第五章 组合导航技术的发展

组合导航技术的发展1、概述（续）重磁导航（重力导航、磁力导航）现有导航系统全球卫星导航定位系统（GPS、GLONASS、GALILEO、BD）惯性导航（包括惯性导航INS、航位推算导航DR）天文导航系统（CNS）匹配导航（地形匹配导航、影像匹配导航）2.1卫星导航的发展2、卫星导航的发展即存在的问题卫星定位系统是一种天基无线电导航系统。它能够在全球范围，为多个用户，全天候、实时、连续地提供高精度三维位置、速度及时间信息。美国：GPS；俄罗斯：GLONASS；目前己经投入运营或正在建设的几个主要的卫星导航系统有：欧空局：GALILEO；中国：COMPASS。结论：GPS不能保证安全、连续、精确、可靠导航美国2000年之后每年都将审议一次SA政策；美国军方声称随时都有可能改变GPS政策；GPS的系统信号在高纬度地区经常出现盲区；美国国防部曾强调，限制敌人在战时利用GPS。1）美国GPS可能存在问题2.2卫星导航存在的问题2、卫星导航的发展即存在的问题与GPS相比，GLONASS因运行时间短，用户尚少，目前还不具备象GPS增强系统和IGS网络长期不间断的观测信息支持。GPS接收机市场十分活跃，产品不断翻新，而GLONASS目前还未达到这一水平，且GLONASS接收机供应严重不足。此外，因为没有GLONASS卫星的精确轨道源数据，故无法测定精度。与GPS相比这是GLONASS的个一主要缺陷。2）GLONASS存在的主要问题2.2卫星导航存在的问题（续）2、卫星导航的发展即存在的问题“伽利略 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ”是由欧盟委员会和欧洲空间局共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划，它受多个国家政策和利益的制约，政策具有摇摆性。由于欧盟受美国的影响极大，“伽利略计划”本身的独立性值得怀疑；GALILEO计划目前已经延后，考虑到目前的金融危机，未来的GALILEO如何发展现在还看不清楚。2.2卫星导航存在的问题（续）3）GALILEO存在的主要问题2、卫星导航的发展即存在的问题北斗一代系统由三颗地球同步卫星、一个地面控制中心及各类用户接收机组成。“北斗一号”覆盖范围小，服务区由东经70度至东经145度，北纬5度到北纬55度，覆盖我国和周边地区。“北斗一号”采用双星定位技术，只能为终端用户提供经度和纬度，无法为用户提供所在高度的数据，因此需要预先存储需定位目标的地面高程信息，并通过与地面中心站的联系才能推算高度。3）北斗卫星定位系统可能存在的问题2.2卫星导航存在的问题（续）2、卫星导航的发展即存在的问题由于地面高程精度不高，且卫星数量少，无冗余信息，定位精度和可靠性不高。用户必须向地面中心站申请定位，才能获得定位信息，于是用户的隐蔽性成问题。由于地面中心站是北斗一代的核心，地面中心站一旦遭攻击，整个卫星系统将陷入瘫痪。北斗一号用户受限，用户过多会造成信道拥挤；信号需双向传送，很难满足高动态定位要求；3）北斗卫星定位系统可能存在的问题2、卫星导航的发展即存在的问题接收机生产厂家生产的接收机也必须入网注册，否则无法定位；接收机必须经过特许部门的测试才有市场准入；接收机市场竞争局面很难打开；接收机电磁待机时间短，很难用于长时间野外导航定位与通讯；BD跟踪站只限在境内，于是轨道精度也受限。3）北斗卫星定位系统可能存在的问题2、卫星导航的发展即存在的问题2.3北斗二代展望“北斗一号”卫星的寿命即将到限，发展新一代北斗卫星势在必行。二代COMPASS，可望实现全球导航定位。必须解决防欺骗、防干扰、兼容性、互操作、降低发射功率等问题；需解决全球跟踪问题。2、卫星导航的发展即存在的问题与外界不发生任何光、电和磁联系——隐蔽性好；工作不受气象条件的限制——可用性强；完全依靠运动载体设备自主完成导航任务——自主性好；能够提供比较齐全的导航参数——参数齐全；目前已广泛应用于潜艇、水面舰艇、军用飞机、战略导弹和战术导弹、战车和人造卫星等领域——应用面广。3.1惯性导航的优点3、惯性导航特点系统精度主要取决于惯性测量元件，导航参数的误差随时间而积累，不适宜长时间导航。一般惯导系统的加热和初始对准所需时间较长，很难满足远距离、高精度导航和其它特定条件下的快速反应要求。3.2惯性导航的缺点位置误差速度误差3、惯性导航（续）4、天文导航根据天体来测定飞行器位置和航向的导航技术。即以天体为参考点，确定飞行器在空中的真航向。天体的坐标位置和它的运动规律是已知的，测量天体相对于飞行器参考基准面的高度角和方位角就可以计算出飞行器的位置和航向。星体跟踪器望远镜对准天体方向可以测出飞行器前进方向（纵轴）与天体方向（即望远镜轴线方向）之间的夹角（称为航向角）。天体任一瞬间相对于子午线的夹角（即天体方位角）已知，天体方位角减去航向角即得飞行器的真航向。4.1天文导航的基本概念与原理天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备；不受人工或自然形成的电磁场的干扰；不向外辐射电磁波，隐蔽性好；定向、定位精度高，定位误差不随时间累积。因而天文导航得到广泛应用，并将在未来的深空探测中发挥更加广泛的作用。4.2天文导航的优点4、天文导航（续）脉冲星是太阳系以外的遥远天体，它们的位置坐标，如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系；脉冲星按一定频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定度好于最稳定的铯原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，所以脉冲星是空间飞行器的极好的天然导航信标。4、天文导航（续）4.3脉冲星导航4.4脉冲星导航优势提供良好的时间频率源：可用于监测原子钟的长期稳定度。长期观测多颗脉冲星可以建立综合脉冲星时，并应用于导航系统，实现系统时间的维持。在航天器运行期间，也可用于修正搭载原子钟钟面时，减少地面监测站信息注入次数。扩大导航定位覆盖范围：X射线脉冲星导航可以精确自主地为飞行器提供位置、姿态和自然时间源。可用于空间攻防战，极大增强我国的太空防御能力。4、天文导航（续）有效提高自主导航能力：X射线脉冲星导航在脉冲星参数确定后，在较长时间内，可完全实现自主导航。大大减轻地面测控系统的工作负担，减少测控站的布设数量，降低航天器的运行管理和维持费用。作为现有卫星导航系统的备份：当人造卫星导航系统受到人为干扰或破坏，以至不能进行导航服务时，单独利用X射线脉冲星导航，可起到有效的备份作用。4、天文导航（续）提高抗干扰性：X射线脉冲星作为自然的天体，其运行特性不会受到人为的破坏与干扰；X射线穿透性好，被污染物破坏的风险低；X波段特征显著，可以避免空间各种信号的干扰；X射线探测器的稳健性强，不需要任何光学仪器和特别的制冷设备；可以由一个单一的仪器自主完成时间、姿态及位置的测量。4、天文导航（续）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。5、组合导航系统5.1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基本要求，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进行输出或者反馈校正。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）深组合是使用惯性导航信息对GNSS接收机进行辅助导航的组合方式。主要思想：既使用滤波技术对INS的误差进行最优估计，同时使用校正后的INS速度信息对接收机的载波环、码环进行辅助跟踪，从而减小环路的等效带宽，增加GPS接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。嵌入式组合将INS和GNSS进行一体化 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ，通过共用电源、时钟等进一步减小体积、降低成本和减小非同步误差的影响。6.3深组合（Deeply-CoupledIntegration）6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）思路各传感器观测信息分别与动力学模型进行滤波解算，得到分滤波结果；各分滤波器结果与主滤波器进行融合；采用联邦滤波原理（FederatedKlamnfilter）7、融合导航算法进展7.1联邦滤波算法联邦滤波算法示意图···参考系统局部传感器r局部滤波器rLr主滤波器 时间传递状态转移融合更新L1局部传感器1局部滤波器1局部传感器2局部滤波器2L2原理7、融合导航算法进展（续）7.1联邦滤波算法(续)联邦滤波存在的问题1.主要问题是LF/LF及LF/MF之间的相关性问题2.局部传感器和主传感器使用了相同状态方程精度差次优可靠性差某一传感器故障原理成立前提？7、融合导航算法进展（续）7.1联邦滤波算法(续)7、融合导航算法进展（续）联邦滤波算法不是最优算法，且稳定性无法得到保障（吴德平等，申功勋，2001）。联邦滤波要求局部传感器采用Kalman滤波处理，且局部系统采用相同的转移矩阵和系统噪声矩阵，实际上许多导航仪内部处理模块并非采用Kalman滤波器。联邦滤波在融合处理时往往对局部系统噪声矩阵进行统一放大，对高精度、高可靠性的传感器造成效率损失，而对低精度传感器的误差又得不到应有控制。特点7.1联邦滤波算法(续)各局部传感器的滤波采用了相同的或相近的状态方程，导致主滤波器与各局部滤波器输出量之间以及各局部滤波器输出量之间不独立，其解不具有严格性和最优性。如果状态方程出现扰动误差，将影响每个滤波器的性能，最终影响整体滤波效果，从而导致导航解的可靠性差。特点（续）7、融合导航算法进展（续）7.1联邦滤波算法(续)解决相关性问题的现有途径忽略相关性？——动力学模型导致的相关性，本质上是动态载体扰动对所有传感器滤波结果影响的相关性，忽略这种相关性，有时会带来灾难性的导航结果。各传感器采用不同的状态方程？——但同一动态载体一般很难建立多个独立的动力学模型。相关数据融合滤波？——数据处理相当复杂。改变采样间隔——又会产生同步问题。7、融合导航算法进展（续）7.1联邦滤波算法(续)7.2动、静态滤波算法（杨--武大学报2003）7、融合导航算法进展（续）思路选择一个精度较高的传感器与动力学模型进行动态滤波解算，得到动态滤波结果；其他传感器观测信息与动态滤波结果进行融合；分别采用Kalman滤波原理和序贯平差原理。动态滤波：，静态滤波：，静态滤波：，传感器2：，传感器3：，传感器：，状态向量估值动、静滤波算法示意图7、融合导航算法进展（续）原理7.2动、静态滤波算法（续）特点状态方程信息只在动态滤波阶段使用，随后的静态滤波只使用前一个传感器的滤波解作为状态预报值;动、静态滤波很容易扩展成抗差滤波融合和自适应滤波融合;动、静态滤波解与整体滤波解等价。7、融合导航算法进展（续）7.2动、静态滤波算法（续）7.3基于几何导航结果的自适应融合导航(Yangetal.JON2004)若各传感器均有冗余观测信息，可直接从观测信息进行融合解算，并进行异常诊断及系统误差分析；利用各传感器的几何导航解进行融合，不至于使某一传感器的异常信息污染其他传感器的导航结果，便于传感器的异常诊断；直接融合观测信息一般不会重复使用动力学模型信息，因而不会造成各传感器输出量之间相关。背景7、融合导航算法进展（续）7、融合导航算法进展（续）思路各传感器观测信息分别进行单历元静态平差，获得几何导航解；将综合几何导航解与动力学模型信息进行融合；几何导航解算中可采用抗差估计；与动力学模型信息进行融合时，引入自适应因子控制动力学模型异常的影响；自适应因子采用几何融合导航结果与动力学模型信息的较差构造。7.3基于几何导航结果的自适应融合导航(续)基于各传感器几何导航解的自适应融合导航7、融合导航算法进展（续）基本原理7.3基于几何导航结果的自适应融合导航(续)等价权矩阵为信息矩阵为7、融合导航算法进展（续）基本解自适应调节因子满足7.3基于几何导航结果的自适应融合导航(续)基于多传感器局部几何导航结果的自适应融合解具有较严密的理论基础;局部导航解之间及局部导航解与主滤波器输出量之间不相关,可提高导航解的精度;可同时控制观测异常和状态预报值异常的影响,具有很强的抗差性和容错性;解决各传感器输出量的合理信息分享问题。缺点：任一传感器信息不足时，该方法不可用。特点7、融合导航算法进展（续）7.3基于几何导航结果的自适应融合导航(续)采用模拟数据计算与分析7、融合导航算法进展（续）X轴方向7.3基于几何导航结果的自适应融合导航(续)7.4基于观测信息抗差估计的自适应融合（杨等——武大学报2004）7、融合导航算法进展（续）思路各传感器观测信息单独进行抗差估计，保证局部导航阶段可靠性；引入动力学模型信息进行融合时，计算自适应因子控制动力学模型异常的影响；自适应因子采用几何融合导航结果与动力学模型信息的较差构造。基于观测信息抗差估计和状态预测信息的自适应融合导航状态方程观测信息：，抗差解抗差解抗差解传感器r：观测信息，传感器r：观测信息，传感器r：观测信息，融合导航解自适应估计基本原理7、融合导航算法进展（续）7.4基于观测信息抗差估计的自适应融合（续）自适应融合解为7、融合导航算法进展（续）7.4基于观测信息抗差估计的自适应融合（续）特点对各局部传感器观测信息实施抗差估计——提高容错能力；各局部融合导航解之间不相关——提高导精度;基于抗差估计提供较可靠的状态初值，再对状态方程信息引入自适应因子——控制动力模型误差影响；可同时控制观测异常值和状态预报值异常影响——具有很强的抗差性和容错性。基于抗差解的融合算法计算简单、易于实现。7、融合导航算法进展（续）7.4基于观测信息抗差估计的自适应融合（续）采用模拟数据计算与分析7、融合导航算法进展（续）X轴方向7.4基于观测信息抗差估计的自适应融合（续）7.5基于方差分量估计的自适应融合导航(测绘学报2004)7、融合导航算法进展（续）思路各传感器观测信息的标称精度不一定可靠；观测信息与动力学模型之间的精度可能不可靠；动力学模型信息的不可靠可反映在方差分量中；应用方差分量估计可以调节各传感器观测信息的权比；方差分量比可用来构造自适因子控制动力学模型的误差。基于方差分量估计的自适应融合导航基本原理7.5基于方差分量估计的自适应融合导航(续)7、融合导航算法进展（续）对各局部传感器观测信息采用抗差估计；采用方差分量估计调整各传感器观测向量的权矩阵,具有自适应调节先验方差的功能，同样调节各传感器观测信息的权比；通过自适应因子合理地利用动力学模型预报信息，融合导航解具有较强的自适应功能；缺点：每个传感器必须有足够的观测信息，否则估计的方差分量的可靠性较差。特点7、融合导航算法进展（续）7.5基于方差分量估计的自适应融合导航(续)8、主要结论动、静态滤波法——不重复使用动力模型信息基于分传感器几何导航结果的融合——各分传感器导航结果不相关，动力学模型信息不重复使用基于各传感器直接观测信息的融合——便于对各观测量进行抗差估计，便于进行方差分量估计自适应融合导航——便于对动力学模型误差进行控制融合导航算法