惯卫组合导航原理与应用(章红平教授课件)

GNSS/INS组合导航原理章红平Email:[e-mail]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意义：导航技术是人类生活、航空航天的共性关键基础技术！3飞机空间站导弹舰船卫星月球车重大需求牵引导航技术与时俱进4JDAM低成本制导武器精确打击-现代战争的主要手段！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重大需求牵引导航技术与时俱进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发展规划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重大需求牵引导航技术与时俱进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重大需求牵引导航技术与时俱进7二代卫星导航系统与大飞机1、为什么要学习组合导航8组合导航现代导航技术的发展方向何为导航？与制导什么区别？有哪些导航技术？为什么要组合？如何进行组合？引导载体从出发点到达目的地的技术和方法提供载体的导航参数，位置、速度和姿态9（1）何为导航？（2）与制导什么区别？制导是根据预先规划的航路，自动引导载体到达目的地的技术和方法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（3）导航技术发展历史古代路标、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（4）目前有哪些导航技术？惯性导航——基本原理13陀螺仪:定轴性进动性（5）各种导航技术的特点？∫Va∫P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（5）各种导航技术的特点？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（5）各种导航技术的特点？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（5）各种导航技术的特点？光纤陀螺特点：精度高响应速度快动态范围大主要研究内容和关键技术包括:新型高稳定光纤光源技术全数字信号检测技术误差机理及建模补偿方法光纤陀螺可靠性设计方法法国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（5）各种导航技术的特点？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（5）各种导航技术的特点？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）惯性导航技术发展历史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发展现状分析惯性导航技术现状21美国Draper实验室对2020年陀螺仪发展趋势的预测惯性导航技术发展趋势22无线电导航技术——基本原理（5）各种导航技术的特点？23无线电导航技术——卫星导航技术（5）各种导航技术的特点？无线电导航受区域限制80年代开始发展卫星导航（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卫星导航技术——误差特性（5）各种导航技术的特点？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——特点（5）各种导航技术的特点？卫星导航技术优点缺点精度高，误差不积累全球，全天时，全天候接收机价格便宜成本昂贵，不为我国所有不能输出姿态信息输出不连续26天文导航——古老而又年轻的导航技术天文导航是一种利用光学敏感器测得的天体（月球、地球、太阳、其他行星和恒星）信息进行载体位置计算的定位导航方法。（5）各种导航技术的特点？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——基本原理（5）各种导航技术的特点？舰船天文导航基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（5）各种导航技术的特点？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从航海上发展而来，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，哈德利发明了反射象限仪，并很快发展成了六分仪；六分仪天文钟1735年约翰·哈里森天文钟；1837年美国船长沙姆那发现等高线，可同时测经纬度；1875年法国人圣西勒尔发现高度差法则，为天文导航重要基础；二十世纪中叶，1950年后，随着载人航天技术的发展，天文导航技术得到了极大的发展，尤其阿波罗登月，前苏联空间站。30天文导航发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——基本原理31各种导航技术的特点？∫Sv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各种导航技术的特点？推算导航技术优点缺点：自主结构简单，成本低误差积累太大，限于要求不高的场合33一、组合导航技术34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。采用组合导航技术的系统称为组合导航系统参与组合的各导航系统称为子系统。二、组合导航的基本方法35回路反馈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GPSINSKFZ精度高误差不积累输出不连续优势互补-组合导航系统的最佳方案！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则进行最优融合，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）成为导航系统的发展趋势。组合导航系统背景GPS、GLONASS、BD及GALILEO卫星导航系统，本身都存在着固有的缺陷或人为施加的干扰，于是，使用单一的卫星导航系统存在着很大风险。GPS系统受美国国家政策的影响，随时可能出现人为“故障”，使得非美国的盟国不能利用卫星资源，或其卫星信号中存在显著的异常干扰。GLONASS系统，虽然尚无明确的信号干扰政策，但它由俄罗斯空军控制，特殊时期的应用难以保证，而且GLONASS卫星的稳定性较差，导航精度也成问题。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成本，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进行输出或者反馈校正。6、卫星导航与惯性导航组合方式6.1松散组合(Loosely-CoupledIntegration)松组合基本概念GNSS接收机通常通过自己的Kalma