组合导航与融合导航.讲述.ppt

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1、1组合导航与融合导航组合导航与融合导航21 1、概述、概述组组合合导导航航同同一一平平台台、多多传传感感器器实实施施互互补补、互互验验、互互校校的的导导航航系系统统。特特点点：各各传传感感器器独独立立输输出出导导航航信信息。息。融融合合导导航航同同一一平平台台、多多传传感感器器实实施施信信息息融融合合的的导航系统。导航系统。特点：特点：多传感器、统一输出导航信息。多传感器、统一输出导航信息。组合导航一般强调硬件的最佳组合；组合导航一般强调硬件的最佳组合；融合导航一般强调多传感器数据融合算法；融合导航一般强调多传感器数据融合算法；融融合合导导航航与与组组合合导导航航既既有有联联系系又又有有区区别

2、别，融融合合导导航航首先基于组合导航首先基于组合导航。1.1 1.1 概念概念31 1、概述（续）、概述（续）重磁导航（重力导航、磁力导重磁导航（重力导航、磁力导航）航）现现有有导导航航系系统统全球卫星导航定位系统（全球卫星导航定位系统（GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO、BDBD）惯性导航（包括惯性导航惯性导航（包括惯性导航INSINS、航位推算导航航位推算导航DRDR）天文导航系统（天文导航系统（CNSCNS）匹配导航（地形匹配导航、影匹配导航（地形匹配导航、影像匹配导航）像匹配导航）1.2 1.2 分类分类42.1 2.1 卫星导航的发展卫星导航的发

3、展2 2、卫星导航的发展即存在的问题、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。卫星定位系统是一种天基无线电导航系统。它它能能够够在在全全球球范范围围，为为多多个个用用户户，全全天天候候、实实时时、连续地提供高精度三维位置、速度及时间信息。连续地提供高精度三维位置、速度及时间信息。美国：美国：GPSGPS；俄罗斯：俄罗斯：GLONASSGLONASS；目前己经投入运营或正在建设的几个主要的卫星导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：航系统有：欧空局：欧空局：GALILEOGALILEO；中国：中国：COMPASSCOMPASS。5结论：结论：GPSGPS不

4、能保证安全、连续、精确、可靠导航不能保证安全、连续、精确、可靠导航美国美国20002000年之后每年都将审议一次年之后每年都将审议一次SASA政策；政策；美国军方声称随时都有可能改变美国军方声称随时都有可能改变GPSGPS政策；政策；GPSGPS的系统信号在高纬度地区经常出现盲区；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美国国防部曾强调，限制敌人在战时利用GPSGPS。1 1）美国）美国GPSGPS可能存在问题可能存在问题2.2 2.2 卫星导航存在的问题卫星导航存在的问题2 2、卫星导航的发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题6与与GPSGPS相相比比，

5、GLONASSGLONASS因因运运行行时时间间短短，用用户户尚尚少少，目目前前还还不不具具备备象象GPSGPS增增强强系系统统和和IGSIGS网网络络长长期期不不间间断的观测信息支持。断的观测信息支持。GPSGPS接接收收机机市市场场十十分分活活跃跃，产产品品不不断断翻翻新新，而而GLONASSGLONASS目目前前还还未未达达到到这这一一水水平平，且且GLONASSGLONASS接接收收机供应严重不足。机供应严重不足。此此外外，因因为为没没有有GLONASSGLONASS卫卫星星的的精精确确轨轨道道源源数数据据，故故无无法法测测定定精精度度。与与GPSGPS相相比比这这是是GLONASSG

6、LONASS的的个个一一主要缺陷主要缺陷。2 2）GLONASSGLONASS存在的主要问题存在的主要问题2.2 2.2 卫星导航存在的问题（续）卫星导航存在的问题（续）2 2、卫星导航的发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题7“伽伽利利略略计计划划”是是由由欧欧盟盟委委员员会会和和欧欧洲洲空空间间局局共共同同发发起起并并组组织织实实施施的的欧欧洲洲民民用用卫卫星星导导航航计计划划，它它受受多多个个国国家政策和利益的制约，政策具有摇摆性。家政策和利益的制约，政策具有摇摆性。由由于于欧欧盟盟受受美美国国的的影影响响极极大大，“伽伽利利略略计计划划”本本身身的的独立性值得怀疑；独立性值得怀疑

7、；GALILEOGALILEO计计划划目目前前已已经经延延后后，考考虑虑到到目目前前的的金金融融危危机机，未来的未来的GALILEOGALILEO如何发展现在还看不清楚。如何发展现在还看不清楚。2.2 2.2 卫星导航存在的问题（续）卫星导航存在的问题（续）3 3）GALILEOGALILEO存在的主要问题存在的主要问题2 2、卫星导航的发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题8北北斗斗一一代代系系统统由由三三颗颗地地球球同同步步卫卫星星、一一个个地地面面控控制制中中心及各类用户接收机组成。心及各类用户接收机组成。“北北斗斗一一号号”覆覆盖盖范范围围小小，服服务务区区由由东东经经7070度

8、度至至东东经经145145度，北纬度，北纬5 5度到北纬度到北纬5555度，覆盖我国和周边地区。度，覆盖我国和周边地区。“北北斗斗一一号号”采采用用双双星星定定位位技技术术，只只能能为为终终端端用用户户提提供供经经度度和和纬纬度度，无无法法为为用用户户提提供供所所在在高高度度的的数数据据，因因此此需需要要预预先先存存储储需需定定位位目目标标的的地地面面高高程程信信息息，并并通通过过与地面中心站的联系才能推算高度。与地面中心站的联系才能推算高度。3 3）北斗卫星定位系统可能存在的问题）北斗卫星定位系统可能存在的问题2.2 2.2 卫星导航存在的问题（续）卫星导航存在的问题（续）2 2、卫星导航的

9、发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题9由由于于地地面面高高程程精精度度不不高高，且且卫卫星星数数量量少少，无无冗冗余余信信息息，定位精度和可靠性不高。定位精度和可靠性不高。用用户户必必须须向向地地面面中中心心站站申申请请定定位位，才才能能获获得得定定位位信信息息，于是用户的隐蔽性成问题。于是用户的隐蔽性成问题。由由于于地地面面中中心心站站是是北北斗斗一一代代的的核核心心，地地面面中中心心站站一一旦旦遭攻击，整个卫星系统将陷入瘫痪。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；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；信

10、号需双向传送，很难满足高动态定位要求；3 3）北斗卫星定位系统可能存在的问题）北斗卫星定位系统可能存在的问题2 2、卫星导航的发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题10接接收收机机生生产产厂厂家家生生产产的的接接收收机机也也必必须须入入网网注注册册，否则无法定位；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；接收机市场竞争局面很难打开；接接收收机机电电磁磁待待机机时时间间短短，很很难难用用于于长长时时间间野野外外导导航定位与通讯；航定位与通讯；BDBD跟踪站只限在境内，于是轨道精度也受限。跟踪站只限在境内，于

11、是轨道精度也受限。3 3）北斗卫星定位系统可能存在的问题）北斗卫星定位系统可能存在的问题2 2、卫星导航的发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题112.3 2.3 北斗二代展望北斗二代展望“北北斗斗一一号号”卫卫星星的的寿寿命命即即将将到到限限，发发展展新新一一代代北斗卫星势在必行。北斗卫星势在必行。二二代代COMPASS，可可望望实现全球导航定位。实现全球导航定位。必必须须解解决决防防欺欺骗骗、防防干干扰扰、兼兼容容性性、互互操操作作、降低发射功率等问题；降低发射功率等问题；需解决全球跟踪问题。需解决全球跟踪问题。2 2、卫星导航的发展即存在的问题、卫星导航的发展即存在的问题12与外界

12、不发生任何光、电和磁联系与外界不发生任何光、电和磁联系隐蔽性好隐蔽性好；工作不受气象条件的限制工作不受气象条件的限制可用性强可用性强；完完全全依依靠靠运运动动载载体体设设备备自自主主完完成成导导航航任任务务自自主主性好性好；能够提供比较齐全的导航参数能够提供比较齐全的导航参数参数齐全参数齐全；目目前前已已广广泛泛应应用用于于潜潜艇艇、水水面面舰舰艇艇、军军用用飞飞机机、战战略略导导弹弹和和战战术术导导弹弹、战战车车和和人人造造卫卫星星等等领领域域应应用面广用面广。3.1 3.1 惯性导航的优点惯性导航的优点3 3、惯性导航特点、惯性导航特点13系系统统精精度度主主要要取取决决于于惯惯性性测测量

13、量元元件件，导导航航参参数数的的误误差差随时间而积累随时间而积累，不适宜长时间导航。，不适宜长时间导航。一一般般惯惯导导系系统统的的加加热热和和初初始始对对准准所所需需时时间间较较长长，很很难难满满足足远远距距离离、高高精精度度导导航航和和其其它它特特定定条条件件下下的的快快速速反反应要求。应要求。3.2 3.2 惯性导航的缺点惯性导航的缺点位置误差位置误差速度误差速度误差3 3、惯性导航（续）、惯性导航（续）144 4、天文导航、天文导航根根据据天天体体来来测测定定飞飞行行器器位位置置和和航航向向的的导导航航技技术术。即即以以天体为参考点，确定飞行器在空中的真航向。天体为参考点，确定飞行器在

14、空中的真航向。天天体体的的坐坐标标位位置置和和它它的的运运动动规规律律是是已已知知的的，测测量量天天体体相相对对于于飞飞行行器器参参考考基基准准面面的的高高度度角角和和方方位位角角就就可可以以计计算出飞行器的位置和航向。算出飞行器的位置和航向。星星体体跟跟踪踪器器望望远远镜镜对对准准天天体体方方向向可可以以测测出出飞飞行行器器前前进进方方向向（纵纵轴轴）与与天天体体方方向向（即即望望远远镜镜轴轴线线方方向向）之之间间的的夹夹角角（称称为为航航向向角角）。天天体体任任一一瞬瞬间间相相对对于于子子午午线线的的夹夹角角（即即天天体体方方位位角角）已已知知，天天体体方方位位角角减减去去航航向向角即得飞

15、行器的真航向。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的基本概念与原理15天文导航系统是自主式系统，不需要地面设备；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；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。定向、定位精度高，定位误差不随时间累积。因因而而天天文文导导航航得得到到广广泛泛应应用用，并并将将在在未未来来的的深深空空探测中发挥更加广泛的作用。探测中发挥更加广泛的作用。4.2 天文导航的优点天文导航的优点4 4、天文导航（续）、天文导航（续）16 脉

16、冲星是太阳系以外的遥远脉冲星是太阳系以外的遥远天体，它们的位置坐标，如天体，它们的位置坐标，如恒星星表一样构成一种恒星星表一样构成一种高精高精度惯性参考系度惯性参考系；脉冲星按一定频率发射稳定脉冲星按一定频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定度的脉冲信号，其长期稳定度好于最稳定的铯原子钟。好于最稳定的铯原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准参考基准和时间基准，所以脉，所以脉冲星是空间飞行器的极好的冲星是空间飞行器的极好的天然导航信标天然导航信标。4 4、天文导航（续）、天文导航（续）4.3 脉冲星导航脉冲星导航174.4 脉冲星导航优势脉冲星导航优势 提供良好的

17、时间频率源：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，也可用于系统时间的维持。在航天器运行期间，也可用于修正修正搭载原子钟钟面时，减少地面监测站信息注入次数。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：扩大导航定位覆盖范围：X X射射线线脉脉冲冲星星导导航航可可以以精精确确自自主主地地为为飞飞行行器器提提供供位位置置、姿姿态态和和自自然然时时间间源源。可可用用于于空空间间攻攻

18、防防战战，极极大大增增强强我国的太空防御能力。我国的太空防御能力。4 4、天文导航（续）、天文导航（续）18 有效提高自主导航能力：有效提高自主导航能力：X X射射线线脉脉冲冲星星导导航航在在脉脉冲冲星星参参数数确确定定后后，在在较较长长时时间间内内，可可完完全全实实现现自自主主导导航航。大大大大减减轻轻地地面面测测控控系系统统的的工工作作负负担担，减减少少测测控控站站的的布布设设数数量量，降降低低航航天天器器的的运运行行管管理和维持费用。理和维持费用。作为现有卫星导航系统的备份：作为现有卫星导航系统的备份：当当人人造造卫卫星星导导航航系系统统受受到到人人为为干干扰扰或或破破坏坏，以以至至不不

19、能能进进行行导导航航服服务务时时，单单独独利利用用X X射射线线脉脉冲冲星星导导航航，可可起起到有效的备份作用。到有效的备份作用。4 4、天文导航（续）、天文导航（续）19 提高抗干扰性：提高抗干扰性：X X射射线线脉脉冲冲星星作作为为自自然然的的天天体体，其其运运行行特特性性不不会会受受到到人人为的破坏与干扰；为的破坏与干扰；X X射线穿透性好，被污染物破坏的风险低；射线穿透性好，被污染物破坏的风险低；X X波段特征显著，可以避免空间各种信号的干扰；波段特征显著，可以避免空间各种信号的干扰；X X射射线线探探测测器器的的稳稳健健性性强强，不不需需要要任任何何光光学学仪仪器器和和特特别别的制冷

20、设备；的制冷设备；可可以以由由一一个个单单一一的的仪仪器器自自主主完完成成时时间间、姿姿态态及及位位置置的的测量。测量。4 4、天文导航（续）、天文导航（续）20为为了了提提高高对对动动态态载载体体运运动动目目标标（导导弹弹、飞飞机机、卫卫星星、坦坦克克、车车辆辆、舰舰船船等等）的的跟跟踪踪精精度度或或对对动动态态系系统统的的状状态估计精度，需要多传感器的组合导航。态估计精度，需要多传感器的组合导航。单单一一传传感感器器提提供供的的信信息息很很难难满满足足目目标标跟跟踪踪或或状状态态估估计计的的精精度度要要求求，采采用用多多个个传传感感器器进进行行组组合合导导航航，并并将将多多类类信信息息按按

21、某某种种最最优优融融合合准准则则进进行行最最优优融融合合，可可望望提提高高目标跟踪或状态估计的精度。目标跟踪或状态估计的精度。多多传传感感器器组组合合导导航航（多多星星座座卫卫星星组组合合、卫卫星星导导航航与与惯惯性导航的组合等）成为导航系统的发展趋势。性导航的组合等）成为导航系统的发展趋势。5 5、组合导航系统、组合导航系统5.1 5.1 背景背景21GPSGPS、GLONASSGLONASS、BDBD及及GALILEOGALILEO卫卫星星导导航航系系统统，本本身身都都存存在在着着固固有有的的缺缺陷陷或或人人为为施施加加的的干干扰扰，于于是是，使使用用单单一的卫星导航系统存在着很大风险。一

22、的卫星导航系统存在着很大风险。GPSGPS系系统统受受美美国国国国家家政政策策的的影影响响，随随时时可可能能出出现现人人为为“故故障障”，使使得得非非美美国国的的盟盟国国不不能能利利用用卫卫星星资资源源，或或其卫星信号中存在显著的异常干扰。其卫星信号中存在显著的异常干扰。GLONASSGLONASS系系统统，虽虽然然尚尚无无明明确确的的信信号号干干扰扰政政策策，但但它它由由俄俄罗罗斯斯空空军军控控制制，特特殊殊时时期期的的应应用用难难以以保保证证，而而且且GLONASSGLONASS卫星的稳定性较差，导航精度也成问题。卫星的稳定性较差，导航精度也成问题。5.2 5.2 多星座卫星导航组合多星座

23、卫星导航组合5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）需求需求22由由于于多多星星座座提提高高了了卫卫星星星星座座的的几几何何结结构构，增增强强了了可可用用性（性（availabilityavailability）；GPS/GLONASS/COMPASS/GalileoGPS/GLONASS/COMPASS/Galileo全全部部建建成成后后，卫卫星星覆覆盖盖率率将将极极大大增增强强（星星空空璀璀璨璨100100颗颗卫卫星星以以上上），提提高导航定位的连续性（高导航定位的连续性（continuitycontinuity）；）；多多卫卫星星信信号号组组合合可可以以很很容容易易地地探探测测和和

24、诊诊断断某某类类卫卫星星信信号号的的故故障障和和随随机机干干扰扰，并并及及时时予予以以排排除除或或及及时时给给用用户户发发送送预预警警信信息息，提提高高导导航航系系统统的的抗抗干干扰扰能能力力，从从而而提提高系统的高系统的完好性完好性（integrityintegrity）；）；多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度多卫星系统可提高相位模糊度搜索速度。5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）卫星组合导航的性能优势卫星组合导航的性能优势235 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）卫星组合导航的误差补偿优势卫星组合导航的误差补偿优势系系统统误误差差轨轨道道系系统统误误差差、卫卫星星钟钟差差

25、、多多路路径径误误差差；随随机机误误差差信信号号随随机机误误差差、轨轨道道随随机机误误差差、钟钟差差随机误差随机误差;有色噪声有色噪声太阳光压、随时间变化的钟差太阳光压、随时间变化的钟差;异常误差异常误差周跳、变轨误差周跳、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利用多种导航卫星信号有利于误差补偿提高导航定位的的精度和可靠性精度和可靠性。24 卫星组合导航的缺点卫星组合导航的缺点1 1）存存在在信信号号遮遮挡挡。当当接接收收机机天天线线被被建建筑筑、隧隧道道等等遮遮挡挡时时，卫星信号中断，无法定位。卫星信号中断，无法定位。2 2）抗抗干干扰扰能能力力差差。当当存存在在人人为为干

26、干扰扰时时，接接收收机机码码环环环环路路很容易失锁，导致接收机无法定位。很容易失锁，导致接收机无法定位。3 3）多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。多类卫星信号在同一载体上常形成互相干扰。4 4）数数据据输输出出频频率率低低。尽尽管管目目前前一一些些新新的的GPSGPS接接收收机机可可以以提提供供10 10 HzHz的的无无插插值值定定位位输输出出，但但大大多多数数接接收收机机的的定定位输出频率仍然为位输出频率仍然为1 Hz1 Hz。5 5）GPSGPS、GLONASSGLONASS、GALILEOGALILEO分分别别由由各各自自研研制制国国直直接接控控制制，使用权受制于人。使用权受制于

27、人。5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）25尽尽管管卫卫星星定定位位系系统统具具有有较较高高精精度度和和较较低低的的成成本本，且且具具有有长长期期稳稳定定性性。多多类类导导航航卫卫星星组组合合仍仍然然不不能能完完全全摆摆脱脱卫卫星星信信号号受受遮遮挡挡而而不不能能实实施施导导航航的的风风险险。当当载载体体通通过过遂遂道道或或行行驶驶在在高高耸耸的的楼楼群群间间的的街街道道时时，这这种种信号盲区信号盲区一般不能通过多类卫星组合加以克服。一般不能通过多类卫星组合加以克服。INSINS由由于于具具有有全全天天候候、完完全全自自主主、不不受受外外界界干干扰扰、可可以以提提供供全全导导航航参参

28、数数（位位置置、速速度度、姿姿态态）等等优优点点，是是目目前前最最主主要要的的导导航航系系统统之之一一。INSINS有有一一个个致致命命的的缺缺点：点：导航定位误差随时间积累导航定位误差随时间积累。5.3 5.3 卫星导航与惯性导航的组合卫星导航与惯性导航的组合 需求需求5 5、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）26可发现并标校惯导系统误差，提高可发现并标校惯导系统误差，提高导航精度导航精度。弥补卫星导航的信号缺损问题，提高弥补卫星导航的信号缺损问题，提高导航能力导航能力。提提高高卫卫星星导导航航载载波波相相位位的的模模糊糊度度搜搜索索速速度度，提提高高信信号周跳的检测能力，提高组合号周跳

29、的检测能力，提高组合导航的可靠性导航的可靠性。可可以以提提高高卫卫星星导导航航接接收收机机对对卫卫星星信信号号的的捕捕获获能能力力，提高整体提高整体导航效率导航效率。增增加加观观测测冗冗余余度度，提提高高异异常常误误差差的的监监测测能能力力，提提高高系统的系统的容错功能容错功能。提高导航系统的抗干扰能力，提高提高导航系统的抗干扰能力，提高完好性完好性。6 6、组合导航系统（续）、组合导航系统（续）GNSS GNSS与与INSINS组合导航的优势组合导航的优势27松松 组组 合合 又又 称称 级级 联联 KalmanKalman滤滤 波波(Cascaded(Cascaded Kalman Kal

30、man Filter)Filter)方式。方式。观测量观测量INSINS和和GNSSGNSS输出的速度和位置信息的差值；输出的速度和位置信息的差值；系统方程系统方程INSINS线性化的误差方程；线性化的误差方程；通通过过扩扩展展KalmanKalman滤滤波波（Extended Extended Kalman Kalman Filter=Filter=EKFEKF）对对INSINS的的速速度度、位位置置、姿姿态态以以及及传传感感器器误误差差进进行行最最优优估估计计，并并根根据据估估计计结结果果对对INSINS进进行行输输出出或或者者反反馈馈校正。校正。6 6、卫星导航与惯性导航组合方式、卫星导

31、航与惯性导航组合方式6.1 6.1 松散组合松散组合(Loosely-Coupled Integration)(Loosely-Coupled Integration)松组合基本概念松组合基本概念28GNSSGNSS接接收收机机通通常常通通过过自自己己的的KalmanKalman滤滤波波输输出出其其速速度度和和位位置置，这这种种组组合合导导致致滤滤波波器器的的串串联联，使使组组合合导导航航观观测测噪噪声声时时间间相相关关（有有色色噪噪声声），不不满满足足EKFEKF观观测测噪噪声声为为白白噪噪声声的的基基本本要要求求，严严重重时时可可能能使使滤滤波波器器不不稳定。稳定。几几乎乎无无冗冗余余信信

32、息息，不不利利于于异异常常诊诊断断，不不利利于于进进行行随随机模型改化机模型改化 。松组合的主要缺点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，并使导航精度，并使INSINS具有动基座对准能力。具有动基座对准能力。松组合的主要优点松组合的主要优点6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）29观观测测量量根根据据GNSSGNSS接接收收机机收收到到的的星星历历信信息息和和INSINS输输出出的的位位置置和和速速度度信信息息，计计算算相相应应于于INSINS位位置置的的伪伪距距和和伪伪距距率率，G

33、NSSGNSS接接收收机机测测量量得得到到的的伪伪距距和和伪伪距距速速率率与与INSINS计计算算值的差值。值的差值。通通过过EKFEKF对对INSINS的的误误差差和和GPSGPS接接收收机机的的误误差差进进行行最最优优估估计计，然后对然后对INSINS进行输出或者反馈校正。进行输出或者反馈校正。由由于于不不存存在在滤滤波波器器的的级级联联，并并可可对对GNSSGNSS接接收收机机的的测测距距误误差差进进行行建建模模，因因此此这这种种伪伪距距、伪伪距距率率组组合合方方式式比比位位置置、速速度度组组合合具具有有更更高高的的组组合合精精度度。而而且且在在可可见见星星的的个个数数少少于于4 4颗时

34、也可以使用。颗时也可以使用。6.2 6.2 紧组合（紧组合（Tightly-Coupled IntegrationTightly-Coupled Integration）6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）30深深组组合合是是使使用用惯惯性性导导航航信信息息对对GNSSGNSS接接收收机机进进行行辅辅助助导航的组合方式。导航的组合方式。主主要要思思想想：既既使使用用滤滤波波技技术术对对INSINS的的误误差差进进行行最最优优估估计计，同同时时使使用用校校正正后后的的INSINS速速度度信信息息对对接接收收机机的的载载波波环环、码码环环进进行行辅辅助助跟跟踪

35、踪，从从而而减减小小环环路路的的等等效效带带宽宽，增加增加GPSGPS接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。接收机在高动态或强干扰环境下的跟踪能力。嵌嵌入入式式组组合合将将INSINS和和GNSSGNSS进进行行一一体体化化设设计计，通通过过共共用用电电源源、时时钟钟等等进进一一步步减减小小体体积积、降降低低成成本本和和减减小小非非同步误差的影响。同步误差的影响。6.3 6.3 深组合（深组合（Deeply-Coupled IntegrationDeeply-Coupled Integration）6 6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）、卫星导航与惯性导航组合方式（续）31 思路思路思路思

36、路各各传传感感器器观观测测信信息息分分别别与与动动力力学学模模型型进进行行滤滤波波解解算，得到分滤波结果；算，得到分滤波结果；各分滤波器结果与主滤波器进行融合；各分滤波器结果与主滤波器进行融合；采用联邦滤波原理（采用联邦滤波原理（Federated Klamn filterFederated Klamn filter）7 7、融合导航算法进展、融合导航算法进展7.1 7.1 7.1 7.1 联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法32 联邦滤波算法示意图联邦滤波算法示意图参考系统参考系统局部传感器局部传感器r r局部滤波器局部滤波器r rLr主滤波器主滤波器时时间间传传递递状态转移状态

37、转移融合融合更新更新L1局部传感器局部传感器1 1局部滤波器局部滤波器1 1局部传感器局部传感器2 2局部滤波器局部滤波器2 2L2 原理原理原理原理7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）7.1 7.1 7.1 7.1 联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法(续续续续)33联联邦邦滤滤波波存存在在的的问问题题1.1.1.1.主要问题是主要问题是主要问题是主要问题是LF/LFLF/LFLF/LFLF/LF及及及及LF/MFLF/MFLF/MFLF/MF之间的相关性问题之间的相关性问题之间的相关性问题之间的相关性问题 2.2.2.2.局部传感器和主传感器使用了相同状态方程

38、局部传感器和主传感器使用了相同状态方程局部传感器和主传感器使用了相同状态方程局部传感器和主传感器使用了相同状态方程 精度差精度差精度差精度差 次优次优次优次优可靠性差可靠性差可靠性差可靠性差某一传感某一传感某一传感某一传感器故障器故障器故障器故障原理成立前原理成立前原理成立前原理成立前提？提？提？提？7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）7.1 7.1 7.1 7.1 联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法(续续续续)347 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）联联邦邦滤滤波波算算法法不不是是最最优优算算法法，且且稳稳定定性性无无法法得得到到保保障障（吴

39、德平等，申功勋，（吴德平等，申功勋，20012001）。）。联联邦邦滤滤波波要要求求局局部部传传感感器器采采用用KalmanKalman滤滤波波处处理理，且且局局部部系系统统采采用用相相同同的的转转移移矩矩阵阵和和系系统统噪噪声声矩矩阵阵，实实际际上上许多导航仪内部处理模块并非采用许多导航仪内部处理模块并非采用KalmanKalman滤波器。滤波器。联联邦邦滤滤波波在在融融合合处处理理时时往往往往对对局局部部系系统统噪噪声声矩矩阵阵进进行行统统一一放放大大，对对高高精精度度、高高可可靠靠性性的的传传感感器器造造成成效效率率损损失，而对低精度传感器的误差又得不到应有控制。失，而对低精度传感器的误

40、差又得不到应有控制。特点特点特点特点7.1 7.1 7.1 7.1 联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法(续续续续)35各各局局部部传传感感器器的的滤滤波波采采用用了了相相同同的的或或相相近近的的状状态态方方程程，导导致致主主滤滤波波器器与与各各局局部部滤滤波波器器输输出出量量之之间间以以及及各各局局部部滤滤波波器器输输出出量量之之间间不不独独立立，其其解解不不具具有严格性和最优性。有严格性和最优性。如如果果状状态态方方程程出出现现扰扰动动误误差差，将将影影响响每每个个滤滤波波器器的的性性能能，最最终终影影响响整整体体滤滤波波效效果果，从从而而导导致致导导航航解的可靠性差。解的可靠

41、性差。特点（续）特点（续）特点（续）特点（续）7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）7.1 7.1 7.1 7.1 联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法(续续续续)36 解决相关性问题的现有途径解决相关性问题的现有途径解决相关性问题的现有途径解决相关性问题的现有途径忽忽略略相相关关性性？动动力力学学模模型型导导致致的的相相关关性性，本本质质上上是是动动态态载载体体扰扰动动对对所所有有传传感感器器滤滤波波结结果果影影响响的的相相关关性性，忽忽略略这这种种相相关关性性，有有时时会会带带来来灾灾难难性性的的导航结果。导航结果。各各传传感感器器采采用用不不同同的的状状态态方

42、方程程？但但同同一一动动态态载载体一般很难建立多个独立的动力学模型。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？相关数据融合滤波？数据处理相当复杂。数据处理相当复杂。改变采样间隔改变采样间隔又会产生同步问题。又会产生同步问题。7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）7.1 7.1 7.1 7.1 联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法联邦滤波算法(续续续续)377.2 7.2 7.2 7.2 动、静态滤波算法动、静态滤波算法动、静态滤波算法动、静态滤波算法（杨（杨（杨（杨-武大学报武大学报武大学报武大学报2003200320032003）7 7、融合导航算法进展（续）、融

43、合导航算法进展（续）思路思路思路思路选选择择一一个个精精度度较较高高的的传传感感器器与与动动力力学学模模型型进进行动态滤波解算，得到动态滤波结果；行动态滤波解算，得到动态滤波结果；其其他他传传感感器器观观测测信信息息与与动动态态滤滤波波结结果果进进行行融融合；合；分别采用分别采用KalmanKalman滤波原理和序贯平差原理。滤波原理和序贯平差原理。38动态滤波：动态滤波：，静态滤波：静态滤波：，静态滤波：静态滤波：，传感器传感器2 2：，传感器传感器3 3：，传感器传感器 ：，状态向量估值状态向量估值动、静滤波算法示意图动、静滤波算法示意图7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续

44、）原理原理原理原理7.2 7.2 7.2 7.2 动、静态滤波算法（续）动、静态滤波算法（续）动、静态滤波算法（续）动、静态滤波算法（续）39 特点特点特点特点状状状状态态态态方方方方程程程程信信信信息息息息只只只只在在在在动动动动态态态态滤滤滤滤波波波波阶阶阶阶段段段段使使使使用用用用，随随随随后后后后的的的的静静静静态态态态滤滤滤滤波只使用前一个传感器的滤波解作为状态预报值波只使用前一个传感器的滤波解作为状态预报值波只使用前一个传感器的滤波解作为状态预报值波只使用前一个传感器的滤波解作为状态预报值;动动动动、静静静静态态态态滤滤滤滤波波波波很很很很容容容容易易易易扩扩扩扩展展展展成成成成抗

45、抗抗抗差差差差滤滤滤滤波波波波融融融融合合合合和和和和自自自自适适适适应应应应滤滤滤滤波融合波融合波融合波融合;动、静态滤波解与整体滤波解等价。动、静态滤波解与整体滤波解等价。动、静态滤波解与整体滤波解等价。动、静态滤波解与整体滤波解等价。7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）7.2 7.2 7.2 7.2 动、静态滤波算法（续）动、静态滤波算法（续）动、静态滤波算法（续）动、静态滤波算法（续）407.3 7.3 7.3 7.3 基基基基于于于于几几几几何何何何导导导导航航航航结结结结果果果果的的的的自自自自适适适适应应应应融融融融合合合合导导导导航航航航 (Yang(Yang

46、(Yang(Yang et al.JON 2004)et al.JON 2004)et al.JON 2004)et al.JON 2004)若若若若各各各各传传传传感感感感器器器器均均均均有有有有冗冗冗冗余余余余观观观观测测测测信信信信息息息息，可可可可直直直直接接接接从从从从观观观观测测测测信信信信息息息息进进进进行行行行融融融融合合合合解解解解算算算算，并并并并进进进进行行行行异异异异常常常常诊诊诊诊断断断断及及及及系系系系统统统统误误误误差差差差分分分分析；析；析；析；利利利利用用用用各各各各传传传传感感感感器器器器的的的的几几几几何何何何导导导导航航航航解解解解进进进进行行行行融融融

47、融合合合合，不不不不至至至至于于于于使使使使某某某某一一一一传传传传感感感感器器器器的的的的异异异异常常常常信信信信息息息息污污污污染染染染其其其其他他他他传传传传感感感感器器器器的的的的导导导导航航航航结结结结果，便于传感器的果，便于传感器的果，便于传感器的果，便于传感器的异常诊断异常诊断异常诊断异常诊断；直直直直接接接接融融融融合合合合观观观观测测测测信信信信息息息息一一一一般般般般不不不不会会会会重重重重复复复复使使使使用用用用动动动动力力力力学学学学模模模模型型型型信息，因而不会造成各传感器输出量之间相关。信息，因而不会造成各传感器输出量之间相关。信息，因而不会造成各传感器输出量之间相

48、关。信息，因而不会造成各传感器输出量之间相关。背景背景背景背景7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）417 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）思路思路思路思路各各传传感感器器观观测测信信息息分分别别进进行行单单历历元元静静态态平平差差，获获得得几何导航解；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；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；几何导航解算中可采用抗差估计；与与动动力力学学模模型型信信息息进进行行融融合合时时，引引入入自自适适应应因因子子控控制动力学模型异常的影响；制动力学模型异常的影响；自自适适应应因因子子采

49、采用用几几何何融融合合导导航航结结果果与与动动力力学学模模型型信信息的较差构造。息的较差构造。7.3 7.3 7.3 7.3 基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航 (续续续续)42基于各传感器几何导航解的自适应融合导航基于各传感器几何导航解的自适应融合导航7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）基本原理基本原理基本原理基本原理7.3 7.3 7.3 7.3 基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航 (续

50、续续续)43等价权矩阵为等价权矩阵为信息矩阵为信息矩阵为7 7、融合导航算法进展（续）、融合导航算法进展（续）基本解基本解基本解基本解自适应调节因子满足自适应调节因子满足7.3 7.3 7.3 7.3 基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航基于几何导航结果的自适应融合导航 (续续续续)44基基于于多多传传感感器器局局部部几几何何导导航航结结果果的的自自适适应应融融合合解解具具有有较严密的理论基础较严密的理论基础;局局部部导导航航解解之之间间及及局局部部导导航航解解与与主主滤滤波波器器输输出出量量之之间间不相关不相关,可提高导航解的精度可