航天文導航基本原理基本原理獲得高精度的獲得高精度的天體高度天體高度和和確定天體投影點確定天體投影點是艦船天是艦船天文導航的關鍵。文導航的關鍵。28282929六分儀天文鐘3030推算導航推算導航基本原理基本原理3131Sv推算導航推算導航特點特點32323333 一、一、 組合導航技術組合導航技術3434組合導 二、二、 組合導航的基本方法組合導航的基本方法35353636

6、KF Z 三、三、 組合導航系統的功能組合導航系統的功能3737 為了提高對動態載體運動目標（導彈、飛機、衛星、坦克、車輛、艦船等）為了提高對動態載體運動目標（導彈、飛機、衛星、坦克、車輛、艦船等）的跟蹤精度或對動態系統的狀態估計精度，需要多傳感器的組合導航。的跟蹤精度或對動態系統的狀態估計精度，需要多傳感器的組合導航。 單一傳感器提供的信息很難滿足目標跟蹤或狀態估計的精度要求，采用多個單一傳感器提供的信息很難滿足目標跟蹤或狀態估計的精度要求，采用多個傳感器進行組合導航，并將多類信息按某種最優融合準則進行最優融合，可傳感器進行組合導航，并將多類信息按某種最優融合準則進行最優融合，可望提高目標跟

7、蹤或狀態估計的精度。望提高目標跟蹤或狀態估計的精度。 多傳感器組合導航（多星座衛星組合、衛星導航與慣性導航的組合等）成為多傳感器組合導航（多星座衛星組合、衛星導航與慣性導航的組合等）成為導航系統的發展趨勢。導航系統的發展趨勢。組合導航系統組合導航系統背景背景 GPSGPS、GLONASSGLONASS、BDBD及及GALILEOGALILEO衛星導航系統，本身都存在著固有的缺陷或人衛星導航系統，本身都存在著固有的缺陷或人為施加的干擾，于是，使用單一的衛星導航系統存在著很大風險。為施加的干擾，于是，使用單一的衛星導航系統存在著很大風險。 GPSGPS系統受美國國家政策的影響，隨時可能出現人為系統

8、受美國國家政策的影響，隨時可能出現人為“故障故障”，使得非美國，使得非美國的盟國不能利用衛星資源，或其衛星信號中存在顯著的異常干擾。的盟國不能利用衛星資源，或其衛星信號中存在顯著的異常干擾。 GLONASSGLONASS系統，雖然尚無明確的信號干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特系統，雖然尚無明確的信號干擾政策，但它由俄羅斯空軍控制，特殊時期的應用難以保證，而且殊時期的應用難以保證，而且GLONASSGLONASS衛星的穩定性較差，導航精度也成問衛星的穩定性較差，導航精度也成問題。題。5.2 5.2 多星座衛星導航組合多星座衛星導航組合5 5、組合導航系統（續）、組合導航系統（續） 需求需求 由

9、于多星座提高了衛星星座的幾何結構，增強了由于多星座提高了衛星星座的幾何結構，增強了可用性（可用性（availabilityavailability）； GPS/GLONASS/COMPASS/GalileoGPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，衛星覆蓋率將極大增強（星空璀全部建成后，衛星覆蓋率將極大增強（星空璀璨璨100100顆衛星以上），提高導航定位的連續性（顆衛星以上），提高導航定位的連續性（continuitycontinuity）；）； 多衛星信號組合可以很容易地探測和診斷某類衛星信號的故障和隨機干擾，多衛星信號組合可以很容易地探測和診斷某類衛星信號的故障和

10、隨機干擾，并及時予以排除或及時給用戶發送預警信息，提高導航系統的抗干擾能力，并及時予以排除或及時給用戶發送預警信息，提高導航系統的抗干擾能力，從而提高系統的從而提高系統的完好性完好性（integrityintegrity）；）； 多衛星系統可提高相位模糊度搜索速度多衛星系統可提高相位模糊度搜索速度。5 5、組合導航系統（續）、組合導航系統（續） 衛星組合導航的性能優勢衛星組合導航的性能優勢5 5、組合導航系統（續）、組合導航系統（續） 衛星組合導航的誤差補償優勢衛星組合導航的誤差補償優勢系統誤差系統誤差軌道系統誤差、衛星鐘差、多路徑誤差軌道系統誤差、衛星鐘差、多路徑誤差；隨機誤差隨機誤差信號隨

11、機誤差、軌道隨機誤差、鐘差隨機誤差信號隨機誤差、軌道隨機誤差、鐘差隨機誤差;有色噪聲有色噪聲太陽光壓、隨時間變化的鐘差太陽光壓、隨時間變化的鐘差;異常誤差異常誤差周跳、變軌誤差周跳、變軌誤差。利用多種導航衛星信號有利于誤差補償提高導航定位的利用多種導航衛星信號有利于誤差補償提高導航定位的精度和可靠性精度和可靠性。 衛星組合導航的缺點衛星組合導航的缺點1 1）存在信號遮擋。當接收機天線被建筑、隧道等遮擋時，衛星信號中斷，無法存在信號遮擋。當接收機天線被建筑、隧道等遮擋時，衛星信號中斷，無法定位。定位。2 2）抗干擾能力差。當存在人為干擾時，接收機碼環環路很容易失鎖，導致接收抗干擾能力差。當存在人

12、為干擾時，接收機碼環環路很容易失鎖，導致接收機無法定位。機無法定位。3 3）多類衛星信號在同一載體上常形成互相干擾。多類衛星信號在同一載體上常形成互相干擾。4 4）數據輸出頻率低。盡管目前一些新的數據輸出頻率低。盡管目前一些新的GPSGPS接收機可以提供接收機可以提供10 Hz10 Hz的無插值定位的無插值定位輸出，但大多數接收機的定位輸出頻率仍然為輸出，但大多數接收機的定位輸出頻率仍然為1 Hz1 Hz。5 5）GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO分別由各自研制國直接控制，使用權受制于人。分別由各自研制國直接控制，使用權受制于人。5 5、組合導航系統（續）

13、、組合導航系統（續） 盡管衛星定位系統具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩定性。多類盡管衛星定位系統具有較高精度和較低的成本，且具有長期穩定性。多類導航衛星組合仍然不能完全擺脫衛星信號受遮擋而不能實施導航的風險。導航衛星組合仍然不能完全擺脫衛星信號受遮擋而不能實施導航的風險。當載體通過遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時，這種當載體通過遂道或行駛在高聳的樓群間的街道時，這種信號盲區信號盲區一般不能一般不能通過多類衛星組合加以克服。通過多類衛星組合加以克服。 INSINS由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導航參數（位由于具有全天候、完全自主、不受外界干擾、可以提供全導航參數（位置、

14、速度、姿態）等優點，是目前最主要的導航系統之一。置、速度、姿態）等優點，是目前最主要的導航系統之一。INSINS有一個致命有一個致命的缺點：的缺點：導航定位誤差隨時間積累導航定位誤差隨時間積累。5.3 5.3 衛星導航與慣性導航的組合衛星導航與慣性導航的組合 需求需求5 5、組合導航系統（續）、組合導航系統（續） 可發現并標校慣導系統誤差，提高可發現并標校慣導系統誤差，提高導航精度導航精度。 彌補衛星導航的信號缺損問題，提高彌補衛星導航的信號缺損問題，提高導航能力導航能力。 提高衛星導航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測能力，提提高衛星導航載波相位的模糊度搜索速度，提高信號周跳的檢測

15、能力，提高組合高組合導航的可靠性導航的可靠性。 可以提高衛星導航接收機對衛星信號的捕獲能力，提高整體可以提高衛星導航接收機對衛星信號的捕獲能力，提高整體導航效率導航效率。 增加觀測冗余度，提高異常誤差的監測能力，提高系統的增加觀測冗余度，提高異常誤差的監測能力，提高系統的容錯功能容錯功能。 提高導航系統的抗干擾能力，提高提高導航系統的抗干擾能力，提高完好性完好性。6 6、組合導航系統（續）、組合導航系統（續） GNSS GNSS與與INSINS組合導航的優勢組合導航的優勢 松組合又稱級聯松組合又稱級聯KalmanKalman濾波濾波(Cascaded Kalman Filter)(Cascad

16、ed Kalman Filter)方式。方式。 觀測量觀測量INSINS和和GNSSGNSS輸出的速度和位置信息的差值；輸出的速度和位置信息的差值； 系統方程系統方程INSINS線性化的誤差方程；線性化的誤差方程； 通過擴展通過擴展KalmanKalman濾波（濾波（Extended Kalman Filter= EKFExtended Kalman Filter= EKF）對）對INSINS的速度、位置、的速度、位置、姿態以及傳感器誤差進行最優估計，并根據估計結果對姿態以及傳感器誤差進行最優估計，并根據估計結果對INSINS進行輸出或者反饋進行輸出或者反饋校正。校正。6 6、衛星導航與慣性導

17、航組合方式、衛星導航與慣性導航組合方式6.1 6.1 松散組合松散組合(Loosely-Coupled Integration)(Loosely-Coupled Integration) 松組合基本概念松組合基本概念 GNSSGNSS接收機通常通過自己的接收機通常通過自己的KalmanKalman濾波輸出其速度和位置，這種組合導濾波輸出其速度和位置，這種組合導致濾波器的串聯，使組合導航觀測噪聲時間相關（致濾波器的串聯，使組合導航觀測噪聲時間相關（有色噪聲有色噪聲），不滿足），不滿足EKFEKF觀測噪聲為白噪聲的基本要求，嚴重時可能使濾波器不穩定。觀測噪聲為白噪聲的基本要求，嚴重時可能使濾波器不

18、穩定。 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 。 松組合的主要缺點松組合的主要缺點系統結構簡單，易于實現，可以大幅度提高系統的導航精度，并使系統結構簡單，易于實現，可以大幅度提高系統的導航精度，并使INSINS具具有動基座對準能力。有動基座對準能力。 松組合的主要優點松組合的主要優點6 6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）、衛星導航與慣性導航組合方式（續） 觀測量觀測量根據根據GNSSGNSS接收機收到的星歷信息和接收機收到的星歷信息和INSINS輸出的位置和速度信息，計算輸出的位置和速度信息，計算相應于相應于INSINS

19、位置的偽距和偽距率，位置的偽距和偽距率，GNSSGNSS接收機測量得到的偽距和偽距速率與接收機測量得到的偽距和偽距速率與INSINS計算值的差值。計算值的差值。 通過通過EKFEKF對對INSINS的誤差和的誤差和GPSGPS接收機的誤差進行最優估計，然后對接收機的誤差進行最優估計，然后對INSINS進行輸出或進行輸出或者反饋校正。者反饋校正。 由于不存在濾波器的級聯，并可對由于不存在濾波器的級聯，并可對GNSSGNSS接收機的測距誤差進行建模，因此這種接收機的測距誤差進行建模，因此這種偽距、偽距率組合偽距、偽距率組合方式比方式比位置、速度組合位置、速度組合具有更高的組合精度。而且在可見星具有

20、更高的組合精度。而且在可見星的個數少于的個數少于4 4顆時也可以使用。顆時也可以使用。6.2 6.2 緊組合（緊組合（Tightly-Coupled IntegrationTightly-Coupled Integration）6 6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）、衛星導航與慣性導航組合方式（續）開發了開發了GNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POS）軟件，具備以下功）軟件，具備以下功能能RTK，動態后處理精度達到了厘米級，動態后處理精度達到了厘米級PPP，動態后處理精度達到了厘米級，動態后處理精度達到了厘米級松組合，松組合，GNSS位置位置/速度與速度與IMU數據組合數據

21、組合PPP緊組合，國內僅有的精密定位緊組合算法緊組合，國內僅有的精密定位緊組合算法軌跡、殘差顯示軌跡、殘差顯示GNSS/INSGNSS/INS精密定位定姿定向（精密定位定姿定向（POSPOS）軟件）軟件RTK數據處理界面數據處理界面PPP數據處理界面數據處理界面GNSS/INS松組合界面松組合界面GNSS PPP/INS緊組合界面緊組合界面POSPOS后處理軟件后處理軟件-GINS-GINS數據處理功能界面數據處理功能界面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數據后處理結果數據后處理結果機載測試數據，與機載測試數據，與Inertial Explorer軟件后處理軟件后處理RTK結果比較結果比較PPP精密定位結果達到了厘米級精密定位結果達到了厘米級GINSGINS數據后處理結果數據后處

23、理結果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數據后處理結果數據后處理結果上圖車載上圖車載GPS動態測量動態測量 PPP結果，下圖為結果，下圖為GPS/INS緊組合緊組合PPP結果，結果，GPS/INS緊組合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。緊組合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。GPS/BDS/GLONASS多系統多系統GNSS/INS緊組合（偽距緊組合（偽距/多普勒）定位結果（與多普勒）定位結果（與RTK結果差異）結果差異）GINSGINS數據后處理結果數據后處理結果GINSGINS在高鐵不平順性監測中的應用在高鐵不平順性監測中的應用020406080100120140160-4-2024Tr

25、ack Mileage m h mm GNSS/INSAmberg GRP1000GINS軟件分析的高鐵軌道檢測結果，軟件分析的高鐵軌道檢測結果，與現行方法與現行方法德國德國Amberg GRP1000測量結果對比測量結果對比，精度在，精度在1mm以內，一致以內，一致性非常好。性非常好。GINSGINS在高鐵不平順性監測中的應用在高鐵不平順性監測中的應用 深組合是使用慣性導航信息對深組合是使用慣性導航信息對GNSSGNSS接收機進行輔助導航的組合方式。接收機進行輔助導航的組合方式。 主要思想：主要思想：既使用濾波技術對既使用濾波技術對INSINS的誤差進行最優估計，同時使用校正后的誤差進行最優

26、估計，同時使用校正后的的INSINS速度信息對接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤，從而減小環路的速度信息對接收機的載波環、碼環進行輔助跟蹤，從而減小環路的等效帶寬，增加等效帶寬，增加GPSGPS接收機在高動態或強干擾環境下的跟蹤能力。接收機在高動態或強干擾環境下的跟蹤能力。 嵌入式組合將嵌入式組合將INSINS和和GNSSGNSS進行一體化設計，通過共用電源、時鐘等進一步進行一體化設計，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。減小體積、降低成本和減小非同步誤差的影響。6.3 6.3 深組合（深組合（Deeply-Coupled IntegrationDeeply-Co

27、upled Integration）6 6、衛星導航與慣性導航組合方式（續）、衛星導航與慣性導航組合方式（續）57GNSS/INSGNSS/INS組合導航種類組合導航種類慣導輔助衛導慣導輔助衛導衛導輔助慣導衛導輔助慣導GNSSINS組合組合動態響應滯后易受環境影響提供時間信息長期精度高全自主工作動態特性好無時間信息誤差易發散58根據信息融合深度不同，GNSS和INS組合方式分為：松組合、緊組合和深組合。GNSS/INSGNSS/INS組合導航種類組合導航種類59GNSS/INSGNSS/INS組合導航種類組合導航種類60深組合類型深組合類型根據接收機的跟蹤環結構，GNSS/INS深組合可分為：

28、標量深組合結構、矢量深組合結構。61目前商用和民用GNSS接收機產品普遍采用傳統的標量跟蹤結構，所以標量深組合結構的研究和實現更具可操作性。深組合類型深組合類型GNSS/INS 標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證62測試內容及條件測試內容及條件GNSS/INS 標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證63IMUIMU零偏類誤差模型驗證零偏類誤差模型驗證以IMU零偏類誤差、輔助延遲為例仿真場景定量分析：載噪比50dB-Hz，OCXO，20ms相干積分，環路帶寬10Hz、2Hz。對比普通二階環、低精度慣導輔助PLL、中等精度慣導

29、輔助PLL。采用統計平均方法分析：跟蹤誤差結果以秒為單位拆分為若干個樣本，每個樣本有50個數據，將所有樣本對應時刻的數據取RMS測試結果與誤差模型分析結果對比均表明，實際仿真測試結果得到的IMU零偏類誤差對環路誤差的影響規律與誤差模型分析結果相吻合GNSS/INS 標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證64IMUIMU零偏類誤差模型驗證零偏類誤差模型驗證測試結果相對偏小的原因：v誤差建模時傳感器誤差1:1的映射到輔助信息；實際測試時傳感器誤差根據衛星仰角按一定比例投影到多普勒輔助信息上v誤差建模時，初始速度誤差參數采用了的是整秒修正后的速度誤差；接收機工作時，實際影響環路誤差的是整秒時刻速度修正量。兩者的大小關系與測試結果相吻合v仿真測試選用的慣導參數與理論分析時也不盡不同GNSS/INS 標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證標量深組合跟蹤技術研究與原型系統驗證65多普勒延遲模型驗證多普勒延遲模型驗證較低動態（較低動態（0.5g）較高動態（較高動態（2.5g）結果與模型相符。中