GNSS INS 组合导航原理与应用

GNSS/INS组合导航原理

章红平

GNSS/INS组合的需求与意义1.2主要内容和范围1.3组合导航简介2内容3GNSS/INS组合的需求与意义飞机空间站导弹舰船卫星月球车4JDAM低成本制导武器弹道导弹远程空空导弹舰空导弹

精确打击

导航技术

核心技术

陆、海、空、天武器系统

应用于

精确制导

精确打击

必要条件5目标信息获取是精确打击的前提高分辨率对地观测系统必要条件惯性稳定技术技术瓶颈国家中长期开展规划16个重大专项之一!美无人侦察机“全球鹰”在执行任务侦察卫星机载高分辨率SAR及其运动补偿系统

对地观测6

载人航天探月工程

导航技术

关键技术

载人航天与探月工程7

二代卫星导航系统与大飞机91、为什么要学习组合导航？〔1〕何为导航？〔2〕与制导什么区别？10制导系统〔GuidanceSystem〕原理框图运动参数导航系统飞行控制计算机执行机构控制指令舵偏角航迹规划11古代路标、指南针、天文等20年代磁罗盘、速度表、里程表——仪表导航30年代无线电导航问世40-70年代惯性导航系统、多普勒导航系统80年代末全球卫星定位系统问世1997年惯性/卫星组合导航系统大量推广2001年新型导航系统和复合导航系统天文导航——航海、航天惯性导航——与惯性器件水平有关无线电导航——卫星导航推算导航——速度和航向地形、景象匹配导航物理场匹配导航12惯性导航——根本原理13陀螺仪:

定轴性进动性∫∫加速度计矢量矢量在哪个坐标系里计算?如何确定坐标系?∫ZXY惯性仪表分类14惯性仪表惯性敏感器件惯性技术核心传统机械陀螺仪光学陀螺仪MEMS/MOMES陀螺仪超导磁悬浮陀螺仪液浮陀螺仪三浮陀螺仪挠性陀螺仪静电陀螺仪激光陀螺仪光纤陀螺仪MEMS惯性器件MOEMS惯性器件振动陀螺仪半球谐振陀螺仪压电陀螺仪加速度计15微机电(MEMS)惯性器件美国Draper实验室研制的MEMS陀螺仪精度以达1º/h美国AD公司研制单片集成的微陀螺仪，年产量数百万只Honeywell公司分辨率50

g谐振式加速度计AD公司研制三轴单片集成的微加速度计16法国IXSEA公司研制的高精度光纤陀螺精度为0.001/h美国LITTON公司正在研制战略级光纤陀螺精度达10-4/h量级

高精度光纤陀螺惯性导航——误差特性17惯导系统误差确定性误差随机误差惯性器件常值误差安装误差标度因数误差随机常值白噪声与加速度有关误差一阶马尔可夫过程位置误差速度误差姿态误差随时间积累惯性导航——特点18惯性导航技术优点缺点自主性强短时间精度高连续提供位置、速度、姿态误差随时间积累价格昂贵〔精度越高，价格越贵〕191852年傅科陀螺，验证了地球自转1906年安休兹制成陀螺方向仪——惯性导航的先导1923年

舒拉摆理论，陀螺仪的设计开始完善1942年德国V2火箭，两个陀螺和一个加速度计1954年

惯性导航系统在飞机上试飞成功1958年美国潜艇依靠液浮陀螺平台惯导穿越北极,21天20美国Draper实验室对当前陀螺仪开展现状分析21美国Draper实验室对2021年陀螺仪开展趋势的预测2223无线电导航受区域限制80年代开始开展卫星导航〔将发射台放到卫星上〕

美国GPS----GPX

俄罗斯GLONASS

北斗双星伽利略24卫星导航误差时钟误差星历误差大气层误差电离层延时误差多路径效应随机性误差25卫星导航技术优点缺点精度高，误差不积累全球，全天时，全天候接收机价格廉价本钱昂贵，不为我国所有不能输出姿态信息输出不连续26完全天文定位导航基于航天器轨道动力学方程的定位导航27天文导航——根本原理舰船天文导航根本原理即通过观测不同天体或不同时刻观测同一天体，以各天体投影点为圆心，各观测天体高度为半径画天文位置圆，并求其交点来确定舰船的位置。获得高精度的天体高度和确定天体投影点是舰船天文导航的关键。28天文导航技术优点缺点完全自主误差不积累不仅可得位置信息、还可得到姿态信息定位精度不够高〔与敏感器精度有关〕输出信息不连续随机性误差

天文导航的特点29

天文导航的历史从航海上开展而来，起源中国，明代郑和的过洋千星图是当时最完整、最精确的天文航海原始记录；1731年，哈德利创造了反射象限仪，并很快开展成了六分仪；六分仪天文钟30天文导航开展现状日期系统名称测量类型测量仪器最高定位精度(1σ)1977-1981空间六分仪自主导航和姿态基准系统(SS/ANARS)恒星方向，月球(地球)边缘空间六分仪224米1979-1985多任务姿态确定和自主导航系统(MADAN)恒星方向，地平方向星敏感器与地平仪100米1988-1994麦氏自主导航系统(MANS)对地距离(用光学敏感器测量)，对地、对日及对月的方向MANS天体敏感器30米推算导航——根本原理31∫计程仪或里程表罗盘或单轴陀螺司南指南车记里鼓车推算导航——特点32推算导航技术优点缺点：自主结构简单，本钱低误差积累太大，限于要求不高的场合33组合导航简介34组合导航简介采用两种或两种以上的非相似导航系统对同一信息作量测量,从这些量测量中计算出各导航系统的误差并校正之。二、组合导航的根本方法35回路反响法采用经典的回路控制方法，抑制系统误差，并使各系统间实现性能互补；最优估计法采用卡尔曼滤波，从概率统计最优的角度估计出系统误差并消除之。36INS/GPS组合导航系统

连续输出位置、速度、姿态误差随时间积累GPSINSKF

精度高误差不积累输出不连续优势互补-组合导航系统的最正确方案！

位置、速度、姿态

三、组合导航系统的功能37

组合导航系统功能

协合超越

优势互补

余度功能

充分利用各子系统的导航信息，形成单个子系统不具备的功能和精度

综合利用各子系统信息，取长补短，扩大使用范围

各子系统感测同一信息源，使测量冗余，提高整个系统的可靠性为了提高对动态载体运动目标〔导弹、飞机、卫星、坦克、车辆、舰船等〕的跟踪精度或对动态系统的状态估计精度，需要多传感器的组合导航。单一传感器提供的信息很难满足目标跟踪或状态估计的精度要求，采用多个传感器进行组合导航，并将多类信息按某种最优融合准那么进行最优融合，可望提高目标跟踪或状态估计的精度。多传感器组合导航〔多星座卫星组合、卫星导航与惯性导航的组合等〕成为导航系统的开展趋势。组合导航系统背景5.2多星座卫星导航组合5、组合导航系统〔续〕

需求由于多星座提高了卫星星座的几何结构，增强了可用性〔availability〕；GPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全部建成后，卫星覆盖率将极大增强〔星空璀璨——100颗卫星以上〕，提高导航定位的连续性〔continuity〕；多卫星信号组合可以很容易地探测和诊断某类卫星信号的故障和随机干扰，并及时予以排除或及时给用户发送预警信息，提高导航系统的抗干扰能力，从而提高系统的完好性〔integrity〕；多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度…。5、组合导航系统〔续〕

卫星组合导航的性能优势5、组合导航系统〔续〕

卫星组合导航的误差补偿优势系统误差——轨道系统误差、卫星钟差、多路径误差…；随机误差——信号随机误差、轨道随机误差、钟差随机误差…;有色噪声——太阳光压、随时间变化的钟差…;异常误差——周跳、变轨误差…。利用多种导航卫星信号有利于误差补偿提高导航定位的精度和可靠性。

卫星组合导航的缺点1〕存在信号遮挡。当接收机天线被建筑、隧道等遮挡时，卫星信号中断，无法定位。2〕抗干扰能力差。当存在人为干扰时，接收机码环环路很容易失锁，导致接收机无法定位。3〕多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。4〕数据输出频率低。尽管目前一些新的GPS接收机可以提供10Hz的无插值定位输出，但大多数接收机的定位输出频率仍然为1Hz。5〕GPS、GLONASS、GALILEO分别由各自研制国直接控制，使用权受制于人。5、组合导航系统〔续〕尽管卫星定位系统具有较高精度和较低的本钱，且具有长期稳定性。多类导航卫星组合仍然不能完全摆脱卫星信号受遮挡而不能实施导航的风险。当载体通过遂道或行驶在高耸的楼群间的街道时，这种信号盲区一般不能通过多类卫星组合加以克服。INS由于具有全天候、完全自主、不受外界干扰、可以提供全导航参数〔位置、速度、姿态〕等优点，是目前最主要的导航系统之一。INS有一个致命的缺点：导航定位误差随时间积累。5.3卫星导航与惯性导航的组合

需求5、组合导航系统〔续〕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。6、组合导航系统〔续〕GNSS与INS组合导航的优势松组合又称级联Kalman滤波(CascadedKalmanFilter)方式。观测量——INS和GNSS输出的速度和位置信息的差值；系统方程——INS线性化的误差方程；通过扩展Kalman滤波〔ExtendedKalmanFilter=EKF〕对INS的速度、位置、姿态以及传感器误差进行最优估计，并根据估计结果对INS进行输出或者反响校正。6、卫星导航与惯性导航组合方式6.1松散组合(Loosely-CoupledIntegration)松组合根本概念GNSS接收机通常通过自己的Kalman滤波输出其速度和位置，这种组合导致滤波器的串联，使组合导航观测噪声时间相关〔有色噪声〕，不满足EKF观测噪声为白噪声的根本要求，严重时可能使滤波器不稳定。几乎无冗余信息，不利于异常诊断，不利于进行随机模型改化…。

松组合的主要缺点系统结构简单，易于实现，可以大幅度提高系统的导航精度，并使INS具有动基座对准能力。

松组合的主要优点6、卫星导航与惯性导航组合方式〔续〕观测量——根据GNSS接收机收到的星历信息和INS输出的位置和速度信息，计算相应于INS位置的伪距和伪距率，GNSS接收机测量得到的伪距和伪距速率与INS计算值的差值。通过EKF对INS的误差和GPS接收机的误差进行最优估计，然后对INS进行输出或者反响校正。由于不存在滤波器的级联，并可对GNSS接收机的测距误差进行建模，因此这种伪距、伪距率组合方式比位置、速度组合具有更高的组合精度。而且在可见星的个数少于4颗时也可以使用。6.2紧组合〔Tightly-CoupledIntegration〕6、卫星导航与惯性导航组合方式〔续〕开发了GNSS/INS精密定位定姿定向〔POS〕软件，具备以下功能RTK，动态后处理精度到达了厘米级PPP，动态后处理精度到达了厘米级松组合，GNSS位置/速度与IMU数据组合PPP紧组合，国内仅有的精密定位紧组合算法轨迹、残差显示GNSS/INS精密定位定姿定向〔POS〕软件RTK数据处理界面PPP数据处理界面GNSS/INS松组合界面GNSSPPP/INS紧组合界面POS后处理软件---GINS数据处理功能界面GINS数据后处理结果机载测试数据，与InertialExplorer软件后处理RTK结果比较PPP精密定位结果到达了厘米级GINS数据后处理结果GINS数据后处理结果上图车载GPS动态测量PPP结果，以下图为GPS/INS紧组合PPP结果，GPS/INS紧组合提高了精密定位的精度，尤其是高程方向。GPS/BDS/GLONASS多系统GNSS/INS紧组合〔伪距/多普勒〕定位结果〔与RTK结果差异〕GINS数据后处理结果GINS在高铁不平顺性监测中的应用GINS软件分析的高铁轨道检测结果，与现行方法德国AmbergGRP1000测量结果比照，精度在1mm以内，一致性非常好。GINS在高铁不平顺性监测中的应用6.3深组合〔Deeply-CoupledIntegration〕6、卫星导航与惯性导航组合方式〔续〕57GNSS/INS组合导航种类惯导辅助卫导卫导辅助惯导GNSSINS组合动态响应滞后易受环境影响提供时间信息长期精度高全自主工作动态特性好无时间信息误差易发散58根据信息融合深度不同，GNSS和INS组合方式分为：松组合、紧组合和深组合。GNSS/INS组合导航种类59松组合紧组合深组合信息融合深度GNSS导航结果GNSS观测量GNSS信号接收机调整不需要导航解算基带控制实现难度容易较难复杂动态性能一般较好优越完好性抗干扰能力差少于4颗卫星可持续更新好，接收机观测质量改善系统成本一般需要战术级以上IMU器件一般需要战术级以上IMU器件较低，可采用MEMSIMU现状低端商用？商用/军用研究/军用GNSS/INS组合导航种类60深组合类型根据接收机的跟踪环结构，GNSS/INS深组合可分为：标量深组合结构、矢量深组合结构。61目前商用和民用GNSS接收机产品普遍采用传统的标量跟踪结构，所以标量深组合结构的研究和实现更具可操作性。深组合类型62测试内容及条件63IMU零偏类误差模型验证以IMU零偏类误差、辅助延迟为例仿真场景定量分析：载噪比50dB-Hz，OCXO，20ms相干积分，环路带宽10Hz、2Hz。对比普通二阶环、低精度惯导辅助PLL、中等精度惯导辅助PLL。采用统计平均方法分析：跟踪误差结果以秒为单位拆分为若干个样本，每个样本有50个数据，将所有样本对应时刻的数据取RMS测试结果与误差模型分析结果对比均表明，实际仿真测试结果得到的IMU零偏类误差对环路误差的影响规律与误差模型分析结果相吻合64环路参数MTI-G（分析结果）MEMS（实测结果）FSAS（分析结果）IXSEA(实测结果)20ms，10Hz0.012rad0.004rad0.0003rad0.0008rad20ms，2Hz0.04rad0.0110.01rad0.0015radIMU零偏类误差模型验证测试结果相对偏小的原因：误差建模时传感器误差1:1的映射到辅助信息；实际测试时传感器误差根据卫星仰角按一定比例投影到多普勒辅助信息上误差建模时，初始速度误差参数采用了的是整秒修正后的速度误差；接收机工作时，实际影响环路误差的是整秒时刻速度修正量。两者的大小关系与测试结果相吻合仿真测试选用的惯导参数与理论分析时也不尽不同65多普勒延迟模型验证较低动态（0.5g）较高动态（2.5g）结果与模型相符。中等精度惯导辅助的跟踪环中，辅助信息延迟可能比IMU零偏类误差、标度因子类误差对环路误差影响更大。多普勒辅助延迟是前馈支路中不可忽略的误差源，延迟误差在高动态环境下表现得尤其突出，